go語言打造p2p網路

来源:https://www.cnblogs.com/tokenpai/archive/2019/04/23/10759273.html
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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網路，分散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網路，這是一種點到點的通信技術。 說到p2p通信，它並沒 ...



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網路，分散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網路，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，在網路世界里實現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，比如伺服器在公網，或者伺服器和客戶端都在同一個區域網內，我們要探討的p2p通信是指通信的雙方分別在兩個區域網內部！

由於在兩個區域網內部，兩台設備並沒有公網IP，彼此要通信需要藉助路由器，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！怎麼辦呢？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，在網路編程中也是這樣的原理！但和現實中不同的是，假設設備A想和另一個區域網的設備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，網路地址轉換）技術獲得了一個公網映射IP，但是設備B並不認識，那麼怎麼樣能讓兩者通信呢？所以這個時候需要一個介紹人，此時需要有一個公網的伺服器作為媒介，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後，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區域網內，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伺服器進行中介介紹，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。那麼為什麼非要用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，內網設備的網路請求通過不同埠加以映射

針對NAPT埠的映射方式，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地址和埠來的所有請求，都映射到相同的外部IP地址和埠。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地址和埠來的所有請求映射到相同的公網IP地址和埠。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。
  • 埠限制圓錐型NAT( Port Restricted Cone NAT )，埠受限圓錐型NAT增加了埠號的限制，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埠到相同目的地址和埠的所有請求，都映射到同一個公網地址和埠。如果同一個內網主機，用相同的內網地址和埠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

知識點普及後，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路內部，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伺服器 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+埠通過SB告訴B，將B的ip+埠通過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("中轉伺服器退出,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 中轉伺服器退出,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誌")
        os.Exit(0)
    }
    // 當前進程標記字元串,便於顯示
    tag = os.Args[1]
    srcAddr := &net.UDPAddr{IP: net.IPv4zero, Port: 9901} // 註意埠必須固定
    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]

備註：本文中的公網伺服器使用的是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伺服器進行驗證！



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