关于使用UDP(TCP)跨局域网，NAT穿透的心得

关于使用UDP(TCP)跨局域网，NAT穿透的心得

收藏人：360Asura

2015-04-27 | 阅：1  转：2  

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前言：
       最近我用java做了一个C/S的类似QQ之类的IM系统（即时通讯系统），遇到了不能跨局域网通讯的问题，经过在网上，和书上查阅了一些资料，了解了一些情况，现在就总结一下我的解决方案吧（本人也是在不断错误中学习，如果有什么不对的地方，请大家多多指教）。


问题描述：
         一般情况下，只能在同一个子网即同一个虚拟局网里通讯，或者子网访问外网，外网访问不了内网。因为虚拟局域网相对于外网都是透明的，所以外网是不能直接访问子网，举个例子：校园网里的学生信息管理系统（MIS），需要是校园网里面的IP地址才能访问，校园网以外的IP是不能访问，这样的做法的好处不用我多说吧。。
而即时通讯需要相互交流信息，所以需要相互都能访问到，问题是：如何跨子网通讯？

问题分析：

首先，在不同网络点之间（即peer-to-peer对等网络），可以分为以下几种情况：

1.ClientA在子网，ClientB也在同一个子网
2.ClientA在子网，ClientB在外网

3.ClientA在一个子网内，ClientB在另一个子网内

对于第一种情况，不需要经过路由器的转发，可以直接相互通讯。

对于第二种情况，ClientB对于ClientA是公开的，ClientA对于ClientB是透明的。

ClientA-->直接相通-->ClientB，ClientB-->不能直接想通-->ClientA。换句话说，ClientA都能接受到包涵真正发送者IP的数据包；如果ClientA发送数据包给ClientB，ClientB接受数据包的IP来源并不是ClientA，而已中转站（路由器）的IP。

对于第三种情况，两者之间都是相互透明的。

解决方案：

要解决P2P跨局域网，就要用到NAT穿透技术，我在这里先讲UDP穿透，TCP穿透原理一样，实现更简单，这里就不多说了。

NAT的全称是Network Address Translator,网络地址转换。一般是应用于路由器，更详细资料请自己查阅资料吧。
NAT分两大类：
1）NAT
2）NAPT ,Network Address Port Translator,网络地址端口转换
这里默认是用NAT，端口号没有转换，如果是NAPT，实现的原理也是差不多的，只是细节不同。

关于第二种情况，原理如下：
A:192.168.1.10,处于内网
NATA:路由器对外的wlanIP：168.38.2.2；路由器对内的lanIP：192.168.1.10
B:168.38.2.225，处于外网

1.首先，A（内网IP）先向B（外网IP）发送UDP包，NAT会产生session，存放192.168.1.10-- >168.38.2.225的映射关系

此时，A为了B在NAT上打了一个洞

2.接下来，只要B把信息发给NATA，NATA会自动把信息转发给A

这样A,B之间的NATA会有个洞来让两者通讯，但是此方案不适用于第三种情况。

关于第三种情况，原理如下：

需要用到第三方中转站，而且这中转站必须在外网，即全球唯一IP。我是直接一台连接所有客户端的服务器，记录了所有客户端的真实IP（如果是内网IP就记录内网IP），我是用TCP来实现客户端和服务器的通讯，这里要用到了TCP穿透，这里先不讲，最后总结说一下。

或者如图：（ps：图片是网上下载的）

首先，我先介绍下这个服务器的作用。所有的客户端都和服务器建立了面向连接可靠的TCP连接，即服务器--客户端之间可以相互通讯。客户端会向客户端发送自身的真实IP（如A：192.168.1.110），服务器接受到这信息之后，同时也会知道信息源的IP（如：NATA的外网IP:210.38.196.110），因为接受方总能知道信息包的最直接来源。此时，服务器就记录了ClientA的IP、NATA外网IP和ClientB的IP、NATB外网IP。

要想A<------>B之间无需经过第三方的通讯，必须在NATA中为B打个洞，在NATB中为A打个洞。

实际上就是在NATA中存放A（192.168.1.110）--->NATB（外网IP:210.38.196.30）的映射，这样只要是从NATB发送到NATA的，都会转发到A子网中，此过程叫NATA为B打洞。同理NATB也可以为A打洞。

具体过程：server会发送信息告知A，B的NATB的外网IP；告知B，A的NATA的外网IP。这样子，A可以先发送一个数据包到NATB（外网IP：210.38.196.30），NATA会生成一个session记录A————>NATB的映射关系。数据包到达NATB时，NATB因为还未为A打洞，会丢包。然后B向NATA（外网IP:210.38.196.110）发送数据包，NATB会生成一个session记录B————>NATA的映射关系。此时，NATA接受到来自NATB的数据包，会查找下session映射，发现有A————>NATB的映射关系，会把包转发给A。只要A再发信息给NATB时，NATB也会根据session来转发给B。双方打洞完成。

所以对于第二种情况，也可以用此方案，如图：

利用第三方服务器来帮P2P对等点之间的UDP打洞，是比较全面的方案，此方案适用于P2P对等点在任何网络点（说得可能比较绝对吧，大家有什么不同意见记得提出来哦，纯属个人的偏见）

总结：

简单说下TCP穿透原理吧,分四种情况：

1.建立TCP等待连接方和请求TCP连接方在同一个子网，或者是外网（不用穿透）

2.建立TCP等待连接方在外网，请求TCP连接方在内网（请求方会先发请求信息，同时为建立方打洞）
3.建立TCP等待连接方在内网，请求TCP连接方在外网（需要第三方服务器，原理同上面的UDP穿透一样）
4.建立TCP等待连接方，请求TCP连接方分别在不同的子网（需要第三方服务器，原理同上面的UDP穿透一样）

不足：由于我开发的只是简单的即时通讯系统，可能很多复杂的情况我没有考虑进去，例如存在多个NAT的嵌套，NAPTIP地址端口号转换没有考虑进去，路由器中的session的生命周期的不确定（有时候是几分钟，有时候几个小时不定），所以需要定期地进行穿透等等等等。