本文翻译自 TCP Hole Punching，原载于 Hacker News。

背景：为什么 TCP 打洞这么难？

TCP 打洞（TCP Hole Punching）是一种让两台位于 NAT（Network Address Translation）路由器后的计算机直接建立连接的技术。但要让它正常工作，需要满足一系列苛刻的条件：

• 双方必须知道对方的公网 IP（WAN IP）
• 必须知道正确的外部端口
• 必须在完全相同的时刻发起连接

在实际应用中，这通常意味着需要：

1. 使用 STUN 服务器查找公网 IP
2. 进行 NAT 类型枚举和端口预测
3. 通过 NTP 同步时间
4. 通过某个「信道」交换所有必要的元数据（公网 IP、端口预测、打洞时间等）

这一整套流程需要大量的基础设施和代码支持——复杂且容易出错。

问题来了： 如果你只是想测试一下你的打洞算法是否有效呢？你不关心其他部分的软件实现。这篇文章就介绍了一种简化的方法。

第一部分：选择时间桶（Bucket）

要绕过固定基础设施的需求，一个简单的方法是使用确定性算法，从单一参数推导出所有元数据。核心思想是：让双方在没有通信的情况下，基于时间收敛到相同的参数。

首先，我们基于 Unix 时间戳选择一个起始参数。但在分布式系统中，我们知道网络上不存在绝对的「现在」。所以需要一点数学技巧来制造「现在」：

now = timestamp()
max_clock_error = 20s  # 时间戳可能的最大偏差
min_run_window = 10s   # 双方运行程序的总时间窗口
window = (max_clock_error * 2) + 2
bucket = int((now - max_clock_error) // window)

这里定义了什么是「可接受的解决方案」：

• 协议有特定的运行时间范围
• 时间戳必须在某个范围内才被视为有效
• 通过量化处理，即使存在时钟偏差，双方也能收敛到同一个数字

这个量化后的数字就是所谓的「桶（bucket）」。

第二部分：选择端口

既然双方共享同一个 bucket，我们就可以用它来推导一个共享的端口列表。

核心假设是：本地端口等于外部端口。许多家用路由器会尝试在外部映射中保留源端口。这个特性被称为「等差映射（equal delta mapping）」——虽然不是所有路由器都支持，但为了算法简洁，我们牺牲了一些覆盖率。

为了在没有通信的情况下生成共享端口列表，我们用 bucket 作为伪随机数生成器（PRNG）的种子：

large_prime = 2654435761
stable_boundary = (bucket * large_prime) % 0xFFFFFFFF

这里 0xFFFFFFFF 限制了边界数的范围，防止溢出 PRNG 接受的种子值。

为什么用质数？ 如果乘数与模数共享公因数，可能的数字空间会因共享因子而缩小。质数确保数字空间包含唯一的项。

然后使用 randrange 函数计算端口范围。在我的代码中，我生成 16 个端口，并排除那些无法绑定的端口。手动选择随机端口时，与操作系统现有程序的端口冲突是预期中的情况。

第三部分：Socket 和网络编程

在继续之前，有必要回顾一下 TCP 打洞的 socket 要求。有一些非常特定的 socket 选项必须设置：

s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)
s.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEPORT, 1)

TCP 打洞涉及激进地重用 socket 地址。通常在 TCP 中，如果连接失败，你会关闭 socket。但在 TCP 打洞中，任何形式的清理都会破坏协议。

清理意味着调用 close()，而 close() 可能会发送 RST 数据包，告诉远程路由器「连接有问题，忽略它」。

如果你关闭 socket，操作系统也会开始自己的清理过程。socket 会进入 TIME_WAIT 等状态，即使你设置了正确的 socket 选项，也很难可靠地重用同一个地址。

为什么必须用非阻塞 Socket？

TCP 打洞唯一正确的模型是使用非阻塞 socket。你不能使用阻塞 socket，因为你需要能够快速发送 SYN 数据包而不必等待响应。

异步网络也不行。 异步网络会阻止你的软件精确控制时序，而 TCP 打洞对时序高度敏感。如果数据包交换偏差哪怕几毫秒，整个协议都可能失败。

我的建议是：使用非阻塞 socket 配合 select 进行轮询。这让你能够正确处理每个连接状态而不影响时序：

for ... sel.register(s, selectors.EVENT_WRITE | selectors.EVENT_READ)

打洞的过程很简单：在 (dest_ip, port) 元组上调用 connect_ex，每次睡眠 0.01 秒，直到过期（src_port == dest_port）。

实际的打洞过程并不优雅——你只是在疯狂发送 SYN 包。但这部分需要足够激进以创建远程映射，但又不能太激进以至于耗尽 CPU。我用 0.01 秒的睡眠时间来平衡。

第四部分：选择胜者

在这个算法中使用了多个端口，所以可能返回多个成功的连接。问题是：如何选择同一个连接？

我的方法是让双方选择一个领导者（leader）和跟随者（follower）。领导者是公网 IP 数值更大的一方。

领导者在一个连接上发送单个字符，然后干净地关闭其他连接：

winner.send(b"$")
...
loser.shutdown(socket.SHUT_RDWR)
loser.close()

跟随者使用 select 轮询事件。如果找到一个，调用 recv(1) 来选择那个连接（胜者）。

为什么用单个字符？ 因为 TCP 是流式协议。如果「成功」分隔符是一个单词，跟随者就必须实现缓冲读取算法来确保接收完整数据（我不想增加这个复杂性）。单个字符是原子的。

第五部分：整合

现在，我们得到一个简单的 TCP 打洞算法——只需要目标 IP 就能使用。

由于协议是确定性的：

• 测试时不需要基础设施
• 主机之间不需要交换元数据

主机仍可使用 NTP 同步时间（推荐，但可选——虚拟机中的旧操作系统可能无法很好地维护时间）。

假设另一个进程会协调运行这个工具。不过，只要命令落在 10 秒的 min_run_window 内，你也可以轻松在多个终端上自己运行所有内容。

注意： 此打洞方法适用于使用等差分配的常见路由器。

完整代码

你可以在原文中找到 tcp_punch.py 的完整实现。在本地测试时，可以运行：

python tcp_punch.py 127.0.0.1

来体验代码的工作方式。

总结

这篇文章展示了一种巧妙的 TCP 打洞简化方法：

核心思想： 通过将 Unix 时间戳量化为「桶」，双方可以在没有通信的情况下收敛到相同的参数，从而简化打洞测试。

这种方法牺牲了一定的覆盖率（不支持所有 NAT 类型），但换来了极大的简洁性，非常适合学习和测试 TCP 打洞的基本原理。

如果你想深入了解 NAT 穿透技术，建议进一步研究 STUN、TURN 和 ICE 协议，它们是 WebRTC 等 P2P 应用的基础。