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以下將要用到一個叫做NAT的重要名詞，先做點解釋。 NAT是Net Address Translation(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)的簡稱，就是說，局域網(wǎng)通常靠一個具有公網(wǎng)IP的代理網(wǎng)關(guān)服務(wù)器連到Internet共享上網(wǎng)。局域網(wǎng)內(nèi)的機器并不具備公網(wǎng)IP地址，它只有內(nèi)網(wǎng)地址，假設(shè)它要和Internet上的HTTP服務(wù)器通信，代理網(wǎng)關(guān)便會新建一個端口來和這個網(wǎng)內(nèi)機器關(guān)聯(lián)，并通過這個端口來和HTTP服務(wù)器交換數(shù)據(jù)。最終，網(wǎng)內(nèi)機器－>代理網(wǎng)關(guān)－>HTTP服務(wù)器，在一個會話期間，各自的端口保持了映射關(guān)系，特別是代理網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)內(nèi)機器的端口映射，使得代理網(wǎng)關(guān)不會把接收到的數(shù)據(jù)向網(wǎng)內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)時，發(fā)錯了機器。 局域網(wǎng)內(nèi)的機器在網(wǎng)關(guān)處，就是靠NAT來映射端口并實現(xiàn)Internet連接，因此，NAT也直接被稱為“端口映射”。端口映射之后，在一個會話期間保持，對于TCP連接是直到連接斷開才銷毀，而對于UDP，卻存在一個不定的生存期，例如2秒。 如果兩臺機器A和B，分別處于兩個局域網(wǎng)內(nèi)，它們要通過Internet通信，這就是P2P(點到點)連接通信。 目前的Internet使用IPv4協(xié)議，采用32位IP地址，主要被用來進行C/S形式的通信，需要共享的資源集中放于Internet服務(wù)器上。IPv4對于P2P分布式資源共享的支持，極不友好。首先，32位IP地址已經(jīng)不敷使用，公網(wǎng)IP地址日趨緊張，只能使用局域網(wǎng)共享公網(wǎng)IP的方式，局域網(wǎng)正是為了臨時應(yīng)對IP耗盡而出現(xiàn)的，長遠的解決辦法是研究IPv6。其次，分別處于兩個局域網(wǎng)內(nèi)的機器要通信，由于對方?jīng)]有公網(wǎng)IP，直接呼叫對方是不可能的，必須借助第三方“中介”(機器或者軟件)間接地連通，解決辦法下列幾種： 第一：實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，就是寫一個類似于TCP/IP的協(xié)議，由它來代替Windows系統(tǒng)里的TCP/IP協(xié)議，由它直接基于網(wǎng)卡硬件獲取數(shù)據(jù)。這是十分復(fù)雜的。 第二：用Internet上的公網(wǎng)服務(wù)器中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，但對于大數(shù)據(jù)量的中轉(zhuǎn)，顯然受到服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)的負載極限的限制。 第三：依靠Internet上的公網(wǎng)服務(wù)器做“媒人”，將這兩臺分別處于不同局域網(wǎng)的機器相互介紹給對方，在它們建立連接之后，服務(wù)器即脫離關(guān)系。這種方式下，服務(wù)器把A的NAT端口映射關(guān)系告訴B，又把B的NAT端口映射關(guān)系告訴A，這樣AB相互知道對方的端口映射關(guān)系之后，就能建立連接。因為A和B各自的端口映射關(guān)系是靠各自的代理網(wǎng)關(guān)動態(tài)建立的，動態(tài)建立的映射端口不得不告知對方。 第四：上面的第三種辦法，也可以采用靜態(tài)端口映射方式，這樣就不需要中介服務(wù)器對A和B做介紹。在各方的代理網(wǎng)關(guān)上，可以在代理工具里將某個端口(如1350)和局域網(wǎng)內(nèi)的某臺機器(如內(nèi)網(wǎng)IP為200.200.200.100，端口1360)做好靜態(tài)映射，這樣，代理網(wǎng)關(guān)會自動地將出入于1350端口的數(shù)據(jù)發(fā)往200.200.200.100的1360端口。當然，通信之前，必須對對方的端口映射關(guān)系做配置。有多少臺網(wǎng)內(nèi)機器要通信，就得映射多少個不同的端口，同時在另一個局域網(wǎng)內(nèi)的機器就要做多少個配置。在局域網(wǎng)內(nèi)搭建HTTP、FTP等服務(wù)器就是通過靜態(tài)映射端口來實現(xiàn)的，這個端口一般不是HTTP、FTP的默認80和23，所以對這類站點的訪問往往會在URL里加上端口號。 由此可見，上述前兩種辦法在簡單應(yīng)用中是不可取的，只有后兩種可行。它們又各有缺點，第三種動態(tài)映射端口，需要增加中間服務(wù)器，第四種靜態(tài)映射端口，在需要通信的各方機器很多的情況下，做手工端口映射和配置都是很繁瑣的，并且一方添加一臺機器，就需要在其余對方增加配置。 采用動態(tài)和靜態(tài)相結(jié)合的辦法是可以推想的，然而其可行性還必須經(jīng)過測試?？梢赃@樣設(shè)計，為了讓所有通信機器彼此知曉并定位。我們可以在局域網(wǎng)里，只對一臺機器在代理網(wǎng)關(guān)處做靜態(tài)端口映射，本局域網(wǎng)內(nèi)的機器都向它登記。而兩個局域網(wǎng)各自只做一項對對方的映射配置。兩個局域網(wǎng)之間，沒有靜態(tài)映射端口的機器要通信，就靠有映射的機器來擔(dān)當“介紹”。 就局域網(wǎng)和NAT的問題實際上還很多，比如各自的局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)不同，局域網(wǎng)里可能又有子局域網(wǎng)，局域網(wǎng)可能是NAT代理結(jié)構(gòu)，但也可能是HTTP代理，Sock4、Sock5代理等結(jié)構(gòu)，NAT又分嚴格的和非嚴格NAT，嚴格NAT限制很多，更不便于P2P。不過，軟件不能實現(xiàn)的地方，可以考慮改變硬件結(jié)構(gòu)，例如將嚴格NAT變?yōu)榉菄栏馧AT。如果硬件改變不得，那么Internet整體上就有10％的系統(tǒng)不能實現(xiàn)P2P，除非等到正處于研發(fā)的IPv6協(xié)議出來。 P2P要解決的唯一技術(shù)難題是如何發(fā)現(xiàn)、定位和尋址對方，就是如何穿透NAT、HTTP、Sock等代理和如何穿透防火墻找到對方并建立起通信的問題。由于絕大多數(shù)局域網(wǎng)是NAT代理結(jié)構(gòu)，所以前面對NAT論述比較詳細，也是網(wǎng)上討論最多的話題，相比之下，穿透Http、Sock代理就簡單一些。此外，穿透NAT發(fā)現(xiàn)對等點的辦法還有一些，例如多播，但由于現(xiàn)有Internet對多播并不友好，同時多播是無連接和不可靠的，其實現(xiàn)有難度。 許多軟件都是按照上述一些技術(shù)實現(xiàn)了P2P通信，著名的有MSN、QQ和BitTorrent下載軟件等。 實際上，圍繞P2P通信，尤其是兩個不同局域網(wǎng)間的P2P，已經(jīng)有許多的P2P協(xié)議和開發(fā)包涌現(xiàn)。例如，Sun公司以Java寫的開發(fā)包Jxta，微軟在Windows XP平臺上有P2P的β版開發(fā)包，Intel公布.Net平臺上的P2P應(yīng)用開發(fā)工具包，放到微軟有關(guān).Net平臺的新聞?wù)军cwww.上供用戶免費下載。 但是利用它們來開發(fā)程序，非常繁瑣，我們需要用簡單的實現(xiàn)完成功能就可以了。 如果想研究得更深入仔細，請從Sun公司的網(wǎng)站和微軟網(wǎng)站下載開發(fā)包，或者在Google里 搜索協(xié)議和開發(fā)包。 下面其實有兩個實例，講述連通的過程，包括簡單偽代碼。 我們不希望在IP層實現(xiàn)我們的P2P，而是希望在應(yīng)用層，利用Windows提供的Socket建立P2P，至多下到用原始Raw Socket來寫P2P。 首先看，我們對于公網(wǎng)有服務(wù)器做“中介(非中轉(zhuǎn))”的P2P怎么實現(xiàn)。 原理講述： 例如AB兩臺機器分別處于兩個不同的局域網(wǎng)后，由Server做中介，先看連接過程。 A首先連接服務(wù)器，采用UDP發(fā)包給Server，這個包包括了A的用戶信息，類似于QQ的 QQ號、呢稱等。Server方，可以用CSocket::GetPeerName()得到A的IP及端口，但得到的IP和端口應(yīng)該是A的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)PublicIP及其映射端口NatPort，該映射端口就是A的代理網(wǎng)關(guān)為A的本次UDP通信臨時分配的Nat端口?？梢詳嘌?，得到的端口一定不是A的內(nèi)網(wǎng)IP和內(nèi)網(wǎng)UDP端口。 服務(wù)器然后將A的公網(wǎng)IP、映射端口、用戶信息等保存到(內(nèi)存列表或者數(shù)據(jù)庫)，這樣標志著A已經(jīng)上線。服務(wù)器馬上將其它在線的用戶信息發(fā)回給A，包括其它用戶的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)IP及Nat端口。A同樣將在線用戶的這些信息保存并顯示為列表，期待A用戶做出選擇。 對于B，同樣有上述的上線過程。 當A用戶做出選擇，要和在線的B用戶通信時，A首先發(fā)UDP包給B的公網(wǎng)IP及Nat端口，并立即發(fā)一個UDP包給服務(wù)器，讓服務(wù)器去通知B，叫B給A也發(fā)一個UDP包。 換句話說，1、A發(fā)包給PublicB, 2、A發(fā)包給Server，3、Server發(fā)包給PublicB，4、B發(fā)包給PublicA。 上面的敘述用到了"Public"字樣，它代表代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)IP及其映射端口。 由于A和B各自的網(wǎng)關(guān)都保存了各自的端口映射關(guān)系，發(fā)到網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)會按照這個映射關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給A和B。 當A和B都分別收到對方發(fā)來的UDP包以后，連接宣告成功，服務(wù)器即可以脫離，AB即可以用UDP通信。 何以如此麻煩？ A在發(fā)UDP包給Server上線時，A的網(wǎng)關(guān)(A.Gate)就分配一個Nat端口(A.NatPort)給A，用于A和Server間的本次UDP會話，但A的網(wǎng)關(guān)明確標記，這個Nat端口，僅能用于A和Server之間的UDP通信，不能挪著它用。并且，這個臨時分配的端口，只能保持一個很短的時效，也許是一兩秒吧。這個時間內(nèi)，如果A與Server沒有任何通信，那么這個映射端口就宣告無效。下次，A和Server又要通信時，A的網(wǎng)關(guān)又會重新分配一個新的端口。這段表明三點： 1、A與Server的通信，需要A網(wǎng)關(guān)分配Nat端口來中轉(zhuǎn)。 2、Nat端口只能用于A和Server間的通信。 3、Nat端口存在生存期，長時間A和Server無通信，該端口即宣告無效。 就是這些麻煩，使得我們的連接過程必須繞很多彎。 A和B的通信，就是借助事先AB分別與Server連接時，在各自的網(wǎng)關(guān)處建立的端口映射來通信。為避免上面的2、3點麻煩，A和B在初次連接時，必須幾乎同時向?qū)Ψ桨l(fā)包。 如果A、B不同時發(fā)包給對方，它們各自的網(wǎng)關(guān)就會慮掉對方的包，因為該包不是Server發(fā)來的包，叫做不請自來的包。 并且，即便AB各自的網(wǎng)關(guān)不慮掉非Server發(fā)來的包，它們各自的Nat端口也有一個時效。那么A與Server，B與Server就不得不發(fā)心跳包，以維持各自的映射端口，保證其不失效。 上面的過程中，如果A和B建立連接失敗，可以循環(huán)這個過程，直到一個有限的次數(shù)之后，仍不能連接則宣告失敗。本文一部分的原文如下： Clients Behind Different NATs Suppose clients A and B both have private IP addresses and lie behind different network address translators. The peer-to-peer application running on clients A and B and on server S each use UDP port 1234. A and B have each initiated UDP communication sessions with server S, causing NAT A to assign its own public UDP port 62000 for A‘s session with S, and causing NAT B to assign its port 31000 to B‘s session with S, respectively. Server S 18.181.0.31:1234 | | +----------------------+----------------------+ | | NAT A NAT B 155.99.25.11:62000 138.76.29.7:31000 | | | | Client A Client B 10.0.0.1:1234 10.1.1.3:1234 Now suppose that client A wants to establish a UDP communication session directly with client B. If A simply starts sending UDP requests to B‘s public address, 138.76.29.7:31000, then NAT B will typically discard these incoming messages because the source address and port number does not match those of S, with which the original outgoing session was established. Similarly, if B simply starts sending UDP requests to A‘s public address, then NAT A will discard these messages. Suppose A starts sending UDP requests to B‘s public address, however, and simultaneously relays a request through server S to B, asking B to start sending UDP requests to A‘s public address. A‘s outgoing messages directed to B‘s public address (138.76.29.7:31000) will cause NAT A to open up a new communication session between A‘s private address and B‘s public address. At the same time, B‘s messages to A‘s public address (155.99.25.11:62000) will cause NAT B to open up a new communication session between B‘s private address and A‘s public address. Once the new UDP sessions have been opened up in each direction, client A and B can communicate with each other directly without further reference to or burden on the "introduction" server S 大致就如此。以下是上述過程的一些偽代碼，不太容易懂，不如看前面的論述。 下面將討論，A和B同時發(fā)包的另外一個辦法，以及關(guān)于靜態(tài)端口映射、誰能做"中介"、 是否可以建立TCP通信等細節(jié)及其引申。 const TCHAR* ServerIP = _T("61.10.10.10"); //中介服務(wù)器，事先配置的 const UINT ServerPort = 4500; //中介服務(wù)器UDP端口，事先配置的 TCHAR PubIP[256]; //對方機器的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)IP UINT PubPort; //對方機器的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)映射端口 UINT ClientPort = 4501; //A和B的UDP端口 連接服務(wù)器用UDP，下面是客戶方(AB的Socket) class CClientSocket : public CSocket { public: virtual void OnReceive( int nErrCode ); } void CClientSocket::OnReceive( int nErrCode ) { int nFlag, *pFlag; //UDP包標志，位于包頭4個字節(jié) TCHAR PeerIP[128]; //UDP對方的IP UINT PeerPort; //UDP對方的端口 char RecBuf[64]; //假定包尺寸為64 //此處分析出對方IP和端口，即PeerIP和PeerPort SOCKADDR sa; int SockAddrLen = sizeof(sa); GetPeerName( &sa, &SockAddrLen ); //從sa中取出PeerIP和PeerPort Receive( RecBuf, 64 ); pFlag = (int*)RecBuf; nFlag = *pFlag; if( lstrcmp( PeerIP, ServerIP ) == 0 ) //如果是服務(wù)器返回的信息 { switch( nFlag ) { case 0: //標識和服務(wù)器連接成功，RecBuf是服務(wù)器返回的其它在線用戶 //的信息(包括對方的公網(wǎng)IP及端口)，這里假定是B的信息 //從RecBuf取出B的代理網(wǎng)關(guān)的IP和端口放入PeerIP和PeerPort lstrcpy( PubIP, PeerIP ); //PeerIP應(yīng)該是對方的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)IP PubPort = PeerPort; //同時PeerPort應(yīng)該是對方的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)映射端口 //接下來，給B的代理公網(wǎng)IP發(fā)一個UDP包,填充RecBuf，并使標志為0 SendTo( RecBuf, 64, PubPort, PubIP ); //馬上叫服務(wù)器通知B，要B給A發(fā)一個UDP包，填充RecBuf，并使標志為1 SendTo( RecBuf, 64, ServerPort, ServerIP ); break; case 1: //標識是來自服務(wù)器的通知，叫我(B)發(fā)一個UDP給A //RecBuf里有A的代理公網(wǎng)IP和端口，取出來，放入PeerIP和PeerPort lstrcpy( PubIP, PeerIP ); //PeerIP應(yīng)該是對方的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)IP PubPort = PeerPort; //同時PeerPort應(yīng)該是對方的代理網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)映射端口 //給A發(fā)一個UDP包，填充RecBuf，并使標志為1 SendTo( RecBuf, 64, PubPort, PubIP ); break; . . . default: break; } } else //其它對等客戶返回的信息 { switch( nFlag ) { case 0: //標識直接收到A發(fā)的UDP包 break; case 1: //標識是B發(fā)回的UDP包，但，是靠服務(wù)器通知B發(fā)的 //至此，可以判斷AB互相是否連接成功，就是判斷A發(fā)給B的UDP包B收到，而B發(fā) //給A的UDP包A也收到，那么連接就是成功的。否則重復(fù)上面的過程。 break; . . . default: break; } } } 客戶方先連接服務(wù)器，服務(wù)器收到后，返回所有在線的對等點用戶信息 CClientSocket cs; char sBuf[64]; //sBuf的包標識為0，你可以填充其它任何信息，比如用戶信息 cs.Create( ClientPort, SOCK_DGRAM ); cs.SendTo( sBuf, 64, ServerPort, ServerIP ); class CServerSocket : public CSocket { public: virtual void OnReceive( int nErrCode ); } void CServerSocket::OnReceive( int nErrCode ) { int nFlag, *pFlag; //UDP包標志，位于包頭4個字節(jié) TCHAR PeerIP[128]; //UDP對方的IP UINT PeerPort; //UDP對方的端口 char RecBuf[64]; //假定包尺寸為64 //此處分析出對方IP和端口，即PeerIP和PeerPort SOCKADDR sa; int SockAddrLen = sizeof(sa); GetPeerName( &sa, &SockAddrLen ); //從sa中取出PeerIP和PeerPort Receive( RecBuf, 64 ); pFlag = (int*)RecBuf; nFlag = *pFlag; switch( nFlag ) { case 0: //標識有客戶連接 //給該客戶返回所有在線用戶 break; case 1: //來自A的通知，要我通知B，叫B發(fā)一個UDP包給A的公網(wǎng)IP //從RecBuf中取出B的IP和端口放入PeerIP和PeerPort，填充RecBuf，標志為1 SendTo( RecBuf, 64, PeerPort, PeerIP ); break; } } 【責(zé)任編輯：P2Psky】 |
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