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Linux socket跨局域网聊天和文件传输

2024-10-21 09:33:39   213人阅读

一直想写一个跨局域网聊天和文件传输，以及视频聊天的软件，这两天刚好闲着没啥事就把代码写完了，代码已经上传至github：https://github.com/vinllen/chat

其实之前想法P2P模式，P2P的话必须穿透NAT，现在的NAT有4种模式:

  1. 完全圆锥型NAT
  2. 受限圆锥型NAT
  3. 端口受限圆锥型NAT
  4. 对称NAT（双向NAT）
维基百科给出的定义如下：

  • 1.Full cone NAT，亦即著名的一对一（one-to-one）NAT

一旦一个内部地址（iAddr:port1）映射到外部地址（eAddr:port2），所有发自iAddr:port1的包都经由eAddr:port2向外发送。任意外部主机都能通过给eAddr:port2发包到达iAddr:port1

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  • 2.Address-Restricted cone NAT

一旦一个内部地址（iAddr:port1）映射到外部地址（eAddr:port2），所有发自iAddr:port1的包都经由eAddr:port2向外发送。任意外部主机（hostAddr:any）都能通过给eAddr:port2发包到达iAddr:port1的前提是：iAddr:port1之前发送过包到hostAddr:any. "any"也就是说端口不受限制

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  • 3.Port-Restricted cone NAT
类似受限制锥形NAT（Restricted cone NAT），但是还有端口限制。

一旦一个内部地址（iAddr:port1）映射到外部地址（eAddr:port2），所有发自iAddr:port1的包都经由eAddr:port2向外发送。一个外部主机（hostAddr:port3）能够发包到达iAddr:port1的前提是：iAddr:port1之前发送过包到hostAddr:port3.

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  • 4.Symmetric NAT（对称NAT）
每一个来自相同内部IP与端口，到一个特定目的地地址和端口的请求，都映射到一个独特的外部IP地址和端口。同一内部IP与端口发到不同的目的地和端口的信息包，都使用不同的映射
只有曾经收到过内部主机封包的外部主机，才能够把封包发回

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对于第1种特别简单，因为端口存在映射，只要把包发网出口路由的端口即可，路由会帮你转发

对于第2，3种情况，可以采用如下办法（内容来自该博客：点击打开链接）：

假设网络模型如下：

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限制性锥NAT 和端口限制性锥NAT （简称限制性NAT ），穿透限制性锥NAT 会丢弃它未知的源地址发向内部主机的数据包。所以如果现在ClientA-1 直接发送UDP 数据包到ClientB-1 ，那么数据包将会被NAT-B 无情的丢弃。所以采用下面的方法来建立ClientA-1 和ClientB-1 之间的通信。

  • 1 ．ClientA-1 （202.103.142.29:5000 ）发送数据包给Server ，请求和ClientB-1 （221.10.145.84:6000 ）通信。
  • 2. Server 将ClientA-1 的地址和端口（202.103.142.29:5000 ）发送给ClientB-1 ，告诉ClientB-1 ，ClientA-1 想和它通信。
  • 3. ClientB-1 向ClientA-1 （202.103.142.29:5000 ）发送UDP 数据包，当然这个包在到达NAT-A 的时候，还是会被丢弃，这并不是关键的，因为发送这个UDP 包只是为了让NAT-B 记住这次通信的目的地址：端口号，当下次以这个地址和端口为源的数据到达的时候就不会被NAT-B 丢弃，这样就在NAT-B 上打了一个从ClientB-1 到ClientA-1 的孔。
  • 4. 为了让ClientA-1 知道什么时候才可以向ClientB-1 发送数据，所以ClientB-1 在向ClientA-1 （202.103.142.29:5000 ）打孔之后还要向Server 发送一个消息，告诉Server 它已经准备好了。
  • 5. Server 发送一个消息给ClientA-1 ，内容为：ClientB-1 已经准备好了，你可以向ClientB-1 发送消息了。
  • 6. ClientA-1 向ClientB-1 发送UDP 数据包。这个数据包不会被NAT-B 丢弃，以后ClientB-1 向ClientA-1 发送的数据包也不会被ClientA-1 丢弃，因为NAT-A 已经知道是ClientA-1 首先发起的通信。至此，ClientA-1 和ClientB-1 就可以进行通信了。
对于第4种情况，oh no，太难了，需要猜测端口号（博客地址：点击打开链接）：
上面讨论的都是怎样穿透锥（Cone ）NAT ，对称NAT 和锥NAT 很不一样。对于对称NAT ，当一个私网内主机和外部多个不同主机通信时，对称NAT并不会像锥（Cone ，全锥，限制性锥，端口限制性锥）NAT那样分配同一个端口。而是会新建立一个Session ，重新分配一个端口。参考上面穿透限制性锥NAT 的过程，在步骤3 时：ClientB-1 （221.10.145.84: ？）向ClientA-1 打孔的时候，对称NAT 将给ClientB-1 重新分配一个端口号，而这个端口号对于Server 、ClientB-1 、ClientA-1 来说都是未知的。同样， ClientA-1 根本不会收到这个消息，同时在步骤4 ，ClientB-1 发送给Server 的通知消息中，ClientB-1 的socket 依旧是（221.10.145.84:6000 ）。而且，在步骤6 时：ClientA-1 向它所知道但错误的ClientB-1 发送数据包时，NAT-1 也会重新给ClientA-1 分配端口号。所以，穿透对称NAT 的机会很小。下面是两种有可能穿透对称NAT 的策略。
1.同时开放TCP （ Simultaneous TCP open ）策略
如果一个 对称 NAT 接收到一个来自 本地 私有网 络 外面的 TCP SYN 包， 这 个包想 发 起一个 “ 引入” 的 TCP 连 接，一般来 说 ， NAT 会拒 绝这 个 连 接 请 求并扔掉 这 个 SYN 包，或者回送一个TCP RST （connection reset ，重建 连 接）包 给请 求方。但是，有一 种 情况 却会接受这个“引入”连接。
RFC 规定：对于对称NAT ， 当 这 个接收到的 SYN 包中的源IP 地址 ： 端口、目 标 IP 地址 ： 端口都与NAT 登 记 的一个已 经 激活的 TCP 会 话 中的地址信息相符 时 ， NAT 将会放行 这 个 SYN 包。 需要 特 别 指出 的是：怎样才是一个已经激活的TCP 连接？除了真正已经建立完成的TCP 连接外，RFC 规范指出： 如果 NAT 恰好看到一个 刚刚发 送出去的一个 SYN 包和 随之 接收到的SYN 包中的地址 ：端口 信息相符合的 话 ，那 么 NAT 将会 认为这 个 TCP 连 接已 经 被激活，并将允 许这 个方向的 SYN 包 进 入 NAT 内部。 同时开放TCP 策略就是利用这个时机来建立连接的。
如果 Client A -1 和 Client B -1 能 够 彼此正确的 预 知 对 方的 NAT 将会 给 下一个 TCP 连 接分配的公网 TCP 端口，并且两个客 户 端能 够 同 时 地 发 起一 个面向对方的 “ 外出 ” 的 TCP 连 接 请求 ，并在 对 方的 SYN 包到达之前，自己 刚发 送出去的 SYN 包都能 顺 利的穿 过 自己的 NAT 的 话 ，一条端 对 端的 TCP 连 接就 能 成功地建立了 。
2.UDP 端口猜测策略
同时开放TCP 策略非常依赖于猜测对方的下一个端口，而且强烈依赖于发送连接请求的时机，而且还有网络的不确定性，所以能够建立的机会很小，即使Server 充当同步时钟的角色。下面是一种通过UDP 穿透的方法，由于UDP 不需要建立连接，所以也就不需要考虑“同时开放”的问题。
为了介绍ClientB-1 的诡计，先介绍一下STUN 协议。STUN （Simple Traversal of UDP Through NATs ）协议是一个轻量级协议，用来探测被NAT 映射后的地址：端口。STUN 采用C/S 结构，需要探测自己被NAT 转换后的地址：端口的Client 向Server 发送请求，Server 返回Client 转换后的地址：端口。
参考4.2 节中穿透NAT 的步骤2 ，当ClientB-1 收到Server 发送给它的消息后，ClientB-1 即打开3 个socket 。socket-0 向STUN Server 发送请求，收到回复后，假设得知它被转换后的地址：端口（ 221.10.145.84:600 5 ），socket-1 向ClientA-1 发送一个UDP 包，socket-2 再次向另一个STUN Server 发送请求，假设得到它被转换后的地址：端口（ 221.10.145.84:60 20 ）。通常，对称NAT 分配端口有两种策略，一种是按顺序增加，一种是随机分配。如果这里对称NAT 使用顺序增加策略，那么，ClientB-1 将两次收到的地址：端口发送给Server 后，Server 就可以通知ClientA-1 在这个端口范围内猜测刚才ClientB-1 发送给它的socket-1 中被NAT 映射后的地址：端口，ClientA-1 很有可能在孔有效期内成功猜测到端口号，从而和ClientB-1 成功通信。


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以上内容大部分参考维基百科和chengweiv5的博客，我自己也写了代码，尝试用第二种方式去穿透我们学校所在的NAT，结果悲剧了，找了好几天的问题也没找出来到底是代码的原因呢还是NAT限制为第4种的原因呢。
But项目不能这么搁浅了。我采用了另外一条曲线救国的路线，就跟现在QQ模式一样，用中转服务器进行消息转发实现。
1.首先搞了一台具有公网ip的服务器
2.配置好环境后（比如iptables等），把服务器代码放置服务器，运行
3.客户端连接后就可以发送文件和聊天了
That‘s all，就这么简单。
唯一需要说明的就是发送文件时我调用的是sendfile的系统调用，接收文件调用了Pat Patterson的包裹函数：利用splice接收文件，理论上这两个函数是直接在内核态进行文件传递，而不用在内核态和普通态进行数据的拷贝，减少时间。我测试了一下，对几M大小的文件都没问题，不过貌似文件大了貌似传不动了，目测sendfile有大小限制。。。这个就之后再改改了。
最后一点，本来还要实现视频传输的，我的想法就是用opencv调用本地摄像头，然后把图片按每秒固定帧数截下来，按文件方法传输，再在对端对图片进行拼接成视频。后来感觉有点麻烦，最后上网一查，果然我做的部分就是重造轮子的活，现在直接都有现成的文件传输协议。这部分也等以后有时间再去完善吧。
Finally, 如果大家有谁有想法，可以和我交流交流，一起学习进步

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