穿越NAT连接P2P？

Question

我开始尝试使用p2p连接与其他人建立联系，因此我在JAVA上编写了一个简单的套接字程序，以便Android设备的用户可以共享简单的p2p消息（当时我对NAT一无所知）。后来我了解到了NAT，现在我需要与另一个使用服务器进行发现的用户建立TCP连接，但有效负载是通过p2p传输的。我还看过XMPP（关于协议如何工作的非常好且详细的解释在这里），以及UPnP，但我不知道如何实现它们。

另一个有趣的问题是BitTorrent，因为它们可以在任何设备上甚至在NAT背后工作。我找不到关于BitTorrent如何工作的任何解释。

我已经做了很多研究，但我被卡住了。

我的问题是：

1. 一个详细的BitTorrent解释（像这里一样，不是关于怎么下载种子的）以及它如何能够绕过NAT?
2. 是否有办法通过编程方式创建一个NAT条目？
3. 套接字编程对于p2p是否足够？
4. 创建自己的协议有多困难，我该如何构建一个协议？
5. 如果两个设备D1和D2想要进行p2p通信并且它们知道彼此的IP，则D1向D2发送请求但无法穿过D2的NAT，但应该在D1的NAT中创建一个条目。那么当D2尝试发送一些东西时，D1的NAT应该发现一个带有D2 IP的条目。为什么它不允许数据包通过？

- user3439988

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Bittorrent使用UDP打洞技术。我认为在网络上没有任何详细的解释。 - Encombe

@Encombe 我已经了解了关于“打洞”的内容。1. 它并不总是成功的。2. 不能使用UDP传输消息，因为它非常不可靠。 - user3439988

@Encombe，您能告诉我这些协议如何处理动态IP地址吗？手机的IP地址在单个会话中是否保持不变，或者超时时间是多少？ - user3439988

我建议你可以在其他客户端的代码中进行一些研究，比如Transmission，并查看它是如何实现的。例如，在这里（https://trac.transmissionbt.com/browser/trunk/libtransmission/upnp.c）。这可能很困难，但我认为这将是有益的。 - paulochf

这是上面提到的XMPP文章链接。该链接已经失效，显示404错误。https://web.archive.org/web/20170204074212/http://ceit.uq.edu.au/content/how-xmpp-works-step-step - Yashas

Answer 1

另一个有趣的问题是关于BitTorrent的，因为它们可以在任何设备上运行，甚至在NAT后面也可以。我无法得到任何关于BitTorrent如何工作的解释。

这个陈述似乎认为BitTorrent需要完全的连接才能运行，这是不正确的。

在NAT设备后面，您仍然可以建立出站TCP连接。通常情况下，只要网络中有其他非NAT（或已正确端口转发）的客户端可以接受传入连接，这就足以满足BitTorrent的要求。

NAT对数据流方向没有影响，因为一旦建立连接，连接就是双向的。它只会对初始连接设置造成问题。

这对BitTorrent来说非常有效，因为BitTorrent并不关心从哪个特定节点获取数据。尽管更好的连接通常会提高性能。

如果节点的身份很重要或者一对一的转移是一个重要的用例，那么其他点对点协议通常会首先尝试 NAT穿透，如果失败，则依赖于第三方节点在那些不能直接连接的节点之间中继流量。

此外，IPv6支持将成为未来维护端到端连通性的必要条件，因为越来越多的ISP开始推出运营商级NAT以供IPv4使用，而IPv6仍将保持非NAT状态。

- the8472

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我的目的是为了弄清楚“初始连接设置”是如何发生的。我知道BitTorrent使用DHT来查找连接。假设您知道目标的IP地址，即使如此，您也无法穿过NAT。因此，您需要某些东西来创建一个条目进入NAT转发表中，以便数据可以流动。您关于数据输出的说法是绝对正确的，您也正确指出在初始连接设置完成后，数据可以毫无问题地流动。 您能否建议我在初始阶段和IP更改时采取什么措施？ - user3439988

因此，您需要创建一个条目以便将数据流入NAT转发表中。对于出站连接，本地NAT设备会自动创建这些条目。这就是为什么我说如果远程可达，则出站连接将正常工作。如果这不是您的意思，请在问题中附上更具体的场景，概述两个节点之间的整个路径和您希望执行的操作。 - the8472

我已经在我的回答中涵盖了这些内容，请仔细阅读。 - the8472

我也读到了Bleep使用SIP，但我找不到任何实现。也许你可以帮忙。 - user3439988

这是否意味着，如果在BitTorrent网络中没有未经NAT处理的节点，那么BitTorrent将无法工作？ - Aditya Agarwal

Answer 2

需要明确的一件事情是，目前在各种类型的NAT之间实现100%的P2P是不可能的。在Symmetric和Symmetric/PRC NAT之间建立P2P连接没有实用的方法，因此需要通过一个名为TURN的中继服务器来建立连接。

我正在回答你的第二个问题，因为我对第一个问题不太了解。

是的，你可以通过你的NAT发送数据包，并且会有一个映射将你的内部IP:Port映射到你的NAT的外部IP:Port。你可以通过发送STUN请求来知道这些外部IP:Port。请注意，这种技术对于对称性NAT无效。

是的，套接字编程足以支持P2P。

既然已经有几个协议存在，为什么还需要一个新的协议呢？ICE协议是目前最好的NAT遍历协议，我认为它不容易创建。UPnP和NAT-PMP在安全方面真的很脆弱。

我认为通常情况下NAT会阻止未知的数据包进入。因此当D1向D2发送数据包时，它的NAT会阻止来自D1的IP:Port的所有传入数据包，这就是连接建立失败的原因。你必须采用打洞技术才能成功地建立D1和D2之间的P2P连接。

**通过对称性NAT，我指的是随机端口分配的对称性NAT。

- Tahlil

Answer 3

有一篇关于“网络地址转换器跨对等通信”的论文，描述了UDP穿透方法，并将其扩展为可以在TCP上使用。

当然，在不支持穿透的情况下，您始终需要中继服务器。

- Fardin K.

Answer 4

• 最新版本的BitTorrent使用µTP，它位于UDP上层而非TCP。 µTorrent使用一个私有扩展（ut_holepunch）执行UDP打洞，大多数其他实现不会这么麻烦（Tixati是一个值得注意的例外）。

• 一些NAT路由器使用uPNP或PMP协议接受端口转发请求。是否支持取决于特定品牌的路由器及其配置。

• 是的，套接字编程足以用于P2P。

• 很难回答。建议您首先阅读经过维基化和注释的BitTorrent规范。

• 是的，这就是UDP打洞背后的原理。

- jch

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我从你的回答中得出的结论是，除了使用uPNP和PMP之外，使用NAT穿透是唯一的解决方案。这三种方法都不是100％可靠的解决方案。而且uTP在UDP上运行，同样不可靠。BitTorrent制作了一个名为Bleep（P2P聊天）的应用程序。他们使用SIP进行初始化。还有另一个解决方案是使用带有错误处理的UDP来像TCP一样工作。你知道如何实现其中任何一个吗？ - user3439988

@Encombe提到了Tixati，因为它在发布说明中，但找不到关于libtorrent的任何信息。您确定它实现了ut_holepunch吗？ - jch

如果我今天要编写一个P2P应用程序，我会让它纯IPv6，与此同时不考虑其他方面。 - jch

@jch，我想我在pcaps中看到了qBittorrent的ut_holepunch。此外，搜索结果显示：Arvid说：“libtorrent中的holepunching支持始终开启。”这里。您可能需要检查libtorrent源代码以确认。 - Encombe

通过在µT（日志选项卡>对等流量记录>记录holepunch）中激活日志记录，我可以确认Holepunching与BitTorrent / µTorrent、libtorrent（Deluge、qBittorrent、Bitlord）、Tixati和Xunlei兼容。libtorrent源代码 - Encombe