不同局域網間的P2P通信技術

P2P（Peer-to-Peer）即對等網絡。P2P（Peer to Peer）網絡結構區別于Client/Server結構或Browser/Server結構最顯著的特點是整個網絡不存在中心節點（或中心服務器），其中的每一個節點（peer）大都同時具有信息消費者、信息提供者和信息通訊等三方面的功能。

NAT(Net Address Translation):網絡地址轉換，即局域網通常通過一個具有公網IP的代理網關服務器連到internet共享上網。局域往內的機器并不具有公網IP地址，只有內網IP地址，若要和internet上的HTTP服務器通信，代理網關便會創建一個端口來和這個網內機器通信，并通過該端口和HTTP服務器交換數據。最終，網內機器-->代理網關-->HTTP服務器，在一個會話期間，各自的端口保持了映射關系，特別是代理網關和網內機器的端口映射，使得代理網關不會把接收到的數據包發錯對象。局域網內的機器在網關處，就是靠NAT來映射端口實現internet連接。因此，NAT也稱為端口映射。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。
如果兩臺機器A和B，分別處于兩個局域網內，要通過internet通信，即為P2P連接通信。目前的internet使用IPV4，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地址已經不敷使用，公網IP地址日趨緊張，只能使用局域網共享公網IP的方式，局域網正是為了臨時應對IP耗盡而出現的，長遠的解決辦法是研究IPV6。其次，分別處于兩個局域網內的機器要通信，由于對方沒有公網IP，直接呼叫對方是不可能的，必須借助第三方中介間接地通信，解決方法有如下幾種：
1、實現局域網內的數據鏈路層協議，就是設計一個類時TCP/IP的協議，由它來代替TCP/IP協議，由它直接基于網卡硬件獲取數據。這是十分復雜的。
2、依靠internet上的公網服務器中轉數據，但對于大數據量的中轉，顯然受到服務器和網絡的負載極限的限制。
3、依靠internet上的公網服務器做媒介，將這兩臺分別處于不同局域網的機器相互通知給對方，在它們建立連接之后，服務器即脫離關系。這種方式下，服務器把A的NAT端口映射關系告訴B，又把B的NAT端口映射關系告訴A，這樣AB相互知道對方的端口映射關系之后，就能建立連接。因為A和B各自的端口映射關系是靠各自的代理網關動態建立的，動態建立的映射端口不得告知對方。
4、上面的第三種辦法，也可以采用靜態端口映射方式，這樣就無需中介服務器對A和B做介紹。在各方自的代理網關上，可以在代理工具里將某個端口(如1002)和局域網內的某臺機器(如內網IP為192.168.18.23，端口1003)做好靜態映射，這樣，代理網關會自動地將出入于1002端口的數據發往192.168.18.23的1003端口。當然，通信之前，必須對對方的端口映射關系做配置。有多少臺網內機器要通信，就得映射多少個不同的端口，同時在另一個局域網內的機器就要做多少個配置。在局域網內搭建HTTP、FTP等服務器就是通過靜態映射端口來實現的，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。

由此所知，上述前兩種辦法在簡單應用中是不可取的，只有后兩種可行。它們又各有缺點，第三種動態映射端口，需要增加中介服務器，第四種靜態映射端口，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。
采用動態和靜態相結合的辦法是可以推想的，然而其可行性還必須經過測試。可以這樣設計，為了讓所有通信機器彼此知曉并定位。我們可以在局域網里，只對一臺機器在代理網關處做靜態端口映射，本局域網內的機器都向它登記。而兩個局域網各自只做一項對對方的映射配置。兩個局域網之間，沒有靜態映射端口的機器要通信，就靠有映射的機器來擔當“介紹”。

就局域網和NAT的問題實際上還很多，比如各自的局域網的結構不同，局域網里可能又有子局域網，局域網可能是NAT代理結構，但也可能是HTTP代理，Sock4、Sock5代理等結構，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，軟件不能實現的地方，可以考慮改變硬件結構，例如將嚴格NAT變為非嚴格NAT。如果硬件改變不得，那么Internet整體上就有10％的系統不能實現P2P，除非等到正處于研發的IPv6協議出來。P2P要解決的唯一技術難題是如何發現、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。由于絕大多數局域網是NAT代理結構，所以前面對NAT論述比較詳細，也是網上討論最多的話題，相比之下，穿透Http、Sock代理就簡單一些。此外，穿透NAT發現對等點的辦法還有一些，例如多播，但由于現有Internet對多播并不友好，同時多播是無連接和不可靠的，其實現有難度。許多軟件都是按照上述一些技術實現了P2P通信，著名的有MSN、QQ和BitTorrent下載軟件等。

我們不希望在IP層實現我們的P2P，而是希望在應用層，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，我們對于公網有服務器做“中介(非中轉)”的P2P怎么實現。

原理講述：
例如AB兩臺機器分別處于兩個不同的局域網后，由Server做中介，先看連接過程。
A首先連接服務器，采用UDP發包給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和端口應該是A的代理網關的公網PublicIP及其映射端口NatPort，該映射端口就是A的代理網關為A的本次UDP通信臨時分配的Nat端口。可以斷言，得到的端口一定不是A的內網IP和內網UDP端口。
服務器然后將A的公網IP、映射端口、用戶信息等保存到(內存列表或者數據庫)，這樣標志著A已經上線。服務器馬上將其它在線的用戶信息發回給A，包括其它用戶的代理網關的公網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UDP包給B的公網IP及Nat端口，并立即發一個UDP包給服務器，讓服務器去通知B，叫B給A也發一個UDP包。換句話說，1、A發包給PublicB, 2、A發包給Server，3、Server發包給PublicB，4、B發包給PublicA。
上面的敘述用到了"Public"字樣，它代表代理網關的公網IP及其映射端口。
由于A和B各自的網關都保存了各自的端口映射關系，發到網關的數據，網關會按照這個映射關系轉發給A和B。當A和B都分別收到對方發來的UDP包以后，連接宣告成功，服務器即可以脫離，AB即可以用UDP通信。

何以如此麻煩？

A在發UDP包給Server上線時，A的網關(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的網關明確標記，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，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的網關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網關分配Nat端口來中轉。
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，在各自的網關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，必須幾乎同時向對方發包。
如果A、B不同時發包給對方，它們各自的網關就會慮掉對方的包，因為該包不是Server發來的包，叫做不請自來的包。
并且，即便AB各自的網關不慮掉非Server發來的包，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，可以循環這個過程，直到一個有限的次數之后，仍不能連接則宣告失敗。

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