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P2P连接原理简述

创作时间:

作者:

@小白创作中心

P2P连接原理简述

引用

来源

https://juejin.cn/post/7362309246556995623

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：

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。
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
NAT设备将转换后的数据包发送到外部网络。
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：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

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。）

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。

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

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：

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。
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。
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。
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。
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：

TCP直接连接时，通过HTTP端口或HTTPS端口
UDP直连时，使用STUN (Session Traversal Utilities for NAT) 服务器做地址转发
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。