去中心化的网络设计—P2P的实现最新消息

随着区块链的越来越火，去中心化的网络设计再次被拿到技术人员面前。在这里我使用非常通俗的语言，帮大家来理解去中心化的网络设计的基础—网络穿透。再使用程式码来实现穿透。如果阐述不到位的地方，欢迎大家抛砖。

在有中心化服务器的网络中，客户端，服务器，闸道器构成网络拓扑图。如下图1所示：由于后续出现的名词概念很多，先约法三章，在这里统一一下称呼：所有的终端机器成为客户端，不同客户端使用大写字母区分（A,B,C,…）；客户端上面执行的应用程序统一称为客户程式，不同的应用程序使用不数字区分（1,2,3,…）。作为服务器的物理机称为服务器，而服务器上执行的程式称为服务程式，后文中每一个拓扑元件都只有一个IP地址。为客户端提供公网IP服务的元件称为闸道器。

图1 中心化服务器的网络拓扑图

从闸道器对映到客户端中的网络结构，这里需要引入一个NAT的概念。什么NAT呢？中文名叫网络地址转换，习惯称为网络地址对映。为什么需要网络地址对映呢？：需要说到IPV4网络地址已经用完，全部使用IPV6又会造成很多只支援IPV4的终端装置无法正常使用，所以网络地址对映应运而生，忍辱负重。才会有我们现在所谓的网络穿透的出现。到底怎么对映的？如图2网络地址对映所示。客户程式使用192.168.0.234:7890传送资料，通过闸道器的网络地址对映在公网被转换为112.93.116.102:6834，被互联网上的大家所认知。此时在公网上使用客户程式的ip与埠被112.93.116.102:6834代替。在这里大家应该明白了NAT是何许物种了。

图2 网络地址对映

为了保持新手福音，业界良心的态度。什么是穿透？因为NAT是客户程式发起的，网络为了保持通讯新建的一个临时牌照，随时可能被收回，而且重新发起后的牌照不一样。从而外界及时知道了这个临时牌照也没有用。所以需要通过穿透在闸道器上面打个洞，来为外界进行服务。那NAT与穿透有什么关系呢？正因为有了NAT才需要穿透，如果是IPV6每个客户端一个IP地址，那就不需要直接可以找到客户端了。

网络地址对映

由于闸道器的安全性要求不一致，就出现四种不同的NAT方式。分别进行阐述：

第一种完全锥形NAT，英文名叫Full Cone NAT。如图3完全锥形NAT所示，客户程式(192.168.0.234:7890)与服务器A(13.44.178.98:9800)通讯，通过闸道器的地址转换产生的临时牌照的公网地址（112.93.116.102:6834），服务器B（157.78.13.156:23456）传送资料到公网地址（112.93.116.102:6834），如果客户程式(192.168.0.234:7890)能够收到服务器B（157.78.13.156:23456）传送的资料，这种NAT对映关系为完全锥形NAT；

图3 完全锥形NAT

第二种限制锥形NAT，英文名叫RestrictedCone NAT。在图3 完全锥形NAT中，如果客户程式(192.168.0.234:7890)不能收到服务器B（157.78.13.156:23456）传送的资料，这种NAT对映关系为限制型锥形NAT。

第三种埠限制锥形NAT，英文名叫Port RestrictedCone NAT。客户程式(192.168.0.234:7890)传送资料给服务程式（13.44.178.98:9800）,闸道器通过网络地址转换产生的地址（112.93.116.102:6834）,同样的服务器内的另一个服务程式（13.44.178.178:9801）传送资料给闸道器（112.93.116.102:6834）地址，如果客户程式(192.168.0.234:7890)能够收到，则为限制锥形NAT，如果客户程式(192.168.0.234:7890)不能收到，则为埠限制锥形NAT。

对于所有的锥型NAT，客户程式（192.168.0.234:7890）对外发送的资料时，闸道器地址转换的地址都是一样的为（112.93.116.102:6834）,那为什么在图4 限制型锥形NAT中，客户程式不能收到服务程式B（13.44.178.98:9801）的资料呢？因为在闸道器中没有发生过客户程式（192.168.0.234:7890）给服务程式B（13.44.178.98:9801），故服务程式（13.44.178.98:9801）直接传送给闸道器（112.93.116.102:6834），则被闸道器所丢弃。

图4 限制型锥形NAT

第四种对称NAT，英文，名叫Symmetric NAT。如图5对称NAT所示，客户程式（192.168.0.234:7890）传送资料给两个不同服务器（13.44.178.98:9800）和（157.78.13.156:23456）时，闸道器会进行不同的网络地址对映产生（112.93.116.102:6834）和（112.93.116.102:6835）。这是对于整个NAT网络传送资料出去的过程，而接收资料与埠限制锥形NAT一致。

图5 对称NAT

本节介绍三种锥形NAT和对称NAT的概念，相信到此你还是不知道NAT型别与怎么穿透闸道器友什么关系。

穿透剖析

怎么穿透闸道器来实现去中心化，如图6穿透网络NAT拓扑图所示

在理想的情况下，在NAT 1中客户程式（192.168.0.234:7890）知道NAT 2中客户程式（192.168.2.168:2786）的网络对映地址（157.123.80.165:6954），并给网络对映地址（157.123.80.165:6954）传送资料，并且客户程式（192.168.2.168:2786）能够收到资料；而NAT 2中客户程式（192.168.2.168:2786）也知道NAT 1中客户程式的网络对映地址，并给其网络对映地址（112.93.116.102:6834）传送资料，并且也能收到资料。此时对于服务器而言，就已经没有起到资料中转的作用，此时客户程式（192.168.0.234:7890）与客户程式（192.168.2.168:2786）能够互相收发资料，服务程式（13.44.178.98:9800）已经没有作用，对于客户端程式来说，已经实现了去中心化。

这只是在理论情况，现在具体实现步骤以及结合四种NAT型别来分析一下。

第一种：NAT 1为完全锥形NAT，NAT 2为任何一种NAT模式，如图7 完全锥形NAT的穿透，绿色字型的顺序。

客户程式（192.168.0.234:7890）先发送一个连线请求给服务程式，通知服务程式，需要连线客户程式（192.168.2.168:2786）。服务程式收到连线请求后，传送给notify讯息给客户程式（192.168.2.168:2786）,通知客户程式（192.168.2.168:2786），传送p2p连线请求给闸道器（112.93.116.102:6834）。客户程式（192.168.2.168:2786）传送p2p连线请求给闸道器（112.93.116.102:6834），由于NAT1为完全锥形NAT，所以客户程式（192.168.0.234:7890）能够收到客户程式（192.168.2.168:2786）的请求。客户程式（192.168.0.234:7890）收到p2p连线请求后，从请求资料中解析出请求传送者客户程式（192.168.2.168:2786）的IP地址与埠，并立即返回确认讯息。此时双方进入P2P的穿透模式。然而在这里有一点需要注意：NAT2为对称NAT的时候，在3步骤的时候，闸道器会新生成另一个埠，IP地址不变，用来与NAT1中的网络进行通讯；在4步骤的时候，客户程式（192.168.0.234:7890）返回资料的地址，就是新生成的埠。

图7 完全锥形NAT的穿透

第二种：NAT 1为限制锥形NAT或者埠限制锥形NAT（两个锥形NAT模式是一样的，就不分开解释了），NAT 2为锥形NAT。如图8 限制锥形NAT的穿透所示

客户程式（192.168.0.234:7890）传送连线请求给服务程式，通知服务程式，需要连线客户程式（192.168.2.168:2786）。服务程式收到连线请求后，传送给notify讯息给客户程式（192.168.2.168:2786）,通知客户程式（192.168.2.168:2786），传送p2p连线请求给闸道器（112.93.116.102:6834）。客户程式（192.168.2.168:2786）传送p2p连线请求给闸道器（112.93.116.102:6834），由于NAT1为限制锥形NAT，所以客户程式（192.168.0.234:7890）收不到传送的p2p连线请求，此步骤最终的是在NAT2的闸道器（157.123.80.165:6954）新生成一条NAT目的地址的记录。与后续6步骤作为配合。客户程式（192.168.2.168:2786）提醒服务程式通知客户程式（192.168.0.234:7890），服务程式马上通知客户程式（192.168.0.234:7890）传送请求给NAT2的闸道器（157.123.80.165:6954）。客户程式（192.168.0.234:7890）传送p2p连线请求给闸道器（157.123.80.165:6954），由于刚刚3步骤发出了请求，此时闸道器会认为是3步骤返回的响应，所以能够p2p连线请求传送给客户程式（192.168.2.168:2786）客户程式（192.168.2.168:2786）收到p2p连线请求后，立即返回确认讯息给p2p连线请求包解析出来的IP地址与埠，此确认讯息能够顺利到底客户程式（192.168.0.234:7890），到此闸道器已经穿透，P2P已经建立。

图8 限制锥形NAT的穿透

第三种：NAT1为限制锥形NAT，NAT2为对称NAT。如图8限制锥形NAT的穿透所示。

在步骤3和步骤6与NAT2为限制锥形NAT有些差异，其余步骤流程一致。

步骤3：客户程式（192.168.2.168:2786）传送p2p连线请求给闸道器（112.93.116.102:6834），由于NAT2为对称网络，此时会重新生成一个埠用于对闸道器（112.93.116.102:6834）通讯。新生成的埠没有办法能够准确的知道。只能进行猜测。

步骤6：传送资料给闸道器（157.123.80.165:猜测埠）。

在这里提供一种思路来提高测猜的准确度，把服务程式使用两个埠（之前9800，新加一个9801），由于闸道器NAT分配埠是顺序的，在步骤4传送请求给服务程式（9801埠），因为步骤3与步骤4相隔时间短，步骤3在闸道器（157.123.80.165）所生成的新埠比步骤4的埠小。从而来提高猜测的准确度。

相信已经对穿透的具体步骤有明确的概念，怎么准确的判断当前NAT的型别？

NAT分类

其实在网络地址对映概念已经有介绍分类，在这里使用更加计算机化语言描述。

第一种，检测当前客户程式的闸道器是否为完全锥形NAT，如图9检测完全锥形NAT所示

图9 检测完全锥形NAT

首先检测Udp的可用性，客户程式（192.168.0.234:7890）使用一个300ms定时器传送Udp请求资料包给服务器A。等待服务器A返回确认资料。如果多次传送请求并未得到服务器的确认资料，则认为Udp不能资讯，则推出整个检测过程。如果收到确认资料，同样使用定时器再发送另一种请求资料要求服务器B传送资料给闸道器（112.93.116.102:6834），如果收到服务器B的资料，则认为是完全锥形网络。如果没有收到则进行限制锥形NAT。

第二种，检测限制锥形网络，如图10所示。

图10 检测限制锥形NAT