【计算机网络】UDP打洞
UDP打洞
指用于NAT穿越的一种技术，也即内网穿透技术。
背景介绍
IPv4枯竭
现阶段大多网络设备是用IPv4地址作为互联网通信地址，IPv4使用32位（4字节）地址，因此只有4,294,967,296（232）个地址可供使用，其间有一些地址是为特殊用途而保留的，如专用网络（约1800万个地址）和多播网络（约2.7个地址），这将减少了互联网中可用的地址。随着时间的变化，接入互联网的设备越来越多，出现了IPv4地址的枯竭的问题。
NAT技术
NAT全称：Network Address Translation，网络地址转换。是一种在IP数据包通过路由器或防火墙时重写来源IP或目的IP的技术。该技术可以实现多个网络设备共用一个对外IP或公网IP。
因此NAT技术可以缓解IPv4枯竭的问题，目前基本上家用宽带运营商都使用NAT技术为用户赋予IP地址，通常是一层或一栋楼共用一个公网IP（详情根据当地运营商而定）。
假如现有内网设备A、NAT(1.1.1.2)和公网服务器(1.1.1.1)
- A向服务器发送请求包。
- A请求包经过NAT，NAT从中得到请求的目的地址（1.1.1.1）。
- NAT保存A的地址和A的目的地址（1.1.1.1），并给A随机分配映射一个端口（1234）。
- NAT将A请求包的源地址（A的地址）和源端口，替换为NAT的公网IP和分配给A的端口（1234）。
- NAT将请求包向公网服务器（1.1.1.1）发出。
- 服务器（1.1.1.1）接收到请求包并返回回应包。
- NAT接收到回应包，并从中得到回应的端口（1234）。
- NAT找查记录，发现与端口（1234）对应的设备是A，并且回应包发送者的IP（1.1.1.1）也在其中。（若两者其中一个不满足就会将此包丢弃）
- NAT将回应包的目的IP（1.1.1.2）和目的端口（1234）改为A的地址。
- NAT将回应包发送给A。
默认情况下在NAT内网的设备可以主动访问公网IP的设备，但公网IP设备却不能主动访问NAT内网的设备（因为NAT没有记录，对应上述例子第8步）.
打洞
因为NAT技术的原因，造成两个NAT内网的设备无法直接通信（例如：不能直接访问没有公网IP的电脑）。 打洞顾名思义，就是在NAT内网中打出一个洞，让两个不同内网的设备直接访问。
原理
从上述NAT技术的第4步和第9步，可以看出NAT需要将内网设备映射到一个端口并保存其访问的公网地址和端口，才可以使内网设备和公网设备通信。所以打洞给关键一步就是让两个设备相互访问对方公网对应的IP和端口，让自己的NAT保存记录。
假如现有内网设备A、NAT A(1.1.1.2)、内网设备B、NAT B(1.1.1.3)以及公网服务器(1.1.1.1)，内网设备A和内网设备B想要直接通信。
- A和B向服务器访问，NAT A和NAT B分别为AB分配映射端口
4530与6540。 - 服务器收到请求后，保存IP和端口（
1.1.1.2:4530，1.1.1.3:6540）。 - 服务器向A返回B的IP和端口，向B返回A的IP和端口。
- A向B的地址发送数据（NAT B因为没有A的地址记录会丢弃A的包，但是这一步为的是让NAT A记住B的地址，让NAT A以后将带有B地址的包转发给A）。
- B再向A发送数据。（这一步也是让NAT B记住A的地址，但上一步NAT A已经有了B的地址，所以这一次B发送的数据可以正常到达A）。
- 从此A和B就可以直接双向发送数据，洞就被打通了。
UDP
UDP全称：User Datagram Protocol，用户数据报协议。是一种无连接的协议。
UDP负责将数据发送出去，但对方有没有接收到就不是UDP责任了（就算是错误的IP或端口，UDP也照样发送），因此也是一种不可靠的协议。
但是就很适合使用UDP来做NAT打洞，因为在上述原理第4步的过程中，NAT B没有A的记录就将A的包给丢弃了，在计划里这一步丢包是必然的，而UDP不管对方收到或丢弃。若是用其他可靠协议比如TCP，可能会造成打洞失败的情况，而解决办法就是修改系统内核，但这又非常麻烦。
代码实现
这里使用Golang进行网络编程。
客户端之所以使用net.ListenUDP()而不是net.DialUDP()，是因为net.ListenUDP()的*UDPConn是unconnected，而net.DialUDP()的*UDPConn是connected的。
如果*UDPConn是connected,读写方法是Read和Write。
如果*UDPConn是unconnected,读写方法是ReadFromUDP和WriteToUDP（以及ReadFrom和WriteTo)。
使用ReadFromUDP和WriteToUDP进行读写可以指定读写任何UDP地址，而且net.ListenUDP()还可以固定本机UDP端口不被系统更换。
服务端demo
type j struct { Name string `json:"name"` //客户端名 Addr string `json:"addr"` //地址 To string `json:"to"` //要连接的客户端名}dev := make(map[string]string) //客户端地址
addr, _ := net.ResolveUDPAddr("udp", "0.0.0.0:7091") //服务器端口为7091conn, err := net.ListenUDP("udp", addr)if err != nil { fmt.Println(err) os.Exit(1)}defer conn.Close()for { data := make([]byte, 512) n, remoteAddr, err := conn.ReadFromUDP(data) //获取客户端地址 if err != nil { fmt.Println("f", err) return } var J j json.Unmarshal(data[:n], &J) fmt.Println(J) dev[J.Name] = remoteAddr.String() //客户端注册
if !strings.EqualFold(J.To, "")&& dev[J.To]!="" { outA,_:=json.Marshal(&j{ Name: J.To, Addr: dev[J.To], }) outB,_:=json.Marshal(&j{ Name: J.Name, Addr: remoteAddr.String(), }) conn.WriteToUDP(outA,remoteAddr) adr,_:=net.ResolveUDPAddr("udp",dev[J.To]) conn.WriteToUDP(outB,adr) }}客户端demo
type j struct { Name string `json:"name"` Addr string `json:"addr"` To string `json:"to"`}var name = flag.String("name", "", "") //客户端名var to = flag.String("to", "", "") //要连接的客户端var msg = flag.String("msg", "", "") //发送消息var server_ip = flag.String("server", "1.1.1.1", "") //服务器IPvar server_port = flag.Int("sport", 9091, "") //服务器端口flag.Parse()conn, _ := net.ListenUDP("udp", &net.UDPAddr{ IP: net.ParseIP("0.0.0.0"), Port: 9091,})defer conn.Close()put, _ := json.Marshal(&j{ Name: *name, To: *to,})conn.WriteToUDP(put, &net.UDPAddr{ IP: net.ParseIP(*server_ip), Port: *server_port,})res := make([]byte, 128)n, _, _ := conn.ReadFromUDP(res)var J jjson.Unmarshal(res[:n], &J)fmt.Println(string(res[:n]))
if *to != "" { time.Sleep(1 * time.Second)}adr, _ := net.ResolveUDPAddr("udp", J.Addr)conn.WriteToUDP([]byte("qwe"), adr)n, _, _ = conn.ReadFromUDP(res)fmt.Println(string(res[:n]))使用：
A运行：./main -name A
B运行：./main -name B -to A -msg "qwe"
参考
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