用TCP穿透NAT（TCP打洞）的实现

1. TCP穿透原理：

    我们假设在两个不同的局域网后面分别有2台客户机A和 B，AB所在的局域网都分别通过一个路由器接入互联网。互联网上有一台服务器S。 
    现在AB是无法直接和对方发送信息的，AB都不知道对方在互联网上真正的IP和端口， AB所在的局域网的路由器只允许内部向外主动发送的信息通过。对于B直接发送给A的路由器的消息，路由会认为其“不被信任”而直接丢弃。 
    要实现 AB直接的通讯，就必须进行以下3步：A首先连接互联网上的服务器S并发送一条消息（对于UDP这种无连接的协议其实直接初始会话发送消息即可），这样S就获取了A在互联网上的实际终端（发送消息的IP和端口号）。接着 B也进行同样的步骤，S就知道了AB在互联网上的终端（这就是“打洞”）。接着S分别告诉A和B对方客户端在互联网上的实际终端，也即S告诉A客户B的会话终端，S告诉B客户A的会话终端。这样，在AB都知道了对方的实际终端之后，就可以直接通过实际终端发送消息了（因为先前双方都向外发送过消息，路由上已经有允许数据进出的消息通道）。

2. 程序思路：

1：启动服务器，监听端口8877
2：第一次启动客户端（称为client1），连上服务器，服务器将返回字符串first，标识这个是client1，同时，服务器将记录下这个客户端的（经过转换之后的）IP和端口。
3：第二次启动客户端（称为client2），连上服务器，服务器将向其返回自身的发送端口（称为port2)，以及client1的（经过转换之后的）IP和端口。
4：然后服务器再发client1返回client2（经过转换之后的）IP和端口，然后断开与这两个客户端的连接（此时，服务器的工作已经全部完成了）
5：client2尝试连接client1，这次肯定会失败，但它会在路由器上留下记录，以帮忙client1成功穿透，连接上自己，然后设置port2端口为可重用端口，并监听端口port2。
6：client1尝试去连接client2，前几次可能会失败，因为穿透还没成功，如果连接10次都失败，就证明穿透失败了（可能是硬件不支持）,如果成功，则每秒向client2发送一次hello, world
7：如果client1不断出现send message: Hello, world，client2不断出现recv message: Hello, world，则证明实验成功了，否则就是失败了。

3. 声明

1：这个程序只是一个DEMO，所以肯定有很多不完善的地方，请大家多多见谅。
2：在很多网络中，这个程序并不能打洞成功，可能是硬件的问题（毕竟不是每种路由器都支持穿透），也可能是我程序的问题，如果大家有意见或建议，欢迎留言或给我发邮件（邮箱是：[e-mail]）

4. 上代码：

服务器端：

/*
文件：server.c
PS：第一个连接上服务器的客户端，称为client1，第二个连接上服务器的客户端称为client2
这个服务器的功能是：
1：对于client1，它返回"first"，并在client2连接上之后，将client2经过转换后的IP和port发给client1；
2：对于client2，它返回client1经过转换后的IP和port和自身的port，并在随后断开与他们的连接。
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAXLINE 128
#define SERV_PORT 8877

//发生了致命错误，退出程序
void error_quit(const char *str)    
{    
	fprintf(stderr, "%s", str);  
	//如果设置了错误号，就输入出错原因
	if( errno != 0 )
		fprintf(stderr, " : %s", strerror(errno));
	printf("\n");
	exit(1);    
}   

int main(void)      
{          
	int i, res, cur_port; 
	int connfd, firstfd, listenfd;   
	int count = 0;
	char str_ip[MAXLINE];	 //缓存IP地址
	char cur_inf[MAXLINE];	 //当前的连接信息[IP+port]
	char first_inf[MAXLINE];	//第一个链接的信息[IP+port]
	char buffer[MAXLINE];	 //临时发送缓冲区
	socklen_t clilen;      
	struct sockaddr_in cliaddr;      
	struct sockaddr_in servaddr;

	//创建用于监听TCP协议套接字        
	listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);      
	memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));      
	servaddr.sin_family = AF_INET;      
	servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      
	servaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);      

	//把socket和socket地址结构联系起来       
	res = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));    
	if( -1 == res )
		error_quit("bind error");

	//开始监听端口       
	res = listen(listenfd, INADDR_ANY);    
	if( -1 == res )
		error_quit("listen error");

	while( 1 )
	{
		//接收来自客户端的连接
		connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&cliaddr, &clilen);  
		if( -1 == connfd )
			error_quit("accept error");
		inet_ntop(AF_INET, (void*)&cliaddr.sin_addr, str_ip, sizeof(str_ip));

		count++;
		//对于第一个链接，将其的IP+port存储到first_inf中，
		//并和它建立长链接，然后向它发送字符串'first'，
		if( count == 1 )
		{
			firstfd = connfd;
			cur_port = ntohs(cliaddr.sin_port);
			snprintf(first_inf, MAXLINE, "%s %d", str_ip, cur_port);   
			strcpy(cur_inf, "first\n");
			write(connfd, cur_inf, strlen(cur_inf)+1);
		}
		//对于第二个链接，将其的IP+port发送给第一个链接，
		//将第一个链接的信息和他自身的port返回给它自己，
		//然后断开两个链接，并重置计数器
		else if( count == 2 )
		{
			cur_port = ntohs(cliaddr.sin_port);
			snprintf(cur_inf, MAXLINE, "%s %d\n", str_ip, cur_port);
			snprintf(buffer, MAXLINE, "%s %d\n", first_inf, cur_port);
			write(connfd, buffer, strlen(buffer)+1);
			write(firstfd, cur_inf, strlen(cur_inf)+1); 
			close(connfd);
			close(firstfd);
			count = 0;
		}
		//如果程序运行到这里，那肯定是出错了
		else
			error_quit("Bad required");
	}
	return 0;
}

 客户端：

/*
文件：client.c
PS：第一个连接上服务器的客户端，称为client1，第二个连接上服务器的客户端称为client2
这个程序的功能是：先连接上服务器，根据服务器的返回决定它是client1还是client2，
若是client1，它就从服务器上得到client2的IP和Port，连接上client2,
若是client2，它就从服务器上得到client1的IP和Port和自身经转换后的port，
在尝试连接了一下client1后（这个操作会失败），然后根据服务器返回的port进行监听。
这样以后，就能在两个客户端之间进行点对点通信了。
*/

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>

#define MAXLINE 128
#define SERV_PORT 8877

typedef struct
{
	char ip[32];
	int port;
}server;

//发生了致命错误，退出程序
void error_quit(const char *str)    
{    
	fprintf(stderr, "%s", str); 
	//如果设置了错误号，就输入出错原因
	if( errno != 0 )
		fprintf(stderr, " : %s", strerror(errno));
	printf("\n");
	exit(1);    
}   

int main(int argc, char **argv)     
{          
	int i, res, port;
	int connfd, sockfd, listenfd; 
	unsigned int value = 1;
	char buffer[MAXLINE];      
	socklen_t clilen;        
	struct sockaddr_in servaddr, sockaddr, connaddr;  
	server other;

	if( argc != 2 )
		error_quit("Using: ./client <IP Address>");

	//创建用于链接（主服务器）的套接字        
	sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
	memset(&sockaddr, 0, sizeof(sockaddr));      
	sockaddr.sin_family = AF_INET;      
	sockaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      
	sockaddr.sin_port = htons(SERV_PORT);      
	inet_pton(AF_INET, argv[1], &sockaddr.sin_addr);
	//设置端口可以被重用
	setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));

	//连接主服务器
	res = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&sockaddr, sizeof(sockaddr)); 
	if( res < 0 )
		error_quit("connect error");

	//从主服务器中读取出信息
	res = read(sockfd, buffer, MAXLINE);
	if( res < 0 )
		error_quit("read error");
	printf("Get: %s", buffer);

	//若服务器返回的是first，则证明是第一个客户端
	if( 'f' == buffer[0] )
	{
		//从服务器中读取第二个客户端的IP+port
		res = read(sockfd, buffer, MAXLINE);
		sscanf(buffer, "%s %d", other.ip, &other.port);
		printf("ff: %s %d\n", other.ip, other.port);

		//创建用于的套接字        
		connfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
		memset(&connaddr, 0, sizeof(connaddr));      
		connaddr.sin_family = AF_INET;      
		connaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      
		connaddr.sin_port = htons(other.port);    
		inet_pton(AF_INET, other.ip, &connaddr.sin_addr);

		//尝试去连接第二个客户端，前几次可能会失败，因为穿透还没成功，
		//如果连接10次都失败，就证明穿透失败了（可能是硬件不支持）
		while( 1 )
		{
			static int j = 1;
			res = connect(connfd, (struct sockaddr *)&connaddr, sizeof(connaddr)); 
			if( res == -1 )
			{
				if( j >= 10 )
					error_quit("can't connect to the other client\n");
				printf("connect error, try again. %d\n", j++);
				sleep(1);
			}
			else 
				break;
		}

		strcpy(buffer, "Hello, world\n");
		//连接成功后，每隔一秒钟向对方（客户端2）发送一句hello, world
		while( 1 )
		{
			res = write(connfd, buffer, strlen(buffer)+1);
			if( res <= 0 )
				error_quit("write error");
			printf("send message: %s", buffer);
			sleep(1);
		}
	}
	//第二个客户端的行为
	else
	{
		//从主服务器返回的信息中取出客户端1的IP+port和自己公网映射后的port
		sscanf(buffer, "%s %d %d", other.ip, &other.port, &port);

		//创建用于TCP协议的套接字        
		sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
		memset(&connaddr, 0, sizeof(connaddr));      
		connaddr.sin_family = AF_INET;      
		connaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      
		connaddr.sin_port = htons(other.port);      
		inet_pton(AF_INET, other.ip, &connaddr.sin_addr);
		//设置端口重用
		setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));

		//尝试连接客户端1，肯定会失败，但它会在路由器上留下记录，
		//以帮忙客户端1成功穿透，连接上自己 
		res = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&connaddr, sizeof(connaddr)); 
		if( res < 0 )
			printf("connect error\n");

		//创建用于监听的套接字        
		listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); 
		memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));      
		servaddr.sin_family = AF_INET;      
		servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);      
		servaddr.sin_port = htons(port);
		//设置端口重用
		setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &value, sizeof(value));

		//把socket和socket地址结构联系起来 
		res = bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr));    
		if( -1 == res )
			error_quit("bind error");

		//开始监听端口       
		res = listen(listenfd, INADDR_ANY);    
		if( -1 == res )
			error_quit("listen error");

		while( 1 )
		{
			//接收来自客户端1的连接
			connfd = accept(listenfd,(struct sockaddr *)&sockaddr, &clilen);  
			if( -1 == connfd )
				error_quit("accept error");

			while( 1 )
			{
				//循环读取来自于客户端1的信息
				res = read(connfd, buffer, MAXLINE);
				if( res <= 0 )
					error_quit("read error");
				printf("recv message: %s", buffer);
			}
			close(connfd);
		}
	}

	return 0;
}

 

5. 运行示例：

（第一个终端）
qch@qch ~/program/tcode $ gcc server.c -o server
qch@qch ~/program/tcode $ ./server &
[1] 4688
qch@qch ~/program/tcode $ gcc client.c -o client
qch@qch ~/program/tcode $ ./client localhost
Get: first
ff: 127.0.0.1 38052
send message: Hello, world
send message: Hello, world
send message: Hello, world
.................


第二个终端：
qch@qch ~/program/tcode $ ./client localhost
Get: 127.0.0.1 38073 38074
connect error
recv message: Hello, world
recv message: Hello, world
recv message: Hello, world
..................