用TCP穿透NAT(TCP打洞)的实现
1. TCP穿透原理:
我们假设在两个不同的局域网后面分别有2台客户机A和 B,AB所在的局域网都分别通过一个路由器接入互联网。互联网上有一台服务器S。
现在AB是无法直接和对方发送信息的,AB都不知道对方在互联网上真正的IP和端口, AB所在的局域网的路由器只允许内部向外主动发送的信息通过。对于B直接发送给A的路由器的消息,路由会认为其“不被信任”而直接丢弃。
要实现 AB直接的通讯,就必须进行以下3步:A首先连接互联网上的服务器S并发送一条消息(对于UDP这种无连接的协议其实直接初始会话发送消息即可),这样S就获取了A在互联网上的实际终端(发送消息的IP和端口号)。接着 B也进行同样的步骤,S就知道了AB在互联网上的终端(这就是“打洞”)。接着S分别告诉A和B对方客户端在互联网上的实际终端,也即S告诉A客户B的会话终端,S告诉B客户A的会话终端。这样,在AB都知道了对方的实际终端之后,就可以直接通过实际终端发送消息了(因为先前双方都向外发送过消息,路由上已经有允许数据进出的消息通道)。
2. 程序思路:
1:启动服务器,监听端口8877
2:第一次启动客户端(称为client1),连上服务器,服务器将返回字符串first,标识这个是client1,同时,服务器将记录下这个客户端的(经过转换之后的)IP和端口。
3:第二次启动客户端(称为client2),连上服务器,服务器将向其返回自身的发送端口(称为port2),以及client1的(经过转换之后的)IP和端口。
4:然后服务器再发client1返回client2(经过转换之后的)IP和端口,然后断开与这两个客户端的连接(此时,服务器的工作已经全部完成了)
5:client2尝试连接client1,这次肯定会失败,但它会在路由器上留下记录,以帮忙client1成功穿透,连接上自己,然后设置port2端口为可重用端口,并监听端口port2。
6:client1尝试去连接client2,前几次可能会失败,因为穿透还没成功,如果连接10次都失败,就证明穿透失败了(可能是硬件不支持),如果成功,则每秒向client2发送一次hello, world
7:如果client1不断出现send message: Hello, world,client2不断出现recv message: Hello, world,则证明实验成功了,否则就是失败了。
3. 声明
1:这个程序只是一个DEMO,所以肯定有很多不完善的地方,请大家多多见谅。
2:在很多网络中,这个程序并不能打洞成功,可能是硬件的问题(毕竟不是每种路由器都支持穿透),也可能是我程序的问题,如果大家有意见或建议,欢迎留言或给我发邮件(邮箱是:[email protected])
4. 上代码:
服务器端:
/* 文件:server.c PS:第一个连接上服务器的客户端,称为client1,第二个连接上服务器的客户端称为client2 这个服务器的功能是: 1:对于client1,它返回"first",并在client2连接上之后,将client2经过转换后的IP和port发给client1; 2:对于client2,它返回client1经过转换后的IP和port和自身的port,并在随后断开与他们的连接。 */ #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <sys/socket.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #define MAXLINE 128 #define SERV_PORT 8877 //发生了致命错误,退出程序 void error_quit(const char *str) { fprintf(stderr, "%s", str); //如果设置了错误号,就输入出错原因 if( errno != 0 ) fprintf(stderr, " : %s", strerror(errno)); printf("\n"); exit(1); } int main(void) { int i, res, cur_port; int connfd, firstfd, listenfd; int count = 0; char str_ip[MAXLINE]; //缓存IP地址 char cur_inf[MAXLINE]; //当前的连接信息[IP+port] char first_inf[MAXLINE]; //第一个链接的信息[IP+port] char buffer[MAXLINE]; //临时发送缓冲区 socklen_t clilen; struct sockaddr_in cliaddr; struct sockaddr_in servaddr; //创建用于监听TCP协议套接字 listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); //把socket和socket地址结构联系起来 res = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); if( -1 == res ) error_quit("bind error"); //开始监听端口 res = listen(listenfd, INADDR_ANY); if( -1 == res ) error_quit("listen error"); while( 1 ) { //接收来自客户端的连接 connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen); if( -1 == connfd ) error_quit("accept error"); inet_ntop(AF_INET, (void*)&cliaddr.sin_addr, str_ip, sizeof(str_ip)); count++; //对于第一个链接,将其的IP+port存储到first_inf中, //并和它建立长链接,然后向它发送字符串'first', if( count == 1 ) { firstfd = connfd; cur_port = ntohs(cliaddr.sin_port); snprintf(first_inf, MAXLINE, "%s %d", str_ip, cur_port); strcpy(cur_inf, "first\n"); write(connfd, cur_inf, strlen(cur_inf)+1); } //对于第二个链接,将其的IP+port发送给第一个链接, //将第一个链接的信息和他自身的port返回给它自己, //然后断开两个链接,并重置计数器 else if( count == 2 ) { cur_port = ntohs(cliaddr.sin_port); snprintf(cur_inf, MAXLINE, "%s %d\n", str_ip, cur_port); snprintf(buffer, MAXLINE, "%s %d\n", first_inf, cur_port); write(connfd, buffer, strlen(buffer)+1); write(firstfd, cur_inf, strlen(cur_inf)+1); close(connfd); close(firstfd); count = 0; } //如果程序运行到这里,那肯定是出错了 else error_quit("Bad required"); } return 0; }
客户端:
/* 文件:client.c PS:第一个连接上服务器的客户端,称为client1,第二个连接上服务器的客户端称为client2 这个程序的功能是:先连接上服务器,根据服务器的返回决定它是client1还是client2, 若是client1,它就从服务器上得到client2的IP和Port,连接上client2, 若是client2,它就从服务器上得到client1的IP和Port和自身经转换后的port, 在尝试连接了一下client1后(这个操作会失败),然后根据服务器返回的port进行监听。 这样以后,就能在两个客户端之间进行点对点通信了。 */ #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <signal.h> #include <sys/socket.h> #include <fcntl.h> #include <stdlib.h> #include <errno.h> #include <string.h> #include <arpa/inet.h> #define MAXLINE 128 #define SERV_PORT 8877 typedef struct { char ip[32]; int port; }server; //发生了致命错误,退出程序 void error_quit(const char *str) { fprintf(stderr, "%s", str); //如果设置了错误号,就输入出错原因 if( errno != 0 ) fprintf(stderr, " : %s", strerror(errno)); printf("\n"); exit(1); } int main(int argc, char **argv) { int i, res, port; int connfd, sockfd, listenfd; unsigned int value = 1; char buffer[MAXLINE]; socklen_t clilen; struct sockaddr_in servaddr, sockaddr, connaddr; server other; if( argc != 2 ) error_quit("Using: ./client <IP Address>"); //创建用于链接(主服务器)的套接字 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&sockaddr, 0, sizeof(sockaddr)); sockaddr.sin_family = AF_INET; sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); sockaddr.sin_port = htons(SERV_PORT); inet_pton(AF_INET, argv[1], &sockaddr.sin_addr); //设置端口可以被重用 setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value)); //连接主服务器 res = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&sockaddr, sizeof(sockaddr)); if( res < 0 ) error_quit("connect error"); //从主服务器中读取出信息 res = read(sockfd, buffer, MAXLINE); if( res < 0 ) error_quit("read error"); printf("Get: %s", buffer); //若服务器返回的是first,则证明是第一个客户端 if( 'f' == buffer[0] ) { //从服务器中读取第二个客户端的IP+port res = read(sockfd, buffer, MAXLINE); sscanf(buffer, "%s %d", other.ip, &other.port); printf("ff: %s %d\n", other.ip, other.port); //创建用于的套接字 connfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&connaddr, 0, sizeof(connaddr)); connaddr.sin_family = AF_INET; connaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); connaddr.sin_port = htons(other.port); inet_pton(AF_INET, other.ip, &connaddr.sin_addr); //尝试去连接第二个客户端,前几次可能会失败,因为穿透还没成功, //如果连接10次都失败,就证明穿透失败了(可能是硬件不支持) while( 1 ) { static int j = 1; res = connect(connfd, (struct sockaddr *)&connaddr, sizeof(connaddr)); if( res == -1 ) { if( j >= 10 ) error_quit("can't connect to the other client\n"); printf("connect error, try again. %d\n", j++); sleep(1); } else break; } strcpy(buffer, "Hello, world\n"); //连接成功后,每隔一秒钟向对方(客户端2)发送一句hello, world while( 1 ) { res = write(connfd, buffer, strlen(buffer)+1); if( res <= 0 ) error_quit("write error"); printf("send message: %s", buffer); sleep(1); } } //第二个客户端的行为 else { //从主服务器返回的信息中取出客户端1的IP+port和自己公网映射后的port sscanf(buffer, "%s %d %d", other.ip, &other.port, &port); //创建用于TCP协议的套接字 sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&connaddr, 0, sizeof(connaddr)); connaddr.sin_family = AF_INET; connaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); connaddr.sin_port = htons(other.port); inet_pton(AF_INET, other.ip, &connaddr.sin_addr); //设置端口重用 setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value)); //尝试连接客户端1,肯定会失败,但它会在路由器上留下记录, //以帮忙客户端1成功穿透,连接上自己 res = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&connaddr, sizeof(connaddr)); if( res < 0 ) printf("connect error\n"); //创建用于监听的套接字 listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr)); servaddr.sin_family = AF_INET; servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY); servaddr.sin_port = htons(port); //设置端口重用 setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value)); //把socket和socket地址结构联系起来 res = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)); if( -1 == res ) error_quit("bind error"); //开始监听端口 res = listen(listenfd, INADDR_ANY); if( -1 == res ) error_quit("listen error"); while( 1 ) { //接收来自客户端1的连接 connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&sockaddr, &clilen); if( -1 == connfd ) error_quit("accept error"); while( 1 ) { //循环读取来自于客户端1的信息 res = read(connfd, buffer, MAXLINE); if( res <= 0 ) error_quit("read error"); printf("recv message: %s", buffer); } close(connfd); } } return 0; }
5. 运行示例:
(第一个终端)
qch@qch ~/program/tcode $ gcc server.c -o server
qch@qch ~/program/tcode $ ./server &
[1] 4688
qch@qch ~/program/tcode $ gcc client.c -o client
qch@qch ~/program/tcode $ ./client localhost
Get: first
ff: 127.0.0.1 38052
send message: Hello, world
send message: Hello, world
send message: Hello, world
.................
第二个终端:
qch@qch ~/program/tcode $ ./client localhost
Get: 127.0.0.1 38073 38074
connect error
recv message: Hello, world
recv message: Hello, world
recv message: Hello, world
..................
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