TCP點對點穿透探索
點對點穿透是穿透什么
點對點穿透，需要實現的是對NAT的穿透。想實現NAT的穿透，當然要先了解NAT到底是什么，以及NAT是用來干什么的。
NAT全稱Network Address Translation，意思是網絡地址轉換，在1994年提出。它可以對不同的IP及端口進行映射，將一個網絡地址轉換為另一個。NAT的主要用途，大家可以看路由器。路由器具有一個WAN口及多個LAN口；WAN口對外，連接因特網，擁有公網IP；LAN口對內，構建本地網絡，分配的是私網IP。當處於LAN網下的本地主機想要訪問因特網的時候，路由器就會通過NAT技術，將LAN 口的私網IP映射到WAN口的公網IP，實現網絡地址的轉換，這樣本地主機就可以訪問因特網了。
NAT技術的出現，有效減緩了IPv4時代可用IP地址枯竭的問題。至於為何可以緩解IP地址枯竭，我們依舊可以參照路由器來加以理解。路由器的LAN網下擴展了多台本地主機，這些本地主機需要不同的IP地址加以區分。如果它們都是接在英特網下，那么每台主機都需要消耗一個公網IP，但是通過路由器的NAT服務，這些本地主機可以先分配不同的私網IP，然后在需要連接到英特網的時候映射到公網IP的不同端口上完成對因特網的訪問，從而節省IP地址的消耗。至於私網IP地址，由於NAT的存在，本地網絡與英特網處於隔離狀態，不必擔心與其他網絡產生沖突。
上面是對NAT的一些簡單的介紹，以及NAT工作方式的簡單描述，如果覺得難以理解，可以自行查閱更多資料。
舉個例子，假如路由器WAN口獲取到的公網IP是
55.66.77.88（隨便寫的），LAN網下某台本地主機獲取到的私網IP是192.168.0.100（路由器多是192.168.0.0網段）。現在本地主機想要向英特網發起連接，它通過自己的10000端口發起了連接，路由器知道有本地主機向英特網發起連接，便會分配一個WAN口的可用端口做映射，比如分配到的是5000端口。這時，192.168.0.100的10000端口便和55.66.77.88的5000端口產生了映射關系。55.66.77.88的5000端口收到的網絡包便會轉發到192.168.0.100的10000端口,192.168.0.100的10000端口收到的網絡包也會轉發到55.66.77.88的5000端口。當然，由於是網絡地址轉換，這途中還會有拆包，重新裝包的過程，不做詳細說明。
大致知道NAT怎么工作的之后，接下來了解為什么要穿透NAT。
按照上面的描述，NAT的工作需要LAN網下的本地設備主動發起網絡連接，然后NAT服務才會將這個連接映射到WAN口的公網IP完成轉換。也就是說，如果本地主機沒有主動發起連接，那么這個映射就不會存在，那么公網上的機器就無法訪問到私網上的機器。也就是說，只能是私網機器主動連接公網機器，而不能是公網機器主動連接私網機器。而為了實現公網機器主動連接私網機器，我們就需要穿透NAT，這就是NAT穿透的由來。
目前比較好實現NAT穿透的方式是采用UDP連接對NAT進行打洞，然后完成連接。何為打洞呢？就是為了使NAT產生一個可用的映射。具體步驟就是在私網機器上用UDP向某台公網機器發起連接，使得NAT產生一個可以使用的映射（洞）。然后通過這個映射（洞），就可以穿透NAT。
至於為什么要用UDP，這是由於UDP的某些特性。UDP通信需要先綁定本地機器的端口，完成后就可以從這個端口收發數據，至於從哪里收，發到哪里，可以在收發數據的時候再決定，這也就意味着我可以用這一個端口同時和多個對象通信，只要我收發數據的時候指定不同的對象即可。當本地機器用UDP向英特網上的某個服務器發送數據的時候，這個映射不但能用來和這個服務器進行數據交互，也能用來接收其他主機發來的數據。NAT穿透就是本地主機向公網上的某台服務器發送數據，這時服務器就可以獲得NAT對這台主機的映射，在之前舉得例子中就是55.66.77.88:5000這個地址。由於NAT會將55.66.77.88:5000收到的數據轉發至本地主機，所以公網上的其他機器可以從服務器獲取到55.66.77.88:5000這個網絡地址，然后通過這個網絡地址向私網下的機器發出數據。
而至於為什么不用TCP，也是由於TCP的某些特性。TCP通信的步驟與UDP不同，它需要先在兩個對象之間建立一個專用通道，再用這個通道收發數據。也就是說外人無法插手。這樣一來，雖然其他機器可以通過服務器獲取到NAT的映射對象，也沒辦法利用它向私網下的機器發出數據。
關於TCP與UDP的更多細節，請參考SOCKET編程。
TCP實現點對點穿透的探索
為了嘗試使用TCP實現點對點穿透，需要現對TCP做更多的了解。我之前有詳細查過TCP連接中的各種狀態變化，做了簡單的整理，可以做個參考：TCP連接狀態變化
既然TCP在連接過程中其他人不能插手，但是等它連接結束之后呢？NAT對TCP連接的端口映射在連接結束后就立馬銷毀了嗎？接着深入，發現NAT存在一個老化機制。接下來看看老化是什么意思。NAT生成某個映射后，會將這個映射保存下來，但是即使端口號非常多，它也不是無限的，而既然端口號是有限資源，那么就不能保證映射表的無限擴充。為了合理利用資源，當某個映射一段時間內沒有發生數據交互，NAT就會認為這個映射已經沒有人使用了，就會將這個映射銷毀，回收端口號。這個時間，就叫做老化時間。也就是說，老化是一種映射的回收機制。
從TCP連接狀態變化中可以知道，TCP在斷開連接后會有一段時間的保護期，不讓這個端口進行下一次連接，這個時間是2*MSL，MSL在協議中的建議值為2分鍾，實際應用中常用是30秒，1分鍾和2分鍾，也就是說這個時間很有可能是一分鍾甚至更久。那老化時間有多久有多久呢，在老化時間控制 中有提到，TCP的默認老化時間是86400秒，TCP-SYN和TCP-FIN的默認老化時間是60秒。這樣說來，按照一般情況等保護期結束的時候，NAT的映射也到期了。
但是沒有關系，SOCKET編程中允許有一些特殊的選項，其中有一個叫SO_REUSEADDR的選項。
以下文字引用自setsockopt中參數之SO_REUSEADDR的意義
setsockopt中參數之SO_REUSEADDR的意義
1、一般來說，一個端口釋放后會等待兩分鍾之后才能再被使用，SO_REUSEADDR是讓端口釋放后立即就可以被再次使用。
SO_REUSEADDR用於對TCP套接字處於TIME_WAIT狀態下的socket，才可以重復綁定使用。server程序總是應該在調用bind()之前設置SO_REUSEADDR套接字選項。TCP，先調用close()的一方會進入TIME_WAIT狀態2、SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT
SO_REUSEADDR提供如下四個功能：
SO_REUSEADDR允許啟動一個監聽服務器並捆綁其眾所周知端口，即使以前建立的將此端口用做他們的本地端口的連接仍存在。這通常是重啟監聽服務器時出現，若不設置此選項，則bind時將出錯。
SO_REUSEADDR允許在同一端口上啟動同一服務器的多個實例，只要每個實例捆綁一個不同的本地IP地址即可。對於TCP，我們根本不可能啟動捆綁相同IP地址和相同端口號的多個服務器。
SO_REUSEADDR允許單個進程捆綁同一端口到多個套接口上，只要每個捆綁指定不同的本地IP地址即可。這一般不用於TCP服務器。
SO_REUSEADDR允許完全重復的捆綁：當一個IP地址和端口綁定到某個套接口上時，還允許此IP地址和端口捆綁到另一個套接口上。一般來說，這個特性僅在支持多播的系統上才有，而且只對UDP套接口而言（TCP不支持多播）。
SO_REUSEPORT選項有如下語義：
此選項允許完全重復捆綁，但僅在想捆綁相同IP地址和端口的套接口都指定了此套接口選項才行。
如果被捆綁的IP地址是一個多播地址，則SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT等效。
使用這兩個套接口選項的建議：
在所有TCP服務器中，在調用bind之前設置SO_REUSEADDR套接口選項；
當編寫一個同一時刻在同一主機上可運行多次的多播應用程序時，設置SO_REUSEADDR選項，並將本組的多播地址作為本地IP地址捆綁。
if (setsockopt(fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR,
(const void *)&nOptval , sizeof(int)) < 0) ...
關於SO_REUSEADDR的特性，網上介紹很多，這里貼出幾個鏈接:
SO_REUSEADDR例解
SO_REUSEADDR 套接字選項應用實例
有了SO_REUSEADDR就好辦了，在剛斷開連接的時候NAT的映射還沒有被老化，而由於SO_REUSEADDR套接字選項的關系，也可以立馬進行下一次連接。也就是說只要我們在NAT服務設置的老化時間內重新建立好連接，那么這個映射就可以繼續使用。
從原理上來說應該是存在可行性的，如果有偏頗，忘指正。后續會嘗試搭建環境，寫程序做個試驗。
在這里寫一下之前做的試驗：連接關閉之后NAT的端口映射直接失效，根本無法建立下一次連接，知識儲備還差點兒，太想當然了。