CN101741914A - 一种p2p网络中穿透nat建立覆盖网的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明为P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法和系统。包括：节点获取所处子网地址，并TCP向公网TCP转发服务器注册ID。当节点要向目标节点打洞时，先和公网UDP打洞服务器交互获取自己的公网IP和UDP端口。节点将包含自己公网和内网IP和UDP端口的通知，通过公网中心服务器转发给目标节点。目标节点收到上述通知后，按上述方法获取其公网IP和UDP端口，通过公网TCP转发服务器将该信息转发给本节点。本节点和目标节点收到对方的通知后，开始周期性向对方发送UDP打洞包，并在收到对方UDP打洞后，修改对方的IP和端口，打洞持续一定时间。收到打洞应答消息后认为打洞成功。如果打洞失败，和目标节点间的数据通过TCP转发服务器转发。

Description

一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法及系统。

背景技术

随着音视频等大带宽数据交换的迅猛发展，传统的C/S架构由于服务器带宽及处理能力等瓶颈很难适应大规模的数据交换。点对点P2P(Peer-To-Peer)技术能够很好的解决这个问题，在P2P系统中，节点之间通过直接建立通道来传输数据，同时将很多数据处理放在节点本地进行，能够很大地降低服务器的带宽和处理能力压力，因而得到广泛的应用。

P2P网络是指通过P2P系统中节点间互联通道建立起来的网络。中心化P2P网络是指在整个P2P网络中有一个中心节点负责管理所有节点，这种结构特点是所有节点都和中心节点保持连接，中心节点保存所有在线节点的相关信息，同时对节点进行必要的管理。

覆盖网是指建立在已有网络之上的网络，通过节点间增加虚拟的、额外的连接来达到某种网络性能。P2P覆盖网是指在现有的INTERNET网之上搭建一层网络，用来传输所需的P2P数据，P2P覆盖网的建立关系到整个P2P网络的性能和承载能力。

NAT(网络地址转换器)是一种把内部网络(简称内网)私有IP及端口转换为外部网络(简称公网)IP及端口的一种技术。它是由于目前IPv4网络环境中，网络地址匮乏而产生的，位于NAT之后的多台主机可以通过一个或几个公网IP连接到INTERNET，这在某种程度上缓解了目前IPv4环境中IP地址紧张的状况，但是NAT的存在会使得位于NAT之后的两个节点之间建立连接非常困难。NAT穿透就是采用某种技术使得位于NAT之后的两台主机之间能够互联。目前常用的UDP穿透方法包括STUN协议、TRUN协议和UDP打洞等。

NAT地址转换一般有两种策略，静态转换和动态转换。包含NAT的设备(路由器、交换机或者防火墙等，以下简称NAT设备)一般会保存一个地址映射表，该表项记录一对内网地址和对应的转换后的公网地址。NAT设备收到数据包后会查找该表项决定发送的目标地址。静态转换是指地址映射表中记录几条固定的映射表项。动态转换是指当内网向外网发送数据时，查询地址映射表项未找到对应表项时，NAT会采用一定的算法临时为该连接分配一个公网端口，并在影射表中临时添加一项映射关系，当目标公网主机返回数据时，NAT设备会查找到映射表中刚才的映射表项，将数据转发给刚才的内网主机。

NAT设备具有如下特点：1)会丢弃一些外部主动发送来的映射表中没有的数据包。2)NAT设备会删除映射表中长期不活动的动态映射表项，所以动态映射有生存周期，也就是说当位于NAT之后的主机向外部地址发送数据包，隔太久时间后，NAT设备也会丢弃该外部地址发送来的数据包。3)同时根据2)的原因，NAT之后的主机向外网地址发送数据包，产生一个映射表项，如果隔太久时间后该主机利用相同端口向外发送数据包，可能会产生另一个映射表项，映射为另一个公网端口。4)由于不同的NAT设备采用的地址转换算法不同，穿透NAT建立连接有可能失败。5)目前大部分NAT穿透技术采用UDP打洞技术，由于网络的波动性，当网络状况差时会产生UDP丢包，降低穿透的成功率。6)位于多级NAT网关之后节点之间的穿透问题。

由于这些原因，目前的穿透方法存在可靠性差、穿透率低等特点，不能在各种复杂网络状况下，建立高效的、高可靠的P2P覆盖网络。

发明内容

针对现有的上述问题，本发明提供一种中心化P2P网络中，能够适应各种网络环境，提高NAT穿透的成功率，建立高效的、可靠的P2P覆盖网的方法和系统。

本发明的方案如下：

一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，步骤是：

步骤10)节点获取自己的最内层子网的IP，并TCP连接公网中心服务器，注册ID，

步骤20)当节点要向目标节点打洞时，先和公网UDP打洞服务器交互获取自己的公网IP和UDP端口，

步骤30)节点将包含自己公网和最内层子网IP和UDP端口的通知，通过公网中心服务器转发给目标节点，

步骤40)目标节点收到上述通知后，按上述方法获取其公网IP和UDP端口，通过公网中心服务器转发给本节点自己的公网和最内层子网IP和UDP端口。同时判断对方公网IP是否和本节点的公网IP相同，如果相同开始周期性向对方最内层子网地址UDP打洞，否则开始周期性向对方公网地址UDP打洞，

步骤50)本节点收到中心服务器发送来的打洞应答后，判断对方公网IP是否和本节点的公网IP相同，如果相同开始周期性向对方最内层子网地址UDP打洞，否则开始周期性向对方公网地址UDP打洞，

步骤60)本节点和目标节点在收到对方UDP打洞后，修改对方的IP和端口，并应答一个UDP包。收到打洞应答消息后认为打洞成功，建立UDP通道，打洞持续一定时间，不管有没有收到UDP打洞包或UDP应答包，

步骤70)打洞持续时间结束后，如果仍未收到UDP打洞包或则UDP打洞应答包，认为打洞失败。本节点和目标节点间的数据通过中心服务器进行转发。

其中步骤10)包括：

步骤110)节点获取自己的最内层子网的IP，同时绑定一个本地UDP端口，

步骤120)节点TCP连接到中心服务器，并注册自己的ID。

其中步骤20)包括：

步骤210)通过本地UDP端口向公网UDP打洞服务器发送一个获取公网IP和UDP端口的UDP包，该UDP包只包含获取公网地址标示，

步骤220)UDP打洞服务器收到请求公网地址的UDP包之后，提取该UDP包的IP和PORT，将包含该IP和PORT的UDP包返回给节点，不做任何记录，

步骤230)节点收到UDP返回包后，记录自己的公网IP和PORT，

步骤240)为避免UDP包丢失，节点周期执行步骤1)直至获取公网IP、PORT成功。

其中步骤30)包括：

步骤310)节点获取自己UDP端口对应的公网IP和PORT后，向中心服务器发送一个TCP打洞请求消息，该请求包含自己的公网IP和PORT、自己的ID、目标节点的ID，

步骤320)中心服务器收到上述TCP打洞请求后，提取其中的目标节点的ID，查找该ID对应的连接，并将该TCP打洞请求转发给目标节点。

其中步骤40)包括：

步骤410)目标节点收到公网TCP转发服务器发送来的TCP打洞请求后，按照步骤30)所述方法获取自己的公网UDP端口，

步骤420)目标节点向公网TCP转发服务器发送一个TCP打洞应答包，该包包含自己的最内层子网的IP-PORT和公网IP-PORT及自己的ID和对方的ID，

步骤430)目标节点判断对方的公网IP是否和自己的公网IP相等。若相等，开始周期向本节点的最内层子网IP-PORT发送UDP打洞包；若不等，开始周期向本节点的公网IP-PORT发送UDP打洞包，

步骤440)TCP转发服务器收到打洞应答后，根据其中的IDKEY将该应答转发给本节点。

其中步骤50)包括：

步骤510)本节点收到打洞应答后，记录对方的公网IP-PORT及最内层子网IP-PORT，

步骤520)本节点判断对方的公网IP是否和自己的公网IP相等。若相等，开始周期向对方的最内层子网IP-PORT发送UDP打洞包；若不等，开始周期向对方的公网IP-PORT发送UDP打洞包。

本发明同时又提供一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的系统，包括：

公网TCP转发服务器、公网UDP打洞服务器、客户终端；

其中，客户终端用于连接公网TCP转发服务器，并注册自己的ID；获取并记录自己的公网IP-PORT及最内层子网的IP-PORT；及向目标节点打洞或响应对方节点的打洞请求；

公网TCP转发服务器主要功能是记录注册的PEER列表；转发打洞请求消息和打洞应答消息UDP打洞失败后，转发节点之间的数据；

公网UDP打洞服务器用于为客户终端获取自己的公网IP-PORT，不记录任何信息。

本发明有益效果：

本发明可以很好的解决复杂网络状况下，P2P网络中节点间穿透NAT建立覆盖网问题，能够解决NAT映射的生命周期问题、udp丢包造成的穿透成功率下降问题、多层子网后的节点间打洞问题。

附图说明

图1为本发明P2P网络中节点间穿透NAT建立覆盖网的消息时序图。

图2为本发明P2P网络中节点间穿透NAT建立覆盖网的流程图。

图3为本发明P2P网络中节点间穿透NAT建立覆盖网的系统示意图。

具体实施方式

下面以具体实施例对本发明作进一步的阐述，但实施例仅用于说明，并不限制发明的范围。

下面结合附图对本发明的方法和系统作详细描述：

实施例1

如图1描述了整个方法的消息时序图，下面主要结合图1和图2对整个发明的方法进行阐述。

在步骤S110中，节点PEER1绑定一个本地UDP端口号，然后获取自己的最内层子网的IP，并将该UDP端口和该IP记作LOCALIP-PORT。

在步骤S120中，节点PEER1连接公网TCP转发服务器，并向该服务器注册自己的ID。TCP转发服务器记录该ID及对应的连接SOCKET。

在步骤S210中，节点PEER1向公网UDP服务器发送获取公网IP端口UDP包。

在步骤S220中，公网UDP服务器提取出UDP包中的IP和PORT，并将其返回给节点PEER1，PEER1记录自己的PUBLICIP-PORT。

考虑到在网络状况比较差的时候，UDP丢包比较严重PEER1在获取自己的PUBLICIP-PORT时，通过周期反复发送请求直到获取返回的UDP包为止，提高了成功率。

在步骤S310中，PEER1向TCP转发服务器发送打洞请求消息，该消息包括PEER1的LOCALIP-PORT、PUBLICIP-PORT、PEER1ID及目标PEER2ID。

在步骤S320中，TCP转发服务器收到打洞消息后，根据其中的PEER2ID找到对应的SOCKET，将该消息发送给PEER2。

在此需要举例说明一下NAT映射的生命周期问题，假设PEER1在T1时刻的LOCALIP-PORT为192.168.200.3：2000向PEER2发送UDP包，映射出去的公网地址PUBLICIP-PORT为218.83.243.94：8005，此时PEER2发送往218.83.243.94：8005的UDP包也能够到达PEER1。如果PEER1很久没有通过2000端口向PEER2发送UDP包，该映射关系可能已经被删除。在T2时刻，如果PEER2向218.83.243.94：8005发送UDP包，由于映射关系已经不存在，该UDP包浆被丢弃。同时PEER1通过2000端口向PEER2发送UDP包将有可能产生另一个映射218.83.243.94：29008。

如果通过UDP打洞服务器转发该打洞请求，而不是通过TCP转发服务器转发该消息，一方面当网络拥挤时可能会造成该命令丢包，另一方面由于发送该UDP打洞命令包时，由于映射关系已经被删除导致UDP打洞命令包根本到达不了PEER2。利用TCP的可靠性，可以消除这些问题。

在步骤S410中，PEER2收到TCP转发服务器发送来的打洞请求消息后，按照步骤S210和S220方法，获取自己的PUBLICIP-PORT。

这样做的目的也是考虑的NAT映射的生命周期问题，获取最新的映射关系，提高打洞成功率。

在步骤S420和S440中，通过和步骤S310、S320类似的操作，PEER2将自己的LOCALIP-PORT、PUBLICIP-PORT发送给PEER1。

在步骤S430中，节点PEER2判断PEER1的PUBLICIP是否和自己的PUBLICIP相等，如果相等说明PEER1和PEER2在一个公网IP之后，可能PEER1和PEER2在不同的子网之后，由于PEER1经过公网到PEER2路径所经过的NAT个数一定会比PEER1经内网到PEER2要多，限制的更多，所以如果PEER1和PEER2经过内网不能穿透，经过外网更不能穿透。鉴于这个原因我们采取PEER2向PEER1内网地址打洞，这样可以解决处于多层子网之后的节点间的打洞。

在步骤S510中，采取和步骤S430相同的操作。

步骤S510和S430中为了减少丢包原因造成的打洞成功率低，同时也为了增加各种类型NAT的穿透成功率，降低TCP传输打洞应答延时造成的打洞成功率的降低，PEER1和PEER2节点间周期性对发UDP包，并持续一定时间。

步骤S510和步骤S430中，PEER1节点收到PEER2节点的UDP打洞包后，修改PEER2的IP-PORT，如果PEER1的PUBLICIP等于PEER2的PUBLICIP，修改PEER2的LOCALIP-PORT否则修改PEER2的PUBLICIP-PORT。然后继续向修改后的地址发送UDP打洞包。PEER2收到PEER1的UDP打洞包后，采取相同的操作。

如果PEER1收到PEER2的打洞消息，认为打洞成功，PEER2节点相同，以后PEER1和PEER2之间可以直接发送消息。

在步骤S70中，当节点PEER1和PEER2打洞时间结束，仍未收到打洞消息，PEER1和PEER2会认为它们之间不能直接建立连接，PEER1和PEER2之间的数据，通过公网TCP转发服务器来转发。具体的，为每个要发送的数据加上目标节点ID，TCP转发服务器收到后，提取出来目标节点ID，然后将数据转发给目标节点。

当PEER1和PEER2打洞成功时，当网络拥挤时，在节点间发送一些可靠性要求高的消息时，也可以通过TCP转发服务器转发。

实施例2

如图3所示，本发明的系统示意图，一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的系统，包括公网TCP转发服务器10，公网UDP打洞服务器20及客户终端30，其中客户终端维护一个TCP连接并绑定一个UDP端口。

其中，客户终端用于连接公网TCP转发服务器，并注册自己的ID；获取并记录自己的公网IP-PORT及最内层子网的IP-PORT；及向目标节点打洞或响应对方节点的打洞请求。

公网TCP转发服务器主要功能是记录注册的PEER列表；转发打洞请求消息和打洞应答消息；UDP打洞失败后，转发节点之间的数据。

公网UDP打洞服务器用于为客户终端获取自己的公网IP-PORT，不记录任何信息。

本发明可以很好的解决复杂网络状况下，P2P网络中节点间穿透NAT建立覆盖网问题，能够解决NAT映射的生命周期问题、UDP丢包造成的穿透成功率下降问题、多层子网后的节点间打洞问题。

Claims (7)

1.一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，步骤是：

步骤10)，节点获取所处子网地址，并TCP向公网TCP转发服务器注册ID；

步骤20)，当节点要向目标节点打洞时，先和公网UDP打洞服务器交互获取自己的公网IP和UDP端口；

步骤30)，节点将包含自己公网和内网IP和UDP端口的通知，通过公网中心服务器转发给目标节点；

步骤40)，目标节点收到上述通知后，按上述方法获取其公网IP和UDP端口，通过公网TCP转发服务器将该信息转发给本节点；

同时判断对方公网IP是否和本节点的公网IP相同，如果相同开始周期性向对方最内层子网地址UDP打洞，否则开始周期性向对方公网地址UDP打洞，

步骤50)本节点收到中心服务器发送来的打洞应答后，判断对方公网IP是否和本节点的公网IP相同，如果相同开始周期性向对方最内层子网地址UDP打洞，否则开始周期性向对方公网地址UDP打洞；

步骤60)本节点和目标节点在收到对方UDP打洞后，修改对方的IP和端口，并应答一个UDP包；收到打洞应答消息后认为打洞成功，建立UDP通道，打洞持续一定时间，不管有没有收到UDP打洞包或UDP应答包；

步骤70)打洞持续时间结束后，如果仍未收到UDP打洞包或则UDP打洞应答包，认为打洞失败，本节点和目标节点间的数据通过中心服务器进行转发。

2.根据权利要求1所述的一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，其中步骤10)包括：

步骤110)节点获取自己的最内层子网的IP，同时绑定一个本地UDP端口，

步骤120)节点TCP连接到中心服务器，并注册自己的ID。

3.根据权利要求1所述的一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，其中步骤20)包括：

步骤210)通过本地UDP端口向公网UDP打洞服务器发送一个获取公网IP和UDP端口的UDP包，该UDP包只包含获取公网地址标示，

步骤220)UDP打洞服务器收到请求公网地址的UDP包之后，提取该UDP包的IP和PORT，将包含该IP和PORT的UDP包返回给节点，不做任何记录，

步骤230)节点收到UDP返回包后，记录自己的公网IP和PORT，

步骤240)为避免UDP包丢失，节点周期执行步骤1)直至获取公网IP、PORT成功。

4.根据权利要求1所述的一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，其中步骤30)包括：

步骤310)节点获取自己UDP端口对应的公网IP和PORT后，向中心服务器发送一个TCP打洞请求消息，该请求包含自己的公网IP和PORT、自己的ID、目标节点的ID，

步骤320)中心服务器收到上述TCP打洞请求后，提取其中的目标节点的ID，查找该ID对应的连接，并将该TCP打洞请求转发给目标节点。

5.根据权利要求1所述的一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，其中步骤40)包括：

步骤410)目标节点收到公网TCP转发服务器发送来的TCP打洞请求后，按照步骤30)所述方法获取自己的公网UDP端口，

步骤420)目标节点向公网TCP转发服务器发送一个TCP打洞应答包，该包包含自己的最内层子网的IP-PORT和公网IP-PORT及自己的ID和对方的ID，

步骤430)目标节点判断对方的公网IP是否和自己的公网IP相等。若相等，开始周期向本节点的最内层子网IP-PORT发送UDP打洞包；若不等，开始周期向本节点的公网IP-PORT发送UDP打洞包，

步骤440)TCP转发服务器收到打洞应答后，根据其中的IDKEY将该应答转发给本节点。

6.根据权利要求1所述的一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的方法，其特征在于，其中步骤50)包括：

步骤510)本节点收到打洞应答后，记录对方的公网IP-PORT及最内层子网IP-PORT，

步骤520)本节点判断对方的公网IP是否和自己的公网IP相等。若相等，开始周期向对方的最内层子网IP-PORT发送UDP打洞包；若不等，开始周期向对方的公网IP-PORT发送UDP打洞包。

7.一种P2P网络中穿透NAT建立覆盖网的系统，其特征在于，包括：

公网TCP转发服务器、公网UDP打洞服务器、客户终端；

其中，客户终端用于连接公网TCP转发服务器，并注册自己的ID；获取并记录自己的公网IP-PORT及最内层子网的IP-PORT；及向目标节点打洞或响应对方节点的打洞请求；

公网TCP转发服务器主要功能是记录注册的PEER列表；转发打洞请求消息和打洞应答消息；UDP打洞失败后，转发节点之间的数据；

公网UDP打洞服务器用于为客户终端获取自己的公网IP-PORT，不记录任何信息。

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