為了項目的后期IM應用，最近在研究libjingle，中間看了也收集了很多資料，感慨網(wǎng)上很多資料要么太過于糾結協(xié)議（如STUN、ICE等）實現(xiàn)細節(jié)，要么中間有很多紕漏。最后去偽存真，歸納總結了一下，希望對以后的同行有些許幫助。
如果有什么需要討論或者指正的，歡迎留言或者郵件peakflys@gmail.com
P2P實現(xiàn)的原理
首先先介紹一些基本概念：
NAT(Network Address Translators)，網(wǎng)絡地址轉換：網(wǎng)絡地址轉換是在IP地址日益缺乏的情況下產(chǎn)生的，它的主要目的就是為了能夠地址重用。NAT從歷史發(fā)展上分為兩大類，基本的NAT和NAPT(Network Address/Port Translator)。
最先提出的是基本的NAT(peakflys注：剛開始其實只是路由器上的一個功能模塊)，它的產(chǎn)生基于如下事實：一個私有網(wǎng)絡（域）中的節(jié)點中只有很少的節(jié)點需要與外網(wǎng)連接（這是在上世紀90年代中期提出的）。那么這個子網(wǎng)中其實只有少數(shù)的節(jié)點需要全球唯一的IP地址，其他的節(jié)點的IP地址應該是可以重用的。
因此，基本的NAT實現(xiàn)的功能很簡單，在子網(wǎng)內(nèi)使用一個保留的IP子網(wǎng)段，這些IP對外是不可見的。子網(wǎng)內(nèi)只有少數(shù)一些IP地址可以對應到真正全球唯一的IP地址。如果這些節(jié)點需要訪問外部網(wǎng)絡，那么基本NAT就負責將這個節(jié)點的子網(wǎng)內(nèi)IP轉化為一個全球唯一的IP然后發(fā)送出去。(基本的NAT會改變IP包中的原IP地址，但是不會改變IP包中的端口)
關于基本的NAT可以參看RFC 1631
另外一種NAT叫做NAPT，從名稱上我們也可以看得出，NAPT不但會改變經(jīng)過這個NAT設備的IP數(shù)據(jù)報的IP地址，還會改變IP數(shù)據(jù)報的TCP/UDP端口。基本NAT的設備可能我們見的不多（基本已經(jīng)淘汰了），NAPT才是我們真正需要關注的。看下圖：
有一個私有網(wǎng)絡10.*.*.*，Client A是其中的一臺計算機，這個網(wǎng)絡的網(wǎng)關（一個NAT設備）的外網(wǎng)IP是155.99.25.11(應該還有一個內(nèi)網(wǎng)的IP地址，比如10.0.0.10)。如果Client A中的某個進程（這個進程創(chuàng)建了一個UDP Socket,這個Socket綁定1234端口）想訪問外網(wǎng)主機18.181.0.31的1235端口，那么當數(shù)據(jù)包通過NAT時會發(fā)生什么事情呢？
首先NAT會改變這個數(shù)據(jù)包的原IP地址，改為155.99.25.11。接著NAT會為這個傳輸創(chuàng)建一個Session（Session是一個抽象的概念，如果是TCP，也許Session是由一個SYN包開始，以一個FIN包結束。而UDP呢，以這個IP的這個端口的第一個UDP開始，結束呢，呵呵，也許是幾分鐘，也許是幾小時，這要看具體的實現(xiàn)了）并且給這個Session分配一個端口，比如62000，然后改變這個數(shù)據(jù)包的源端口為62000。所以本來是
（10.0.0.1:1234->18.181.0.31:1235）的數(shù)據(jù)包到了互聯(lián)網(wǎng)上變?yōu)榱耍?55.99.25.11:62000->18.181.0.31:1235）。
一旦NAT創(chuàng)建了一個Session后，NAT會記住62000端口對應的是10.0.0.1的1234端口，以后從18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會被NAT自動的轉發(fā)到10.0.0.1上。（注意：這里是說18.181.0.31發(fā)送到62000端口的數(shù)據(jù)會被轉發(fā)，其他的IP發(fā)送到這個端口的數(shù)據(jù)將被NAT拋棄）這樣Client A就與Server S1建立以了一個連接。
上面的是一些基礎知識，下面的才是關鍵的部分了。
看看下面的情況：
接上面的例子，如果Client A的原來那個Socket(綁定了1234端口的那個UDP Socket)又接著向另外一個Server S2發(fā)送了一個UDP包，那么這個UDP包在通過NAT時會怎么樣呢？
這時可能會有兩種情況發(fā)生，一種是NAT再次創(chuàng)建一個Session，并且再次為這個Session分配一個端口號（比如：62001）。另外一種是NAT再次創(chuàng)建一個Session，但是不會新分配一個端口號，而是用原來分配的端口號62000。前一種NAT叫做Symmetric NAT，后一種叫做Cone NAT。如果你的NAT剛好是第一種，那么很可能會有很多P2P軟件失靈。（可以慶幸的是，現(xiàn)在絕大多數(shù)的NAT屬于后者，即Cone NAT）
peakflys注：Cone NAT具體又分為3種：
(1)全圓錐( Full Cone) : NAT把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口的請求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一個外部主機均可通過該映射發(fā)送IP包到該內(nèi)部主機。
(2)限制性圓錐(Restricted Cone) : NAT把所有來自相同內(nèi)部IP地址和端口的請求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有當內(nèi)部主機先給IP地址為X的外部主機發(fā)送IP包,該外部主機才能向該內(nèi)部主機發(fā)送IP包。
(3)端口限制性圓錐( Port Restricted Cone) :端口限制性圓錐與限制性圓錐類似,只是多了端口號的限制,即只有內(nèi)部主機先向IP地址為X,端口號為P的外部主機發(fā)送1個IP包,該外部主機才能夠把源端口號為P的IP包發(fā)送給該內(nèi)部主機。
好了，我們看到，通過NAT,子網(wǎng)內(nèi)的計算機向外連結是很容易的（NAT相當于透明的，子網(wǎng)內(nèi)的和外網(wǎng)的計算機不用知道NAT的情況）。
但是如果外部的計算機想訪問子網(wǎng)內(nèi)的計算機就比較困難了（而這正是P2P所需要的）。
那么我們?nèi)绻霃耐獠堪l(fā)送一個數(shù)據(jù)報給內(nèi)網(wǎng)的計算機有什么辦法呢？首先，我們必須在內(nèi)網(wǎng)的NAT上打上一個“洞”（也就是前面我們說的在NAT上建立一個Session），這個洞不能由外部來打，只能由內(nèi)網(wǎng)內(nèi)的主機來打。而且這個洞是有方向的，比如從內(nèi)部某臺主機（比如：192.168.0.10）向外部的某個IP(比如：219.237.60.1)發(fā)送一個UDP包，那么就在這個內(nèi)網(wǎng)的NAT設備上打了一個方向為219.237.60.1的“洞”，（這就是稱為UDP Hole Punching的技術）以后219.237.60.1就可以通過這個洞與內(nèi)網(wǎng)的192.168.0.10聯(lián)系了。（但是其他的IP不能利用這個洞）。
P2P的常用實現(xiàn)
一、普通的直連式P2P實現(xiàn)
通過上面的理論，實現(xiàn)兩個內(nèi)網(wǎng)的主機通訊就差最后一步了：那就是雞生蛋還是蛋生雞的問題了，兩邊都無法主動發(fā)出連接請求，誰也不知道誰的公網(wǎng)地址，那我們?nèi)绾蝸泶蜻@個洞呢？我們需要一個中間人來聯(lián)系這兩個內(nèi)網(wǎng)主機。
現(xiàn)在我們來看看一個P2P軟件的流程，以下圖為例：
首先，Client A登錄服務器，NAT A為這次的Session分配了一個端口60000，那么Server S收到的Client A的地址是202.187.45.3:60000，這就是Client A的外網(wǎng)地址了。同樣，Client B登錄Server S，NAT B給此次Session分配的端口是40000，那么Server S收到的B的地址是187.34.1.56:40000。
此時，Client A與Client B都可以與Server S通信了。如果Client A此時想直接發(fā)送信息給Client B，那么他可以從Server S那兒獲得B的公網(wǎng)地址187.34.1.56:40000，是不是Client A向這個地址發(fā)送信息Client B就能收到了呢？答案是不行，因為如果這樣發(fā)送信息，NAT B會將這個信息丟棄（因為這樣的信息是不請自來的，為了安全，大多數(shù)NAT都會執(zhí)行丟棄動作）。現(xiàn)在我們需要的是在NAT B上打一個方向為202.187.45.3（即Client A的外網(wǎng)地址）的洞，那么Client A發(fā)送到187.34.1.56:40000的信息,Client B就能收到了。這個打洞命令由誰來發(fā)呢？自然是Server S。
總結一下這個過程：如果Client A想向Client B發(fā)送信息，那么Client A發(fā)送命令給Server S，請求Server S命令Client B向Client A方向打洞。然后Client A就可以通過Client B的外網(wǎng)
地址與Client B通信了。
注意：以上過程只適合于Cone NAT的情況，如果是Symmetric NAT，那么當Client B向Client A打洞的端口已經(jīng)重新分配了，Client B將無法知道這個端口（如果Symmetric NAT的端口是順序分配的，那么我們或許可以猜測這個端口號，可是由于可能導致失敗的因素太多，這種情況下一般放棄P2P ---peakflys）。
二、STUN方式的P2P實現(xiàn)
STUN是RFC3489規(guī)定的一種NAT穿透方式，它采用輔助的方法探測NAT的IP和端口。毫無疑問的，它對穿越早期的NAT起了巨大的作用，并且還將繼續(xù)在NAT穿透中占有一席之地。
STUN的探測過程需要有一個公網(wǎng)IP的STUN server，在NAT后面的UAC必須和此server配合，互相之間發(fā)送若干個UDP數(shù)據(jù)包。UDP包中包含有UAC需要了解的信息，比如NAT外網(wǎng)IP，PORT等等。UAC通過是否得到這個UDP包和包中的數(shù)據(jù)判斷自己的NAT類型。
假設有如下UAC（B），NAT（A），SERVER（C），UAC的IP為IPB，NAT的IP為 IPA ，SERVER的 IP為IPC1 、IPC2。請注意，服務器C有兩個IP，后面你會理解為什么需要兩個IP。
(1)NAT的探測過程
STEP1：B向C的IPC1的port1端口發(fā)送一個UDP包。C收到這個包后，會把它收到包的源IP和port寫到UDP包中，然后把此包通過IP1C和port1發(fā)還給B。這個IP和port也就是NAT的外網(wǎng)IP和port，也就是說你在STEP1中就得到了NAT的外網(wǎng)IP。
熟悉NAT工作原理的應該都知道，C返回給B的這個UDP包B一定收到。如果在你的應用中，向一個STUN服務器發(fā)送數(shù)據(jù)包后，你沒有收到STUN的任何回應包，那只有兩種可能：1、STUN服務器不存在，或者你弄錯了port。2、你的NAT設備拒絕一切UDP包從外部向內(nèi)部通過，如果排除防火墻限制規(guī)則，那么這樣的NAT設備如果存在，那肯定是壞了„„
當B收到此UDP后，把此UDP中的IP和自己的IP做比較，如果是一樣的，就說明自己是在公網(wǎng)，下步NAT將去探測防火墻類型，就不多說了(下面有圖)。如果不一樣，說明有NAT的存在，系統(tǒng)進行STEP2的操作。
STEP2：B向C的IPC1發(fā)送一個UDP包，請求C通過另外一個IPC2和PORT（不同與SETP1的IP1）向B返回一個UDP數(shù)據(jù)包（現(xiàn)在知道為什么C要有兩個IP了吧，為了檢測cone NAT的類型）。
我們來分析一下，如果B收到了這個數(shù)據(jù)包，那說明什么？說明NAT來著不拒，不對數(shù)據(jù)包進行任何過濾，這也就是STUN標準中的full cone NAT。遺憾的是，full cone nat太少了，這也意味著你能收到這個數(shù)據(jù)包的可能性不大。如果沒收到，那么系統(tǒng)進行STEP3的操作。
STEP3：B向C的IPC2的port2發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，C收到數(shù)據(jù)包后，把它收到包的源IP和port寫到UDP包中，然后通過自己的IPC2和port2把此包發(fā)還給B。
和step1一樣，B肯定能收到這個回應UDP包。此包中的port是我們最關心的數(shù)據(jù)，下面我們來分析：
如果這個port和step1中的port一樣，那么可以肯定這個NAT是個CONE NAT，否則是對稱NAT。道理很簡單：根據(jù)對稱NAT的規(guī)則，當目的地址的IP和port有任何一個改變，那么NAT都會重新分配一個port使用，而在step3中，和step1對應，我們改變了IP和port。因此，如果是對稱NAT,那這兩個port肯定是不同的。
如果在你的應用中，到此步的時候PORT是不同的，那就只能放棄P2P了，原因同上面實現(xiàn)中的一樣。如果不同，那么只剩下了restrict cone 和port restrict cone。系統(tǒng)用step4探測是是那一種。
STEP4：B向C的IP2的一個端口PD發(fā)送一個數(shù)據(jù)請求包，要求C用IP2和不同于PD的port返回一個數(shù)據(jù)包給B。
我們來分析結果：如果B收到了，那也就意味著只要IP相同，即使port不同，NAT也允許UDP包通過。顯然這是restrict cone NAT。如果沒收到，沒別的好說，port restrict NAT.
協(xié)議實現(xiàn)的算法運行圖如下：
一旦路經(jīng)到達紅色節(jié)點時，UDP的溝通是沒有可能性的(peakflys注：準備來說除了包被防火墻blocked之外，其他情況也是有可能建立P2P的，只是代價太大，一般放棄)。一旦通過黃色或是綠色的節(jié)點，就有連接的可能。
最終通過STUN服務器得到自己的NAT類型和公網(wǎng)IP、Port，以后建立P2P時就非常容易了
peakflys注：Libjingle正是通過ICE&STUN方式，建立的P2P連接。關于libjingle的介紹，待續(xù)……
參考資料：
1、維基百科之STUN
2、http://midcom-p2p.sourceforge.net/draft-ford-midcom-p2p-01.txt（shootingstars）