P2P技术详解

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本文参考博客： https://rebootcat.com/2021/03/28/p2p_nat_traversal/

阅读本文的前置条件

必须阅读NAT类型与检测NAT类型

本文假设你已满足前置条件，了解NAT类型，STUN与UPnP这两种P2P技术。

本文主要根据不同场景介绍各种nat类型设备间的UDP打洞技术，针对一些技术细节展开拓展性讨论，最后对P2P可行性等级进行总结。

如果不想了解任何技术细节，可以直接点击我 查看文末的P2P可行性等级划分。

场景预设

现在假设你的设备已通过UDP打洞（STUN）获取到了目标的IP与端口信息，你的设备会：

• 先向公⽹服务器发起请求，探测⾃⼰是不是在⼀个 NAT 下
• 如果不在NAT下，说明自己是公网节点，可以与目标建立连接（让目标主动连接）
• 如果在，则获取⾃⼰的 NAT 类型是什么，根据不同的类型采取相应不同的策略

注意：A 和 B 均要与 公网服务器 一致保持连接心跳，确保 NAT 映射端口有效。

以下介绍不同场景下的打洞策略。

• 节点 A 在 NAT 下面，节点 B 在公网环境中
• 节点 A 和 B 在相同的 NAT 下
• 节点 A 和 B 在不同的 NAT 下
  • A 和 B 均是锥形 NAT
  • A 和 B 分别是对称型和普通锥形
  • A 和 B 分别是对称型和端口限制型
  • A 和 B 都是对称型

节点 A 在 NAT 下面，节点 B 在公网环境中

打洞策略一句话概括：只要保证节点 A 主动向节点 B 发起连接，两者就可以连接成功。以下详细解析的假设前提为A是锥型NAT。

在这个场景中：

• 节点B（公网）：它拥有固定的公网IP和开放的端口，任何设备都可以直接向(B_public_ip:B_port)发送数据。
• 节点A（NAT后）：它没有直接可达的公网IP。但它可以通过向公网服务器发送心跳包，在自身的NAT上打开一个“洞”，假设映射为(A_public_ip:A_public_port)。

仅仅知道“A主动连接B”是不够的，一个健壮的实现需要以下步骤：

阶段一：信息交换与准备

1. 通过公网服务器协调：节点A和节点B都连接到同一个公网服务器S。
2. B宣告自身地址：节点B将自己的公网地址(B_public_ip:B_port)通过服务器S告知节点A。同时，B开始在B_port上启动UDP监听，等待 incoming connections。
3. A获取B的地址：节点A从服务器S处获取到B的公网地址。

阶段二：A侧“洞”的建立与连接发起

A向B发送打洞包：这是最关键的一步。节点A主动地向节点B的地址(B_public_ip:B_port)发送一个或多个UDP数据包。这个数据包的内容可以是握手信息、任意有效载荷，甚至是一个空包。

• 作用：
  • 对于节点B：它收到了来自(A_public_ip:A_public_port)的包，因此它知道了A在公网上的映射地址。B现在可以直接向A的地址回复数据。
  • 对于节点A的NAT设备：这个出站数据包创建或刷新了一条映射规则：“任何从(A_private_ip:A_private_port)发往(B_public_ip:B_port)的流量，都使用公网地址(A_public_ip:A_public_port)”。由于是锥型NAT，这个“洞”现在也允许来自B的、发往A_public_port的入站数据包通过。

阶段三：B侧响应与连接确认

1. B向A回复确认包：节点B在收到A的打洞包后，立即向记录的A的公网地址(A_public_ip:A_public_port)发送一个UDP回复包。
2. 连接建立：B的回复包会顺利通过A的NAT设备（因为“洞”刚刚由A的出站包打开），到达节点A。至此，一条双向的P2P UDP通道就成功建立了。

总结

当节点A在NAT后而节点B在公网时，打洞策略的精髓在于利用锥型NAT对出站请求的宽松回放策略。通过由内网方（A）主动发起连接，巧妙地“引导”NAT设备为这次P2P通信打开一个双向的通道。实现上，需要公网服务器进行信息中介，并辅以持续的心跳和保活机制来维持通道的稳定性。这是一个高效且可靠的策略，是更复杂P2P打洞场景的基础。

如果A是对称NAT，情况会复杂一些。因为对称NAT在为A分配公网端口时，不仅看源地址，还看目标地址。A向B发包时使用的公网端口A_public_port_B，与A向服务器S发心跳时使用的公网端口A_public_port_S可能是不同的。这意味着B无法使用从服务器S那里得到的A的地址来连接A。

对于对称NAT，唯一的方法就是让A向B发送打洞包，并使用这个新创建的、专门用于与B通信的映射来建立连接。信息交换和连接流程不变，但开发者需要理解其端口的动态性。这在后面的场景也会再次提到。

节点 A 和 B 在相同的 NAT 下

这个场景通常被称为“局域网内互联”或“NAT回流”。

以下情况都属于A和B位于相同NAT下：

• 同一个家庭或办公室Wi-Fi网络：你的手机和你的笔记本电脑连接到同一个家用路由器。这是最常见的情况。
• 同一个公司或校园网络：公司内部不同部门的电脑，或者大学宿舍里不同同学的电脑，可能都通过同一个出口网关（NAT设备）访问互联网.
• 同一个蜂窝移动网络基站：在某些情况下，同一基站下的两台移动设备可能会共享一个公网IP地址.
• 同一个咖啡馆/机场的公共Wi-Fi：所有连接该热点的设备都处于同一个NAT之后

这个场景的复杂性在于，设备A和B通过公网服务器S看到的对方地址，是它们的“公网映射地址”，而不是它们在局域网内的真实IP。

我们假设：

• 局域网：192.168.1.0/24
• 路由器/NAT公网IP：203.0.113.1
• 节点A：192.168.1.100:54320
• 节点B：192.168.1.101:12345

当A和B分别连接公网服务器S时：

• S看到A的地址是：203.0.113.1:60000（NAT为A分配的映射）
• S看到B的地址是：203.0.113.1:60001（NAT为B分配的映射）

现在，如果A简单地使用从S那里获取的B的地址（203.0.113.1:60001）去发起连接，会发生什么？

这取决于NAT设备的“回环地址转换” 能力：

• 支持回环地址转换的NAT：
  • A发出的数据包（源：192.168.1.100:54320， 目标：203.0.113.1:60001）到达路由器。
  • 路由器识别出目标IP203.0.113.1就是自己，并且目标端口60001映射的是内网设备192.168.1.101:12345。
  • 于是路由器将数据包“绕回”内部，直接发送给B
  • 结果：连接成功，但数据包走了不必要的路径（出到路由器再绕回来），增加了延迟和路由器负载
• 不支持回环地址转换的NAT
  • A发出的数据包到达路由器
  • 路由器无法将目标为自身公网IP的包正确转发回内网，它可能会丢弃这个包，或者不知道如何处理
  • 结果：连接失败。两个在同一个房间里的设备，无法通信，因为它们的连接策略是错误的

所以一个优秀的P2P打洞策略必须能处理这种情况，核心思想是：优先尝试直接使用局域网地址进行通信。

阶段一：信息收集与地址发现

节点A和B在通过服务器S交换地址时，不应只交换一个公网地址，而应交换一个“地址候选列表”。这个列表应包括：

• 主机候选：设备自身的局域网IP地址（如192.168.1.100:54320）。
• 服务器反射候选：从STUN服务器获取的公网映射地址（如203.0.113.1:60000）
• （可选）中继候选：如果使用了TURN服务器，还会有一个中继地址

阶段二：并行连接尝试

当A准备与B连接时，它会同时使用B的多个候选地址发起连接尝试。同样，B也会做同样的事情。这个过程通常由ICE框架自动化完成。

1. 尝试局域网直连：
   • A向B的“主机候选”（192.168.1.101:12345）发送连接请求。
   • B也向A的“主机候选”（192.168.1.100:54320）发送连接请求。
   • 结果：如果成功，这是最优路径，延迟最低，不消耗公网带宽。
2. 尝试公网地址打洞：
   • 同时，A也向B的“服务器反射候选”（203.0.113.1:60001）发送打洞包。
   • 同时，B也向A的“服务器反射候选”（203.0.113.1:60000）发送打洞包。
   • 结果：
     • 如果NAT支持回环，这条路径也能建立连接，作为备选。
     • 如果设备不在同一NAT下（比如B在另一个家庭网络），那么步骤1的局域网直连会失败，而这一步的公网打洞将成功建立连接。

阶段三：选择最优连接

A和B之间会通过ICE的连通性检查，确定哪些候选地址对之间可以通信。它们会优先选择网络路径最优的那个连接（通常是局域网直连），并关闭其他不必要的连接尝试。

节点 A 和 B 在不同的 NAT 下

节点 A 和 B 的 NAT 可能是任意一种 NAT 类型，分以下场景进行探讨

• A 和 B 均是锥形 NAT（NAT1/2/3）
• A 和 B 分别是对称型NAT4和普通锥形(NAT1/2)
• A 和 B 分别是对称型MAT4和 端口限制型NAT3
• A 和 B 都是对称型NAT4

A 和 B 均是锥形 NAT

锥形 NAT 之间能够很轻易打洞成功，具体流程如下：

以下流程假定已经完成了 NAT 类型探测，A/B 知道自己的 NAT 类型，以及通过 NAT 映射出去的端口 PA1/PB1。

• A 向 server 发起与 B 的打洞请求，server 向 B 转发打洞请求，同时A 向 PB1 直接发送探测包，那么 A 为 B 在 PA1 已经成功打洞，但是 A 的消息无法到达，因为 B 的 NAT 会将不明的地址(PA1) 丢弃。（注意：这里有可能不是丢弃，而是拒绝）
• B 收到从 server 转发过来的打洞请求后，向 PA1 直接发送探测包，这时 B 的 NAT 可以放行 PA1 的消息了，也就是 B 为 A 在 PB1 上完成了打洞。
• 至此，A 和 B 消息能够互通，打洞成功

A 和 B 分别是对称型和普通锥形

假设 A 是对称 NAT，B 是普通锥形：

• A 向 server 发起与 B 的打洞请求，server 向 B 转发打洞请求，同时发送探测包到 PB1，这个探测包是从 PA2 发出的，不是 PA1(因为对称型)。也就是 A 在端口 PA2 为 PB1 完成打洞，同时 B 的 NAT 会丢弃来自不明地址 PA2 的包。（注意：这里有可能不是丢弃，而是拒绝）
• B 收到从 server 转发过来的打洞请求，向 PA1 发送初始探测包（一开始不知道 PA2)，这个时候 B 已经为 A 在 PB1 打好洞，至此 PA2 的消息能够通过 PB1 到达 B。（注意：因为是普通锥形，不对端口做限制，所以从不同端口 PA2 过来的包能被 B 接受）
• 经过步骤2，B 可以收到 PA2 的消息，同时结合 A 的 NAT 类型，重新改发探测包到 PA2，于是 A 在 PA2 能收到 PB1 的探测包，至此 A 和 B 消息可以互通，打洞成功

如果 A 和 B 正好角色相反，那么可以调整打洞的方向即可

A 和 B 分别是对称型和端口限制型

原本大致过程是同上面一种场景，但是由于 B 是端口限制型 NAT，会导致 PB1 只允许 PA1 通过（上面红色字体部分B 已经为 A 在 PB1 打好洞），从而 PA2 过来的包会被 B 的 NAT 拒绝，导致打洞失败。

那假如 B 探测包不是发往 PA1 而是 PA2 呢？那 A 和 B 就能打洞成功。

那么问题来了，B 如何知道 PA2 呢？

通常来讲，有两种办法：

• 端口探测
• 端口预测

端口探测

对于对称型的 NAT在映射内网端口的时候，有一些 NAT 设备会采取比较傻瓜的端口分配方法，比如进行简单的线性变化。

• 比如每次分配的端口号递增 1
• PA2 = (PA1 + PB1 + IPA + IPB) % 65535

对于这种 NAT，要探测这种特性需要用到两台及以上的公网 server，通过与不同的 server 连接映射的公网 Port，归纳总结自己的 NAT 映射规律，那么对于 B 来说，打洞的时候第一次向 A 发包，就直接往 PA2 发包就好了。

端口预测

有一些对称型 NAT 为了安全考虑，分配端口的方法难以预测，比如随机分配端口，那么对于这种情况，如何预测端口号呢？

基于一个理论：生日攻击理论

生日攻击理论讲的是在一个班级里，每个人的生日可能是 365 天里的任何一天，每年有 365 天，如果要让 至少有两人的生日相同的概率超过 50%，问这个班级最少需要多少人？

在一个班级中，每个人的生日是均匀分布的，每年有365天。要计算至少两人生日相同的概率超过50%，需要先计算所有人生日都不同的概率，然后用1减去该概率。

所有人生日都不同的概率 P(所有不同)P(所有不同) 为：

至少两人生日相同的概率 P(至少一对相同)P(至少一对相同) 为：

通过计算，当 n=23 时：

班级最少需要 23 人才能使至少两人生日相同的概率超过50%。

所以，生日攻击理论说的直白点就是，利用了远小于样本集的尝试次数，就能够很大概率获得两个相同的碰撞采样结果。

那么针对端口号的样本集 65535，实际是 (1025, 65535]，双方随机打洞需要尝试多少次（打多少洞）才能刚好碰撞成功呢？

其实也就是将公式中的365改成65535，概率调高成80%，计算得到尝试次数为 460 次。（也就是班级至少要有460人）

也就是说对于 B 来说，可以尝试随机往 A 的 460 个不同的端口发探测包，就有 80% 的概率能够正好预测到 NAT-A 随机分配的 PA2。 460 个探测包的代价基本可以忽略不计。

至此，可以完美实现对称型和端口限制型的打洞。

A 和 B 都是对称型

由于 A 和 B 均是对称型 NAT，那么比上面一种场景更严格，A 和 B 探测得到的公网 Port 均会被修改，无法完成打洞。

拓展：NAT 对陌生地址包的行为

上面能够打洞成功的场景下，都是基于一个前提： NAT 对陌生地址发来的包采用的是丢弃策略。这里的陌生地址指的是自己没有主动往外发包的 {dest_ip, dest_port} 对。

如果不是丢弃，而是采用黑名单机制呢？为了安全考虑，有一些 NAT 在收到陌生地址的包后，会触发防火墙模块，并且在自己的 deny 列表中增加一项{PA2, PB1}，随后自己再往 A 发包的时候，本来打算使用 PB1 进行发包，但是发现 deny 列表里已经存在了 PB1，于是会重新选择一个端口号 PB2 发包。于是对于这种锥形 NAT 会退化成对称型的 NAT。

知道了这个原理，要解决也很容易。

• 设置有限 TTL，避免惊动对方防火墙
• 一开始 A 往 B 发包，可以设置 TTL 为 3，这个数大到足够通过自己的外网 NAT(可能有多层)，又会被中间的某个运营商 router 丢弃，从而不会惊动 B 的防火墙模块，同时为 B 打好了洞。
• 同理，B 也做类似的操作，为 A 打好洞
• A 和 B 两边都等待一段时间，比如 2 s
• 再互相发探测包，不用设置 TTL，打洞成功。

关于 TTL 的值设置为多少，需要做一定的探测，不然可能设置过小，也许都没有走出自己的 NAT，设置过大，可能导致惊动了对方的防火墙

可见以上设置有限TTL的方法网络工具和应用支持才可配置TTL，如果不支持，只能选择尝试改变NAT的黑名单策略。

一般自己买的路由器不可能这么变态而直接默认防火墙黑名单策略，所以如果遇到这种黑名单策略的情况，尽可能将光猫调为桥接模式，路由器直接拨号上网。

拓展：TCP 打洞的可行性

TCP 也能实现 NAT 打洞，只不过相比 UDP 会更复杂一点。原因是：

• 一个UDP套接字由一个二元组来标识，该二元组包含一个目的地址和一个目的端口号；而一个TCP套接字是由一个四元组来标识，包括源IP地址、源端口号、目的IP地址、目的端口号
• TCP 套接字仅允许建立 1 对 1 的响应，即应用程序将一个套接字绑定到本地的端口后，试图将第二个套接字绑定到该端口的操作都会失败

基本的TCP打洞策略如下：

1. A 和 B 分别位于不同的 NAT 下面
2. A 启动 tcp client，bind 一个 local_port PA1’，执行 connect 连接公网 tcp server，server 获取 A 的映射公网端口 PA
3. B 同上，B 启动 tcp client，bind 一个 local_port PB1’，执行 connect 连接公网 tcp server，server 获取 B 的映射公网端口 PB
4. A 和 B 保持和 server 的连接，不断开，避免各自的 NAT 上的映射规则过期 {PA1’ → PA} 和 {PB1’ → PB1}
5. A 和 B 通过 server 互相获取对方的公网 Port PA1 和 PB1，准备开始打洞
6. A 新启动一个 tcp 套接字，使用 SO_REUSEADDR/SO_REUSEPORT 绑定到之前与 server 连接的本地端口，也就是 PA1’，并且调用 listen 处于等待监听状态
7. B 同上，bind PB1’ 并且调用 listen 处于监听状态
8. A 再新建一个套接字 bind 到之前的端口，调用 connect 发起向 PB1 的连接，也就是 A 往 PB1 发送 syn 包，也就是为 B 打洞，NAT-B 会丢弃这个包
9. 同时 B也再新建一个套接字 bind 到之前的端口， 也调用 connect 发起向 PA1 的连接，也就是 B 往 PA1 发送 syn 包，也就是为 A 打洞
10. 假设 A 发送完 syn 之后，B 的 syn 包达到了 NAT-A，NAT-A 能通过，这个时候有的 linux 系统上 A 会认为自己的异步 connect 调用成功，同时利用相同的 seq 发送 SYN+ACK 包 到 PB1，NAT-B 也能顺利通过，再返回 ACK 包，连接建立成功；有的 linux 系统会走正常的 accept 操作，也能顺利建立连接

P2P可行性分级表

根据以上详细分析，分以下三个等级↓

• 优：理想P2P条件。有一方或双方无需NAT（即NAT0），这种情况下可直连。
  • 双方均 支持IPv6。
  • 一方支持IPv4，另一方可为任意NAT类型。
• 良：可靠P2P连接。映射稳定，过滤宽松，STUN打洞成功率接近100%
  • 一方为NAT1，另一方为任意NAT类型，近似直连。
  • 双方均为NAT2或NAT3
  • 任意一方为NAT4,另一方为NAT1或NAT2。
• 差：对打洞时序要求严格，成功率中等，可能需要依赖TURN中继
  • 任意一方为NAT4，且另一方为NAT3。需要STUN进行端口预测（生日攻击）
  • 双方均为NAT4。神仙难救。必须使用TURN中继