P2P通信基本原理
P2P通信基本原理
在数字世界的脉络中，点对点（P2P）技术如同一条悄无声息的河流，流经信息的每个角落，连接着世界各地的计算机和设备。这种去中心化的网络模型，不仅打破了传统的客户端-服务器架构的界限，还赋予了数据传输一种前所未有的自由和效率。通过P2P，每个参与者既是消费者又是提供者，共同创造出一个强大、灵活且高度可扩展的网络生态系统。这种技术背后的原理和应用范围之广泛，不禁让人对其可能解锁的未来潜能充满期待。从文件共享和分布式计算到加密货币和去中心化金融，P2P技术正在逐步重塑我们的数字经济和社会结构。
本文阅读时间预计30分钟，可以对该技术有一个入门的了解
一、P2P简介
1.1 什么是P2P
P2P即点对点协议。
当A和B通信的时候，最简单的方式如下，A和B之间通过一个服务器转发数据。
而P2P是这样的，双方直接进行通信
这种方式能大大减轻服务端的负载，所以特别适合大数据的传输，比如实时音视频聊天、在线视频直播、大文件传输等应用场景。
1.2 P2P原理
P2P 技术的出现，主要是为了解决，两台不同局域网下的设备，无法通过局域网 IP 地址，直连通信的问题。
因为IPV4的地址有限（25亿个），导致很多设备并没有公网的IP地址，而是多个内网地址使用一个公网地址。
家庭中常见的内网地址有：192.168.xx.xx。只知道对方的内网地址，两个设备是无法通信的。
就像两个人如果只说自己住在几幢几单元，而不说自己住在哪个在哪个城市哪个小区，对方是找不到你的。
而服务器是有公网地址的，因此两个人都可以通过公网地址找到服务器，然后通过服务器的中介，两者建立联系。从下图可以看到，IPC的公网地址是209.144.29.01，手机的公网地址是128.105.39.11，要是IPC能知道手机的公网IP地址（反过来也一样），那就能跳过服务器直接与对方相连。这就是P2P的原理。
1.3 P2P如何实现
简单来说实现P2P比把大象关进冰箱还要简单，只需要两步
获取自身所在的公网地址
将获取到的公网地址和端口告诉对端。
二、NAT
NAT（网络地址转换器），它可以进入数据包的头部，并且对其修改，已达到多个内网公用一个公网地址的目的。
NAT也有两种，一种是Basic NAT，一种是NAPT，Basic NAT基本被淘汰了，这里只关注NAPT，
2.1 NAT的工作
下面用一个简单的例子来说明，这是两个设备Peer A和 Peer B之间的通信
有一台计算机，叫PeerB，它的内网地址是192.168.1.10,
它的网关是155.12.39.22(应该还有一个内网的IP地址，比如192.168.1.10)
如果Peer B中的某个进程（这个进程创建了一个UDP Socket,这个Socket绑定8888端口）想访问Peer A 117.78.39.135 的9999端口，那么当数据包通过NAT时会发生什么事情呢？
首先NAT会改变这个数据包的原IP地址，改为155.12.39.22。接着NAT会为这个传输创建一个Session（Session是一个抽象的概念，可以理解成两个手机在打电话，虽然是无形的，但是就是建立了一个对话）并且给这个Session分配一个端口，比如54000，然后改变这个数据包的源端口为54000。
所以本来是（192.168.1.10:8888->117.78.39.135:9999）的数据包到了互联网上变为了（155.12.39.22:54000->117.78.39.135:9999）。
一旦NAT创建了Session后，
NAT会记住这个54000端口对应的就是192.168.1.10:8888，
以后从117.78.39.135发送到54000端口上的数据都会转发到192.168.1.10:8888上，
这样来回都打通了，
我们也就可以认为Peer A 和 Peer B之间建立了连接，并且连接后数据不需要经过服务器。
2.1 NAT类型
NAT有很多类型，这里继续刚才的例子，如果PeerA向另外一个Peer C 发消息，会怎么样呢？
有两种情况，
NAT又给Session重新分配一个端口号。
NAT还使用原来的session1分配的端口号。
如果NAT类型是第一种，我们称为对称型，如果是这种p2p的魔法就很容易失灵，这种情况一般就不走直连了，走服务器转发。
第二种叫锥型。全锥型又分成4种。
全锥型、受限锥型（IP受限）、端口受限锥型（IP+PORT受限）、对称型。
- 全锥型：NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一个外部主机均可通过该映射发送IP包到该内部主机。在上面的例子中，只要建立了54000的映射，那Peer C 发送到这个端口的数据包，也会转发到PeerA
- 受限锥型：NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才能向该内部主机发送IP包。在上面的例子中，如果PeerA没有PeerC的IP发过消息，那PeerC给PeerA发的消息会被丢弃
- 端口受限锥型：端口限制性圆锥与限制性圆锥类似,只是多了端口号的限制,即只有内部主机先向IP地址为X,端口号为P的外部主机发送1个IP包,该外部主机才能够把源端口号为P的IP包发送给该内部主机。端口受限锥形是在受限锥形的基础上加了端口号的限制。
2.2 P2P连接的条件
并不是所有的设备都能建立P2P连接的，要考虑连接双方的NAT类型。
因为不同NAT的类型的严格程度不一样。
这里先介绍不同的NAT类型。
NAT 类型 全锥型 受限锥型 端口受限锥型 对称型
全锥型 可以 可以 可以 可以
受限锥型 可以 可以 可以 可以
端口受限锥型 可以 可以 可以 不可以
对称型 可以 可以 不可以 不可以
需要根据通信双方NAT的类型采用不同的穿透技术，如STUN（Session Traversal Utilities for NAT）、TURN（Traversal Using Relays around NAT）或ICE（Interactive Connectivity Establishment）来实现不同NAT类型之间的有效连接。