UDP打洞(UDP Hole Punching)原理

一. NAT分类

根据STUN协议(RFC3489),NAT大致分为下面四类：
1) Full Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网机器C后,NAT会打开一个端口.然后外网的任何发到这个打开的端口的UDP数据报都可以到达A.不管是不是C发过来的.
例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88
A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100:8000) -> C(292.88.88.88:2000)
任何发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

2) Restricted Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用任何端口和A通信.其他的外网机器不行.
例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88
A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100 : 8000) -> C(292.88.88.88:2000)
任何从C发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

3) Port Restricted Cone

这种NAT内部的机器A连接过外网的机器C后,NAT打开一个端口.然后C可以用原来的端口和A通信.其他的外网机器不行.
例如 A:192.168.8.100 NAT:202.100.100.100 C:292.88.88.88
A(192.168.8.100:5000) -> NAT(202.100.100.100 : 8000) -> C(292.88.88.88:2000)
C(202.88.88.88:2000)发送到 NAT(202.100.100.100:8000)的数据都可以到达A(192.168.8.100:5000)

以上三种NAT通称Cone NAT(圆锥形NAT).我们只能用这种NAT进行UDP打洞.

4) Symmetric（对称形）

对于这种NAT.连接不同的外部目标.原来NAT打开的端口会变化.而Cone NAT则不会.虽然可以用端口猜测.但是成功的概率很小.因此放弃这种NAT的UDP打洞.

二. UDP hole punching

首先需要明白的是，如果双方的NAT都是Full Cone NAT的话，则不需要打洞就可以直接进行通信。
而对于双方都是Port Restricted Cone NAT的时候，则需要利用UDP打洞原理进行“先打洞，然后才能直接通信”。
对于Cone NAT.要采用UDP打洞.需要一个公网机器server C来充当”介绍人”.处于NAT之后的内网的A,B先分别和C通信,打开各自的NAT端口.C这个时候知道A,B的公网IP: Port. 现在A和B想直接连接.比如A给B直接发包，除非B是Full Cone，否则不能通信.反之亦然.
为什么啊？因为对于处于NAT之后的A,B。如果想A要与外界的D通信，则首先必须要A发包到D，然后A经过NAT设备NA，NA把A的内网地址和端口转换为NA的外网地址和端口。和D通信之后，D才能经过NA和A通信。也就是说，只能A和外界主动通信，外界不能主动和处于NA之后的A通信。这种包会被NA直接丢弃的。这也就是上面所说的Port Restricted Cone 的情形啊！ A(192.168.8.100:5000) -> NA(202.100.100.100:8000) -> D(292.88.88.88:2000)但是我们可以这样.

A->B打洞过程:

说明:
A:用户A
B:用户B
NA:NAT网络A
NB:NAT网络B
Server C为外网的机器(服务器或消息中转站)

A想与B建立通信通道,A to B打洞:
1.A ---> NA ---> Server C ---> NB ---> B
2.B---->A (打洞完成)

1，如果A想与B通信；
2，A首先连接 C, C得到A的外网NA的地址和端口；
3，B也要连接C，C得到B的外网NB的地址和端口；
4，A告诉C说我要和B通讯；
5，C通过NB发信息给B，告诉B A的外网NA的地址和端口；
6，B向NA发数据包（肯定会被NA丢弃，因为NA上并没有 A->NB 的合法session），
但是NB上就建立了有B->NA的合法session了；
7，B发数据包给C，让 C 通知 A，我已经把洞打好了；
8，A接受到通知后向 B 的外网发NB数据包，这样就不会被丢弃掉了。因为对于NB来说，它看到的是A的外网NA的地址，
而通过第6步，B已经让NA成为NB的合法通信对象了。所以当NA发数据包给NB时，NB就会接收并转发给B；

注意：路由器和防火墙的UDP打洞的端口有个时间限制的，在一定时间内如果没有数据通讯会自动关闭.

三. 同一个NAT后的情况

如果A,B在同一个NAT后面.如果用上面的技术来进行互连.那么如果NAT支持loopback(就是本地到本地的转换),A,B可以连接,但是比较浪费带宽和NAT.
有一种办法是,A,B和介绍人通信的时候,同时把自己的local IP也告诉服务器.A,B通信的时候,同时发local ip和公网IP.谁先到就用哪个IP.但是local ip就有可能不知道发到什么地方去了.比如A,B在不同的NAT后面但是他们各自的local ip段一样.A给B的local IP发的UDP就可能发给自己内部网里面的xxxx了.

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假设现在有内网客户端A和内网客户端B，有公网服务端S。
如果A和B想要进行UDP通信，则必须穿透双方的NAT路由。假设为NAT-A和NAT-B。

A发送数据包到公网S,B发送数据包到公网S,则S分别得到了A和B的公网IP，
S也和A B 分别建立了会话，由S发到NAT-A的数据包会被NAT-A直接转发给A，
由S发到NAT-B的数据包会被NAT-B直接转发给B，除了S发出的数据包之外的则会被丢弃。
所以：现在A B 都能分别和S进行全双工通讯了，但是A B之间还不能直接通讯。

解决办法是：

A向B的公网IP发送一个数据包，则NAT-A能接收来自NAT-B的数据包
并转发给A了（即B现在能访问A了）；再由S命令B向A的公网IP发送一个数据包，则
NAT-B能接收来自NAT-A的数据包并转发给B了（即A现在能访问B了）。

以上就是“打洞”的原理。

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TCP打洞和UDP打洞的区别

为什么网上讲到的P2P打洞基本上都是基于UDP协议的打洞？难道TCP不可能打洞？还是TCP打洞难于实现？

但是TCP和UDP在打洞上却有点不同。这是因为伯克利socket（标准socket规范）的API造成的:
UDP的socket允许多个socket绑定到同一个本地端口，而TCP的socket则不允许。
这是这样一个意思：A B要连接到S，肯定首先A B双方都会在本地创建一个socket，
去连接S上的socket。创建一个socket必然会绑定一个本地端口（就算应用程序里面没写
端口，实际上也是绑定了的，至少java确实如此），假设为8888，这样A和B才分别建立了到
S的通信信道。接下来就需要打洞了，打洞则需要A和B分别发送数据包到对方的公网IP。但是
问题就在这里：因为NAT设备是根据端口号来确定session，如果是UDP的socket，A B可以
分别再创建socket，然后将socket绑定到8888，这样打洞就成功了。但是如果是TCP的
socket，则不能再创建socket并绑定到8888了，这样打洞就无法成功。

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