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【Linux】【网络】UDP打洞–>不同子网下的客户端和服务器通信（未成功版）

上次说基于UDP的打洞程序改了五版一直没有成功，要写一下问题所在，但是我后续又查询了一些资料，成功实现了，这次先写一下未成功的逻辑，我认为未成功的排查错误的部分也很重要，如果想直接看成功的可以直接看我的下一篇文章。

首先基于上篇文章的UDP打洞逻辑
这里直接将图贴出来：
在这里插入图片描述
我的逻辑思路：（ps:会把代码贴到最后面。)

逻辑梳理

1 服务器端（server.c）

监听与接收注册
- 服务器创建 UDP 套接字并绑定到固定端口（5050）。
- 依次调用 recvfrom() 接收两个客户端（先后为 C1 和 C2）的注册消息，获取各自的源地址（即 NAT 映射后的公网 IP 和端口）。
地址交换
- 服务器把 C2 的公网地址（IP 和端口）格式化成字符串（用“^”分隔）发送给 C1。
- 同样把 C1 的地址发送给 C2。
后续处理
- 服务器完成地址交换后退出（没有额外发送探测包）。

客户端 C1（UDPClientcc1.c）

两个套接字
- 使用一个套接字（sockS）与服务器通信，另一个（sockC）用于后续对等通信，并绑定到固定端口（6003）。
注册阶段
- C1 向服务器发送注册消息（“I am C1”）。
- 接收服务器返回的字符串，解析出对方地址信息（格式 “ip^port”），存入 oppositeSideAddr。
P2P 交互循环
- 在循环中，每隔 500ms 使用 sockC 向 oppositeSideAddr 发送数据（keep-alive/消息），并尝试接收对方回复。

客户端 C2（UDPClientcc2.c）

逻辑与 C1 类似
- 使用两个套接字，一个与服务器通信（sockS），一个用于 P2P（sockC），绑定固定端口（6002）。
- 向服务器发送注册消息（“I am C2”），接收并解析服务器返回的对方地址信息，存入 oppositeSideAddr。
- 进入循环，每隔 500ms 向 oppositeSideAddr 发送数据，并等待回复。

执行结果

服务器：
在这里插入图片描述

客户端c1:
在这里插入图片描述
客户端c2:

可以看到c1,c2 一直在向从服务器获取的公网ip和端口发送数据但是一直未收到对端回复。
服务器在向双方发送数据后就直接退出了。

排查问题：

考虑可能存在的问题并逐步排查：

服务器配置问题
- 确保服务器S正确交换了双方的公网IP和端口信息，并且客户端解析无误。
防火墙设置
- 检查云服务器、客户端以及NAT设备的防火墙是否允许UDP流量通过，特别是目标端口是否开放。
- 也需要确保双方的UDP打洞程序所在主机允许接收来自对端的UDP数据包。
NAT映射问题
- 可能两端的NAT设备类型不支持直接UDP打洞，或映射策略比较严格（例如对称NAT）。
- 您可以检查客户端所在网络的NAT类型，尝试在不同网络环境下测试。
端口绑定和映射问题
- 确认代码中绑定的本地端口（6003、6002）与NAT映射结果是否符合预期。
- 有些NAT设备可能会复用端口或调整外部映射，导致双方看到相同的公网端口，从而影响打洞效果。
代码逻辑问题
- 您的代码中目前只是不断发送数据包，但并未实现对收到数据包进行有效处理。如果对端也没有收到数据包，可能是由于发送方向NAT设备发送的数据包没有成功映射到对端。

1 服务器是否正确交换了双方的ip和端口

这个测试结果是我第四版的结果在里面已经打印出来对应的ip，端口我这边对比了并未出现问题你们可以再看看上面的图片
结论:正常

2防火墙设置

本地防火墙：检查客户端和服务器上的防火墙状态（使用 ufw status、iptables -L 等命令），确认UDP目标端口是否被允许。
云防火墙：登录云服务器控制台或路由器管理界面，检查是否设置了安全组或防火墙规则，确保允许相应的UDP流量（包括注册端口和通信端口）。

2.1 本地防火墙

本地防火墙未打开
在这里插入图片描述

2.2 云服务器

防火墙对应端口已开启
在这里插入图片描述
结论:正常

3 抓包查看数据包是否发送出去

在Ubuntu下，使用抓包工具来监控和分析网络数据包的流向，常用的工具包括 tcpdump（命令行）和 Wireshark（图形界面）。

3.1. 使用 tcpdump

安装：

sudo apt-get update
sudo apt-get install tcpdump

基本用法：

抓取所有数据包：
```
sudo tcpdump -i eth0
```
其中 eth0 是您要监控的网络接口，可以通过命令 ifconfig 查看接口名称。
我的就是ens33
过滤特定协议和端口：

例如，抓取UDP数据包：
```
sudo tcpdump -i ens33 udp
```
抓取目的端口为5050的UDP数据包：
```
sudo tcpdump -i ens33 udp port 5050
```
抓包发现数据发送出去了

3 NAT映射问题

使用 `stun` 工具

1. 安装 stun 客户端：
在 Ubuntu系统上运行：

sudo apt update
sudo apt install stun-client -y

2. 运行 STUN 客户端测试 NAT 类型

stun stun.l.google.com

或者：

stun stun.sipgate.net

这是我的结果
在这里插入图片描述

Independent Mapping（独立映射）：
每个内部端口的映射是独立的，即无论目标地址如何变化，都保持相同的映射。对 UDP 打洞来说，这通常是有利的。
Independent Filter（独立过滤）：
外部数据包只要符合映射的端口，就会被放行，与发送目标无关。这意味着只要内网设备先发起通信，外部的回复通常能通过 NAT 设备到达内网。
Random Port（随机端口）：
每个新连接可能会被 NAT 分配一个随机的外部端口，这可能会导致端口映射不固定。为了保持连接，客户端需要持续发送数据包以维持映射。
No Hairpin：
表示 NAT 不支持内部设备通过公网地址直接访问同一 NAT 内的其他设备（NAT 回环）。这通常对 UDP 打洞影响不大，因为 C1 和 C2 是处于不同 NAT 或在不同网络下。
Return value is 0x000012：
表示 STUN 客户端检测成功，但没有显示映射的端口详细信息，通常这意味着端口由 NAT 设备随机分配。

这个结果说明 NAT 环境是相对有利于 UDP 打洞的（非对称 NAT），但由于随机端口的特性，客户端必须持续发送保持 UDP 映射（Keep-Alive）。

3. NAT 类型

Full Cone NAT（全锥形 NAT） ✅ UDP 打洞最容易成功
Restricted Cone NAT（受限锥形 NAT） ✅ 需要双向数据包打洞
Port-Restricted Cone NAT（端口受限锥形 NAT） ⚠ 可能无法直接打洞
Symmetric NAT（对称 NAT） ❌ UDP 打洞几乎不可能成功

证明NAT映射支持打洞

最后怀疑问题出在代码逻辑上，服务器返回的端口虽然正确，但 NAT设备在一段时间后修改了端口映射，或者端口映射被丢弃，导致 C1 发送到错误端口。因此后续需要修改端口。

server.c

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>#define DEFAULT_PORT 5050
#define BUFFER_SIZE 100int main() {// server即外网服务器int serverPort = DEFAULT_PORT;int serverListen;struct sockaddr_in serverAddr;// 建立监听socketserverListen = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (serverListen == -1) {perror("socket() failed");return -1;}serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(serverPort);serverAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (bind(serverListen, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr)) == -1) {perror("bind() failed");return -1;}// 接收来自客户端的连接，source1即先连接到S的客户端C1struct sockaddr_in sourceAddr1;socklen_t sourceAddrLen1 = sizeof(sourceAddr1);char bufRecv1[BUFFER_SIZE];int len;len = recvfrom(serverListen, bufRecv1, sizeof(bufRecv1), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr1, &sourceAddrLen1);if (len == -1) {perror("recvfrom() failed");return -1;}bufRecv1[len] = '\0';printf("C1 IP:[%s],PORT:[%d]\n", inet_ntoa(sourceAddr1.sin_addr), ntohs(sourceAddr1.sin_port));// 接收来自客户端的连接，source2即后连接到S的客户端C2struct sockaddr_in sourceAddr2;socklen_t sourceAddrLen2 = sizeof(sourceAddr2);char bufRecv2[BUFFER_SIZE];len = recvfrom(serverListen, bufRecv2, sizeof(bufRecv2), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr2, &sourceAddrLen2);if (len == -1) {perror("recvfrom() failed");return -1;}bufRecv2[len] = '\0';printf("C2 IP:[%s],PORT:[%d]\n", inet_ntoa(sourceAddr2.sin_addr), ntohs(sourceAddr2.sin_port));// 向C1发送C2的外网ip和portchar bufSend1[BUFFER_SIZE];// bufSend1中存储C2的外网ip和portmemset(bufSend1, '\0', sizeof(bufSend1));char *ip2 = inet_ntoa(sourceAddr2.sin_addr);// C2的ipchar port2[10];// C2的portsnprintf(port2, sizeof(port2), "%d", ntohs(sourceAddr2.sin_port));snprintf(bufSend1, sizeof(bufSend1), "%s^%s", ip2, port2);len = sendto(serverListen, bufSend1, strlen(bufSend1), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr1, sourceAddrLen1);if (len == -1) {perror("sendto() failed");return -1;} else {printf("send() byte:%d\n", len);}// 向C2发送C1的外网ip和portchar bufSend2[BUFFER_SIZE];// bufSend2中存储C1的外网ip和portmemset(bufSend2, '\0', sizeof(bufSend2));char *ip1 = inet_ntoa(sourceAddr1.sin_addr);// C1的ipchar port1[10];// C1的portsnprintf(port1, sizeof(port1), "%d", ntohs(sourceAddr1.sin_port));snprintf(bufSend2, sizeof(bufSend2), "%s^%s", ip1, port1);len = sendto(serverListen, bufSend2, strlen(bufSend2), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr2, sourceAddrLen2);if (len == -1) {perror("sendto() failed");return -1;} else {printf("send() byte:%d\n", len);}// server的中间人工作已完成，退出即可，剩下的交给C1与C2相互通信close(serverListen);return 0;
}

client1.c

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>#define PORT 6003
#define BUFFER_SIZE 100int main(int argc, char* argv[]) {struct sockaddr_in serverAddr;struct sockaddr_in thisAddr;thisAddr.sin_family = AF_INET;thisAddr.sin_port = htons(PORT);thisAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (argc < 3) {printf("Usage: UDPClient1 <Server IP address> <Server Port>\n");return -1;}int sockS = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockS == -1) {perror("socket() failed");return -1;}if (bind(sockS, (struct sockaddr *)&thisAddr, sizeof(thisAddr)) == -1) {perror("bind() failed");return -1;}int sockC = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockC == -1) {perror("socket() failed");return -1;}// 允许端口复用int optval = 1;setsockopt(sockC, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));// 绑定固定端口 6003struct sockaddr_in bindAddr;bindAddr.sin_family = AF_INET;bindAddr.sin_port = htons(6003);bindAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;bind(sockC, (struct sockaddr *)&bindAddr, sizeof(bindAddr));char bufSend[] = "I am C1";char bufRecv[BUFFER_SIZE];memset(bufRecv, '\0', sizeof(bufRecv));struct sockaddr_in sourceAddr;socklen_t sourceAddrLen = sizeof(sourceAddr);struct sockaddr_in oppositeSideAddr;int len;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);len = sendto(sockS, bufSend, sizeof(bufSend), 0, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));if (len == -1) {perror("sendto() to S failed");return -1;}printf("C1 sent registration packet to server S.\n");len = recvfrom(sockS, bufRecv, sizeof(bufRecv), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr, &sourceAddrLen);if (len == -1) {perror("recvfrom() from S failed");return -1;}bufRecv[len] = '\0';printf("C1 received from S: %s\n", bufRecv);close(sockS);char ip[20];char port[10];int i = 0;while (i < strlen(bufRecv) && bufRecv[i] != '^') {ip[i] = bufRecv[i];i++;}ip[i] = '\0';int j = 0;i++;while (i < strlen(bufRecv)) {port[j++] = bufRecv[i++];}port[j] = '\0';oppositeSideAddr.sin_family = AF_INET;oppositeSideAddr.sin_port = htons(atoi(port));oppositeSideAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);int flags = fcntl(sockC, F_GETFL, 0);fcntl(sockC, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);printf("C1 will now try to communicate directly with C2 at %s:%s\n", ip, port);int attempts = 0;while (1) {usleep(500000);  // 500ms 发送一次len = sendto(sockC, bufSend, sizeof(bufSend), 0, (struct sockaddr *)&oppositeSideAddr, sizeof(oppositeSideAddr));if (len == -1) {perror("sendto() to C2 failed");} else {printf("Sent keep-alive UDP packet to %s:%d\n", inet_ntoa(oppositeSideAddr.sin_addr), ntohs(oppositeSideAddr.sin_port));}len = recvfrom(sockC, bufRecv, sizeof(bufRecv), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr, &sourceAddrLen);if (len == -1) {if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {attempts++;if (attempts % 10 == 0) {printf("No response from C2 after 5 seconds. Retrying...\n");}continue;} else {perror("recvfrom() failed");break;}} else {bufRecv[len] = '\0';printf("C1 received from C2 [%s:%d]: %s\n", inet_ntoa(sourceAddr.sin_addr), ntohs(sourceAddr.sin_port), bufRecv);attempts = 0;  // 成功收到数据，重置重试计数}}close(sockC);return 0;
}

client2.c

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>#define PORT 6002
#define BUFFER_SIZE 100int main(int argc, char* argv[]) {struct sockaddr_in serverAddr;struct sockaddr_in thisAddr;thisAddr.sin_family = AF_INET;thisAddr.sin_port = htons(PORT);thisAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;if (argc < 3) {printf("Usage: UDPClient2 <Server IP address> <Server Port>\n");return -1;}int sockS = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockS == -1) {perror("socket() failed");return -1;}if (bind(sockS, (struct sockaddr *)&thisAddr, sizeof(thisAddr)) == -1) {perror("bind() failed");return -1;}int sockC = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);if (sockC == -1) {perror("socket() failed");return -1;}// 允许端口复用int optval = 1;setsockopt(sockC, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));// 绑定固定端口 6002struct sockaddr_in bindAddr;bindAddr.sin_family = AF_INET;bindAddr.sin_port = htons(6002);bindAddr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;bind(sockC, (struct sockaddr *)&bindAddr, sizeof(bindAddr));char bufSend[] = "I am C2";char bufRecv[BUFFER_SIZE];memset(bufRecv, '\0', sizeof(bufRecv));struct sockaddr_in sourceAddr;socklen_t sourceAddrLen = sizeof(sourceAddr);struct sockaddr_in oppositeSideAddr;int len;serverAddr.sin_family = AF_INET;serverAddr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));serverAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);len = sendto(sockS, bufSend, sizeof(bufSend), 0, (struct sockaddr *)&serverAddr, sizeof(serverAddr));if (len == -1) {perror("sendto() to S failed");return -1;}printf("C2 sent registration packet to server S.\n");len = recvfrom(sockS, bufRecv, sizeof(bufRecv), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr, &sourceAddrLen);if (len == -1) {perror("recvfrom() from S failed");return -1;}bufRecv[len] = '\0';printf("C2 received from S: %s\n", bufRecv);close(sockS);char ip[20];char port[10];int i = 0;while (i < strlen(bufRecv) && bufRecv[i] != '^') {ip[i] = bufRecv[i];i++;}ip[i] = '\0';int j = 0;i++;while (i < strlen(bufRecv)) {port[j++] = bufRecv[i++];}port[j] = '\0';oppositeSideAddr.sin_family = AF_INET;oppositeSideAddr.sin_port = htons(atoi(port));oppositeSideAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);int flags = fcntl(sockC, F_GETFL, 0);fcntl(sockC, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);printf("C2 will now try to communicate directly with C1 at %s:%s\n", ip, port);int attempts = 0;while (1) {usleep(500000);  // 500ms 发送一次len = sendto(sockC, bufSend, sizeof(bufSend), 0, (struct sockaddr *)&oppositeSideAddr, sizeof(oppositeSideAddr));if (len == -1) {perror("sendto() to C1 failed");} else {printf("Sent keep-alive UDP packet to %s:%d\n", inet_ntoa(oppositeSideAddr.sin_addr), ntohs(oppositeSideAddr.sin_port));}len = recvfrom(sockC, bufRecv, sizeof(bufRecv), 0, (struct sockaddr *)&sourceAddr, &sourceAddrLen);if (len == -1) {if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) {attempts++;if (attempts % 10 == 0) {printf("No response from C1 after 5 seconds. Retrying...\n");}continue;} else {perror("recvfrom() failed");break;}} else {bufRecv[len] = '\0';printf("C2 received from C1 [%s:%d]: %s\n", inet_ntoa(sourceAddr.sin_addr), ntohs(sourceAddr.sin_port), bufRecv);attempts = 0;  // 成功收到数据，重置重试计数}}close(sockC);return 0;
}