使用TCP协议的NAT穿透技术

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其实很早我就已经实现了使用TCP协议穿透NAT了，但是苦于一直没有时间，所以没有写出来，现在终于放假有一点空闲，于是写出来共享之。

    一直以来，说起NAT穿透，很多人都会被告知使用UDP打孔这个技术，基本上没有人会告诉你如何使用TCP协议去穿透（甚至有的人会直接告诉你TCP协议是无法实现穿透的）。但是，众所周知的是，UDP是一个无连接的数据报协议，使用它就必须自己维护收发数据包的完整性，这常常会大大增加程序的复杂度，而且一些程序由于某些原因，必须使用TCP协议，这样就常常令一些开发TCP网络程序的人员“谈穿透色变”。那么，使用TCP协议是不是就不能实现穿透呢？答案当然是否定的：TCP协议不仅能实现NAT穿透，而且实现起来比UDP穿透甚至还简单一些。

    要了解如何使用TCP穿透NAT，就要首先看看如何使用UDP穿透NAT。
    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）。

    用UDP来实现以上3步不存在什么理论上的问题，因为UDP是无连接的协议，它允许socket进行“多对一”的通讯（即几个具有不同IP和端口号的socket向一个接收socket发送消息）。但是使用TCP就出现了问题：在一般情况下，TCP socket不允许在已经建立连接的端口上再进行监听和使用该本地端口。换句话说，当AB连接上服务器S后，S将AB的实际终端告诉对方，下一步本该是AB利用对方的实际终端进行直连，但这时你会发现对方的实际终端已经被占用了（就是各自连接到服务器S的会话占用了终端），无法同时listen和 connect。于是很多人得出结论：TCP无法实现NAT穿透。
    于是问题的关键变成了如何复用一个TCP连接的本地终端，这其实不是协议的问题，而是一个API的问题。幸运的是，所有主流操作系统都支持一个特定的TCP套接字选项——SO_REUSEADDR。这个选项允许将多个socket绑定到同一个本地终端。我们建立socket的时候只要加上这么一行：

setsockopt(socket, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &flag, len) ;   //C++就这么做_Client.SetSocketOption(SocketOptionLevel.Socket, SocketOptionName.ReuseAddress, True)  '这是vb.net 更加简单

    知道上面的知识就很好办了，下面我来说说TCP协议的穿透流程：
    机器布局还是和上面使用UDP的一样。现在假设客户A想和客户B建立TCP连接。
首先还是 AB分别和服务器S分别建立连接，S记录AB的互联网实际终端。然后S分别向AB发送对方的实际终端。接着，从A和B向S连接时使用的端口，AB都异步调用connect函数连接对方的实际终端（就是S告诉的终端），同时，AB双方都在同一个本地端口监听到来的连接（也可以先监听，再connect更好）。由于双方都向对方发送了connect请求（假设各自的SYN封包已经穿过了自己的NAT），因此在对方connect请求到达本地的监听端口时，路由器会认为这个请求是刚刚那个connect会话的一部分，是已经被许可的，本地监听端口就会用SYN-ACK响应，同意连接。这样，TCP穿透NAT的点对点连接就成功了。

下面是示例代码下载，VB.NET代码，演示如何用TCP协议穿透NAT实现文件传送，请用vs2005打开解决方案

代码中有一个我自己封装的模仿vb6 winsock的控件ZXMSocket，这个socket可以让你设置是否使用SO_REUSEADDR参数，socket是事件驱动的。

如果你要测试代码，需要使用一个bat来启动发送和接收程序（文件格式请参照bin/Debug文件夹下的run.bat文件），这个bat的功能是以命令行的方式告诉程序登录服务器缩使用的用户名，对于服务器来说，这个用户名必须是唯一的，当然，这可能有点不科学，但是这毕竟只是一个demo。

发表于 @ 2009

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