# TCP/IP、《关于单隧道实现多服务访问的端口转发状态管理的研究》

摘要

本文提出的是一种在单隧道内实现多连接的技术，通过简单四元组映射实现多连接状态管理，支持TCP+UDP。

1、引言

在虚拟专用网络(VPN)、端口映射等引用中，如P2P打洞成功的单隧道上，或家庭网络路由器中使用端口映射的单端口隧道上，实现多服务访问。

以一对一举例说明，访问端和服务端一对一，和访问端单监听和访问端服务一对一

  1. A端监听11111端口
  2. A端访问127.0.0.1:11111，产生一个连接127.0.0.1:12345
  3. B端使用socket去连接3389，产生一个连接127.0.0.1:22345
  4. A端从12345接收数据，通过隧道发送到B端，写入22345
  5. B端从22345接收数据，通过隧道发送到A端，写入12345。
A访问A监听B连接B服务
127.0.0.1:12345127.0.0.1:22345
127.0.0.1:12346127.0.0.1:11111隧道127.0.0.1:22346127.0.0.1:3389
127.0.0.1:12347127.0.0.1:22347

2、实现原理

2.1、几个问题

实现多连接状态管理需要重点关注的几个问题。

  1. 多客户端：在一对一时，我们可以使用简单四元组(SrcAddr,SrcPort,DstAddr,DstPort)即可实现映射，当多对一时，如A、C、D 都去访问B，那SrcAddr和SrcPort就有可能冲突，我们需要任意多数量访问端对单一服务端
  2. 多监听：也有可能访问端和服务端一对一，但是访问端监听多个服务，比如A端11111对应B端3389、22222对应B端3306，可以任意多数量，我们需要任意多访问端监听对服务端任意多服务
  3. 握手流程：为确保在访问段发送数据到B端时，B端已成功连接，我们模仿TCP握手流程

2.2、数据包头结构

我们定义一下数据包头结构，使用一个简单的头结构支持TCP+UDP。

包头
ForwardFlags Flag    //操作标志
ProtocolType PType   //协议 TCP/UDP
ushort Port          //TCP表示A端连接端口 12345，UDP为监听端口 11111
uint SrcAddr         //TCP表示B端连接ip 127.0.0.1，UDP为A连接 127.0.0.1
ushort SrcPort       //TCP表示B端连接端口 22345，UDP为A连接 12345
uint DstAddr         //B端服务ip 127.0.0.1
ushort DstPort       //B端服务端口 3389

ForwardFlags 列表
Fin = 0b00000001    //--
Syn = 0b00000010    //A新建连接
Rst = 0b00000100    //A断开连接
Psh = 0b00001000    //A发送数据
Ack = 0b00010000    //反向标志
SynAck = Syn | Ack  //B连接，就是B端对A的回复
PshAck = Psh | Ack  //B发送数据
RstAck = Rst | Ack  //B关闭连接

2.3、通信流程

虽然包头结构相同，但TCP和UDP的流程会稍有不同，我们分开梳理。

2.3.1、TCP

此TCP方式映射方式最关键的点在于，A端使用12345+127.0.0.1+3389的组合，这是唯一的，B端使用自己本地的127.0.0.1+22345+127.0.0.1+3389的组合也是唯一的，这能在多对多中依然能保持唯一映射。

  1. A：监听11111
  2. A.Syn：A访问 127.0.0.1:11111，收到连接 127.0.0.1:12345，先不接收SocketA的数据
    1. 构建包头：PacketA(Syn,TCP,12345,0,0,127.0.0.1,3389)
    2. 添加映射：(0,12345,127.0.0.1,3389),SocketA
    3. 发送：发送包到B端
  3. B.Syn->SynAck->PshAck：B端收到Syn，去连接 127.0.0.1:3389，产生连接 127.0.0.1:22345
    1. 构建包头：PacketB(SynAck,TCP,12345,127.0.0.1,22345,127.0.0.1,3389)
    2. 添加映射：(127.0.0.1,22345,127.0.0.1,3389),SocketB
    3. 发送：发送SynAck包到A端
    4. 更改标志：发送SynAck之后，可以把标志改为PshAck，后续就是发送数据了
    5. 接收数据：后续可以从SocketB接收数据然后发往A端
  4. A.SynAck->Psh：A收到PacketB
    1. 获取映射：根据PacketB，可以构建出key (0,12345,127.0.0.1,3389) 获取到PacketA和SocketA
    2. 更新PacketA：在PacketB中传回了srcAddr 和 SrcPort，填进PacketA中，并修改标志为Psh，最后变为PacketA(Psh,TCP,12345,127.0.0.1,22345,127.0.0.1,3389)
    3. 接收数据：接下来可以继续从SocketA接收数据，然后发往B端
  5. A.Rst：A主动断开，就用Rst，B端可以key (127.0.0.1,22345,127.0.0.1,3389)移除对应信息
  6. B.RstAck：B端主动断开，就用RstAck，A端构建key (0,12345,127.0.0.1,3389)移除对应信息
2.3.2、UDP

在UDP，方式有所不同，B端往A发回数据时，我们需要使用监听11111的SocketUdp往源地址发送数据，所以A端不需要映射，只需要包头的Port 11111获取到SocketUdp(如果是多个监听)，往包头的srcAddr:srcPort发送数据即可。而B端，为了保证映射唯一，只需要在映射key上加一个隧道id即可，隧道是一对一的，比如隧道id为1，则key(1,127.0.0.1,12345,127.0.0.1,3389)。

  1. A：监听 11111 SocketUdp
  2. A.Psh：从SocketUdp接收数据
    1. 构建包头：PacketA(Psh,Udp,11111,127.0.0.1,12345,127.0.0.1,3389)
    2. 发送：直接发往B端
  3. B.Psh：B端收到数据包
    1. 构建包头：PacketB(PshAck,Udp,11111,127.0.0.1,12345,127.0.0.1,3389)
    2. 添加映射：构建key(1,127.0.0.1,12345,127.0.0.1,3389) 添加映射 (1,127.0.0.1,12345,127.0.0.1,3389),SocketB
    3. 接收数据：在添加映射后，先把A端来的数据写入SocketB，然后从SocketB接收数据，发往A端
    4. 后续Psh：在后续Psh中，已经存在映射，使用SocketB写入数据即可
  4. A.Psh：A端收到B端的PshAck，可以使用其中的port 11111 获取到SocketUdp，发送数据到srcAddr:srcPort
  5. Rst/Psh：对于UDP，Rst不一定需要，只需要使用一个定时器检查最后通信时间，超过一定时间则删除映射即可

3、未来

在单隧道上，队头阻塞问题像是一个毒瘤，在未来，这将是一个研究重点。