李健江

摘要：P2P技术具有便利性、便捷性等特点，因此P2P技术在日常应用中十分广泛，然而NAT设备的广泛存在，在很大程度上限制了P2P网络的应用范围。整个系统中的索引服务器作为对等点联络中心，并记录对等点网络特性，为通信的对等点提供信息查询。而采用中间索引服务器则可以查询中间节点，辅助打洞技术从而实现NAT的穿越，从而很好地解决了不同网络主机间P2P通信问题。

关键词：NAT穿越技术；P2P；通信方案；实现方法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0045-02

1 背景

P2P（Peer-to-Peer）网络模型当中具有很多对称点（节点），是指每个对等点不仅是获取资源的对象，同时也是资源的提供对象。各个对等点具备相同责任与能力协同完成任务，并且对等点之间不依赖集中服务器，而是通过直连共享资源、处理资源、存储资源等方法。近些年来，P2P技术已经逐渐成为社会关注的热点。而采用P2P这种新型网络通信思想，需要重点考虑传播模式、形态、信息流向、内容结构、传统控制等问题。随着当今网络技术普及度越来越高，硬件与软件更新迭代速度加快，个人计算机也在不断的进步和更新，边缘网络信息数量越来越多，导致互联网中的客户机和服务器通信模式已经被P2P所取代。但从目前网络技术发展现状来看，P2P广泛存在于NAT（netword address transition）设备中，给内部私有的网络主机中增设一道屏障。基于此，为了能够充分发挥P2P通信技术的积极作用，必须要实现NAT穿越，确保两个对等点间无阻通信。

2 P2P和NAT概述

2.1 P2P

简单来说，P2P就是对点通信，也可以称之为对等联网。当然，P2P在不同的领域也有不同含义，该文的P2P主要是指通信模式、逻辑网络模型。P2P网络中的对等点地位都是相同的，每个对等点同时扮演者资源接收者和发送者双重角色，也就是客户机和服务器。对等点间可以直接通信、处理运算、存储、资源共享等功能。在实际应用中，P2P网络具备拓展性强、隐私性好、性能高、可分散等优势，因此P2P技术在信息共享、分布式计算、网络存储等诸多领域都有十分广阔的应用前景。

2.2 NAT

NAT技术的出现在很大程度上缓解了IPv4资源短缺的弊端。简单来说，NAT是指网络地址转换，作为一种将内部网络个人IP地址转化成为为外部网络公共IP地址，这样即可在同一个平台上实现多个个人网络连接，让公网IP连接到因特网中，从而缓解了公网IP短缺等问题。NAT设备中的STUN分组不同可以划分为不同端口映射方式，其中包括：Restricted Cone NAT、Full Cone NAT、Port Restricted ConeNAT和Symmetric NAT。

2.3 NAT对P2P的影响

NAT技术在网络技术中的应用十分广泛，包括环节IPv4资源短缺、设立防火墙、加强计算机安全等。但是NAT设备却给P2P通信带来了巨大的影响，无法充分发挥P2P网络的积极作用。这主要是因为NAT不允许外网访问内网主机，从而保证内网主机的安全，导致Internet上的公网IP不可直接访问NAT控制下的主机，并且NAT下的主机之间无法进行相互识别，也不能直接传送相关信息。因此，想要在公共网络环境下加强P2P通信，必须要采用相关方法对NAT障碍进行穿越。

3 基于NAT穿越技术的P2P通信方案

3.1 反向连接技术

如图1所示，如果通信双方只有一方设置了NAT时，则可以采用反向连接技术实现P2P通信。图中Client A（拥有私有 IP地址 10.0.0.1）在NAT后，以TCP端口1234为切入点，直接连接到Medi-Server S（拥有公网IP地址18.181.0.31）的TCP端口1235中，这样NAT A（拥有公网IP地址155.99.25.11）为了能够匹配TCP端口的62000。而Client B（拥有公网IP地址138.76.29.7）通多端口中的1234連接到Medi-Server S的TCP端口1235上。这样A、B两点就可在S上个获得堆放的公网，其[IP 地址： 端口]对应为[138.76.29.7：1234]和[155.99.25.11：62000]，实现在本地端口即可侦听，从而获取相应的信息。

该设定中，由于端口B中有公网IP，因此A要向B发送通信请求，则可以通过TCP直接连接到 B[138.76.29.7：1234]。而如果B想要通过TCP连接到A[155.99.25.11：62000]，则会连接失败，这是因为在A连接到了NAT，即使是B发送了TCP SYN请求到达端口62000，但是NAT A会直接将此通信请求拒绝，当作是公网IP处理。想要实现B→A的通信方案，需要B在 Medi-Server S上给A发送连接请求，再反过来让A连接到B，这样即可实现A、B的TCP连接。

3.2 UDP打洞技术

反向连接技术虽然在实际应用中具有局限性，并且需要多项请求，但是以中间服务器作为媒介实现P2P通信的思想却是打洞技术实现的基础。该项技术能够让通信双方在中间服务器中构建一个可以点对点的UDP，从而实现P2P通信。

由于个人主机的网络环境存在多种情况，最为普遍的就是双方都在不同NAT后，而打洞技术可以很好地实现NAT穿越。如图2，Client A位于在NAT A后，Client B在NAT B后，在A、B共同向S发送了UDP通信请求后，NAT A为A和S间通信匹配出了UDP端口62000，NAT B为B和S之间匹配到了UDP端口31000，此时的A、B共同在S上获得了对方的公网，其[IP地址： 端口] 分别对应[138.76.29.7：31000]和[155.99.25.11：62000]。

结合NAT特点，其不允许外网主机访问内网主机，所以实现通信的前提条件是：此消息[IP地址 ： 端口]对于某个先前通过NAT内部发起的通信目的[IP地址 ： 端口]相匹配。从而实现A→B的对点对通信。

如果A简单地向B发送消息，由于NAT B中内部向外发送通信只是B和S间的通信，所以通信连接的目的[IP地址 ： 端口]是[18.181.0.31：1234]，NAT B所接受到的消息端口为[155.99.25.11：62000]，所以[IP地址 ： 端口]不匹配，这时NAT B就会自动摒弃这一消息。

想要实现A、B无阻通信，需要事先构建和B点对点的UDP通信，A向B第一发送消息时[138.76.29.7：31000]，会以S为平台转发通信请求，让B向A[155.99.25.11：62000]发送消息（打洞消息），这时会在NAT B上留下标志信息[155.99.25.11：62000]（洞，发送信息过程的打洞过程），之后即可将[155.99.25.11：62000]消息传输到NAT内部，因此在A第二次向B发送消息时，即可直接将消息传输到NAT B内部。这是因为第一次向B[138.76.29.7：31000]发送消息过程中，NAT A已经在B[138.76.29.7：31000]中预留下了“洞”，因此从B→A发送[155.99.25.11：62000]打洞消息后会直接进入到NAT A内，所以在以后的A、B消息传输即可采用P2P网络，而不需要借助Medi-Server S平台。

3.3 P2P通信方案

通信双方A和B在不了解对方网络环境的情况下，如IP可能位于一级NAT后，也可能位于多级NAT后，如果网络环境不明确就无法实现P2P通信，这就需要考虑在此条件下如何实现P2P通信。

首先，A在NAT后，B也在NAT后时，则A可以利用打洞技术向B发送UDP通信请求即可实现二者的通信；其次，A在NAT后，B拥有公网IP时，则可以采用TCP直接与B通信，也可以采用UDP通信；再次，A、B都拥有公网IP，此时A可以向TCP连接B，也可以同UDP连接；最后，A拥有公网、B在NAT后。A可以采用反向连接方法构建与B之间的TCP连接，也可以利用打洞技术和B构建娘UDP通信实现P2P连接。

在实际实现过程中，借助Socket网络编程实现了P2P通信系统，主要是由P2P Client和P2P Medi-Server組成。在系统中采用了以上方案，并通过VMware Workstation软件模拟NAT多级网络环境，进行网络环境测试，对其中所出现的Cone NAT都保持了良好的通信状态。其中，要考虑到打洞消息在网络中可能出现堵塞或丢包等情况，因此在打洞过程中要间隔发送一定数量的打洞消息，直到打洞出现结果（成功或失败）。如图3所示，是 P2P通信系统中Medi-Server的通信记录，B和A先后登录到Medi-Server中，由于A和B都在NAT后，所以在A向B发送通信请求时，即可通过Medi-Server发送打洞请求，让B向A公网 [IP 地址 ： 端口 ] 发打洞消息进行打洞。

4 结束语

综上所述，针对NAT影响P2P通信问题，该文提出了反向连接技术以及UDP打洞技术，实现NAT穿越的P2P通信方案，让NAT后主机通信不需要通过中间服务器实现真正的P2P直接通信。通过实践证明，上述几种方法十分有效，值得推广。

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