P2P连接原理简述

修武
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背景

在实现云真机操控的过程中，为了实现非USB模式下的连接，需要使用 点对点通信技术进行音视频数据传输及其他数据交互。点对点通信允许直接在两个设备之间建立通信连接，而无需通过中间服务器。 在实践的过程中我们选择了webrtc进行，本文是对webrtc实现底层 P2P连接的原理简述。

NAT

NAT 全称 Network Address Translation，即网络地址转换，NAT是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局IP地址的技术，NAT一开始是为了解决IPv4地址短缺而开发的技术，而现在也作为安全防护的一种技术。

NAT工作原理

NAT 设备位于私有网络和公用网络之间，以下是一个简单的工作方式示例：

  1. 内部主机发送数据包到外部网络时，数据包首先到达NAT设备。
  2. NAT 设备根据**配置规则，**将源IP地址和端口号 按规则进行转换
  3. NAT 设备将转换后的数据包发送到外部网络。
  4. 外部网络返回响应数据包时，NAT 设备将目的 IP 地址和端口号进行逆转换，再将数据包发送回内部网络。

NAT 分类

要进一步理解NAT，首先就是了解NAT的分类。RFC2663把NAT分成了四类：传统NAT、双向NAT、两次NAT、多宿主NAT。由于最常见的就是传统NAT，这里只介绍传统NAT。 传统NAT还可以分成两类：基本NAT（Basic NAT）、NAPT（Network Address Port Translation，网络地址端口转换）。

基本NAT

基本NAT就是只针对IP地址的“重命名”。由于基本NAT并不考虑更高层的协议(如TCP、)，所以它只是实现了一个内部IP地址到公网IP地址的一一对应。如果内部IP数量更少，那么每个内部地址都能被映射到一个共有公网IP。如果公网IP数量少于内部IP的话，就不能保证同一时间每个内部设备都能访问外网了（可能分配不到公网IP）。

静态 NAT

静态 NAT：一对一映射，将一个私有IP地址映射到一个公共IP地址。

动态 NAT

动态 NAT：动态分配公共IP地址给私有IP地址，使得多个私有IP地址可以共享少量公共IP地址。

NAPT

NAPT也被称为“一对多”的NAT，或者叫PAT（Port Address Translations，端口地址转换）、地址超载（address overloading）。上节讲述的 静态NAT 和 动态NAT 都可归类为 基础性NAT，它们仅将内网主机的私有IP地址 一对一地转换为公网地址，并不将 TCP/UDP 端口信息进行转换。而 NAPT 不但会改变经过这个NAT设备的IP数据包的IP地址，还会改变数据包的 TCP/UDP 端口号。 NAPT主要用于企业只有一个公网IP但是有多个业务系统需要被互联网访问的场景。NAPT普遍用于接入设备中，它可以将中小型的网络隐藏在一个合法的IP地址后面。。

NAPT的主要优势在于，能够使用一个全球有效IP地址获得通用性。主要缺点在于其通信仅限于TCP或UDP。当所有通信都采用TCP或UDP，NAPT允许一台内部计算机访问多台外部计算机，并允许多台内部主机访问同一台外部计算机，相互之间不会发生冲突。

NAPT类型

在NAPT模式下，在rfc3489中，根据数据包过滤限制的不同点 又可细分为几种不同的类型。

完全圆锥型

  • 一旦内部地址 iAddr:iPort 映射到外部地址 eAddr:ePort ，所有发自 iAddr:iPort 的数据包都经由 eAddr:ePort 向外发送。
  • 任意外部主机发送的数据包都能经由 eAddr:ePort 到达 iAddr:iPort

image.png

受限圆锥形

  • 一旦内部地址 iAddr:iPort 映射到外部地址 eAddr:ePort ，所有发自 iAddr:iPort 的数据包都经由 eAddr:ePort 向外发送；
  • 但只有曾经接收到 iAddr:iPort 发送的数据包的外部主机 nAddr:any 发送的数据包，才能经由 eAddr:ePort 到达 iAddr:iPort 。（注意，这里的 any 指外部主机源端口不受限制。即受限圆锥型限制了可以发送数据包的外部主机的 IP，但没有限制外部主机的端口号。）

image.png

端口受限型

  • 端口受限圆锥型在受限圆锥型的基础上，加上了对外部主机的端口号限制，即只有曾经接收到 iAddr:iPort 发送的数据包的外部主机 nAddr:nPort 发送的数据包，才能经由 eAddr:ePort 到达 iAddr:iPort 。

image.png

对称型

对称型的场景比较复杂一些。我们将内部地址 iAddr:iPort 与外部主机 nAddr:nPort 的地址和端口号组成一个四元组 (iAddr, iPort, nAddr, nPort) ，对于四元组中的不同取值，NAT 都会对应分配一个外部地址 eAddr:ePort ；并且也只有曾经收到内部主机数据的对应的外部主机，才能够把数据包发回 image.png

穿透服务/协议

不同NAT之间的穿透性

NAT之间连接有十种组合类型

全锥型全锥型可打通
全锥型受限锥型可打通
全锥型端口受限锥型可打通
全锥型对称型可打通
受限锥型受限锥型可打通
受限锥型端口受限锥型可打通
受限锥型对称型可打通
端口受限锥型端口受限锥型可打通
端口受限锥型对称型无法打通
对称型对称型无法打通

打洞流程示例

以下演示了，双方都位于不同的NAT服务之下的打洞流程。示例来自于:bford.info/pub/net/p2p… 博文。

假设存在两台设备 A 和 B，它们分别位于各自的 NAT_A 和 NAT_B 之后。此时 A 第一次尝试和 B 建立点对点连接，向 NAT_B 发送数据包；然而 NAT_B 经过查表发现，之前并没有 A 和 B 的映射（即 A 的请求无法被转发到 B），于是来自 A 的数据包就会被丢弃。 为了能绕过 NAT 的限制，我们需要借助一台公网上的服务器 S 做地址转发。如下图 1 所示：

  1. A 与 S 建立连接（Session A-S），向 S 注册自己的内网地址 10.0.0.1:4321 ；S 会同时记录 A 在公网的地址 155.99.25.11:62000 。B 与 S 建立连接（Session B-S），向 S 注册自己的内网地址 10.1.1.3:4321 ；S 会同时记录 B 在公网的地址 138.76.29.7:31000 。
  2. A 向 S 发送请求，获取 B 的地址（Request Connection to B）；S 会同时把 A 的地址转发给 B（Forward A’s Endpoints to B）。然后 A 和 B 都开始尝试相互向对方发送数据包。
  3. 当 A 向 B 第一次发送数据包时（Send to B at）会在 NAT_A 中产生映射 (10.0.0.1:4321, 138.76.29.7:31000) ；此时 NAT_B 并没有 A 和 B 的映射记录，数据包仍然会被丢弃。
  4. 当 B 向 A 第一次发送数据包时（Send to A at）会在 NAT_B 中产生映射 (10.1.1.3:4321, 155.99.25.11:62000) ；因为之前 NAT_A 已经创建了 A 和 B 的映射，所以 B 请求成功。
  5. 当 A 向 B 第二次发送数据包时，因为 NAT_B 也有了 A 和 B 的映射记录，所以 A 也请求成功。于是打洞完成，A 和 B 可以直接建立点对点连接（Session A-B）。

真实的网络情况可能会更加复杂，比如需要在多层 NAT 之间打洞。以及目前业界习惯使用 UDP 协议进行打洞，而不是 TCP 协议。

ICE

ICE (Interactive Connectivity Establishment) 交互式连接建立协议框架 是一种集成式NAT穿透技术框架，这个框架能让交互双端找到对方，并基于双方的NAT类型 建立连接。大致流程如下：

  1. TCP直接连接时，通过HTTP端口或HTTPS端口
  2. UDP 直连时，使用 STUN (Session Traversal Utilities for NAT) 服务器做 地址转发
  3. 间接连接时，使用TURN (Traversal Using Relays around NAT) 服务器做流量中继。

ICE的交互流程中，探测双方的NAT类型是由专门的 STUN或TURN服务服完成的。

STUN/TURN 协议

STUN（Session Traversal Utilities for NAT，NAT会话穿越应用程序）是一种网络协议，它允许位于NAT（或多重NAT）后的客户端找出自己的公网地址，查出自己位于哪种类型的NAT之后以及NAT为某一个本地端口所绑定的Internet端端口。这些信息被用来在两个同时处于NAT路由器之后的主机之间建立UDP通信。该协议由 RFC 5389 定义。

方案

STUN使用下列的算法（取自RFC 3489）来发现NAT中间件以及防火墙（firewalls）:STUN_Algorithm3_zh_Hans.svg.png

TURN

TURN 服务是为了解决 对称型NAT 无法被穿越的问题， 此时需要使用 TURN服务来转发流量。

位于对称型 NAT 之后的客户端需要先在 TURN 服务器上创建连接，然后告诉所有对端设备发包到这个服务器上，然后服务器再把包转发给这个客户端。并且 TURN 服务器通常是和 STUN 服务器成对出现的，当 STUN 判断 NAT 为对称型时，就会交由 TURN 处理。

开源实现

在具体实践过程中，一般不需要我们自己实现穿透服务框架，而是直接使用开源技术，比如 coturn** **

参考资料 cloud.tencent.com/developer/a… webrtc.mthli.com/basic/p2p-h… bford.info/pub/net/p2p… blog.csdn.net/qd915149091…

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