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【Linux】【网络】UDP打洞--＞不同子网下的客户端和服务器通信（成功版）

article 2025/3/5 10:31:43

【Linux】【网络】UDP打洞–＞不同子网下的客户端和服务器通信（成功版）
根据上个文章的分析 问题可能出现在代码逻辑上面 我这里重新查找资料怀疑：

1 NAT映射可能需要多次数据包的发送才能建立。

2 NAT映射保存时间太短，并且 NAT 可能会在短时间内改变这些映射，需要一直保持映射。

  • 有些 NAT 设备会因为短时间内没有数据而回收端口映射，导致服务器提供的 IP:Port 失效。

  • 保活机制：双方定期发送保活包以防 NAT 超时关闭映射。

3 服务器只是向双方发送了IP和端口后直接退出了，并未发送数据包给客户端，导致NAT 设备未建立映射
（服务器只发送了一次数据，但部分 NAT 设备需要多次交互才会创建映射，一些 NAT 需要收到外部数据包后才会保持映射。）

4 我在代码中绑定了固定端口，NAT内部可能会有自己的实现，让系统自己分配端口可能更合适

5 需要双方在获得对方公网地址后，立即向对方发送“敲门”数据包，以便各自的 NAT 建立映射。

  • NAT 设备通常只允许曾经主动发送数据给对方的地址接收数据。
  • 客户端第一次sendto()的数据包会被丢掉 后续才能正确通信

这里贴一下udp通信接口
在这里插入图片描述

整体流程

1. 注册阶段

  • 客户端动作：

    • 每个客户端（C1 和 C2）启动时创建至少一个 UDP 套接字（有些实现中为了隔离控制与数据可能创建两个，但最关键的是：
      • 用于向服务器发送注册消息，并接收服务器返回的信息）。
    • 客户端向服务器发送注册消息（例如 “HELLO”）。
    • 此时，通过调用 recvfrom()，服务器能够获得客户端发送数据时的源地址信息，即 NAT 映射后的公网 IP 和端口。

  • 服务器动作：

    • 服务器启动后创建一个 UDP 套接字并绑定到固定端口（例如 50001）。
    • 服务器循环等待接收客户端的注册消息，同时记录每个客户端的公网映射地址（从 recvfrom 返回的 sockaddr 信息中获得）。

2. 地址交换阶段

  • 服务器端：
    • 用于存储两个客户端的地址信息和当前注册的客户端数量（例如使用数组 struct sockaddr_in clientAddrs[2] 和计数器 clientCount）。
    • 当服务器接收到两个客户端的注册消息后（比如两条 “HELLO” 消息），服务器将这两个客户端的公网映射地址互换：
      • 向客户端1发送消息，格式例如 "PEER <C2公网IP>^<C2映射端口>"；
      • 向客户端2发送消息，格式例如 "PEER <C1公网IP>^<C1映射端口>"。
    • 为确保 NAT 映射持续有效（避免超时关闭），服务器还可以再额外向两个客户端发送探测数据包（如 “ping”），激活双方的 NAT 映射。

3. NAT 打洞阶段

  • 客户端（C1 和 C2）：
    • 在收到服务器返回的包含对方公网映射地址的信息后，每个客户端解析出对方的公网 IP 和映射端口。
    • 然后，客户端立即向对方发送一个“敲门”数据包（例如 “knock” 或 “ping”），目的是：
      • 主动触发自己 NAT 设备建立向对方的映射，
      • 同时激活对方 NAT 中关于本端发送数据的映射。
    • 双方互发“敲门”包后，各自的 NAT 设备就会允许对方返回数据，即使之前还没有真正建立起正式的数据通信。

4. 双向通信阶段

  • 建立通信：

    • 双方均使用服务器返回的地址（即各自 NAT 映射后的公网 IP 和端口）作为目标地址来发送数据包。
    • 客户端进入一个循环：
      • 定时（例如每 500ms 或每 5 秒）向对方发送数据包（这可以是用户输入的消息，也可以是保活数据，如 “KEEP_ALIVE”），
      • 同时接收对方的回复，从而确认通信通道已建立。

  • 保活机制：

    • 为防止 NAT 映射因长时间无数据而超时关闭，每个客户端可启动独立的保活线程，定时向对方发送“保活包”，确保映射持续有效。

代码

server.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

// 定义服务器监听端口和缓冲区大小
#define SERVER_PORT 50001
#define BUF_SIZE 1024

// 全局变量：用于存储两个客户端的地址信息和当前注册的客户端数量
struct sockaddr_in clientAddrs[2];
int clientCount = 0;
// 互斥锁保护对 clientAddrs 和 clientCount 的访问
pthread_mutex_t clients_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

int main() {
    int sockfd;                // UDP 套接字描述符
    char buffer[BUF_SIZE];     // 用于接收数据的缓冲区
    struct sockaddr_in serverAddr, clientAddr;
    socklen_t addrLen = sizeof(clientAddr);

    // 1. 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        std::cerr << "Server: Socket creation error: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 设置并初始化服务器地址结构体
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sin_family = AF_INET;              // IPv4
    serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;        // 接受任意IP
    serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);       // 绑定到 SERVER_PORT

    // 3. 绑定套接字到指定地址和端口
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) < 0) {
        std::cerr << "Server: Bind error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    std::cout << "Server is running on port " << SERVER_PORT << ". Waiting for clients..." << std::endl;

    // 4. 进入无限循环，不断接收客户端消息
    while (true) {
        // 清空缓冲区，准备接收新的数据
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
        // 使用 recvfrom 接收客户端数据，同时获取发送者地址
        int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, &addrLen);
        if (n < 0) {
            std::cerr << "Server: recvfrom error: " << strerror(errno) << std::endl;
            continue;
        }
        buffer[n] = '\0';  // 确保数据以字符串形式结束
        std::cout << "Received from client: " << buffer << " from "
            << inet_ntoa(clientAddr.sin_addr) << ":" << ntohs(clientAddr.sin_port) << std::endl;

        // 加锁后处理客户端注册数据
        pthread_mutex_lock(&clients_mutex);
        // 当收到 "HELLO" 消息且当前注册客户端数不足 2 时，保存客户端地址信息
        if (strcmp(buffer, "HELLO") == 0 && clientCount < 2) {
            clientAddrs[clientCount] = clientAddr;
            clientCount++;

            // 回复 ACK 给注册的客户端，确认收到消息
            const char* ack = "ACK";
            sendto(sockfd, ack, strlen(ack), 0, (struct sockaddr*)&clientAddr, addrLen);
        }
        // 如果两个客户端都已注册，交换它们的公网映射地址信息
        if (clientCount == 2) {
            char msg[BUF_SIZE] = { 0 };
            // 构造发送给客户端1的消息：包含客户端2的公网IP和映射端口，格式为 "PEER <ip> <port>"
            snprintf(msg, BUF_SIZE, "PEER %s %d",
                inet_ntoa(clientAddrs[1].sin_addr),
                ntohs(clientAddrs[1].sin_port));
            sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0,
                (struct sockaddr*)&clientAddrs[0], sizeof(clientAddrs[0]));
            std::cout << "Sent to client1: " << msg << std::endl;

            // 构造发送给客户端2的消息：包含客户端1的公网IP和映射端口
            snprintf(msg, BUF_SIZE, "PEER %s %d",
                inet_ntoa(clientAddrs[0].sin_addr),
                ntohs(clientAddrs[0].sin_port));
            sendto(sockfd, msg, strlen(msg), 0,
                (struct sockaddr*)&clientAddrs[1], sizeof(clientAddrs[1]));
            std::cout << "Sent to client2: " << msg << std::endl;

            // 为保持 NAT 映射有效，可选：服务器额外发送“ping”包给双方
            sendto(sockfd, "ping", 4, 0, (struct sockaddr*)&clientAddrs[0], sizeof(clientAddrs[0]));
            sendto(sockfd, "ping", 4, 0, (struct sockaddr*)&clientAddrs[1], sizeof(clientAddrs[1]));

            // 重置客户端计数，等待下一组客户端注册
            clientCount = 0;
        }
        pthread_mutex_unlock(&clients_mutex);
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

  1. 头文件包含与宏定义

    • 包含了网络编程、字符串操作、线程和错误处理所需的头文件。
    • 定义了服务器端口（50001）和缓冲区大小（1024字节）。

  2. 全局变量声明

    • clientAddrs[2] 用于存储两个客户端的地址。
    • clientCount 记录已注册的客户端数量。
    • 使用 clients_mutex 保护这些共享变量的并发访问。

  3. 主函数开始

    • 创建 UDP 套接字，并检查是否成功；若失败则打印错误信息并退出。
    • 初始化服务器地址结构体（IPv4、任意地址、端口转换为网络字节序）。
    • 绑定套接字到服务器地址。如果绑定失败则退出。

  4. 打印服务器启动信息

    • 输出服务器已启动并监听的提示信息。

  5. 进入无限循环，接收客户端消息

    • 每次循环开始前清空缓冲区。
    • 调用 recvfrom() 接收客户端数据，并填充客户端地址（即 NAT 映射的公网地址）。
    • 打印接收到的消息和客户端地址（转换为点分十进制 IP 与主机字节序的端口）。

  6. 客户端注册处理（加锁区域）

    • 当接收到 “HELLO” 消息且 clientCount < 2 时，将当前客户端地址保存到 clientAddrs 数组中，同时发送 “ACK” 消息确认注册。
    • 这一步确保服务器能记录每个客户端 NAT 映射后的公网地址。

  7. 地址互换与探测（当两个客户端均已注册时）

    • 如果 clientCount == 2，服务器构造两个字符串：
      • 分别包含对方的公网 IP 和映射后的端口，格式为 "PEER <ip> <port>"。
    • 分别将该信息发送给两个客户端，完成地址信息的互换。
    • 额外发送“ping”数据包给双方，以确保双方 NAT 映射不会因长时间无数据而关闭。
    • 最后重置 clientCount，等待下一组客户端注册。

  8. 退出与关闭套接字

    • 循环结束后关闭套接字并返回。

client.cpp(双方一致)

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <net/if.h>  // 用于 IFNAMSIZ 和 if_nametoindex

#define SERVER_PORT 50001        // 服务器端口号
#define BUF_SIZE 1024            // 缓冲区大小
#define KEEP_ALIVE_INTERVAL 25   // 保活包发送间隔（秒）

// 全局变量：保存对等端（peer）的地址信息
struct sockaddr_in peerAddr;
// 全局的 UDP 套接字描述符（用于所有操作）
int sockfd;
// 定义互斥锁，用于保护共享的套接字操作，避免多线程竞争
pthread_mutex_t sock_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

// 保活线程函数：定时向对方发送 "KEEP_ALIVE" 消息，保持 NAT 映射
void* keep_alive(void* arg) {
    const char* keepAliveMsg = "KEEP_ALIVE";
    while (true) {
        pthread_mutex_lock(&sock_mutex);
        // 使用 sendto() 发送保活包到对方地址
        sendto(sockfd, keepAliveMsg, strlen(keepAliveMsg), 0,
            (struct sockaddr*)&peerAddr, sizeof(peerAddr));
        pthread_mutex_unlock(&sock_mutex);
        std::cout << "[KeepAlive] Sent keep alive to peer." << std::endl;
        sleep(KEEP_ALIVE_INTERVAL);
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    // 命令行参数：需要传入服务器 IP 和本地绑定的网络接口（例如 "eth0"）
    if (argc < 3) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <server_ip> <bind_interface>" << std::endl;
        std::cerr << "Example: " << argv[0] << " 203.0.113.5 eth0" << std::endl;
        return -1;
    }
    const char* serverIP = argv[1];
    const char* bindInterface = argv[2]; // 指定绑定的网络接口

    // 1. 创建 UDP 套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        std::cerr << "Client: Socket creation error: " << strerror(errno) << std::endl;
        return -1;
    }

    // 2. 绑定套接字到指定网络接口
    // 这一步可以确保数据包通过指定的接口发送，防止“Network is unreachable”错误
    if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BINDTODEVICE, bindInterface, strlen(bindInterface)) < 0) {
        std::cerr << "Client: SO_BINDTODEVICE error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 3. 绑定本地地址，让系统自动分配端口（无需固定端口）
    struct sockaddr_in localAddr;
    memset(&localAddr, 0, sizeof(localAddr));
    localAddr.sin_family = AF_INET;
    localAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    localAddr.sin_port = htons(0);  // 0 表示由系统自动分配
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr*)&localAddr, sizeof(localAddr)) < 0) {
        std::cerr << "Client: Bind error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 4. 设置服务器地址结构
    struct sockaddr_in serverAddr;
    memset(&serverAddr, 0, sizeof(serverAddr));
    serverAddr.sin_family = AF_INET;
    // 将服务器 IP 转换为网络地址格式
    if (inet_pton(AF_INET, serverIP, &serverAddr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Client: Invalid server IP." << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    serverAddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    socklen_t serverLen = sizeof(serverAddr);

    // 5. 向服务器发送注册消息 "HELLO"
    const char* helloMsg = "HELLO";
    if (sendto(sockfd, helloMsg, strlen(helloMsg), 0,
        (struct sockaddr*)&serverAddr, serverLen) < 0) {
        std::cerr << "Client: sendto error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    std::cout << "Sent HELLO to server." << std::endl;

    // 6. 接收来自服务器的回复
    char buffer[BUF_SIZE] = { 0 };
    struct sockaddr_in fromAddr;
    socklen_t fromLen = sizeof(fromAddr);
    int n = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&fromAddr, &fromLen);
    if (n < 0) {
        std::cerr << "Client: recvfrom error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }
    buffer[n] = '\0';
    std::cout << "Received from server: " << buffer << std::endl;

    // 7. 如果收到的是 ACK，则继续等待服务器发来的 PEER 信息
    if (strncmp(buffer, "ACK", 3) == 0) {
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
        n = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, (struct sockaddr*)&fromAddr, &fromLen);
        if (n < 0) {
            std::cerr << "Client: recvfrom error: " << strerror(errno) << std::endl;
            close(sockfd);
            return -1;
        }
        buffer[n] = '\0';
        std::cout << "Received from server: " << buffer << std::endl;
    }

    // 8. 解析服务器返回的 PEER 信息，格式为 "PEER <peer_ip> <peer_port>"
    char peerIP[INET_ADDRSTRLEN];
    int peerPort;
    if (sscanf(buffer, "PEER %s %d", peerIP, &peerPort) == 2) {
        memset(&peerAddr, 0, sizeof(peerAddr));
        peerAddr.sin_family = AF_INET;
        if (inet_pton(AF_INET, peerIP, &peerAddr.sin_addr) <= 0) {
            std::cerr << "Client: Invalid peer IP." << std::endl;
            close(sockfd);
            return -1;
        }
        peerAddr.sin_port = htons(peerPort);
        std::cout << "Peer address: " << peerIP << ":" << peerPort << std::endl;
    }
    else {
        std::cerr << "Client: Failed to parse peer info." << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 9. 在收到 PEER 信息后，客户端可以立即向对方发送“敲门”包，以触发 NAT 映射
    const char* knockMsg = "knock";
    sendto(sockfd, knockMsg, strlen(knockMsg), 0,
        (struct sockaddr*)&peerAddr, sizeof(peerAddr));
    std::cout << "Sent knock to peer." << std::endl;

    // 10. 启动保活线程，定时向对方发送 "KEEP_ALIVE" 包，保持 NAT 映射
    pthread_t kaThread;
    if (pthread_create(&kaThread, NULL, keep_alive, NULL) != 0) {
        std::cerr << "Client: pthread_create error: " << strerror(errno) << std::endl;
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 11. P2P 交互：从标准输入读取消息，向对方发送，并接收对方回复
    while (true) {
        std::cout << "Enter message to send to peer: ";
        std::string input;
        std::getline(std::cin, input);
        if (input.empty()) continue;

        // 加锁确保发送数据时套接字操作不会与保活线程冲突
        pthread_mutex_lock(&sock_mutex);
        sendto(sockfd, input.c_str(), input.length(), 0,
            (struct sockaddr*)&peerAddr, sizeof(peerAddr));
        pthread_mutex_unlock(&sock_mutex);

        // 设置接收超时，等待对方回复
        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
        struct timeval tv;
        tv.tv_sec = 5;
        tv.tv_usec = 0;
        setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (const char*)&tv, sizeof(tv));
        n = recvfrom(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0, NULL, NULL);
        if (n > 0) {
            buffer[n] = '\0';
            std::cout << "Received from peer: " << buffer << std::endl;
        }
    }

    close(sockfd);
    return 0;
}

  1. 头文件包含与宏定义

    • 包含了进行网络编程、线程同步、字符串处理、错误处理等所需的头文件。
    • 定义服务器端口号、缓冲区大小和保活包的发送间隔。

  2. 全局变量

    • peerAddr：用于保存对方客户端的公网映射地址。
    • sockfd：全局 UDP 套接字，用于所有数据传输。
    • sock_mutex：互斥锁，确保多线程（保活线程与主线程）对同一套接字的操作不会冲突。

  3. keep_alive() 保活线程

    • 循环内使用互斥锁保护对 sockfd 的 sendto 操作，向 peerAddr 发送 “KEEP_ALIVE” 消息，间隔 25 秒一次，帮助保持 NAT 映射。

  4. main() 函数开始

    • 检查命令行参数，要求传入服务器 IP 和本地绑定的网络接口（例如 “eth0”）。

  5. 创建 UDP 套接字

    • 使用 socket() 创建一个 UDP 套接字，并检查是否成功。

  6. 绑定网络接口

    • 通过 setsockopt() 使用 SO_BINDTODEVICE 将套接字绑定到指定网络接口，确保数据包走正确的网络。

  7. 绑定本地地址

    • 绑定本地地址，让系统自动分配端口（使用端口 0）。

  8. 设置服务器地址

    • 构造服务器地址结构体，转换服务器 IP 字符串为网络格式，并设置服务器端口。

  9. 向服务器发送注册消息 “HELLO”

    • 使用 sendto() 发送 “HELLO” 消息给服务器，通知服务器本客户端注册。

  10. 接收服务器回复

    • 调用 recvfrom() 接收服务器的回应。
    • 第一次可能收到 ACK，如果收到 ACK，则继续等待服务器发送包含对方地址的 PEER 信息。

  11. 解析 PEER 信息

    • 使用 sscanf() 解析服务器返回的字符串，提取出对方的公网 IP 和映射端口，并存入 peerAddr 结构体中。

  12. 主动向对方发送“敲门”包

    • 收到对方地址后，立即使用 sendto() 向该地址发送 “knock” 包，以触发 NAT 映射的建立。

  13. 启动保活线程

    • 创建一个新线程运行 keep_alive()，定时向对方发送保活包，防止 NAT 映射超时关闭。

  14. 进入 P2P 交互循环

    • 循环中提示用户输入消息，然后加锁通过 sendto() 发送给对方。
    • 设置接收超时，使用 recvfrom() 尝试接收对方的回复，并打印收到的数据。

  15. 关闭套接字并结束程序

    • 循环退出后关闭套接字。

http://www.kler.cn/a/571415.html

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