P2P 技术及其应用

我们知道，常规的视频直播通常是通过 rtsp 或者 hls 协议直播的，这种直播的特点是所有的流量都需要从中心服务器发出，经过 CDN(Content Delivery Network)，下发到各个终端。

这种直播适合大量人群观看，但是服务器的带宽成本也很高。

为了节约成本，基于 P2P 技术的音视频直播应运而生，且已广泛应用于在线聊天(webRTC)，网络摄像机等领域。

那么什么是 P2P 技术呢？这种技术又如何应用于视频直播呢？

P2P 技术

对等式网络（peer-to-peer， 简称 P2P），又称点对点技术，是无中心服务器、依靠用户群（peers）交换信息的互联网体系，它的作用在于，减低以往网路传输中的节点，以降低资料遗失的风险。与有中心服务器的中央网络系统不同，对等网络的每个用户端既是一个节点，也有服务器的功能，任何一个节点无法直接找到其他节点，必须依靠其户群进行信息交流。

听上去和 Git 有着异曲同工之妙。

所以，只要知道了对方的 IP 地址，就能直接连接了吗？

在没有配置 NPTv6(Network Prefix Translation for IPv6) 的 IPv6 网络下，如果知道了对方的 IPv6 地址，是可以直接连接的，IPv6 地址通常是全球唯一的，因此每个设备可以直接在 Internet 上具有全局可达的 IPv6 地址。

但是，在 IPv4 网络环境下，无法直接连接，因为存在 NAT(Network Address Translation)。

NAT 及分类

NAT 技术是为了解决 IPv4 地址短缺问题而提出的。IPv4 地址是 32 位二进制数，可以表示的地址数量是 2 的 32 次方，也就是 4294967296 个。然而，其中一部分地址被保留用于特殊用途，比如私有地址、广播地址、多播地址等，因此实际可用的IPv4地址数量要比这个数字少一些。此外，IPv4 地址的分配也不是均匀的，有些地区和组织分配到的地址比其他地区和组织多，这也导致了 IPv4 地址的短缺问题。

NAT 技术通过将内部网络的私有 IP 地址转换为公共 IP 地址，使得多个内部主机可以共享一个公共 IP 地址访问互联网，从而解决了 IPv4 地址短缺的问题。此外，NAT 技术还可以提高网络安全性，因为它可以隐藏内部网络的 IP 地址，使得外部网络无法直接访问内部网络。

NAT 有三种类型:

• 静态 NAT，静态一对一的地址转换。需要手动配置映射关系，若网路拓扑改变，则需更新配置，管理与维护难度大。通常用于企业内部网络

• 动态 NAT（Pooled NAT），动态地址池转换。内部网络的私有 IP 地址转换时从一个地址池中选取公有 IP 地址，对应关系有租期限制 内网 IP 和外网 IP 也是一对一的映射关系，和静态 NAT 的区别就是映射关系会动态改变

• NAPT（Network Address Port Translation，端口地址转换）：是一种特殊的动态 NAT，它不仅将内部主机的IP地址映射到一个公共 IP 地址，还将内部主机的端口号映射到公共 IP 地址的不同端口号上，以实现多个内部主机共享一个公共 IP 地址访问外部网络。

家用路由器一般使用 NAPT，拥有复杂网络的大型公司内网则会使用 Static NAT 和 Dynamic NAT，本文讨论的 NAT 是第三种 NAT。

锥型和对称型 NAT

第三种 NAPT 又可以分为锥型和对称型 NAT (Symmetric NAT)。锥型 NAT 又可以细分为 Full Cone NAT, Address Restricted Cone NAT, Port Restricted Cone NAT，每一种 NAT 对于外部请求的响应方式有所不同。

• Full Cone NAT，完全锥型

一旦内部地址（iAddr:iPort）映射到外部地址（eAddr:ePort），所有发自 iAddr:iPort 的数据包都经由 eAddr:ePort 向外发送。任意外部主机都可以通过发送数据包给 eAddr:ePort 给 NAT设备内部的 iAddr:iPort 主机。

• Address Restricted Cone NAT，地址受限型

在完全锥型 NAT 的基础上限制了 IP 地址。只有和内部地址有过通信的外部地址，才能发送消息

• Port Restricted Cone NAT，端口受限型

在地址受限型 NAT 的基础上限制了端口，特定外部地址的特定端口，才能发送消息

• Symmetric NAT，对称型

可以用如下代码在 Chrome 浏览器里检测当前网络的 NAPT 的类型：

// parseCandidate from https://github.com/fippo/sdp
function parseCandidate(line) {
  var parts;
  // Parse both variants.
  if (line.indexOf('a=candidate:') === 0) {
    parts = line.substring(12).split(' ');
  } else {
    parts = line.substring(10).split(' ');
  }

  var candidate = {
    foundation: parts[0],
    component: parts[1],
    protocol: parts[2].toLowerCase(),
    priority: parseInt(parts[3], 10),
    ip: parts[4],
    port: parseInt(parts[5], 10),
    // skip parts[6] == 'typ'
    type: parts[7]
  };

  for (var i = 8; i < parts.length; i += 2) {
    switch (parts[i]) {
      case 'raddr':
        candidate.relatedAddress = parts[i + 1];
        break;
      case 'rport':
        candidate.relatedPort = parseInt(parts[i + 1], 10);
        break;
      case 'tcptype':
        candidate.tcpType = parts[i + 1];
        break;
      default: // Unknown extensions are silently ignored.
        break;
    }
  }
  return candidate;
};

var candidates = {};
var pc = new RTCPeerConnection({iceServers: [
    {urls: 'stun:stun1.l.google.com:19302'},
    {urls: 'stun:stun2.l.google.com:19302'}
]});
pc.createDataChannel("foo");
pc.onicecandidate = function(e) {
  if (e.candidate && e.candidate.candidate.indexOf('srflx') !== -1) {
    var cand = parseCandidate(e.candidate.candidate);
    if (!candidates[cand.relatedPort]) candidates[cand.relatedPort] = [];
    candidates[cand.relatedPort].push(cand.port);
  } else if (!e.candidate) {
    if (Object.keys(candidates).length === 1) {
      var ports = candidates[Object.keys(candidates)[0]];
      console.log(ports.length === 1 ? 'normal nat' : 'symmetric nat');
    }
  }
};
pc.createOffer()
.then(offer => pc.setLocalDescription(offer))

IP 数据包通过 NAT 设备（如路由器）时，NAT 会重写来源 IP 地址和目的地 IP 地址，从而实现同一内网中不同主机共用公网 IP 地址的功能。

NAT示意图

如上图所示，192.168.100.3 的主机向 209.131.36.158 的 80 端口发送 HTTP 请求，经过 NAT 时，NAT 根据其保存的映射表，找到该主机对应的外网 IP 地址和端口，即 145.12.131.7:6282，然后替换 IP 数据包的 Source 字段为该地址，并发送给 www.yahoo.com。雅虎服务器发送 response 的时候，Dest 即为 145.12.131.7:6282，然后 NAT 转发给 192.168.100.3 的 3855 端口。

但是，如果某个外网主机想主动访问 192.168.100.3，显然不能到达内网的 192.168.100.3 主机，即使该主机知道了我们的公网 IP，它在主动建立连接时，NAT 发现并没有该地址和局域网内地址的映射，该数据包就会被 NAT 设备丢弃。

NAT 技术使用非常广泛，但也存在一些缺点:

1. NAT 设备需要对收发的数据包重新编辑修改（IP 地址转换，重新计算校验），此操作会降低网络数据的传输速度
2. NAT 设备端口老化问题，会导致连接中的设备异常断开，因为 NAT 设备需要维护端口映射表，而硬件资源有限，所以有些 NAT 设备会定时断开部分连接
3. 部分网络协议无法通过 NAT 设备，让两台设备直接连接变得困难，因此，才出现了 NAT 打洞技术

NAT 打洞

NAT 打洞是一种技术，用于在两个位于不同私有网络中的设备之间建立直接通信。NAT 打洞通常使用 UDP 协议，所以也称为 UDP 打洞。 下面是 UDP 打洞的基本流程：

1. 设备 A 和设备 B 都位于不同的私有网络中，它们都无法直接通信。
2. 设备 A 向设备 B 发送一个 UDP 数据包，这个数据包包含了设备 A 的 IP 地址和端口号。
3. 设备 B 收到这个数据包后，会记录下设备 A 的 IP 地址和端口号，并向设备A发送一个 UDP 数据包，这个数据包包含了设备 B 的 IP 地址和端口号。
4. 设备 A 收到这个数据包后，会记录下设备 B 的 IP 地址和端口号。
5. 现在，设备 A 和设备 B 都知道了对方的 IP 地址和端口号，它们可以直接通过这些信息进行 UDP 通信了。

                            Server S
                        18.181.0.31:5678
                               |
                               |
        +----------------------+----------------------+
        |                                             |
      NAT A                                         NAT B
155.99.25.11:62000                            138.76.29.7:31000
        |                                             |
        |                                             |
     Client A                                      Client B
192.168.0.100:1234                              10.1.1.3:1234

那么问题来了，设备 A 向设备 B 发送一个 UDP 数据包，那么设备 A 如何知道设备 B 的 IP 地址和端口号呢？这就需要中介服务器了。 这个中介服务器可以是一个公网服务器或者是一个 STUN 服务器。

STUN

STUN（Session Traversal Utilities for NAT）是一种用于穿越网络地址转换（NAT）的协议，它通常用于 P2P 通信中的打洞操作。P2P 打洞旨在允许两个设备在 NAT 后进行直接通信，而不需要通过中间服务器。

Google 提供的 STUN 服务器，可以使用 webRTC 的 demo 测试下。

NAT 有不同的类型，不是所有 NAT 都支持 NAT 打洞，如前面提到的 Symmetric NAT 则无法打洞。UDP 打洞的成功率约为 60%，当打洞失败时，则使用基于 TURN 服务器的中继模式。

TURN

Traversal Using Relays around NAT (TURN)旨在通过打开与 TURN 服务器的连接并通过该服务器中继所有信息来绕过对称 NAT 限制。您将创建与 TURN 服务器的连接，并告诉所有对等方将数据包发送到服务器，然后将其转发给您。这显然会带来一些开销，因此只有在没有其他选择的情况下才使用它。

经过 TURN 服务器中转的模式，通常称为 relay。

参考资料

• https://en.wikipedia.org/wiki/Network_address_translation
• https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/API/WebRTC_API/Protocols
• https://juejin.cn/post/6844904098572009485
• https://webrtchacks.com/symmetric-nat/
• https://www.volcengine.com/docs/6489/72015