不同局域网间的P2P通信技术

P2P（Peer-to-Peer）即对等网络。P2P（Peer to Peer）网络结构区别于Client/Server结构或Browser/Server结构最显著的特点是整个网络不存在中心节点（或中心服务器），其中的每一个节点（peer）大都同时具有信息消费者、信息提供者和信息通讯等三方面的功能。

NAT(Net Address Translation):网络地址转换，即局域网通常通过一个具有公网IP的代理网关服务器连到internet共享上网。局域往内的机器并不具有公网IP地址，只有内网IP地址，若要和internet上的HTTP服务器通信，代理网关便会创建一个端口来和这个网内机器通信，并通过该端口和HTTP服务器交换数据。最终，网内机器-->代理网关-->HTTP服务器，在一个会话期间，各自的端口保持了映射关系，特别是代理网关和网内机器的端口映射，使得代理网关不会把接收到的数据包发错对象。局域网内的机器在网关处，就是靠NAT来映射端口实现internet连接。因此，NAT也称为端口映射。端口映射之后，在一个会话期间保持，对于TCP连接是直到连接断开才销毁，而对于UDP，却存在一个不定的生存期。
如果两台机器A和B，分别处于两个局域网内，要通过internet通信，即为P2P连接通信。目前的internet使用IPV4，采用32位IP地址，主要被用来进行C/S形式的通信，需要共享的资源集中放于internet服务器上，IPV4对于P2P分布式资源共享的支持，极不友好。首先，32位IP地址已经不敷使用，公网IP地址日趋紧张，只能使用局域网共享公网IP的方式，局域网正是为了临时应对IP耗尽而出现的，长远的解决办法是研究IPV6。其次，分别处于两个局域网内的机器要通信，由于对方没有公网IP，直接呼叫对方是不可能的，必须借助第三方中介间接地通信，解决方法有如下几种：
1、实现局域网内的数据链路层协议，就是设计一个类时TCP/IP的协议，由它来代替TCP/IP协议，由它直接基于网卡硬件获取数据。这是十分复杂的。
2、依靠internet上的公网服务器中转数据，但对于大数据量的中转，显然受到服务器和网络的负载极限的限制。
3、依靠internet上的公网服务器做媒介，将这两台分别处于不同局域网的机器相互通知给对方，在它们建立连接之后，服务器即脱离关系。这种方式下，服务器把A的NAT端口映射关系告诉B，又把B的NAT端口映射关系告诉A，这样AB相互知道对方的端口映射关系之后，就能建立连接。因为A和B各自的端口映射关系是靠各自的代理网关动态建立的，动态建立的映射端口不得告知对方。
4、上面的第三种办法，也可以采用静态端口映射方式，这样就无需中介服务器对A和B做介绍。在各方自的代理网关上，可以在代理工具里将某个端口(如1002)和局域网内的某台机器(如内网IP为192.168.18.23，端口1003)做好静态映射，这样，代理网关会自动地将出入于1002端口的数据发往192.168.18.23的1003端口。当然，通信之前，必须对对方的端口映射关系做配置。有多少台网内机器要通信，就得映射多少个不同的端口，同时在另一个局域网内的机器就要做多少个配置。在局域网内搭建HTTP、FTP等服务器就是通过静态映射端口来实现的，这个端口一般不是HTTP、FTP的默认80和23，所以对这类站点的访问往往会在URL里加上端口号。

由此所知，上述前两种办法在简单应用中是不可取的，只有后两种可行。它们又各有缺点，第三种动态映射端口，需要增加中介服务器，第四种静态映射端口，在需要通信的各方机器很多的情况下，做手工端口映射和配置都是很繁琐的，并且一方添加一台机器，就需要在其余对方增加配置。
采用动态和静态相结合的办法是可以推想的，然而其可行性还必须经过测试。可以这样设计，为了让所有通信机器彼此知晓并定位。我们可以在局域网里，只对一台机器在代理网关处做静态端口映射，本局域网内的机器都向它登记。而两个局域网各自只做一项对对方的映射配置。两个局域网之间，没有静态映射端口的机器要通信，就靠有映射的机器来担当“介绍”。

就局域网和NAT的问题实际上还很多，比如各自的局域网的结构不同，局域网里可能又有子局域网，局域网可能是NAT代理结构，但也可能是HTTP代理，Sock4、Sock5代理等结构，NAT又分严格的和非严格NAT，严格NAT限制很多，更不便于P2P。不过，软件不能实现的地方，可以考虑改变硬件结构，例如将严格NAT变为非严格NAT。如果硬件改变不得，那么Internet整体上就有10％的系统不能实现P2P，除非等到正处于研发的IPv6协议出来。P2P要解决的唯一技术难题是如何发现、定位和寻址对方，就是如何穿透NAT、HTTP、Sock等代理和如何穿透防火墙找到对方并建立起通信的问题。由于绝大多数局域网是NAT代理结构，所以前面对NAT论述比较详细，也是网上讨论最多的话题，相比之下，穿透Http、Sock代理就简单一些。此外，穿透NAT发现对等点的办法还有一些，例如多播，但由于现有Internet对多播并不友好，同时多播是无连接和不可靠的，其实现有难度。许多软件都是按照上述一些技术实现了P2P通信，著名的有MSN、QQ和BitTorrent下载软件等。

我们不希望在IP层实现我们的P2P，而是希望在应用层，利用Windows提供的Socket建立P2P，至多下到用原始Raw Socket来写P2P。首先看，我们对于公网有服务器做“中介(非中转)”的P2P怎么实现。

原理讲述：
例如AB两台机器分别处于两个不同的局域网后，由Server做中介，先看连接过程。
A首先连接服务器，采用UDP发包给Server，这个包包括了A的用户信息，类似于QQ的QQ号、呢称等。Server方，可以用CSocket::GetPeerName()得到A的IP及端口，但得到的IP和端口应该是A的代理网关的公网PublicIP及其映射端口NatPort，该映射端口就是A的代理网关为A的本次UDP通信临时分配的Nat端口。可以断言，得到的端口一定不是A的内网IP和内网UDP端口。
服务器然后将A的公网IP、映射端口、用户信息等保存到(内存列表或者数据库)，这样标志着A已经上线。服务器马上将其它在线的用户信息发回给A，包括其它用户的代理网关的公网IP及Nat端口。A同样将在线用户的这些信息保存并显示为列表，期待A用户做出选择。
对于B，同样有上述的上线过程。
当A用户做出选择，要和在线的B用户通信时，A首先发UDP包给B的公网IP及Nat端口，并立即发一个UDP包给服务器，让服务器去通知B，叫B给A也发一个UDP包。换句话说，1、A发包给PublicB, 2、A发包给Server，3、Server发包给PublicB，4、B发包给PublicA。
上面的叙述用到了"Public"字样，它代表代理网关的公网IP及其映射端口。
由于A和B各自的网关都保存了各自的端口映射关系，发到网关的数据，网关会按照这个映射关系转发给A和B。当A和B都分别收到对方发来的UDP包以后，连接宣告成功，服务器即可以脱离，AB即可以用UDP通信。

何以如此麻烦？

A在发UDP包给Server上线时，A的网关(A.Gate)就分配一个Nat端口(A.NatPort)给A，用于A和Server间的本次UDP会话，但A的网关明确标记，这个Nat端口，仅能用于A和Server之间的UDP通信，不能挪着它用。并且，这个临时分配的端口，只能保持一个很短的时效，也许是一两秒吧。这个时间内，如果A与Server没有任何通信，那么这个映射端口就宣告无效。下次，A和Server又要通信时，A的网关又会重新分配一个新的端口。这段表明三点：
1、A与Server的通信，需要A网关分配Nat端口来中转。
2、Nat端口只能用于A和Server间的通信。
3、Nat端口存在生存期，长时间A和Server无通信，该端口即宣告无效。
就是这些麻烦，使得我们的连接过程必须绕很多弯。
A和B的通信，就是借助事先AB分别与Server连接时，在各自的网关处建立的端口映射来通信。为避免上面的2、3点麻烦，A和B在初次连接时，必须几乎同时向对方发包。
如果A、B不同时发包给对方，它们各自的网关就会虑掉对方的包，因为该包不是Server发来的包，叫做不请自来的包。
并且，即便AB各自的网关不虑掉非Server发来的包，它们各自的Nat端口也有一个时效。那么A与Server，B与Server就不得不发心跳包，以维持各自的映射端口，保证其不失效。
上面的过程中，如果A和B建立连接失败，可以循环这个过程，直到一个有限的次数之后，仍不能连接则宣告失败。