P2P通信基本原理

在数字世界的脉络中，点对点（P2P）技术如同一条悄无声息的河流，流经信息的每个角落，连接着世界各地的计算机和设备。这种去中心化的网络模型，不仅打破了传统的客户端-服务器架构的界限，还赋予了数据传输一种前所未有的自由和效率。通过P2P，每个参与者既是消费者又是提供者，共同创造出一个强大、灵活且高度可扩展的网络生态系统。这种技术背后的原理和应用范围之广泛，不禁让人对其可能解锁的未来潜能充满期待。从文件共享和分布式计算到加密货币和去中心化金融，P2P技术正在逐步重塑我们的数字经济和社会结构。

本文阅读时间预计30分钟，可以对该技术有一个入门的了解

一、P2P简介

1.1 什么是P2P

P2P即点对点协议。

当A和B通信的时候，最简单的方式如下，A和B之间通过一个服务器转发数据。

而P2P是这样的，双方直接进行通信

这种方式能大大减轻服务端的负载，所以特别适合大数据的传输，比如实时音视频聊天、在线视频直播、大文件传输等应用场景。

1.2 P2P原理

P2P 技术的出现，主要是为了解决，两台不同局域网下的设备，无法通过局域网 IP 地址，直连通信的问题。

因为IPV4的地址有限（25亿个），导致很多设备并没有公网的IP地址，而是多个内网地址使用一个公网地址。

家庭中常见的内网地址有：192.168.xx.xx。只知道对方的内网地址，两个设备是无法通信的。

就像两个人如果只说自己住在几幢几单元，而不说自己住在哪个在哪个城市哪个小区，对方是找不到你的。

而服务器是有公网地址的，因此两个人都可以通过公网地址找到服务器，然后通过服务器的中介，两者建立联系。从下图可以看到，IPC的公网地址是209.144.29.01，手机的公网地址是128.105.39.11，要是IPC能知道手机的公网IP地址（反过来也一样），那就能跳过服务器直接与对方相连。这就是P2P的原理。

1.3 P2P如何实现

简单来说实现P2P比把大象关进冰箱还要简单，只需要两步

• 获取自身所在的公网地址

• 将获取到的公网地址和端口告诉对端。

二、NAT

NAT（网络地址转换器），它可以进入数据包的头部，并且对其修改，已达到多个内网公用一个公网地址的目的。

NAT也有两种，一种是Basic NAT，一种是NAPT，Basic NAT基本被淘汰了，这里只关注NAPT，

2.1 NAT的工作

下面用一个简单的例子来说明，这是两个设备Peer A和 Peer B之间的通信

有一台计算机，叫PeerB，它的内网地址是192.168.1.10,

它的网关是155.12.39.22(应该还有一个内网的IP地址，比如192.168.1.10)

如果Peer B中的某个进程（这个进程创建了一个UDP Socket,这个Socket绑定8888端口）想访问Peer A 117.78.39.135 的9999端口，那么当数据包通过NAT时会发生什么事情呢？

首先NAT会改变这个数据包的原IP地址，改为155.12.39.22。接着NAT会为这个传输创建一个Session（Session是一个抽象的概念，可以理解成两个手机在打电话，虽然是无形的，但是就是建立了一个对话）并且给这个Session分配一个端口，比如54000，然后改变这个数据包的源端口为54000。

所以本来是（192.168.1.10:8888->117.78.39.135:9999）的数据包到了互联网上变为了（155.12.39.22:54000->117.78.39.135:9999）。

一旦NAT创建了Session后，

NAT会记住这个54000端口对应的就是192.168.1.10:8888，

以后从117.78.39.135发送到54000端口上的数据都会转发到192.168.1.10:8888上，

这样来回都打通了，

我们也就可以认为Peer A 和 Peer B之间建立了连接，并且连接后数据不需要经过服务器。

2.1 NAT类型

NAT有很多类型，这里继续刚才的例子，如果PeerA向另外一个Peer C 发消息，会怎么样呢？

有两种情况，

• NAT又给Session重新分配一个端口号。

• NAT还使用原来的session1分配的端口号。

如果NAT类型是第一种，我们称为对称型，如果是这种p2p的魔法就很容易失灵，这种情况一般就不走直连了，走服务器转发。

第二种叫锥型。全锥型又分成4种。

全锥型、受限锥型（IP受限）、端口受限锥型（IP+PORT受限）、对称型。

1. 全锥型：NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。任何一个外部主机均可通过该映射发送IP包到该内部主机。在上面的例子中，只要建立了54000的映射，那Peer C 发送到这个端口的数据包，也会转发到PeerA

2. 受限锥型：NAT把所有来自相同内部IP地址和端口的请求映射到相同的外部IP地址和端口。但是,只有当内部主机先给IP地址为X的外部主机发送IP包,该外部主机才能向该内部主机发送IP包。在上面的例子中，如果PeerA没有PeerC的IP发过消息，那PeerC给PeerA发的消息会被丢弃

3. 端口受限锥型：端口限制性圆锥与限制性圆锥类似,只是多了端口号的限制,即只有内部主机先向IP地址为X,端口号为P的外部主机发送1个IP包,该外部主机才能够把源端口号为P的IP包发送给该内部主机。端口受限锥形是在受限锥形的基础上加了端口号的限制。

2.2 P2P连接的条件

并不是所有的设备都能建立P2P连接的，要考虑连接双方的NAT类型。

因为不同NAT的类型的严格程度不一样。

这里先介绍不同的NAT类型。

需要根据通信双方NAT的类型采用不同的穿透技术，如STUN（Session Traversal Utilities for NAT）、TURN（Traversal Using Relays around NAT）或ICE（Interactive Connectivity Establishment）来实现不同NAT类型之间的有效连接。