去中心化技术P2P框架

中心化网络与去中心化网络

1. 中心化网络

在传统的中心化网络中，所有客户端都通过一个中心服务器进行通信。这种网络拓扑结构通常是一个星型结构，其中服务器作为中心节点，每个客户端只能与服务器通信。如果客户端之间需要通信，必须通过服务器进行路由处理。这种网络结构中，服务器和客户端扮演着不同的角色，服务器为所有客户端提供服务。这种通信网络被称为中心化网络。

特点：

中心服务器：所有客户端都连接到一个中心服务器。
通信方式：客户端之间的通信必须通过服务器中转。
角色区分：服务器和客户端有明确的角色区分，服务器提供服务，客户端请求服务。

2. 去中心化网络

去中心化网络是一种没有中心服务器的网络结构。在这种网络中，每个客户端都是平等的，没有客户端与服务器之分。客户端之间可以直接通信，互相提供服务，同时也使用其他客户端提供的服务。在这种情况下，客户端被称为节点。去中心化网络不仅解除了中心化服务器绝对控制的风险，还提高了网络传输效率，去除了中心化服务器数据路由的压力。

特点：

无中心服务器：没有中心服务器，所有节点都是平等的。
直接通信：节点之间可以直接通信，无需通过中心服务器中转。
角色平等：所有节点既是服务提供者，也是服务使用者。

去中心化网络的原理

1. P2P 通信

P2P（Peer-to-Peer）通信是去中心化网络的核心。在这种通信方式中，终端设备（节点）之间可以直接通信，无需通过中心服务器。每个节点既是客户端也是服务器，可以同时提供和接收服务。

特点：

直接连接：节点之间直接建立连接，无需通过中心服务器。
对等关系：所有节点在功能上是平等的，没有主从之分。
高扩展性：网络可以轻松扩展，新节点可以随时加入。

2. 节点发现

在去中心化网络中，节点需要能够发现其他节点并建立连接。这通常通过以下几种方式实现：

广播：节点通过广播消息来发现其他节点。
多播：节点通过多播组来发现其他节点。
中心服务器：虽然去中心化网络没有中心服务器，但在某些情况下，可以使用一个临时的中心服务器来帮助节点发现其他节点。

3. 数据存储和检索

在去中心化网络中，数据通常存储在多个节点上，而不是集中存储在一个服务器上。数据的存储和检索通常通过以下方式实现：

分布式哈希表（DHT）：使用 DHT 来存储和检索数据。DHT 是一种分布式数据结构，可以高效地存储和检索键值对。
文件共享：节点之间可以直接共享文件，无需通过中心服务器。

4. 网络穿透

网络穿透是实现终端与终端直接通信的一种技术方案。在去中心化网络中，网络穿透通常通过以下技术实现：

NAT 穿透：通过 NAT 穿透技术，如 STUN、TURN 和 ICE，解决 NAT 设备对直接通信的限制。
中继服务器：在某些情况下，可以使用中继服务器来中转数据，确保通信的可靠性。

简单理解如下图：

总结一把：

1.节点发现通常用udp 因为要广播发送，简单易实现。

2.数据存储和检索，并非集中存储，节点之间可以共享文件。

3.nat穿透，主要解决方案 STUN、TURN 和 ICE，解决 NAT 设备对直接通信的限制。以及中继服务器，交互。

NAT 的实现

为什么要进行nat?

解决ipv4不够使用的问题，通过ip+port端口映射关系，可以满足公网识别进程的位置。

NAT的三种实现方案对比

类型	核心原理	IP映射关系	端口处理	适用场景	优缺点
静态NAT	一对一固定映射	私有IP ↔ 固定公网IP	不修改端口	服务器对外暴露（如Web服务器）	✅ 稳定可预测 ❌ 浪费公网IP ❌ 无地址复用
动态NAT	从公网IP池动态分配	私有IP ↔ 临时公网IP	不修改端口	企业内网少量设备临时访问公网	✅ 节省少量IP ❌ 并发数受IP池大小限制 ❌ 无法复用已分配IP
端口地址映射(PAT)	多对一IP映射 + 端口重写	多私有IP ↔ 单一公网IP	修改源端口	家庭/企业多设备共享单公网IP	✅ 极致节省IP（单IP支持数万连接） ✅ 隐藏内网拓扑 ❌ 端口映射表维护复杂

主要流行：端口地址映射(PAT/NAT Overload)

核心创新 在IP映射基础上引入端口重写，实现多设备共享单一公网IP。例如：
- 内网设备A（192.168.1.2:5000） → 映射为203.0.113.1:15000
- 内网设备B（192.168.1.3:6000） → 映射为203.0.113.1:16000
技术实现 NAT设备维护一张端口映射表，记录五元组（源IP、源端口、目标IP、目标端口、协议），确保响应数据包能正确回传。
优势扩展
- 安全性：外部无法直接看到内网IP和端口，天然具备防火墙特性。
- 高并发：单个公网IP理论上支持约65,000个端口（TCP/UDP）。

NAT 种类

NAT功能分类对比表

类型	映射规则	过滤规则	P2P兼容性	典型应用场景
完全锥型NAT	内网地址（iAddr:iPort ）固定映射为公网地址（pAddr:pPort ），所有外部请求均可通过该端口访问内网	无过滤：任何外部IP和端口均可通过pAddr:pPort 访问内网	✅ 高	企业对外服务（需主动暴露端口）
IP限制锥型NAT	同完全锥型，映射关系固定（pAddr:pPort ↔ iAddr:iPort ）	IP过滤：仅允许内网主机主动通信过的外部IP访问pAddr:pPort （不限制端口）	✅ 中	家庭宽带（运营商基础NAT）
端口限制锥型NAT	同完全锥型，映射关系固定（pAddr:pPort ↔ iAddr:iPort ）	IP+端口过滤：仅允许内网主机主动通信过的外部IP和端口访问pAddr:pPort	❌ 低	企业防火墙（严格安全策略）
对称型NAT	动态映射：内网主机每连接一个外部目标，分配新的公网端口（pAddr:pPort_new ）	会话绑定：仅允许特定外部IP和端口通过对应的动态映射端口访问内网	❌ 极低	移动网络（4G/5G运营商级NAT）

nat映射表ps:如果源地址和nat后地址一致，则目标地址不进行登记，而是共享nat表。回源转发是通过nat表进行这就导致如果是对称nat，会为这个新的连接分配另一个公网 IP 和端口，有两条记录，使得p2p目的不明确！

对称NAT

锥形NAT

关键特性深度解析

1. 完全锥型NAT（Full Cone NAT）

技术特点
- 映射关系：内网IP:端口 → 公网IP:端口（固定一对一）
- 无状态过滤：任何外部主机均可通过公网IP:端口访问内网主机（无需内网主机主动发起连接）。
示例场景 内网服务器（192.168.1.100:80）映射为公网地址（203.0.113.10:80），公网用户可直接访问203.0.113.10:80。
P2P兼容性 最佳，无需打洞即可直接通信。

2. IP限制锥型NAT（Restricted Cone NAT）

技术特点
- 映射关系固定，但过滤规则基于IP：仅允许内网主机主动连接过的外部IP通过映射端口访问。
- 端口不限：外部主机可使用任意端口（如从180.93.45.46:8080改为180.93.45.46:1234仍可访问）。
示例场景 内网主机（192.168.1.2:5000）主动连接公网服务器（180.93.45.46:80），则NAT允许来自180.93.45.46（任何端口）的返程流量。
P2P兼容性 需通过STUN服务器交换IP信息，可打洞成功。

3. 端口限制锥型NAT（Port-Restricted Cone NAT）

技术特点
- 过滤规则严格绑定IP+端口：仅允许内网主机主动连接过的外部IP和端口访问映射端口。
- 示例：若内网主机连接180.93.45.46:8080，则仅允许来自180.93.45.46:8080的返程流量。
P2P兼容性 需双方同时向对方发送打洞包以建立双向通道，成功率取决于NAT策略。

4. 对称型NAT（Symmetric NAT）

技术特点
- 动态端口映射：内网主机每连接一个外部目标（IP:Port ），NAT分配不同的公网端口。
- 严格会话绑定：外部主机必须使用与内网主机通信时相同的IP和端口，且只能通过对应的动态端口访问。
示例场景 内网主机（192.168.1.2:5000）连接公网主机A（180.93.45.46:80）时映射为203.0.113.1:55000；连接主机B（198.51.100.2:443）时映射为203.0.113.1:56000。
P2P兼容性 极低，需依赖TURN中继服务器转发流量。

总结

如何识别net网关类型

为什么要是区分nat类型

1.nat类型由服务器探测，得出网络分布nat类型。以后打洞就方便

nat类型识别次数如何计算（去重复）

1.双方属于完全锥型NAT （1次 p2p大概率成功）

步骤1：私网机器1（192.168.1.3:2341）发送报文给服务器（180.93.45.46:8888）。服务器获取到私网机器1的公网IP地址与端口（112.93.14.56:43891）。步骤2：服务器收到信息后，通知私网机器2（192.168.2.6:6583），通知信息内含私网机器 1 的公网IP地址与端口（112.93.14.56:43891）。步骤 3：私网机器 2（192.168.2.6:6583）发送数据给私网机器 1 的公网 IP 地址与端口（112.93.14.56:43891），此时私网机器 1 就能收到私网机器2发送的报文数据，并且能过获取私网机器2的公网IP地址与端口（iAddr:iPort）。步骤4：私网机器1回发报文信息给私网机器2的公网IP地址与端口（iAddr:iPort），此时私网机器2能够收到报文数据。穿透流程结束。

2.双方属于限制类型nat （受限，则通过中继服务器转发，最终p2p）

步骤1：私网机器1（192.168.1.3:2341）发送报文给服务器（180.93.45.46:8888），服务器获取私网机器的公网IP地址（112.93.14.56:43891）。步骤2：服务器发送通知报文给私网机器2（192.168.2.6:6583），通知报文中内含私网机器 1 的公网IP地址（112.93.14.56:43891）。步骤3：私网机器2发送报文数据到私网机器1的公网IP地址（112.93.14.56:43891）。由于NAT1是限制锥型NAT，此时私网机器1是不能收到报文数据的。步骤4：私网机器2进行完步骤3以后，立即发送报文给服务器（180.93.45.46:8888），要求私网机器1发送数据给私网机器2的公网IP地址。步骤5：服务器通知私网机器1，通知信息内含公网IP地址（180.20.198.42.9681）。步骤6：私网机器1发送报文数据给私网机器2的公网IP地址。由于步骤3发送报文给私网机器2的公网IP地址，此份报文会被NAT2的路由器认为是步骤3的回复。所以此步骤会被允许通过。此时已经穿透了NAT2。步骤7：私网机器2回发报文给私网机器1，此时穿透了NAT1。穿透流程结束。

3.两边是对称nat （没啥限制，直接用服务器大概率通）

使用 STUN 协议：

STUN（Simple Traversal of UDP through NAT）协议是一种用于确定 NAT 类型和公共 IP 地址的协议。通过 STUN 协议，可以检测 NAT 类型并判断是否为对称 NAT。
你可以使用 STUN 服务器来测试 NAT 类型。例如，使用 NatTypeChecker 工具，它是一个基于 JavaScript 的 STUN 协议实现，可以检测 NAT 类型。

使用 P2P 穿透工具：

一些 P2P 穿透工具（如 pwnat）可以尝试与对端建立连接，并根据连接结果判断 NAT 类型。如果两边都是对称 NAT，这些工具通常会报告连接失败或需要额外的中继服务器。

手动测试：

手动进行以下步骤来判断 NAT 类型：

客户端 A 向 STUN 服务器发送请求，获取其公共 IP 和端口号。
客户端 B 向同一 STUN 服务器发送请求，获取其公共 IP 和端口号。
客户端 A 和 B 互相发送 UDP 数据包，观察是否能够直接通信。
如果两边都是对称 NAT，通常会发现无法直接通信，因为每个连接的端口号都是动态分配的，无法预测。

4.NAT1为限制锥型NAT，NAT2为对称NAT。

步骤1：私网机器1（192.168.1.3:2341）发送报文数据给服务器（180.93.45.46:8888），请求与私网机器2进行透传。

步骤2：服务器（180.93.45.46:8888）发送通知信息给私网机器2。通知信息内含私网机器 1 的公网IP地址（112.93.14.56:43891）。

步骤3：私网机器2收到通知信息，发送报文数据给私网机器1的公网IP地址。此时由于 NAT1 为限制锥形NAT，数据是不被允许进入私网的。同时由于NAT2为对称NAT，所以会在此次报文发送过程中，会被产生新的映射记录，分配公网地址与端口（iAddr:iPort）。

步骤4：私网机器2进行完步骤3以后，发送报文信息给服务器的另一个端口8889，此步骤也会在路由器上产生一条新的映射记录，分配公网地址与端口（mAddr:mPort）。服务器同时也获取到新的公网地址与端口（mAddr:mPort）。

步骤5：服务器（180.93.45.46:8889）发送通知信息给私网机器1。通知信息内含步骤4产生的新记录公网地址与端口（mAddr:mPort）。此时根据 iPort 与 mPort 产生的相隔时间很短，可以来判断iPort 的值,即需要穿透的端口。为了判断的根据准确，可以在产生mPort 之前也加上一次新记录，即再步骤3以前让NAT路由器产生一条记录，这样准确度会大大穿透的概率。

步骤6：根据mPort的值，来猜测iPort的值，发送报文信息给私网机器2的公网地址与端口（mAddr:mPort）。准确的mPort值，则能够穿透NAT2。

步骤7：收到穿透报文信息后，回复报文信息。流程完毕。

步骤核心逻辑

NAT穿透失败的根本原因

NAT1的限制锥型规则

仅允许内网机器1主动通信过的外部IP（如服务器IP 180.93.45.46）返程流量进入，私网机器2的初次连接请求会被NAT1直接丢弃。

NAT2的对称型规则

私网机器2每次连接不同目标（如服务器或NAT1的公网地址）时，NAT2会分配不同的公网端口（如 iPort 和 mPort），导致传统打洞无法直接定位有效端口。

解决方案

触发两次端口映射

步骤3：私网机器2首次尝试连接NAT1的公网地址（112.93.14.56:43891），触发NAT2生成映射记录 iPort。

步骤4：私网机器2转而连接服务器的另一个端口（8889），触发NAT2生成新映射记录 mPort。

端口推测机制

对称型NAT（如NAT2）在为同一内网主机的连续连接分配端口时，可能采用递增或固定偏移策略（例如 mPort = iPort + 1）。

服务器通过对比两次映射端口 iPort 和 mPort 的生成时间间隔与差值，推测出 iPort 的可能值。

主动验证猜测端口

步骤6：服务器通知私网机器1向推测的端口 mAddr:mPort（实际目标为 iPort）发送穿透报文。

若猜测正确，NAT2会将报文转发至私网机器2，完成双向通道建立。