TCP点对点穿透探索

点对点穿透是穿透什么

点对点穿透，需要实现的是对NAT的穿透。想实现NAT的穿透，当然要先了解NAT到底是什么，以及NAT是用来干什么的。
NAT全称Network Address Translation，意思是网络地址转换，在1994年提出。它可以对不同的IP及端口进行映射，将一个网络地址转换为另一个。NAT的主要用途，大家可以看路由器。路由器具有一个WAN口及多个LAN口；WAN口对外，连接因特网，拥有公网IP；LAN口对内，构建本地网络，分配的是私网IP。当处于LAN网下的本地主机想要访问因特网的时候，路由器就会通过NAT技术，将LAN 口的私网IP映射到WAN口的公网IP，实现网络地址的转换，这样本地主机就可以访问因特网了。
NAT技术的出现，有效减缓了IPv4时代可用IP地址枯竭的问题。至于为何可以缓解IP地址枯竭，我们依旧可以参照路由器来加以理解。路由器的LAN网下扩展了多台本地主机，这些本地主机需要不同的IP地址加以区分。如果它们都是接在英特网下，那么每台主机都需要消耗一个公网IP，但是通过路由器的NAT服务，这些本地主机可以先分配不同的私网IP，然后在需要连接到英特网的时候映射到公网IP的不同端口上完成对因特网的访问，从而节省IP地址的消耗。至于私网IP地址，由于NAT的存在，本地网络与英特网处于隔离状态，不必担心与其他网络产生冲突。
上面是对NAT的一些简单的介绍，以及NAT工作方式的简单描述，如果觉得难以理解，可以自行查阅更多资料。

举个例子，假如路由器WAN口获取到的公网IP是55.66.77.88（随便写的），LAN网下某台本地主机获取到的私网IP是192.168.0.100（路由器多是192.168.0.0网段）。现在本地主机想要向英特网发起连接，它通过自己的10000端口发起了连接，路由器知道有本地主机向英特网发起连接，便会分配一个WAN口的可用端口做映射，比如分配到的是5000端口。这时，192.168.0.100的10000端口便和55.66.77.88的5000端口产生了映射关系。55.66.77.88的5000端口收到的网络包便会转发到192.168.0.100的10000端口,192.168.0.100的10000端口收到的网络包也会转发到55.66.77.88的5000端口。当然，由于是网络地址转换，这途中还会有拆包，重新装包的过程，不做详细说明。

大致知道NAT怎么工作的之后，接下来了解为什么要穿透NAT。
按照上面的描述，NAT的工作需要LAN网下的本地设备主动发起网络连接，然后NAT服务才会将这个连接映射到WAN口的公网IP完成转换。也就是说，如果本地主机没有主动发起连接，那么这个映射就不会存在，那么公网上的机器就无法访问到私网上的机器。也就是说，只能是私网机器主动连接公网机器，而不能是公网机器主动连接私网机器。而为了实现公网机器主动连接私网机器，我们就需要穿透NAT，这就是NAT穿透的由来。

目前比较好实现NAT穿透的方式是采用UDP连接对NAT进行打洞，然后完成连接。何为打洞呢？就是为了使NAT产生一个可用的映射。具体步骤就是在私网机器上用UDP向某台公网机器发起连接，使得NAT产生一个可以使用的映射（洞）。然后通过这个映射（洞），就可以穿透NAT。
至于为什么要用UDP，这是由于UDP的某些特性。UDP通信需要先绑定本地机器的端口，完成后就可以从这个端口收发数据，至于从哪里收，发到哪里，可以在收发数据的时候再决定，这也就意味着我可以用这一个端口同时和多个对象通信，只要我收发数据的时候指定不同的对象即可。当本地机器用UDP向英特网上的某个服务器发送数据的时候，这个映射不但能用来和这个服务器进行数据交互，也能用来接收其他主机发来的数据。NAT穿透就是本地主机向公网上的某台服务器发送数据，这时服务器就可以获得NAT对这台主机的映射，在之前举得例子中就是55.66.77.88:5000这个地址。由于NAT会将55.66.77.88:5000收到的数据转发至本地主机，所以公网上的其他机器可以从服务器获取到55.66.77.88:5000这个网络地址，然后通过这个网络地址向私网下的机器发出数据。
而至于为什么不用TCP，也是由于TCP的某些特性。TCP通信的步骤与UDP不同，它需要先在两个对象之间建立一个专用通道，再用这个通道收发数据。也就是说外人无法插手。这样一来，虽然其他机器可以通过服务器获取到NAT的映射对象，也没办法利用它向私网下的机器发出数据。
关于TCP与UDP的更多细节，请参考SOCKET编程。

TCP实现点对点穿透的探索

为了尝试使用TCP实现点对点穿透，需要现对TCP做更多的了解。我之前有详细查过TCP连接中的各种状态变化，做了简单的整理，可以做个参考：TCP连接状态变化
既然TCP在连接过程中其他人不能插手，但是等它连接结束之后呢？NAT对TCP连接的端口映射在连接结束后就立马销毁了吗？接着深入，发现NAT存在一个老化机制。接下来看看老化是什么意思。NAT生成某个映射后，会将这个映射保存下来，但是即使端口号非常多，它也不是无限的，而既然端口号是有限资源，那么就不能保证映射表的无限扩充。为了合理利用资源，当某个映射一段时间内没有发生数据交互，NAT就会认为这个映射已经没有人使用了，就会将这个映射销毁，回收端口号。这个时间，就叫做老化时间。也就是说，老化是一种映射的回收机制。
从TCP连接状态变化中可以知道，TCP在断开连接后会有一段时间的保护期，不让这个端口进行下一次连接，这个时间是2*MSL，MSL在协议中的建议值为2分钟，实际应用中常用是30秒，1分钟和2分钟，也就是说这个时间很有可能是一分钟甚至更久。那老化时间有多久有多久呢，在老化时间控制中有提到，TCP的默认老化时间是86400秒，TCP-SYN和TCP-FIN的默认老化时间是60秒。这样说来，按照一般情况等保护期结束的时候，NAT的映射也到期了。
但是没有关系，SOCKET编程中允许有一些特殊的选项，其中有一个叫SO_REUSEADDR的选项。

以下文字引用自setsockopt中参数之SO_REUSEADDR的意义

setsockopt中参数之SO_REUSEADDR的意义

1、一般来说，一个端口释放后会等待两分钟之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是让端口释放后立即就可以被再次使用。

SO_REUSEADDR用于对TCP套接字处于TIME_WAIT状态下的socket，才可以重复绑定使用。server程序总是应该在调用bind()之前设置SO_REUSEADDR套接字选项。TCP，先调用close()的一方会进入TIME_WAIT状态

2、SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT

SO_REUSEADDR提供如下四个功能：
SO_REUSEADDR允许启动一个监听服务器并捆绑其众所周知端口，即使以前建立的将此端口用做他们的本地端口的连接仍存在。这通常是重启监听服务器时出现，若不设置此选项，则bind时将出错。
SO_REUSEADDR允许在同一端口上启动同一服务器的多个实例，只要每个实例捆绑一个不同的本地IP地址即可。对于TCP，我们根本不可能启动捆绑相同IP地址和相同端口号的多个服务器。
SO_REUSEADDR允许单个进程捆绑同一端口到多个套接口上，只要每个捆绑指定不同的本地IP地址即可。这一般不用于TCP服务器。
SO_REUSEADDR允许完全重复的捆绑：当一个IP地址和端口绑定到某个套接口上时，还允许此IP地址和端口捆绑到另一个套接口上。一般来说，这个特性仅在支持多播的系统上才有，而且只对UDP套接口而言（TCP不支持多播）。
SO_REUSEPORT选项有如下语义：
此选项允许完全重复捆绑，但仅在想捆绑相同IP地址和端口的套接口都指定了此套接口选项才行。
如果被捆绑的IP地址是一个多播地址，则SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT等效。
使用这两个套接口选项的建议：
在所有TCP服务器中，在调用bind之前设置SO_REUSEADDR套接口选项；
当编写一个同一时刻在同一主机上可运行多次的多播应用程序时，设置SO_REUSEADDR选项，并将本组的多播地址作为本地IP地址捆绑。
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
(const void *)&nOptval , sizeof(int)) < 0) ...

关于SO_REUSEADDR的特性，网上介绍很多，这里贴出几个链接:
SO_REUSEADDR例解
SO_REUSEADDR 套接字选项应用实例

有了SO_REUSEADDR就好办了，在刚断开连接的时候NAT的映射还没有被老化，而由于SO_REUSEADDR套接字选项的关系，也可以立马进行下一次连接。也就是说只要我们在NAT服务设置的老化时间内重新建立好连接，那么这个映射就可以继续使用。

至此，关于TCP点对点穿透的构思部分就完成了，从原理上来说应该是存在可行性的，如果有偏颇，忘指正。后续会尝试搭建环境，写程序做个试验。

来源：博客园