Schalom Divac: TCP穿透NAT範例 in C

1. TCP穿透原理：

我們假設在兩個不同的前面後面分別有2個台站A和B，AB位於的初始化都分別通過一個路由器接入互聯網。互聯網上一個台服務器S。

現在AB是無法直接和對方發送信息的，AB都不知道對方在互聯網上真正的IP和端口，AB所在的轉換器的路由器僅允許內部並行主動發送的信息通過。對於B直接發送給A的路由器的消息，路由會認為其“不被信任”而直接替換。

要實現AB直接的通訊，就必須進行以下3步：首先連接互聯網上的服務器S並發送一條消息（對於UDP這種無連接的協議實際上直接初始化會話發送消息即可），這樣S就獲取了然後B也進行同樣的步驟，S就知道了AB在互聯網上的終端（這就是“打洞”）。接下來分別告訴A和B對方客戶端在互聯網上的實際終端，也即S告訴A客戶B的會話終端，S告訴B客戶A的會話終端。這樣，在AB都知道了對方的實際終端之後，就可以直接通過實際終端發送消息了（因為先前雙方都延伸發送過消息，路由上已經有允許數據進出的消息通道）。

2.程序思路：

1.啟動服務器，監聽端口8877

2.首次啟動客戶端（稱為client1），連上服務器，服務器將返回字符串first，標識這個是client1，同時，服務器將記錄下這個客戶端的（通過轉換之後的）IP和端口。

3.第二次啟動客戶端（稱為client2），連上服務器，服務器將向其返回自身的發送端口（稱為port2），以及client1的（經過轉換之後的）IP和端口。

4.然後服務器再發client1返回client2（經過轉換之後的）IP和端口，然後與這兩個客戶端的連接（此時，服務器的工作已經全部完成了）

5.client2嘗試連接client1，這次肯定會失敗，但它會在路由器上留下記錄，以幫忙client1成功穿透，連接上自己，然後設置port2端口為可重用端口，並監聽端口port2。

6.client1嘗試去連接client2，前幾次可能會失敗，因為穿透還沒成功，如果連接10次都失敗，就證明突破失敗了（可能是硬件不支持），如果成功，則每秒向client2發送一次你好，世界

7.如果client1持續出現發送消息：Hello，world，client2持續出現recv消息：Hello，world，則證明實驗成功了，否則就是失敗了。

3.聲明

1.這個程序只是一個DEMO，所以肯定有很多不完善的地方。

2.在很多網絡中，這個程序並不能打洞成功，可能是硬件的問題（畢竟不是路由器路由器支持穿透），也可能是這個程式的問題。

4.範例程式碼：

Server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;
}

Client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.運行結果：

第一個終端

qch@qch ~/program/tcode gccserver.c−oserverqch@qch /program/tcode ./server &

[1] 4688

qch@qch ~/program/tcode gccclient.c−oclientqch@qch /program/tcode ./client localhost

Get: first

ff: 127.0.0.1 38052

send message: Hello, world

........

第二個終端

qch@qch ~/program/tcode $ ./client localhost

Get: 127.0.0.1 38073 38074

connect error

recv message: Hello, world

.....................

From：http://blog.csdn.net/small_qch/article/details/8815028

service的作用遠不止這些，service可以做一些驗證連通性，數據校正等等的事情，只有當A和B真正開始通信了，這時才考慮替代A，B與service的鏈接。

REF

https://www.cnblogs.com/mq0036/p/6589811.html

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2021年3月9日星期二

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