区块链从P2P通信开始(区块链从p2p开始 一)——Zfund量化套利

当今互联网到处存在着一些中间件(MIddleBoxe-s),如NAT和防火墙,导致两个(不在同一内网)中的客户端无法直接通信,这个问题在开发区块链钱包或移动钱包时极为明显。

本专题将会花几篇文章详细阐述如何解决这一类问题。

这类问题即便是到了IPV6时代也会存在,因为即使不需要NAT,但还有其他中间件如防火墙阻挡了链接的建立。 目前部署的中间件多都是在C/S架构上设计的,其中相对隐匿的客户机主动向周知的服务端(拥有静态IP地址和DNS名称)发起链接请求。 大多数中间件实现了一种非对称的通讯模型,即内网中的主机可以初始化对外的链接,而外网的主机却不能初始化对内网的链接, 除非经过中间件管理员特殊配置(如端口映射或PNP)。

在中间件为常见的NAPT的情况下(也是本文主要讨论的),内网中的客户端没有单独的公网IP地址, 而是通过NAPT转换,和其他同一内网用户共享一个公网IP。这种内网主机隐藏在中间件后的不可访问性对于一些客户端软件如浏览器来说 并不是一个问题,因为其只需要初始化对外的链接,从某方面来看反而还对隐私保护有好处。然而在P2P应用中, 内网主机(客户端)需要对另外的终端(Peer)直接建立链接,但是发起者和响应者可能在不同的中间件后面, 两者都没有公网IP地址。而外部对NAT公网IP和端口主动的链接或数据都会因内网未请求被丢弃掉。本文讨论的就是如何跨越NAT实现内网主机直接通讯的问题。

01

术语

防火墙(Firewall): 防火墙主要限制内网和公网的通讯,通常丢弃未经许可的数据包。防火墙会检测(但是不修改)试图进入内网数据包的IP地址和TCP/UDP端口信息。

网络地址转换器(NAT): NAT不止检查进入数据包的头部,而且对其进行修改,从而实现同一内网中不同主机共用更少的公网IP(通常是一个)。

基本NAT(Basic NAT): 基本NAT会将内网主机的IP地址映射为一个公网IP,不改变其TCP/UDP端口号。基本NAT通常只有在当NAT有公网IP池的时候才有用。

网络地址-端口转换器(NAPT): 到目前为止最常见的即为NAPT,其检测并修改出入数据包的IP地址和端口号,从而允许多个内网主机同时共享一个公网IP地址。

锥形NAT(Cone NAT): 在建立了一对(公网IP,公网端口)和(内网IP,内网端口)二元组的绑定之后,Cone NAT会重用这组绑定用于接下来该应用程序的所有会话(同一内网IP和端口),只要还有一个会话还是激活的。 例如,假设客户端A建立了两个连续的对外会话,从相同的内部端点

(10.0.0.1:1234)

到两个不同的外部服务端S1和S2。Co-ne NAT只为两个会话映射了一个公网端点 (155.99.25.11:6 2000)

确保客户端端口的“身份”在地址转换的时候保持不变。由于基本NAT和防火墙都不改变数据包的端口号,因此这些类型的中间件也可以看作是退化的Cone NAT。

区块链从P2P通信开始(区块链从p2p开始 一)——Zfund量化套利

其中Cone NAT根据NAT如何接收已经建立的(公网IP,公网端口)对的输入数据还可以细分为以下三类:

全锥形NAT(Full Cone NAT) 在一个新会话建立了公网/内网端口绑定之后,全锥形NAT接下来会接受对应公网端口的所有数据,无论是来自哪个(公网)终端。 全锥NAT有时候也被称为“混杂”NAT(promiscuous NAT)。

受限锥形NAT(Restricted Cone NAT) 受限锥形NAT只会转发符合某个条件的输入数据包。条件为:外部(源)IP地址匹配内网主机之前发送一个或多个数据包的结点的IP地址。 AT通过限制输入数据包为一组“已知的”外部IP地址,有效地精简了防火墙的规则。

端口受限锥形NAT(Port-Restricted Cone NAT) 端口受限锥形NAT也类似,只当外部数据包的IP地址和端口号都匹配内网主机发送过的地址和端口号时才进行转发。 端口受限锥形NAT为内部结点提供了和对称NAT相同等级的保护,以隔离未关联的数据。

对称NAT(Symmetric NAT): 对称NAT正好相反,不在所有公网-内网对的会话中维持一个固定的端口绑定。其为每个新的会话开辟一个新的端口。

区块链从P2P通信开始(区块链从p2p开始 一)——Zfund量化套利

02

P2P通信

根据客户端的不同,客户端之间进行P2P传输的方法也略有不同,这里介绍了现有的穿越中间件进行P2P通信的几种技术。

中继(Relaying)

这是最可靠但也是最低效的一种P2P通信实现。其原理是通过一个有公网IP的服务器中间人对两个内网客户端的通信数据进行中继和转发。如下图所示:

区块链从P2P通信开始(区块链从p2p开始 一)——Zfund量化套利

客户端A和客户端B不直接通信,而是先都与服务端S建立链接,然后再通过S和对方建立的通路来中继传递的数据。这钟方法的缺陷很明显, 当链接的客户端变多之后,会显著增加服务器的负担,完全没体现出P2P的优势。但这种方法的好处是能保证成功,因此在实践中也常作为一种备选方案。

逆向链接(Connection reversal)

第二种方法在当两个端点中有一个不存在中间件的时候有效。例如,客户端A在NAT之后而客户端B拥有全局IP地址,如下图:

区块链从P2P通信开始(区块链从p2p开始 一)——Zfund量化套利

客户端A内网地址为10.0.0.1,且应用程序正在使用TCP端口1234。A和服务器S建立了一个链接,服务器的IP地址为18.181.0.31,监听1235端口。NAT A给客户端A分配了TCP端口62000,地址为NAT的公网IP地址155.99.25.11, 作为客户端A对外当前会话的临时IP和端口。因此S认为客户端A就是155.99.25.11:6200 0。而B由于有公网地址,所以对S来说B就是138.76.29.7:1234。当客户端B想要发起一个对客户端A的P2P链接时,要么链接A的外网地址155.99.25.11:62000,要么链接A的内网地址10.0.0.1:1234,然而两种方式链接都会失败。 链接10.0.0.1:123 4失败自不用说,为什么链接155.99.25.1 1:62000也会失败呢?来自B的TCP SYN握手请求到达NAT A的时候会被拒绝,因为对NAT A来说只有外出的链接才是允许的。 在直接链接A失败之后,B可以通过S向A中继一个链接请求,从而从A方向“逆向“地建立起A-B之间的点对点链接。

很多当前的P2P系统都实现了这种技术,但其局限性也是很明显的,只有当其中一方有公网IP时链接才能建立。越来越多的情况下, 通信的双方都在NAT之后,因此就要用到我们下面介绍的第三种技术了。

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