P2P原理及UDP穿透简单说明

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Peer-To-Peer缩写P2P
中文称之为对等联网。
用途于交流，比如QQ，MSN等等。
文件传输、分布式数据计算等等。

这里我们主要是是简单讲解一下UDP实现NAT的穿透（俗称打洞）
当然TCP与之相似，可以以此类推。

NAT最开始出现在路由器上。详细的大家可以在网上查下资料
NAT的全称是Network Address Translator中文称之为网络地址转换
NAT分为两大类，NAT和NAPT（Network Address Port Translator）这个不用说了，端口地址转换。

用于实例，简单的说，实现P2P需要一个中转服务器。也就是需要一个第三方。（一会儿我们来说为什么需要一个第三方）

以简单的通迅来讲，首先我们来看一个示例图。

A<——————>B  A与B之间进行的通迅
A的IP地址为222.182.100.1
B的IP地址为222.182.100.2
如果这两个用户都是采用的全球唯一的IP地址，那么他们通迅很简单，也不需要实现P2P。
A<------------------>Nat<-------------------->B
如果其中一方为内网用户，及IP地址不为全球唯一IP
就会出现通过路由器进行通迅。
那么在经过路由器的时候，路由器会出现映射IP地址与端口的情况。
如：A为内网用户。B为外网用户。则B的IP地图为全球唯一IP地址。可以直接通迅。
A的IP地址为：192.168.1.100 端口为1025
经过路由器向B进行通迅，路由器将会产生一个一分钟到几小时不定的一个Session，这个Session映射了内网A的IP地址及其接收信息的端口。
那么路由向B发送信息的时候，IP地址及端口就变成了222.182.100.1:3645(假设)
这个时候实际上A就是在进行路由NAT的穿透，
如果我们在B向A发送信息的时候采用192.168.1.100:1025这样的IP和端口，是找不到A的，因为这个IP不是全球唯一IP。
那么B需要的是在收到A的信息的时候，获取其IP地址和端口，那么获取到的就是222.182.100.1:3645这个路由器的映射Session地址。
B现在只需要向这个映射地址发送消息，路由器就会自动将消息发送到对应的A方去。否则路由器将当作无用包，将这个消息丢弃。
那如，我们现在就实现了局域网向某单个固定外网机器发送消息。
如果再来一台C端，也是外网的IP。C通过222.182.100.1:3645向A发送消息，A是否能收到呢？答案是否定的，A不能收到。为什么？因为路由在映射A的穿透时就记录了B的地址，也就是除了B向这个映射点发送消息可以通向A，其它的地址是不行的。路由器此时会将其当作无用包消息给丢弃掉。
那怎么办呢？只有A再向C发送一个穿透，C才可以向A发送消息。

以上我们只是说了一点基本的理论。接下来我们要实现什么？不同内网通过internet网进行通迅。
再来，我们举个图例

A<----------->NatA<---------->NatB<---------->B
A的地址是：192.168.1.100端口4000
B的地址是：192.168.1.100端口4000
它们两个都是内网的地址。及局域网内部地址。并不是全球唯一地址。
两个路由：
NatA的地址是：222.182.100.1
NatB的地址是：222.182.100.2
这两个路由是外网的地址，及全球唯一地址。

现在我们要实现A与B的通迅。
因为A与B都不是外网地址。所以A不可能向192.168.1.100发送消息。这消息只会它自己收到，因为这个IP是它自己的。同样B也不可以。
那么A向NatB发送消息，B能收到吗？答案是否定的，不能收到。刚才我们提到过。因为路由没有映射B的地址。A并不知道这个Session就连NatB也不知道这个Session因为B没有向A发送消息，并不产生这个Session。
就算B和A同时向双方的路由发送消息，产生的Session，A和B也得不到。因为在路由上就把这个消息当做为无用包给丢弃掉了。

那么这样的情况我们要进行通迅怎么办呢？
对，就是刚才我们提到的第三方。第三方是个什么方呢？
第三方必须是一个拥有固定外网IP的服务方。及一个外网服务器。全唯一IP地址。

图例：
假定我们这个第三方为C
C  IP:222.182.100.3端口4001
A<----------->NatA<--------------->C<-------------------->NatB<------------->B
                    ↑______________________________↑                                                          

原理如下
A通过路由向C发送消息，C获取A的在路由上的Session地址，映射的IP和端口
B同样。
这时候C就有了A和B的地址。
C可以和A、B进行通迅，但是A和B还不行。
现在C需要通知A方B的映射IP和端口。也要通知B方A的映射IP和端口。
这样A就有了B的映射地址，B也有了A的。但是现在还不能进行通迅。
因为在路由上A和B都只有对C的穿透。并没有相互之前的穿透。
那么A要向B发送消息怎么办呢？需要C向B发送一个消息告诉B方A的地址让B向这个地址发送一个消息，对A进行一个穿透。
这样A就可以向B发送消息了。在A向B发送消息的同时，A也在向B进行穿透。
这样就可以实现相互的通迅了。如果有多个端点，也就以此类推了。
宗上所述就是P2P的UDP实现原理了。TCP也是一样的。提示一点。Session在路由上是有时限的，一分钟到几小时不定。不同的路由不同的时间，为了保持这个Session的存在，你需要在固定时间点进行通迅，保持这个穿透，否则就得重新穿透。

值得注意的一点。
路由上的映射有两种情况
第一种情况是：Cone NAT
第二种情况是：Symmetric NAT
我们以上的实现是以Cone Nat为基础的。为什么呢？因为Cone Nat在映射的时候端口是不变的。无论你内网有多少台机器，向外网发送消息在路由上映射的端口都是不变的。
而Symmetric Nat则相反，一个映射一个端口。如果碰到这种情况只有祝你好运了，最好不要猜。(十有八九猜不到。所以不推荐猜)

UDP打洞流程：

1、客户端A登录服务器，服务器将客户端A的私网和公网终结点记录下来。
2、客户端B登陆服务器，服务器将客户端B的私网和公网终结点记录下来。
3、服务器将A的公网终结点发给客户端B。
4、客户端B向客户端A发一个数据包
    （此数据包作用：在客户端B的NAT上建立一个session，
     该session为B分配一个端口，即打了一个往A方向的洞口，
     以后如果有数据包从公网到达此端口，NAT将会把此数据包直接转发给客户端B）。
     但此时客户端A收不到此数据包，因为A端的NAT拦截了这个未曾谋面的数据包。
5、客户端B向服务器报告：已经向A方向打洞，此时服务器将B的公网终结点发给A，
     并命令客户端A往B方向发一个数据包（作用同第4步）。
6、客户端A发送一个数据包到客户端B的公网终结点上。
     此时，客户端B已经接收到A发送过来的这个数据包，
     至此打洞成功，以后A和B可以直接互相发送信息了！

 
Server端打洞流程的编写：

1、 S启动两个网络侦听，一个叫【主连接】侦听，一个叫【协助打洞】的侦听。
2、 A和B分别与S的【主连接】保持联系。
3、 当A需要和B建立直接的TCP连接时，首先连接S的【协助打洞】端口，并发送协助连接申请。
    同时在该端口号上启动侦听。注意由于要在相同的网络终端上绑定到不同的套接字上，
    所以必须为这些套接字设置 SO_REUSEADDR 属性（即允许重用），否则侦听会失败。
4、 S的【协助打洞】连接收到A的申请后通过【主连接】通知B，
    并将A经过NAT-A转换后的公网IP地址和端口等信息告诉B。
5、 B收到S的连接通知后首先与S的【协助打洞】端口连接，
    随便发送一些数据后立即断开，这样做的目的是让S能知道B经过NAT-B转换后的公网IP和端口号。
6、 B尝试与A的经过NAT-A转换后的公网IP地址和端口进行connect，
    根据不同的路由器会有不同的结果，有些路由器在这个操作就能建立连接（例如我用的TPLink R402），
    大多数路由器对于不请自到的SYN请求包直接丢弃而导致connect失败，
    但NAT-A会纪录此次连接的源地址和端口号，为接下来真正的连接做好了准备，
    这就是所谓的打洞，即B向A打了一个洞，下次A就能直接连接到B刚才使用的端口号了。
7、 客户端B打洞的同时在相同的端口上启动侦听。
    B在一切准备就绪以后通过与S的【主连接】回复消息“我已经准备好”，
    S在收到以后将B经过NAT-B转换后的公网IP和端口号告诉给A。

8、 A收到S回复的B的公网IP和端口号等信息以后，开始连接到B公网IP和端口号，
    由于在步骤6中B曾经尝试连接过A的公网IP地址和端口，NAT-A纪录了此次连接的信息，
    所以当A主动连接B时，NAT-B会认为是合法的SYN数据，并允许通过，从而直接的TCP连接建立起来了