《c# 实现p2p文件分享与传输系统》二、设计 - 续（NAT穿透）

2021-07-13 23:14:49

c#实现P2P文件分享与传输系统

二、设计 - 续（NAT穿透）

　　首先要抱歉，因为这些日子较忙，没有写文章，这个系列拖了很久，现在开始继续。

　上一篇文章介绍了p2p系统Tracker Server和Peer，以及文件描述符，本篇接着讲NAT Server的部分。由于p2p网络中使用udp报文，所以只介绍udp穿透。

1. NAT类型

　　NAT（Network Address Translation, 网络地址转换），是指在IP包通过路由设备时，修改其IP地址信息的技术。一般应用是，通过将内网地址转换为公网地址，从而实现多台主机使用一个IP地址访问互联网，在很多网络环境中，均可见到。这项技术的好处我们暂且不谈，对我们来说它的“坏处”是显而易见的，因为中间存在了NAT，给我们的p2p网络中主机之间的通信造成了不小的麻烦。下面开始先简单了解一下NAT的类型。（这里只做简单介绍，针对“一对多”的NAT映射。更加详细、严谨的说明，请看Wikipedia和相关文档 - RFC xxxx。）

　　一般来说，可以把它分为“对称型NAT”和“非对称型NAT（也叫锥形NAT）”。所谓“对称”，是指内部地址与不同的外部地址进行通信的时候，NAT为会话绑定不同的IP和端口。

　　对于NAT可分为“不限型”、“IP受限型”和“IP-端口受限型”：

不限：内网主机Peer通过NAT访问外网Peer1:port1建立了会话，NAT为其分配了ip:port地址，则任何外网主机均可通过ip:port访问内网主机Peer

IP受限：内网主机Peer通过NAT与外网Peer1:port1建立了会话，NAT为其分配了ip:port地址，则只有Peer1可以通过ip:port访问内网主机Peer

IP-Port受限：内网主机Peer通过NAT与外网Peer1:port1建立了会话，NAT为其分配了ip:port地址，则只有Peer1，且从port1发出的会话，可以通过ip:port访问内网主机Peer

　　正确的判断NAT类型，在p2p网络中的NAT穿透中，是很重要的。NAT类型的判断，是由Stun Server来实现，据我所知，有现成的，也有开源项目，这里将不做介绍~

2. NAT 打洞

　　通过以上NAT的特点可知，为了能访问位于受限NAT后面的内网主机Peer，必须让该内网主机先主动向自己发送会话。但是，如何通知内网主机来做这件事呢？这就需要借助NAT Server来实现。NAT Server需要保持可以随时向Peer发送命令的能力，首先就是NAT Server必须位于公网(-_-!)，Peer定时向NAT Server发送心跳包。由之前的分析可知，NAT Server可以无障碍的向Peer发送各种指令。如果你对发送心跳包的间隔拿捏不定，不妨设置为10秒。

　　下面是NAT Server的基本流程

　　1) 外网主机向NAT Server发送打洞请求

　　2) NAT Server向Peer发送打洞命令

　　3) Peer向外网主机发送连接报文

　　4) NAT为外网主机打开了访问内网Peer的权限，打洞完成。

3. 其他

　　根据以上的打洞技术，可以在多种NAT情况下实现穿透，但对于部分情况，例如，两个客户端都处于受限型NAT后面，而其中又至少有一个处于对称型NAT后面，这种技术就无能为力了，此时可以采用“地址-端口预测”的方法（据说迅雷使用了这项技术，据说而已），所谓“端口预测”，是猜测NAT给内网主机分配地址和端口的算法，比如这篇文章的第一幅图里，ip1:port1和ip2:port2，ip1和ip2，port1和port2很可能在数值上相差不远，比如可能是61.22.3.1:13304, 61.22.3.1:13305，这时，通过多发几个端口，就有可能实现打通。实在不行，就只能通过服务器中转了。下面罗列一下在各种NAT情况之下，实现Peer和Peer1之间互联的方法：

　　我们把情况假设在p2p网络中，Peer1向Peer索取数据

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