网络穿透：TCP 打洞、UDP 打洞与 UPnP

在当代网络中，许多装备都处于 NAT（网络地点转换）或防火墙背面，这使得直接访问这些装备变得困难。在这种情况下，网络穿透技能就显得非常告急。本文将先容三种常用的网络穿透技能：TCP 打洞、UDP 打洞和 UPnP。

一、TCP 打洞

1.1 什么是 TCP 打洞？

TCP 打洞（TCP Hole Punching）是一种使 NAT 后的两个客户端通过第三方服务器创建直接毗连的方法。NAT 通常会制止外部主机直接与内部主机通讯，因此必要借助外部服务器来调和毗连。
1.2 工作原理

• 创建与中继服务器的毗连：两个 NAT 后的客户端 A 和 B 先分别与公共服务器 S 创建毗连。
  
• 交换外部地点：服务器 S 相识 A 和 B 的外部 IP 和端口，并将这些信息发送给相互。
  
• 实行直接毗连：A 和 B 分别实利用用相互的外部 IP 和端口举行毗连，假如两头的 NAT 装备允许，则毗连乐成。
  

1.3 示例代码

以下是一个简朴的 Python 示例，演示了通过 TCP 打洞举行毗连的过程。

1. import socket
3. # Server listens for incoming connections and exchanges client information
4. def server():
5.     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
6.     s.bind(('0.0.0.0', 12345))
7.     s.listen(2)
8.    
9.     print("Server waiting for connections...")
10.     conn_a, addr_a = s.accept()
11.     print(f"Client A connected: {addr_a}")
12.    
13.     conn_b, addr_b = s.accept()
14.     print(f"Client B connected: {addr_b}")
15.    
16.     # Exchange addresses
17.     conn_a.send(f"{addr_b[0]}:{addr_b[1]}".encode())
18.     conn_b.send(f"{addr_a[0]}:{addr_a[1]}".encode())
19.    
20.     conn_a.close()
21.     conn_b.close()
22.     s.close()
24. # Clients attempt to connect to each other using exchanged information
25. def client():
26.     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
27.     s.connect(('server_ip', 12345))  # Replace 'server_ip' with the actual IP of the server
28.    
29.     peer_info = s.recv(1024).decode()
30.     peer_ip, peer_port = peer_info.split(':')
31.    
32.     # Attempt to connect to peer
33.     try:
34.         peer_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
35.         peer_socket.connect((peer_ip, int(peer_port)))
36.         print("Connected to peer!")
37.     except Exception as e:
38.         print(f"Failed to connect to peer: {e}")
39.    
40.     s.close()

复制代码

二、UDP 打洞

2.1 什么是 UDP 打洞？

UDP 打洞（UDP Hole Punching）与 TCP 打洞类似，是一种让处于 NAT 后的两台主机通过第三方服务器创建直接 UDP 毗连的技能。与 TCP 差别的是，UDP 是无毗连的协议，允许 NAT 主机更容易担当来自外部的毗连哀求。
2.2 工作原理

• 与服务器通讯：两台客户端 A 和 B 分别与公共服务器 S 举行通讯，服务器记录它们的外部 IP 和端口。
  
• 交换地点：服务器将 A 和 B 的外部 IP 和端口相互转达。
  
• 直接发送 UDP 数据包：A 和 B 实行通过相互的外部地点直接发送 UDP 数据包，使用 NAT 会话表举行数据传输。
  
  
  
  

2.3 示例代码

1. import socket
3. # UDP Server to exchange addresses
4. def udp_server():
5.     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
6.     s.bind(('0.0.0.0', 12345))
7.    
8.     print("Server waiting for messages...")
9.     data_a, addr_a = s.recvfrom(1024)
10.     print(f"Received from A: {addr_a}")
11.    
12.     data_b, addr_b = s.recvfrom(1024)
13.     print(f"Received from B: {addr_b}")
14.    
15.     # Exchange addresses
16.     s.sendto(f"{addr_b[0]}:{addr_b[1]}".encode(), addr_a)
17.     s.sendto(f"{addr_a[0]}:{addr_a[1]}".encode(), addr_b)
19. # UDP Client to communicate through hole punching
20. def udp_client():
21.     s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
22.     s.sendto(b'Hello from client', ('server_ip', 12345))  # Replace 'server_ip' with actual server IP
23.    
24.     peer_info, _ = s.recvfrom(1024)
25.     peer_ip, peer_port = peer_info.decode().split(':')
26.    
27.     # Send message to peer
28.     s.sendto(b'Hello peer!', (peer_ip, int(peer_port)))
29.    
30.     try:
31.         response, _ = s.recvfrom(1024)
32.         print(f"Received from peer: {response}")
33.     except socket.timeout:
34.         print("No response from peer")
35.    
36.     s.close()

复制代码

三、UPnP（通用即插即用）

3.1 什么是 UPnP？

UPnP（Universal Plug and Play，通用即插即用）是一种网络协议，允许装备主动发现和与网络中的其他装备举行通讯。在 NAT 情况下，UPnP 可以主动打开路由器的端口，从而允许外部装备访问位于内网中的装备。
UPnP 重要用于家庭网络和小型局域网，它通过装备的主动设置来简化网络中的装备通讯过程。
3.2 工作原理

• 装备发现：客户端装备通过发送 SSDP（简朴服务发现协议）哀求，查找网络中的 UPnP 装备。
  
• 获取路由器的装备形貌：通过 SSDP 发现的装备提供一个装备形貌 XML 文件，形貌其功能和端点。
  
• 哀求端口映射：客户端通过向路由器发送哀求，要求映射一个外部端口到内网装备的特定端口。
  
  
  
  

3.3 示例代码

可以使用第三方库 miniupnpc 来实现 UPnP 端口映射，以下是一个 Python 示例。

1. pip install miniupnpc

复制代码

1. import miniupnpc
3. def upnp_port_mapping():
4.     upnp = miniupnpc.UPnP()
5.     upnp.discoverdelay = 200
6.     upnp.discover()  # Discover UPnP devices
7.     upnp.selectigd()  # Select Internet Gateway Device
8.    
9.     external_port = 12345
10.     internal_port = 54321
11.     local_ip = upnp.lanaddr  # Get local IP address
12.    
13.     # Add port mapping (TCP)
14.     upnp.addportmapping(external_port, 'TCP', local_ip, internal_port, 'Test Port Mapping', '')
15.    
16.     print(f"Port {external_port} mapped to {local_ip}:{internal_port} (TCP)")
17.    
18.     # Optionally, remove the port mapping
19.     # upnp.deleteportmapping(external_port, 'TCP')
20.    
21. upnp_port_mapping()

复制代码

四、总结

• TCP 打洞：通过第三方服务器交换外部地点，实行创建直接的 TCP 毗连。
  
• UDP 打洞：类似 TCP 打洞，但使用 UDP 协议，更容易乐成。
  
• UPnP：通过主动化的端口映射，使内网装备更易于被外部装备访问。
  

这三种技能在 P2P 应用中非常告急，特殊是在 NAT 或防火墙情况下，它们可以大概明显进步毗连的乐成率。