go語言打造p2p網絡

傳送門: 柏鏈項目學院

---

就像1000個人眼中有1000個哈姆雷特一樣，每個人眼中的區塊鏈也是不一樣的！作為技術人員眼中的區塊鏈就是將各種技術的融合，包括密碼學，p2p網絡，分布式共識機制以及博弈論等。我們今天就來討論一下區塊鏈技術中的p2p網絡，這是一種點到點的通信技術。

說到p2p通信，它並沒有名字看上去那樣簡單，在網絡世界里實現p2p還是需要一些手段的！很多朋友可能會說，實現一個c/s模式的點到點通信很簡單呀，但是前提是彼此可以看見，比如服務器在公網，或者服務器和客戶端都在同一個局域網內，我們要探討的p2p通信是指通信的雙方分別在兩個局域網內部！

由於在兩個局域網內部，兩台設備並沒有公網IP，彼此要通信需要借助路由器，但是路由器又會對不識別的ip進行過濾，也就是路由器有個陌生人排除機制！怎么辦呢？類似於我們去一個安保較為嚴格的場所時，需要內部的工作人員接引才可入內，在網絡編程中也是這樣的原理！但和現實中不同的是，假設設備A想和另一個局域網的設備B通信，設備B是並不認識設備A的，設備A通過路由器NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）技術獲得了一個公網映射IP，但是設備B並不認識，那么怎么樣能讓兩者通信呢？所以這個時候需要一個介紹人，此時需要有一個公網的服務器作為媒介，介紹兩個人介紹，當B設備對應路由器添加了A設備對應的公網IP后，A設備就可以與B設備建立連接了，這個時候就可以順暢的通信了！

Server S
                    10.47.58.139:9527
                           |
                           |
    +----------------------|----------------------+
    |                                             |
  NAT A                                         NAT B
122.27.219.161:10001                            123.29.210.131:10002
    |                                             |
    |                                             |
 Client A                                      Client B
 192.168.1.126:9901                           192.168.1.102:9902

如上圖所示，CLientA與ClientB想要通信，因為兩個客戶端都在各自的局域網內，都是通過NAT技術生成公網映射IP的，想要彼此訪問必須通過一個中間服務器進行中介介紹，這樣兩個客戶端才能彼此認識並建立連接，否則雙方直接通信都會被路由器丟棄。那么為什么非要用NAT呢？直接為每個Client分配一個公網IP不可以嗎？這是由於IPv4的限制，公網IP數量是有限的，我們國家拿到的公網IP段更是有限，甚至不及美國一所大學的IP段數量多。這樣也就不可能為每個機器都分配一個公網IP，正因為此NAT技術才非常重要，它可以很好的幫我們解決公網IP不足的問題。

接下來我們還是介紹一下NAT的原理和類型：

NAT主要可以分為兩類：

• 基本NAT，這種要求NAT有多個公網IP，這樣可以將公網IP和內網設備靜態綁定
• NAPT（Network Address Port Translation），更為常見的NAT，內網設備的網絡請求通過不同端口加以映射

針對NAPT端口的映射方式，又可以分為四種形式：

• 完全圓錐型NAT( Full Cone NAT )，將從一個內部IP地址和端口來的所有請求，都映射到相同的外部IP地址和端口。並且，任何外部主機通過向映射的外部地址發送報文，都可以實現和內部主機進行通信。
• 地址限制圓錐型NAT( Address Restricted Cone NAT )，將從相同的內部IP地址和端口來的所有請求映射到相同的公網IP地址和端口。但是與完全圓錐型NAT不同，當且僅當內部主機之前已經向公網主機發送過報文，此時公網主機才能向內網主機發送報文。
• 端口限制圓錐型NAT( Port Restricted Cone NAT )，端口受限圓錐型NAT增加了端口號的限制，當前僅當內網主機之前已經向公網主機發送了報文，公網主機才能和此內網主機通信。
• 對稱型NAT( Symmetric NAT)，把從同一內網地址和端口到相同目的地址和端口的所有請求，都映射到同一個公網地址和端口。如果同一個內網主機，用相同的內網地址和端口向另外一個目的地址發送報文，則會用不同的映射。

本人經過檢測發現，本機的NAT類型為上述第四種：Symmetric NAT

知識點普及后，我們繼續來實踐我們之前所說的p2p技術，也就是兩個設備之間的通信問題，由於兩個設備分別在各自的網絡內部，我們也稱這種行為為打洞！

接下來我們用go語言來實現這個打洞技術，主要使用UDP來實現，具體流程如下：

1. 建立UDP服務器 S
2. 建立A、B客戶端，分別與S建立會話，SA與SB
3. S當好中介人，將A的ip+端口通過SB告訴B，將B的ip+端口通過SA告訴A
4. A向B公網地址發送一個UDP包，代表握手，打通A-B的路徑
5. B向A公網地址發送一個UDP包，A-B的會話建立成功

代碼如下：

//server.go
	"log"
	"net"
	"time"
)

func main() {
	listener, err := net.ListenUDP("udp", &net.UDPAddr{IP: net.IPv4zero, Port: 9527})
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
		return
	}
	log.Printf("本地地址: <%s> \n", listener.LocalAddr().String())
	peers := make([]net.UDPAddr, 0, 2)
	data := make([]byte, 1024)
	for {
		n, remoteAddr, err := listener.ReadFromUDP(data)
		if err != nil {
			fmt.Printf("error during read: %s", err)
		}
		log.Printf("<%s> %s\n", remoteAddr.String(), data[:n])
		peers = append(peers, *remoteAddr)
		if len(peers) == 2 {
			log.Printf("進行UDP打洞,建立 %s <--> %s 的連接\n", peers[0].String(), peers[1].String())
			listener.WriteToUDP([]byte(peers[1].String()), &peers[0])
			listener.WriteToUDP([]byte(peers[0].String()), &peers[1])
			time.Sleep(time.Second * 8)
			log.Println("中轉服務器退出,仍不影響peers間通信")
			return
		}
	}
}

服務端顯示如下：

ykdeMac-mini:study yekai$ ./server 
2019/04/03 14:50:13 本地地址: <[::]:9527> 
2019/04/03 14:51:48 <192.168.1.102:9901> hello, I'm new peer:yekai1
2019/04/03 14:52:57 <192.168.1.126:9902> hello, I'm new peer:yekai2
2019/04/03 14:52:57 進行UDP打洞,建立 192.168.1.102:9901 <--> 192.168.1.126:9902 的連接
2019/04/03 14:53:05 中轉服務器退出,仍不影響peers間通信

//client.go
package main

import (
	"fmt"
	"log"
	"net"
	"os"
	"strconv"
	"strings"
	"time"
)

var tag string

const HAND_SHAKE_MSG = "我是打洞消息"

func main() {
	if len(os.Args) < 2 {
		fmt.Println("請輸入一個客戶端標志")
		os.Exit(0)
	}
	// 當前進程標記字符串,便於顯示
	tag = os.Args[1]
	srcAddr := &net.UDPAddr{IP: net.IPv4zero, Port: 9901} // 注意端口必須固定
	dstAddr := &net.UDPAddr{IP: net.ParseIP("192.168.1.102"), Port: 9527}
	conn, err := net.DialUDP("udp", srcAddr, dstAddr)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	if _, err = conn.Write([]byte("hello, I'm new peer:" + tag)); err != nil {
		log.Panic(err)
	}
	data := make([]byte, 1024)
	n, remoteAddr, err := conn.ReadFromUDP(data)
	if err != nil {
		fmt.Printf("error during read: %s", err)
	}
	conn.Close()
	anotherPeer := parseAddr(string(data[:n]))
	fmt.Printf("local:%s server:%s another:%s\n", srcAddr, remoteAddr, anotherPeer.String())
	// 開始打洞
	bidirectionHole(srcAddr, &anotherPeer)
}
func parseAddr(addr string) net.UDPAddr {
	t := strings.Split(addr, ":")
	port, _ := strconv.Atoi(t[1])
	return net.UDPAddr{
		IP:   net.ParseIP(t[0]),
		Port: port,
	}
}
func bidirectionHole(srcAddr *net.UDPAddr, anotherAddr *net.UDPAddr) {
	conn, err := net.DialUDP("udp", srcAddr, anotherAddr)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
	}
	defer conn.Close()
	// 向另一個peer發送一條udp消息(對方peer的nat設備會丟棄該消息,非法來源),用意是在自身的nat設備打開一條可進入的通道,這樣對方peer就可以發過來udp消息
	if _, err = conn.Write([]byte(HAND_SHAKE_MSG)); err != nil {
		log.Println("send handshake:", err)
	}
	go func() {
		for {
			time.Sleep(10 * time.Second)
			if _, err = conn.Write([]byte("from [" + tag + "]")); err != nil {
				log.Println("send msg fail", err)
			}
		}
	}()
	for {
		data := make([]byte, 1024)
		n, _, err := conn.ReadFromUDP(data)
		if err != nil {
			log.Printf("error during read: %s\n", err)
		} else {
			log.Printf("收到數據:%s\n", data[:n])
		}
	}
}

客戶端1顯示如下：

ykdeMac-mini:study yekai$ ./client yekai1
local:0.0.0.0:9901 server:192.168.1.102:9527 another:192.168.1.126:9902
2019/04/03 14:52:57 收到數據:我是打洞消息
2019/04/03 14:52:57 error during read: read udp 192.168.1.102:9901->192.168.1.126:9902: recvfrom: connection refused
2019/04/03 14:53:07 收到數據:from [yekai2]
2019/04/03 14:53:17 收到數據:from [yekai2]

客戶端2顯示如下：

localhost:zhuhai yk$ ./client yekai2
local:0.0.0.0:9902 server:192.168.1.102:9527 another:192.168.1.102:9901
2019/04/03 14:53:07 收到數據:from [yekai1]
2019/04/03 14:53:17 收到數據:from [yekai1]

備注：本文中的公網服務器使用的是192.168.1.102進行替代，測試時並沒有實際走NAT映射，不過其他童鞋可以用代碼在公網服務器進行驗證！

---