TCP和UDP穿越NAT技术及其代码

这个标题用了两个顿号三个名称，其实说得是同一个东西，只是网上有不同的说法罢

了，另外好像还有人叫 TCP 打孔（我的朋友小妞听说后问“要打孔啊，要不要我帮你去借

个电钻过来啊？”“~！·￥%……·！”）。

闲话少说，我们先看一下技术背景：

Internet 的迅速发展以及 IPv4 地址数量的限制使得网络地址翻译(NAT,Network Address

Trans2lation)设备得到广泛应用。NAT 设备允许处于同一 NAT 后的多台主机共享一个公网

(本文将处于同一 NAT 后的网络称为私网,处于 NAT 前的网络称为公网) IP 地址。一个私网

IP 地址通过 NAT 设备与公网的其他主机通信。公网和私网 IP 地址域，如下图所示：

配套源代码，但是我个人认为 UDP 数据虽然速度快，但是没有保障，而且 NAT 为 UDP 准

备的临时端口号有生命周期的限制，使用起来不够方便，在需要保证传输质量的应用上

TCP 连接还是首选（例如：文件传输）。

网上也有不少关于 TCP 穿越 NAT（即 TCP 打洞）的介绍文章，但不幸我还没找到相

关的源代码可以参考，我利用空余时间写了一个可以实现 TCP 穿越 NAT，让不同的私网内

主机建立直接的 TCP 通信的源代码。

这里需要介绍一下 NAT 的类型：

NAT 设备的类型对于 TCP 穿越 NAT,有着十分重要的影响,根据端口映射方式,NAT 可分

为如下 4 类,前 3 种 NAT 类型可统称为 cone 类型。

(1)全克隆( Full Cone) : 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。

(2)限制性克隆(Restricted Cone) : 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。

(3)端口限制性克隆( Port Restricted Cone) :端口限制性克隆与限制性克隆类似,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。

(4)对称式 NAT ( Symmetric NAT) :这种类型的 NAT 与上述 3 种类型的不同,在于当同一

直接连接到 B 主机，就好像 NAT-B 不存在一样。

实现过程如下（请参照源代码）：

1、 S 启动两个网络侦听，一个叫【主连接】侦听，一个叫【协助打洞】的侦听。

2、 A 和 B 分别与 S 的【主连接】保持联系。

3、 当 A 需要和 B 建立直接的 TCP 连接时，首先连接 S 的【协助打洞】端口，并发送

协助连接申请。同时在该端口号上启动侦听。注意由于要在相同的网络终端上绑定到不同

的套接字上，所以必须为这些套接字设置 SO_REUSEADDR 属性（即允许重用），否则侦

听会失败。

4、 S 的【协助打洞】连接收到 A 的申请后通过【主连接】通知 B，并将 A 经过 NAT-

A 转换后的公网 IP 地址和端口等信息告诉 B。

8、 A 收到 S 回复的 B 的公网 IP 和端口号等信息以后，开始连接到 B 公网 IP 和端口号，

由于在步骤 6 中 B 曾经尝试连接过 A 的公网 IP 地址和端口，NAT-A 纪录了此次连接的信息，

所以当 A 主动连接 B 时，NAT-B 会认为是合法的 SYN 数据，并允许通过，从而直接的

TCP 连接建立起来了。

整个实现过程靠文字恐怕很难讲清楚，再加上我的语言表达能力很差（高考语文才考

75 分，总分 150 分，惭愧），所以只好用代码来说明问题了。

// 服务器地址和端口号定义

// 服务器主连接的端口号#

// 服务器响应客户端打洞申请的端口号

这两个端口是固定的，服务器 S 启动时就开始侦听这两个端口了。

//// 将新客户端登录信息发送给所有已登录的客户端，但不发送给自己//

BOOL SendNewUserLoginNotifyToAll ( LPCTSTR lpszClientIP, UINT nClientPort, DWORD

dwID ){ ASSERT ( lpszClientIP && nClientPort > 0 ); g_CSFor_PtrAry_SockClient.Lock();

for ( int i=0; i<g_PtrAry_SockClient.GetSize(); i++ ) { CSockClient *pSockClient

= (CSockClient*)g_PtrAry_SockClient.GetAt(i); if ( pSockClient && pSockClient-

>m_bMainConn && pSockClient->m_dwID > 0 && pSockClient->m_dwID != dwID ) {

if ( !pSockClient->SendNewUserLoginNotify ( lpszClientIP, nClientPort, dwID ) )

{ g_CSFor_PtrAry_SockClient.Unlock(); return

FALSE; } } } g_CSFor_PtrAry_SockClient.Unlock (); return

TRUE;}

给其他客户端。

//// 执 行 者 ： 客 户 端 A// 有 新 客 户 端 B 登 录 了 ， 我 （ 客 户 端 A ） 连 接 服 务 器 端 口

SRV_TCP_HOLE_PORT ， 申 请 与 客 户 端 B 建 立 直 接 的 TCP 连 接 //BOOL

Handle_NewUserLogin ( CSocket &MainSock, t_NewUserLoginPkt *pNewUserLoginPkt ){

nRecvBytes = 0; // 创 建 打 洞 Socket ， 连 接 服 务 器 协 助 打 洞 的 端 口 号

} UINT nOptValue = 1; if ( !Sock.SetSockOpt ( SO_REUSEADDR,

&nOptValue , sizeof(UINT) ) ) { printf ( "SetSockOpt socket failed : %s\n",

hwFormatMessage(GetLastError()) ); goto finished; } if ( !Sock.Bind ( 0

) ) { printf ( "Bind socket failed : %s\n", hwFormatMessage(GetLastError()) );

goto finished; } if ( !Sock.Connect ( g_pServerAddess,

SRV_TCP_HOLE_PORT ) ) { printf ( "Connect to [%s:%d] failed : %s\n",

g_pServerAddess, SRV_TCP_HOLE_PORT,

hwFormatMessage(GetLastError()) ); goto finished; } } catch

( CException e ) { char szError[255] = {0}; e.GetErrorMessage( szError,

sizeof(szError) ); printf ( "Exception occur, %s\n", szError ); goto finished; }

( Sock.GetSockName ( csSocketAddress, g_nHolePort ) ); // 创 建 一 个 线 程 来 侦 听 端 口

g_nHolePort 的连接请求 dwThreadID = 0; g_hThread_Listen = ::CreateThread ( NULL,

HANDLE_IS_VALID(g_hThread_Listen) ) return FALSE; Sleep ( 3000 );// 我（客户端 A）向

服务器协助打洞的端口号 SRV_TCP_HOLE_PORT 发送申请，希望与新登录的客户端 B 建