P2P介绍
P2P即点对点通信，或称为对等联网，与传统的服务器客户端模式有明显的区别，在即时通讯方案中应用广泛。
在P2P网络中，所有通讯节点的地位都是对等的，每个节点既是客户端又是服务端，节点之间通过直接通信实现文件信息、处理器运算能力、存储空间等资源的共享。
P2P网络具有分散性、可扩展性、健壮性等特点，这使得P2P在信息共享、即时通讯、协同工作、分布式计算、网路存储等领域有广阔的应用。
图1-经典的CS模式
图2-P2P结构模型
NAT与P2P
NAT技术和P2P技术作为经典的两项网络技术，在现在的网络上有广泛的应用。
NAT虽然在一定程度上解决IPv4地址短缺的问题，在构建防火墙，保证网络安全方面都发挥了一定的作用，却破坏了端到端的网络通信。
NAT阻碍主机进行P2P通信的主要原因是NAT不允许外网主机主动访问内网主机，但P2P技术要求通讯双方都发起访问，故想要在NAT网络环境中进行有效的P2P通信，就必须采用新的解决方案。
P2P作为一项实用的技术，有很大的优化空间，并且相对于网络设备，基于P2P的应用程序在实现上更为灵活。所以为了兼容NAT，基于P2P的应用程序在开发的时候大多会根据自身特点加入一些穿越NAT的功能以解决上述问题。
反向链接技术
此种情况是所有P2P场景中最简单的， 需要通信双方中只有一方位于NAT设备后。
如图，我们假设ClientB位于NAT之后，ClientB通过TCP端口连接到2345连接到服务器的TCP端口2346上，NAT设备重新分配TCP端口52000，ClientA也通过TCP端口2345连接到服务器端口2346上。
由于ClientA拥有外网IP地址，故ClientB想要发起对ClientA的通信，可以直接通过TCP连接。
而ClientA无法通过TCP连接到ClientB进行P2P通信，NAT设备会拒绝这个连接请求。若想要喝ClientB通信，ClientA需要通过服务器Server给ClientB转发一个连接请求，反过来请求ClientB连接到ClientA，即反向链接。ClientB在收到从服务器转发过来的请求以后，会主动向ClientA发起一个TCP请求。
通过反向链接的方式，在NAT设备上建立起关于这个连接的相关表项，从而实现ClientA与ClientB需要进行双向通信。
基于UDP协议的P2P技术
UDP打洞技术是通过中间服务器的协助在各自的NAT网关上建立相关的表项，使P2P连接的双方发送的报文能够直接穿透对方的NAT网关，从而实现P2P客户端互连。
若两台位于NAT设备后的P2P客户端希望在自己的NAT网关上打洞，他们需要一个集中服务器作为协助者，还需要一种用于打洞的Session建立机制。
集中服务器
集中服务器本质上是一台被设置在公网上的服务器，P2P的双方都可以直接访问这台服务器。
集中服务器可以中转P2P双方各自的信息，另外也用于判断某个客户端是否在NAT网关之后： 一个客户端在集中服务器上登陆时，服务器会记录下该客户端的两对地址二元组信息{IP地址:UDP端口}
- 第一对：客户端与集中服务器进行通信的自身IP地址及端口号，即客户端的内网IP地址和端口号
- 第二对：集中服务器记录下的，由服务器观察到该客户端实际与自己通信所使用的IP地址喝端口号，即客户端经过NAT转换后的外网IP地址和端口号
P2P的Session建立原理
ClientA对ClientB发起直接连接，具体过程如下：
ClientA不知ClientB前是否有NAT网关，故直接向集中服务器发送消息，请求集中服务器帮组建立于ClientB的UDP的连接集中服务器将含有ClientB的外网及内网的两对地址二元组发送给ClientA，同时也将含有ClientA的内外网的两对地址二元组发送给ClientB，使得ClientA与ClientB互相知道对方的外网和内网的地址二元组信息- 当
ClientA收到集中服务器发送的含有ClientB的外网及内网的两对地址二元组信息后，ClientA开始向ClientB发送UDP数据包，并且ClientA会锁定第一个给出响应的ClientB的地址二元组，同理ClientB接收到ClientA的地址二元组信息后也会对ClientA发送UDP数据包并锁定第一个得到回应的地址二元组
由于A与B互相向对方发送UDP数据包的操作是异步的，所以A和B发送数据包的时间先后并没有时序要求。
UDP在空闲状态下的超时问题
由于UDP转换协议提供的“洞”不是绝对可靠的，多数NAT设备内部都有一个UDP转换的空闲状态计时器，如果在一段时间内没有UDP数据通信，NAT设备会关掉由“打洞”过程打出来的“洞”。如果P2P应用程序希望“洞”的存活时间不受NAT网关的限制，就最好在穿越NAT以后设定一个穿越的有效期。
对于有效期目前没有标准值，它与NAT设备内部的配置有关，某些设备上最短的只有20秒左右。 在有效期内，无论是否有P2P数据包需要传输，应用程序都需要向对方发送心跳包以维持连接。心跳包需要双方应用程序都发送，只有一方发送无法保持另一方的Session正常工作。 为了维持连接，除了频繁发送心跳包外，还可以在当前有效期超时之前重新“打洞”，丢弃原有的“洞”。这是一种有效的方法。
基于TCP协议的P2P打洞技术
建立穿越NAT设备的P2P的TCP连接只比UDP复杂一点点，TCP协议的”“打洞”从协议层来看是与UDP的“打洞”过程非常相似的。在实际应用上，由于TCP协议的状态机给出了一种标准的方法来精确的获取某个TCP session的生命期，而UDP无法做到这一点，所以只要NAT设备支持，基于TCP的P2P技术的健壮性会比基于UDP技术的更强一些。
套接字与TCP端口的重用
TCP的套接字通常仅允许建立1对1的响应，即应用程序在将一个套接字绑定到本地的一个端口以后，任何试图将第二个套接字绑定到该端口的操作都会失败。
为了让TCP“打洞”顺利工作，需要使用本地TCP端口监听外部连接，并建立多个向外的TCP连接。主流操作系统支持“SO_REUSEADDR”参数，允许多个套接字绑定到同一本地地址（需设置该参数）。BSD系统引入了“SO_REUSEPORT”参数，区分端口和地址重用，这些系统需同时设置所有参数。
打开P2P的TCP流
若ClientA希望与ClientB建立TCP连接，我们会像通常一样假定A和B已与公网上的已知服务器建立了TCP连接，服务器如同IDP服务一般，记录下来每个客户端的公网内网的地址二元组
从协议层来看TCP打洞与UDP打洞是几乎相同的过程
而TCP打洞与UDP的不同点是： 使用UDP协议的每个客户端只需要一个套接字即可完成与服务器的通信，而TCP客户端必须处理多个套接字绑定到同一个本地TCP端口
客户端向彼此公网地址二元组发起连接的操作，会使得各自的NAT设备打开新的“洞”允许ClientA与ClientB的TCP数据通过。如果NAT设备支持TCP“打洞”操作的话，一个在客户端之间的基于TCP协议的流通道就会自动建立起来。如果ClientA向ClientB发送的第一个SYN包发到了ClientB的NAT设备，而ClientB在此前没有向A发送SYN包，ClientB的NAT设备会丢弃这个包，这会引起ClientA的“连接失败”或“无法连接”问题。而此时，由于ClientA已经向ClientB发送过SYN包，ClientB发往ClientA的SYN包将被看作是由ClientA发往ClientB的包的回应的一部分，所以ClientB发往ClientA的SYN包会顺利地通过ClientA的NAT设备，到达ClientA，从而建立起ClientA与ClientB的P2P连接。
从应用程序的角度来看TCP打洞
从应用程序的角度来看，TCP“打洞”是一种在NAT（网络地址转换）环境下建立P2P（点对点）连接的方法。具体过程如下：
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ClientA首先向ClientB发出SYN包，该包发往B的公网地址二元组，但被ClientB的NAT设备丢弃。 -
ClientB发往ClientA的公网地址二元组的SYN包则通过A的NAT到达了ClientA。 -
接下来会发生以下两种结果中的一种，具体取决于操作系统对TCP协议的实现：
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第一种结果：
ClientA的TCP实现会发现收到的SYN包就是其发起连接并希望联入的ClientB的SYN包。此时，ClientA的connect()函数将成功返回，ClientA的listen()函数将没有任何反映。ClientA开始使用这个连接与ClientB进行P2P通信。ClientA会回应ClientB的SYN包，发送SYN-ACK包给ClientB，并使用先前ClientA发向ClientB的SYN包一样的序列号。ClientB收到后，发送ACK包给ClientA，两端建立起TCP连接。 -
第二种结果：
ClientA的TCP实现没有发现收到的SYN包就是其发起连接并希望联入的ClientB的SYN包。此时，ClientA通过listen()函数和accept()函数得到与ClientB的连接，而由ClientA发起的向B的公网地址二元组的连接会以失败告终。尽管ClientA向ClientB的连接失败，ClientA仍然得到了ClientB发起的向ClientA的连接，等效于ClientA与ClientB之间已经联通，ClientA与ClientB的基于TCP协议的P2P连接已经建立起来了。
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第一种结果适用于基于BSD的操作系统对于TCP的实现，而第二种结果更加普遍一些，多数Linux和Windows系统都会按照第二种结果来处理。
总结
打洞技术看起来是一项近似乎蛮干的技术，却不失为一种有效的技术手段。在集中服务器的帮助下，P2P的双方利用端口预测的技术在NAT网关上打出通道，从而实现NAT穿越，解决了NAT对于P2P的阻隔，为P2P技术在网络中更广泛的推广作出了非常大的贡献。
