Python实现简单的udp打洞（P2P）

UDP穿越NAT的具体设计

首先，Client A登录服务器，NAT
1为这次的Session分配了一个端口60000，那么Server
S收到的Client A的地址是200.0.0.132:60000，这就是ClientA的外网地址了。同样，Client
B登录Server S，NAT
B给此次Session分配的端口是40000，那么Server
S收到的B的地址是200.0.0.133:40000。

此时，Client A与Client
B都可以与ServerS通信了。如果Client
A此时想直接发送信息给ClientB，那么他可以从Server
S那儿获得B的公网地址200.0.0.133:40000，在双方都是FullCone
NAT的情况下，Client A就能够直接往ClientB的公网IP：Port发送数据了。

总结一下这个过程：如果ClientA想向Client
B发送信息，那么双方都需要在Server上通信一次做登记，然后将Client
B的公网地址和端口发送给ClientA，最好Client
A直接连接ClientB的公网地址和端口。呵呵，是不是很绕口，不过没关系，想一想就很清楚了。

注意：以上过程只适合于ConeNAT的情况，如果是Symmetric
NAT，那么当Client A向Client
B在NAT设备上没有形成一个Session，而只有和ClientB 连接Server的Session，所以NAT设备是会对包进行丢弃的。不过如何Symmetric
NAT的端口是按照顺序进行开启的话，那可以通过Server命令Client
B发送数据给ClientA的IP:Port，然后Client
A通过线性端口扫描对端口进行猜测。不过这个方式存在失败率，而且不能明确了解NAT设备开启的端口的规律，所以没有去实现。

四种类型的NAT介绍

NAT的分类：在STUN协议中，根据内部终端的地址(LocalIP:LocalPort)到NAT出口的公网地址(PublicIP:PublicPort)的影射方式，把NAT分为四种类型（英文原文详见rfc3489标准：http://www.ietf.org/rfc/rfc3489.txt）：

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。

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。

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。

4.Symmetic

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。

不同NAT环境下UDP穿透可行性分析

两侧NAT属于Full
Cone NAT

则无论A侧NAT属于Cone
NAT还是SymmetricNAT，包都能顺利到达B。如果P2P程序设计得好，使得B主动到A的包也能借用A主动发起建立的通道的话，则即使A侧NAT属于Symmetric
NAT，B发出的包也能顺利到达A。

B侧NAT属于Restricted
Cone或PortRestricted Cone

则包不能到达B。再细分两种情况

（1）、A侧NAT属于RestrictedCone或Port
Restricted Cone

虽然先前那个初始包不曾到达B，但该发包过程已经在A侧NAT上留下了足够的记录。如果在这个记录没有超时之前，B也重复和A一样的动作，即向A发包，虽然A侧NAT属于RestrictedCone或Port
Restricted Cone，但先前A侧NAT已经认为A已经向B发过包，故B向A发包能够顺利到达A。同理，此后A到B的包，也能顺利到达。

（2）、A侧NAT属于SymmetricNAT

因为A侧NAT属于Symmetric
NAT，且最初A到Server发包的过程在A侧NAT留下了记录，故A到B发包过程在A侧NAT上留下的记录端口产生了变化。而B向A的发包，只能根据Sever给他的关于A的信息，发往A，因为A端口受限，故此路不通。再来看B侧NAT，由于B也向A发过了包，且B侧NAT属于Restricted
Cone或Port Restricted Cone，故在B侧NAT上留下的记录，此后，如果A还继续向B发包的话（因为同一目标，故仍然使用前面的映射），如果B侧NAT属于Restricted
Cone，则从A（210.21.12.140:8001）来的包能够顺利到达B；如果B侧NAT属于PortRestricted
Cone，则包永远无法到达B。

结论1：只要单侧NAT属于Full
Cone NAT，即可实现双向通信。

结论2：只要两侧NAT都不属于Symmetric
NAT，也可双向通信。换种说法，只要两侧NAT都属于Cone
NAT，即可双向通信。

结论3：一侧NAT属于Symmetric
NAT，另一侧NAT属于Restricted
Cone，也可双向通信。

结论4，两个都是Symmetric
NAT或者一个是SymmetricNAT、另一个是Port
Restricted Cone，则不能双向通信。

常见的NAT实现

由于存在有4种NAT的类型，所以在方案设计中，必须要考虑到用哪种软件或者设备来模拟NAT环境。我在实现过程中尝试过了很多选择，包括Linux下的iptables，海蜘蛛的软路由，使用CISCO的IOS模拟，window2003自带的NAT服务，还有VMWARE自带的NAT网络环境。最终发现window2003和VMWARE是支持full
cone nat的。

iptables

通过前人的试验和我自己的验证，iptables确实是货真价实的Symmetric NAT。不过也有人通过改写在Linux2.4内核下的iptables源码将SymmetricNAT改为了Full
Cone NAT，也可以通过编写规则作弊的方式实现full nat cone，不过我最终没有采取iptables。一是改写源码的方式比较繁琐，需要修改很多个源码文件。而使用编写规则作弊的方式也觉得有点自欺欺人了。

window2003

Window 2003自带有路由和远程访问服务，其中包含有NAT服务。经过测试，可以实现完全的Full Cone NAT。

ciscoIOS模拟

我曾使用c3640-is-mz.122-27版本的IOS，通过Dynamips模拟路由器配置NAT，发现不支持Full
Cone NAT。可能有老版本的IOS会有支持，不过我没有一一测试。

Server端代码：

#!/usr/bin/python
#coding:utf-8
import socket, sys, SocketServer, threading, thread, time
SERVER_PORT = 1234
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
sock.bind((”, SERVER_PORT))
user_list = []
def server_handle():
whileTrue:
cli_date, cli_pub_add = sock.recvfrom(8192)
now_user = []
headder = []
cli_str = {}
headder = cli_date.split(‘\t’)
for one_line in headder:
str = {}
str = one_line
args = str.split(‘:’)
cli_str[args[0]] = args[1]
if cli_str[‘type’] == ‘login’ :
del cli_str[‘type’]
now_user = cli_str
now_user[‘cli_pub_ip’] = cli_pub_add[0]
now_user[‘cli_pub_port’] = cli_pub_add[1]
user_list.append(now_user)
toclient = ‘info#%s login in successful , the info from server’%now_user[‘user_name’]
sock.sendto(toclient,cli_pub_add)
print’-‘*100
print”%s 已经登录,公网IP:%s 端口:%d\n”%(now_user[‘user_name’],now_user[‘cli_pub_ip’],now_user[‘cli_pub_port’])
print”以下是已经登录的用户列表”
for one_user in user_list:
print’用户名:%s 公网ip:%s 公网端口:%s 私网ip:%s 私网端口:%s’%(one_user[‘user_name’],one_user[‘cli_pub_ip’],one_user[‘cli_pub_port’],one_user[‘private_ip’],one_user[‘private_port’])
elif cli_str[‘type’] == ‘alive’:
pass
elif cli_str[‘type’] == ‘logout’ :
pass
elif cli_str[‘type’] == ‘getalluser’ :
print’-‘*100
for one_user in user_list :
toclient = ‘getalluser#username:%s pub_ip:%s pub_port:%s pri_ip:%s pri_port:%s’%(one_user[‘user_name’],one_user[‘cli_pub_ip’],one_user[‘cli_pub_port’],one_user[‘private_ip’],one_user[‘private_port’])
sock.sendto(toclient,cli_pub_add)
if __name__ == ‘__main__’:
thread.start_new_thread(server_handle, ())
print’服务器进程已启动，等待客户连接’
whileTrue:
for one_user in user_list:
toclient = ‘keepconnect#111’
sock.sendto(toclient,(one_user[‘cli_pub_ip’],one_user[‘cli_pub_port’]))
time.sleep(1)

Client端代码：

#!/usr/bin/python
#coding:utf-8
import socket, SocketServer, threading, thread, time
CLIENT_PORT = 4321
SERVER_IP = “200.0.0.128”
SERVER_PORT = 1234
user_list = {}
local_ip = socket.gethostbyname(socket.gethostname())
sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
def server_handle():
print’客户端线程已经启动 , 等待其它客户端连接’
whileTrue:
data, addr = sock.recvfrom(8192)
data_str = data.split(‘#’)
data_type = data_str[0]
data_info = data_str[1]
if data_type == ‘info’ :
del data_str[0]
print data_info
if data_type == ‘getalluser’ :
data_sp = data_info.split(’ ‘)
user_name = data_sp[0].split(‘:’)[1]
del data_sp[0]
user_list[user_name] = {}
for one_line in data_sp:
arg = one_line.split(‘:’)
user_list[user_name][arg[0]] = arg[1]
if data_type == ‘echo’ :
print data_info
if data_type == ‘keepconnect’:
messeg = ‘type:alive’
sock.sendto(messeg, addr)
if __name__ == ‘__main__’:
thread.start_new_thread(server_handle, ())
time.sleep(0.1)
cmd = raw_input(‘输入指令>>’)
whileTrue:
args = cmd.split(’ ‘)
if args[0] == ‘login’:
user_name = args[1]
local_uname = args[1]
address = “private_ip:%s private_port:%d” % (local_ip, CLIENT_PORT)
headder = “type:login\tuser_name:%s\tprivate_ip:%s\tprivate_port:%d” % (user_name,local_ip,CLIENT_PORT)
sock.sendto(headder, (SERVER_IP, SERVER_PORT))
elif args[0] == ‘getalluser’:
headder = “type:getalluser\tuser_name:al”
sock.sendto(headder,(SERVER_IP,SERVER_PORT))
print’获取用户列表中。。。’
time.sleep(1)
for one_user in user_list:
print’username:%s pub_ip:%s pub_port:%s pri_ip:%s pri_port:%s’%(one_user,user_list[one_user][‘pub_ip’],user_list[one_user][‘pub_port’],user_list[one_user][‘pri_ip’],user_list[one_user][‘pri_port’])
elif args[0] == ‘connect’:
user_name = args[1]
to_user_ip = user_list[user_name][‘pub_ip’]
to_user_port = int(user_list[user_name][‘pub_port’])
elif args[0] ==’echo’:
m = ’ ‘.join(args[1:])
messeg = ‘echo#from %s:%s’%(local_uname,m)
sock.sendto(messeg, (to_user_ip, to_user_port))
time.sleep(0.1)
cmd = raw_input(‘输入指令>>’)