UDP穿透NAT的原理与实现 C#实现

     论坛上经常有对P2P原理的讨论，但是讨论归讨论，很少有实质的东西产生（源代码）。呵呵，在这里我就用自己实现的一个源代码来说明UDP穿越NAT的原理。

首先先介绍一些基本概念：

    NAT(Network Address Translators)，网络地址转换：网络地址转换是在IP地址日益缺乏的情况下产生的，它的主要目的就是为了能够地址重用。NAT分为两大类，基本 的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。

    最开始NAT是运行在路由器上的一个功能模块。

    最先提出的是基本的NAT，它的产生基于如下事实：一个私有网络（域）中的节点中只有很少的节点需要与外网连接（呵呵，这是在上世纪90年代中期提出的）。那么这个子网中其实只有少数的节点需要全球唯一的IP地址，其他的节点的IP地址应该是可以重用的。

    因此，基本的NAT实现的功能很简单，在子网内使用一个保留的IP子网段，这些IP对外是不可见的。子网内只有少数一些IP地址可以对应到真正全球唯一的 IP地址。如果这些节点需要访问外部网络，那么基本NAT就负责将这个节点的子网内IP转化为一个全球唯一的IP然后发送出去。(基本的NAT会改变IP 包中的原IP地址，但是不会改变IP包中的端口)

    关于基本的NAT可以参看RFC 1631

另外一种NAT叫做NAPT，从名称上我们也可以看得出，NAPT不但会改变经过这个NAT设备的IP数据报的IP地址，还会改变IP数据报的TCP/UDP端口。基本NAT的设备可能我们见的不多（呵呵，我没有见到过），NAPT才是我们真正讨论的主角。看下图：

                                                                         Server S1                        
                                                            18.181.0.31:1235                         
                                                                           |
                                  ^  Session 1 (A-S1)  ^      | 
                                   |  18.181.0.31:1235  |      |  
                                  v 155.99.25.11:62000 v   |   
                                                                          |
                                                                      NAT
                                                                155.99.25.11
                                                                          |
                                  ^  Session 1 (A-S1)  ^      |  
                                   |  18.181.0.31:1235  |      |  
                                    v   10.0.0.1:1234    v      | 
                                                                          |
                                                                    Client A
                                                              10.0.0.1:1234

    有一个私有网络10.*.*.*，Client A是其中的一台计算机，这个网络的网关（一个NAT设备）的外网IP是155.99.25.11(应该还有一个内网的IP地址，比如 10.0.0.10)。如果Client A中的某个进程（这个进程创建了一个UDP Socket,这个Socket绑定1234端口）想访问外网主机18.181.0.31的1235端口，那么当数据包通过NAT时会发生什么事情呢？

    首先NAT会改变这个数据包的原IP地址，改为155.99.25.11。接着NAT会为这个传输创建一个Session（Session是一个抽象的概 念，如果是TCP，也许Session是由一个SYN包开始，以一个FIN包结束。而UDP呢，以这个IP的这个端口的第一个UDP开始，结束呢，呵呵， 也许是几分钟，也许是几小时，这要看具体的实现了）并且给这个Session分配一个端口，比如62000，然后改变这个数据包的源端口为62000。所 以本来是（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的数据包到了互联网上变为了（155.99.25.11:62000 ->18.181.0.31:1235）。

一旦NAT创建了一个Session后，NAT会记住62000端口对应的是 10.0.0.1的1234端口，以后从18.181.0.31发送到62000端口的数据会被NAT自动的转发到10.0.0.1上。（注意：这里是说 18.181.0.31发送到62000端口的数据会被转发，其他的IP发送到这个端口的数据将被NAT抛弃）这样Client A就与Server S1建立以了一个连接。

呵呵，上面的基础知识可能很多人都知道了，那么下面是关键的部分了。

看看下面的情况：

Server S1                                     Server S2
 18.181.0.31:1235                              138.76.29.7:1235
        |                                             |
        |                                             |
        +----------------------+----------------------+
                               |
   ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
   |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
   v 155.99.25.11:62000 v      |      v 155.99.25.11:62000 v
                               |
                            Cone NAT
                          155.99.25.11
                               |
   ^  Session 1 (A-S1)  ^      |      ^  Session 2 (A-S2)  ^
   |  18.181.0.31:1235  |      |      |  138.76.29.7:1235  |
   v   10.0.0.1:1234    v      |      v   10.0.0.1:1234    v
                               |
                            Client A
                         10.0.0.1:1234

   接上面的例子，如果Client A的原来那个Socket(绑定了1234端口的那个UDP Socket)又接着向另外一个Server S2发送了一个UDP包，那么这个UDP包在通过NAT时会怎么样呢？

    这时可能会有两种情况发生，一种是NAT再次创建一个Session，并且再次为这个Session分配一个端口号（比如：62001）。另外一种是 NAT再次创建一个Session，但是不会新分配一个端口号，而是用原来分配的端口号62000。前一种NAT叫做Symmetric NAT，后一种叫做Cone NAT。我们期望我们的NAT是第二种，呵呵，如果你的NAT刚好是第一种，那么很可能会有很多P2P软件失灵。（可以庆幸的是，现在绝大多数的NAT属 于后者，即Cone NAT）

    好了，我们看到，通过NAT,子网内的计算机向外连结是很容易的（NAT相当于透明的，子网内的和外网的计算机不用知道NAT的情况）。

    但是如果外部的计算机想访问子网内的计算机就比较困难了（而这正是P2P所需要的）。

那 么我们如果想从外部发送一个数据报给内网的计算机有什么办法呢？首先，我们必须在内网的NAT上打上一个“洞”（也就是前面我们说的在NAT上建立一个 Session），这个洞不能由外部来打，只能由内网内的主机来打。而且这个洞是有方向的，比如从内部某台主机（比如：192.168.0.10）向外部 的某个IP(比如：219.237.60.1)发送一个UDP包，那么就在这个内网的NAT设备上打了一个方向为219.237.60.1的“洞”，（这 就是称为UDP Hole Punching的技术）以后219.237.60.1就可以通过这个洞与内网的192.168.0.10联系了。（但是其他的IP不能利用这个洞）。

呵呵，现在该轮到我们的正题P2P了。有了上面的理论，实现两个内网的主机通讯就差最后一步了：那就是鸡生蛋还是蛋生鸡的问题了，两边都无法主动发出连接请求，谁也不知道谁的公网地址，那我们如何来打这个洞呢？我们需要一个中间人来联系这两个内网主机。

现在我们来看看一个P2P软件的流程，以下图为例：

 Server S （219.237.60.1）
                          |
                          |
   +----------------------+----------------------+
   |                                             |
 NAT A (外网IP:202.187.45.3)                 NAT B (外网IP:187.34.1.56)
   |   (内网IP:192.168.0.1)                      | (内网IP:192.168.0.1)
   |                                             |
Client A  (192.168.0.20:4000)             Client B (192.168.0.10:40000)

    首先，Client A登录服务器，NAT A为这次的Session分配了一个端口60000，那么Server S收到的Client A的地址是202.187.45.3:60000，这就是Client A的外网地址了。同样，Client B登录Server S，NAT B给此次Session分配的端口是40000，那么Server S收到的B的地址是187.34.1.56:40000。

    此时，Client A与Client B都可以与Server S通信了。如果Client A此时想直接发送信息给Client B，那么他可以从Server S那儿获得B的公网地址187.34.1.56:40000，是不是Client A向这个地址发送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因为如果这样发送信息，NAT B会将这个信息丢弃（因为这样的信息是不请自来的，为了安全，大多数NAT都会执行丢弃动作）。现在我们需要的是在NAT B上打一个方向为202.187.45.3（即Client A的外网地址）的洞，那么Client A发送到187.34.1.56:40000的信息,Client B就能收到了。这个打洞命令由谁来发呢，呵呵，当然是Server S。

    总结一下这个过程：如果Client A想向Client B发送信息，那么Client A发送命令给Server S，请求Server S命令Client B向Client A方向打洞。呵呵，是不是很绕口，不过没关系，想一想就很清楚了，何况还有源代码呢（侯老师说过：在源代码面前没有秘密 8）），然后Client A就可以通过Client B的外网地址与Client B通信了。

    注意：以上过程只适合于Cone NAT的情况，如果是Symmetric NAT，那么当Client B向Client A打洞的端口已经重新分配了，Client B将无法知道这个端口（如果Symmetric NAT的端口是顺序分配的，那么我们或许可以猜测这个端口号，可是由于可能导致失败的因素太多，我们不推荐这种猜测端口的方法）。   

    下面是一个模拟P2P聊天的过程的源代码，过程很简单，P2PServer运行在一个拥有公网IP的计算机上，P2PClient运行在两个不同的NAT 后（注意，如果两个客户端运行在一个NAT后，本程序很可能不能运行正常，这取决于你的NAT是否支持loopback translation，详见http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt， 当然，此问题可以通过双方先尝试连接对方的内网IP来解决，但是这个代码只是为了验证原理，并没有处理这些问题），后登录的计算机可以获得先登录计算机的 用户名，后登录的计算机通过send username message的格式来发送消息。如果发送成功，说明你已取得了直接与对方连接的成功。

    程序现在支持三个命令：send , getu , exit

   

    send格式：send username message

    功能：发送信息给username

   

    getu格式：getu

    功能：获得当前服务器用户列表

   

    exit格式：exit

功能：注销与服务器的连接（服务器不会自动监测客户是否吊线）

 

源代码

注：原文代码是用C++写的，这里仅附上C#代码

1．  WellKnown公用库

namespace P2P.WellKnown

{

    using System;

    using System.IO;

using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;

    /// <summary>

    /// P2PConsts 的摘要说明。

    /// </summary>

    public class P2PConsts

    {

        /// <summary>

        /// 服务器侦听端口号

        /// </summary>

public const int SRV_PORT  = 2280;

    }

        /// <summary>

    /// User 的摘要说明。

    /// </summary>

    [Serializable]

    public class User

    {

        protected string userName;

        protected IPEndPoint netPoint;

 

        public User(string UserName, IPEndPoint NetPoint)

        {

            this.userName = userName;

            this.netPoint = NetPoint;

        }

        public string UserName

        {

            get { return userName; }

        }

 

        public IPEndPoint NetPoint

        {

            get { return netPoint; }

            set { netPoint = value;}

        }

    }

    /// <summary>

    /// UserCollection 的摘要说明。

    /// </summary>

    [Serializable]

    public class UserCollection : CollectionBase

    {

        public void Add(User user)

        {

            InnerList.Add(user);

        }

 

        public void Remove(User user)

        {

            InnerList.Remove(user);

        }

 

        public User this[int index]

        {

            get { return (User)InnerList[index]; }

        }

 

        public User Find(string userName)

        {

            foreach(User user in this)

            {

                if (string.Compare(userName, user.UserName, true) == 0)

                {

                    return user;

                }

            }

            return null;

        }

    }

    /// <summary>

    /// FormatterHelper 序列化，反序列化消息的帮助类

    /// </summary>

    public class FormatterHelper

    {

        public static byte[] Serialize(object obj)

        {

            BinaryFormatter binaryF = new BinaryFormatter();

            MemoryStream ms = new MemoryStream(1024*10);

            binaryF.Serialize(ms, obj);

            ms.Seek(0, SeekOrigin.Begin);

            byte[] buffer = new byte[(int)ms.Length];

            ms.Read(buffer, 0, buffer.Length);

            ms.Close();

            return buffer;

        }

 

        public static object Deserialize(byte[] buffer)

        {

            BinaryFormatter binaryF = new BinaryFormatter();

            MemoryStream ms = new MemoryStream(buffer, 0, buffer.Length, false);

            object obj = binaryF.Deserialize(ms);

            ms.Close();

            return obj;

        }

    }

    /// <summary>

    /// Message base class

    /// </summary>

    [System.Serializable]

    public abstract class MessageBase

    {

    }

 

    // Message from Client to Server

    namespace C2S

    {

        /// <summary>

        /// 客户端发送到服务器的消息基类

        /// </summary>

        public abstract class CSMessage : MessageBase

        {

            private string userName;

            protected CSMessage(string anUserName)

            {

                userName = anUserName;

            }

            public string UserName

            {

                get { return userName; }

            }

        }

        /// <summary>

        /// 用户登录消息

        /// </summary>

        public class LoginMessage : CSMessage

        {

            private string password;

            public LoginMessage(string userName, string password) : base(userName)

            {

                this.password = password;

            }

            public string Password

            {

                get { return password; }

            }

        }

        /// <summary>

        /// 用户登出消息

        /// </summary>

        public class LogoutMessage : CSMessage

        {

            public LogoutMessage(string userName) : base(userName)

            {}

        }

        /// <summary>

        /// 请求用户列表消息

        /// </summary>

        public class GetUsersMessage : CSMessage

        {

            public GetUsersMessage(string userName) : base(userName)

            {}

        }

        /// <summary>

        /// 请求Purch Hole消息

        /// </summary>

        public class TranslateMessage : CSMessage

        {

            protected string toUserName;

            public TranslateMessage(string userName, string toUserName) : base(userName)

            {

                this.toUserName = toUserName;

            }

            public string ToUserName

            {

                get { return this.toUserName; }

            }

        }

    }

 

    // Message from server to the client

    namespace S2C

    {

        /// <summary>

        /// 服务器发送到客户端消息基类

        /// </summary>

        public abstract class SCMessage : MessageBase

        {}

        /// <summary>

        /// 请求用户列表应答消息

        /// </summary>

        public class GetUsersResponseMessage : SCMessage

        {

            private UserCollection userList;

            public GetUsersResponseMessage(UserCollection users)

            {

                this.userList = users;

            }

            public UserCollection UserList

            {

                get { return userList; }

            }

        }

        /// <summary>

        /// 转发请求Purch Hole消息

        /// </summary>

        public class SomeOneCallYouMessage : SCMessage

        {

            protected System.Net.IPEndPoint remotePoint;

            public SomeOneCallYouMessage(System.Net.IPEndPoint point)

            {

                this.remotePoint = point;

            }

            public System.Net.IPEndPoint RemotePoint

            {

                get { return remotePoint; }

            }

        }

    }

 

    // Message from peer to the peer

    namespace P2P

    {

        /// <summary>

        /// 点对点消息基类

        /// </summary>

        public abstract class PPMessage : MessageBase

        {}

        /// <summary>

        /// 测试消息

        /// </summary>

        public class WorkMessage : PPMessage

        {

            private string message;

            public WorkMessage(string msg)

            {

                message = msg;

            }

            public string Message

            {

                get { return message; }

            }

        }

        /// <summary>

        /// 测试应答消息

        /// </summary>

        public class ACKMessage : PPMessage

        {

        }

        /// <summary>

        /// P2P Purch Hole Message

        /// </summary>

        public class TrashMessage : PPMessage

        {}

    }  

}

 

 

2．  P2Pserver

namespace P2P.P2PServer

{

    using System;

    using System.Net;

    using System.Net.Sockets;

    using System.Threading;

    using P2P.WellKnown;

    /// <summary>

    /// AppClass 的摘要说明。

    /// </summary>

    public class AppClass

    {

        public static void Main()

        {

            Server server = new Server();

            try

            {

                server.Start();

                Console.ReadLine();

                server.Stop();

            }

            catch

            {

            }

        }

    }

    /// <summary>

    /// Server 的摘要说明。

    /// </summary>

    public class Server

    {

        private UdpClient server;

        private UserCollection userList;

        private Thread serverThread;

        private IPEndPoint remotePoint;

 

        public Server()

        {

            userList = new UserCollection();

            remotePoint = new IPEndPoint(IPAddress.Any, 0);

            serverThread = new Thread(new ThreadStart(Run));

        }

 

        public void Start()

        {

            try

            {

                server = new UdpClient(P2PConsts.SRV_PORT);

                serverThread.Start();

                Console.WriteLine("P2P Server started, waiting client connect...");

            }

            catch(Exception exp)

            {

                Console.WriteLine("Start P2P Server error: " + exp.Message);

                throw exp;

            }

        }

 

        public void Stop()

        {

            Console.WriteLine("P2P Server stopping...");

            try

            {

                serverThread.Abort();

                server.Close();

                Console.WriteLine("Stop OK.");

            }

            catch(Exception exp)

            {

                Console.WriteLine("Stop error: " + exp.Message);

                throw exp;

            }

 

        }

 

        private void Run()

        {

            byte[] buffer = null;

            while (true)

            {

                byte[] msgBuffer = server.Receive(ref remotePoint);

                try

                {

                    object msgObj = FormatterHelper.Deserialize(msgBuffer);

                    Type msgType = msgObj.GetType();

                    if (msgType == typeof(P2P.WellKnown.C2S.LoginMessage))

                    {

                        // 转换接受的消息

                        P2P.WellKnown.C2S.LoginMessage lginMsg = (P2P.WellKnown.C2S.LoginMessage)msgObj;

                        Console.WriteLine("has an user login: {0}", lginMsg.UserName);

                        // 添加用户到列表

                        IPEndPoint userEndPoint = new IPEndPoint(remotePoint.Address, remotePoint.Port);

                        User user = new User(lginMsg.UserName, userEndPoint);

                        userList.Add(user);

                        // 发送应答消息

                        P2P.WellKnown.S2C.GetUsersResponseMessage usersMsg = new P2P.WellKnown.S2C.GetUsersResponseMessage(userList);

                        buffer = FormatterHelper.Serialize(usersMsg);

                        server.Send(buffer, buffer.Length, remotePoint);

                    }

                    else if (msgType == typeof(P2P.WellKnown.C2S.LogoutMessage))

                    {

                        // 转换接受的消息

                        P2P.WellKnown.C2S.LogoutMessage lgoutMsg = (P2P.WellKnown.C2S.LogoutMessage)msgObj;

                        Console.WriteLine("has an user logout: {0}", lgoutMsg.UserName);

                        // 从列表中删除用户

                        User lgoutUser = userList.Find(lgoutMsg.UserName);

                        if (lgoutUser != null)

                        {

                            userList.Remove(lgoutUser);

                        }

                    }

                    else if (msgType == typeof(P2P.WellKnown.C2S.TranslateMessage))

                    {

                        // 转换接受的消息

                        P2P.WellKnown.C2S.TranslateMessage transMsg = (P2P.WellKnown.C2S.TranslateMessage)msgObj;

                        Console.WriteLine("{0}(1) wants to p2p {2}", remotePoint.Address.ToString(), transMsg.UserName, transMsg.ToUserName);

                        // 获取目标用户

                        User toUser = userList.Find(transMsg.ToUserName);

                        // 转发Purch Hole请求消息

                        if (toUser == null)

                        {

                            Console.WriteLine("Remote host {0} cannot be found at index server", transMsg.ToUserName);                          

                        }

                        else

                        {

                            P2P.WellKnown.S2C.SomeOneCallYouMessage transMsg2 = new P2P.WellKnown.S2C.SomeOneCallYouMessage(remotePoint);

                            buffer = FormatterHelper.Serialize(transMsg);

                            server.Send(buffer, buffer.Length, toUser.NetPoint);                           

                        }

                    }

                    else if (msgType == typeof(P2P.WellKnown.C2S.GetUsersMessage))

                    {

                        // 发送当前用户信息到所有登录客户

                        P2P.WellKnown.S2C.GetUsersResponseMessage srvResMsg = new P2P.WellKnown.S2C.GetUsersResponseMessage(userList);                       

                        buffer = FormatterHelper.Serialize(srvResMsg);

                        foreach(User user in userList)

                        {

                            server.Send(buffer, buffer.Length, user.NetPoint);

                        }

                    }

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