通过公网STUN服务器实现UDP打洞

一、背景介绍

在当今互联网环境中，很多设备都位于NAT（网络地址转换）设备之后，这导致设备之间无法直接建立P2P连接。UDP打洞技术正是为了解决这一问题而诞生的。

什么是UDP打洞？
想象一下，两个人都住在不同的公寓楼里（NAT后面），他们想直接通话而不是通过中间人转接。UDP打洞就像是通过一个公共的"介绍人"（STUN服务器）让双方知道对方的"窗户位置"（公网IP和端口），然后同时向对方的窗户喊话，从而建立直接的联系。

二、原理详解

1、NAT的工作原理

NAT设备就像是大楼的保安，它：

• 将内部设备的私有IP地址转换为公共IP地址
• 记录内部设备发起的连接，并管理返回的数据包
• 通常拒绝外部设备直接发起的连接请求

2、STUN服务器的作用

STUN（Session Traversal Utilities for NAT）服务器是一个公网上的"镜子"，它告诉你：

• 你的设备在公网上的IP地址和端口号
• 你的NAT类型和行为特征

3、UDP打洞的核心思想

1. 发现阶段：双方都向STUN服务器查询自己的公网地址
2. 信息交换：通过服务器交换各自的公网地址信息
3. 同时连接：双方几乎同时向对方的公网地址发送UDP包
4. 建立通道：NAT设备会认为这些包是之前查询的回复，允许通过

三、NAT类型对比详解

NAT类型	开放程度	P2P打洞难度	通俗解释
Open Internet	无NAT	直接连接	住在街边独栋，门牌号公开
Full Cone NAT	完全开放	容易	公寓保安记住你的脸，任何人都能进来找你
Restricted Cone NAT	中等	中等	保安只允许你联系过的人进来找你
Port Restricted Cone NAT	较严格	较难	保安不仅看脸，还要看具体的"敲门方式"
Symmetric NAT	最严格	最难	每次联系不同的人，保安都给不同的门禁卡，无法预测

四、测试结果分析

为什么有些组合能成功，有些不能？

• ✅ 二边都是Restricted NAT：可以打通

  • 因为双方都先"认识"了对方（通过STUN服务器间接接触）
  • NAT设备会允许来自"认识的人"的连接

• ❌ 任意一边是Symmetric NAT：不能打通

  • Symmetric NAT每次对外连接都用不同的端口
  • 对方无法预测你会用哪个端口来接收数据
  • 就像每次用不同的电话号码打电话，对方无法回拨

五、详细操作步骤

1、环境准备

首先确保你的Python环境已就绪：

# 检查Python版本
python3 --version# 安装必要的库
pip3 install pystun3

2、代码

cat > hole_punching_utils.py << 'EOF'
import threading
import socket
import random
import select
import time
import socket
import binascii
import stun
import socket
import struct
import randomdef is_udp_port_free(host='localhost', port=0):"""检查UDP端口是否空闲"""try:with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as s:s.bind((host, port))return Trueexcept OSError:return Falsedef get_reliable_free_udp_port(host='localhost', min_port=54320, max_port=65535):"""可靠地获取空闲UDP端口"""max_attempts = 50for attempt in range(max_attempts):port = random.randint(min_port, max_port)if is_udp_port_free(host, port):# 双重检查if is_udp_port_free(host, port):return port# 如果随机选择失败，让系统分配return get_free_udp_port()def _receiver_loop(local_socket):"""接收循环 - 处理所有传入数据"""while True:try:ready = select.select([local_socket], [], [], 1.0)if ready[0]:data, addr = local_socket.recvfrom(65536)print(addr,data.decode('utf-8'))breakexcept BlockingIOError:continueexcept OSError as e:print(f"接收数据时发生OS错误: {e}")breakexcept Exception as e:print(f"接收数据时发生未知错误: {e}")print("接收循环结束")def main():# 1. 准备通信工具（创建UDP socket）source_ip="0.0.0.0"source_port=get_reliable_free_udp_port(source_ip)# 2. 准备多个STUN服务器（备用镜子）stun_hosts=['stun.miwifi.com','stun.easyvoip.com','stun.voipbuster.com']stun_port=3478  # STUN标准端口# 3. 创建并配置UDP sockets = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)s.settimeout(2)s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)s.bind((source_ip, source_port))# 4. 查询NAT类型 - 了解自己的"公寓保安"类型find=Falsefor stun_host in stun_hosts:nat_type, nat = stun.get_nat_type(s, source_ip, source_port,stun_host=stun_host, stun_port=stun_port)print(stun_host,nat_type,nat)if nat_type in ['Restric NAT']:break# 5. 获取公网地址信息 - 了解自己的"窗户位置"external_ip = nat['ExternalIP']external_port = nat['ExternalPort']# 6. 启动接收线程 - 准备听对方喊话thread = threading.Thread(target=_receiver_loop, args=(s,))thread.daemon = Truethread.start()# 7. 显示并交换地址信息print(f"你的公网地址: {external_ip}:{external_port}")print("请将这个地址告诉对方，同时获取对方的公网地址")# 8. 获取对方地址try:input_str = input("请输入对方公网IP:端口 (格式: 192.168.1.1:12345): ").strip().split(":")target_ip = input_str[0]target_port = int(input_str[1])  target = (target_ip, target_port)print(f"🎯 目标地址: {target}")except:print("❌ 输入格式错误，请按 IP:端口 格式输入")return# 9. 开始打洞 - 双方同时"向对方窗户喊话"input("按回车键开始打洞（确保对方也准备好了）...")hostname = socket.gethostname()seq_num=0print("🚀 开始发送数据包...")try:while True:message = f"{hostname}:消息#{seq_num}"s.sendto(message.encode('utf-8'), target)print(f"📤 发送: {message}")time.sleep(1)  # 每秒发送一条消息seq_num += 1except KeyboardInterrupt:print("\n⏹️ 用户停止程序")
if __name__ == "__main__":main()
EOF
python3 hole_punching_utils.py

3、完整操作流程

3.1、在两台设备上运行脚本

# 在设备A上运行
python3 hole_punching_utils.py# 在设备B上运行（同时或稍后）
python3 hole_punching_utils.py

3.2、交换公网地址信息

设备A显示：

🎯 你的公网地址: 123.45.67.89:54321
请将这个地址告诉对方，同时获取对方的公网地址

设备B显示：

🎯 你的公网地址: 987.65.43.21:12345  
请将这个地址告诉对方，同时获取对方的公网地址

交换方式：

• 设备A输入设备B的地址：987.65.43.21:12345
• 设备B输入设备A的地址：123.45.67.89:54321

3.3、同步开始打洞

关键要点：

1. 双方都要在准备好后按回车
2. 时间间隔尽量短，最好在10秒内完成
3. 如果第一次失败，可以多试几次

3.4、验证连接

成功迹象：

📤 发送: DeviceA:消息#0
📤 发送: DeviceA:消息#1
('987.65.43.21', 12345) DeviceB:消息#0  # 收到对方消息！
📤 发送: DeviceA:消息#2

六、实际应用场景

UDP打洞技术被广泛应用于：

• 视频会议系统：如Zoom、Teams的P2P模式
• 在线游戏：玩家间的直接连接
• 文件共享：BitTorrent等P2P下载
• 物联网设备：设备间的直接通信

七、总结

UDP打洞就像是通过一个公共介绍人让两个躲在门后的人建立直接联系。虽然技术原理复杂，但通过STUN服务器的帮助，我们能够巧妙地利用NAT设备的行为特性实现直接通信。

记住成功的关键因素：

1. ✅ 合适的NAT类型（非对称NAT）
2. ✅ 准确的公网地址信息
3. ✅ 双方几乎同时发起连接
4. ✅ 稳定的网络环境