自由通讯的魔法：Go从零实现UDP/P2P 聊天工具

嘿，各位网络巫师们！今天我们要揭秘一个神奇的魔法——如何让两个不同网络下的客户端，绕过所有阻碍，直接进行秘密通信！这个项目将带你探索 Go 语言实现的 UDP 模式下的p2p技术，让你也能成为网络通信的魔法师！

项目概述

这是一个简单但强大的 P2P 通信系统，由两位得力助手组成：

  1. 红娘服务器：扮演月老角色，为两个素未谋面的客户端牵线搭桥
  2. 通信客户端：一旦拿到对方的联系方式，就能甩开红娘，直接私聊（坏笑）

技术魔法原理

P2P的秘密

想象一下：两个客户端就像住在两个封闭小区里的人，小区门口有保安（NAT 设备）严格检查访客。直接敲门是行不通的，但我们可以用一个巧妙的方法——

  1. 两个人都先给小区外的红娘服务器打电话："我想认识新朋友！"
  2. 红娘记下了两人的家庭住址（公网 IP 和端口）
  3. 红娘告诉双方："对方住在某某小区几号门"
  4. 两人同时尝试给对方打电话（虽然可能都打不通）
  5. 关键来了！这次拨号虽然失败，但会在各自小区门口留下记录："这个人可以接来自某某小区的电话"
  6. 当他们再次尝试联系时——奇迹发生了！电话居然接通了！
  7. 从此，两人可以自由聊天，再也不需要红娘从中传话了！

代码实现分析

红娘服务器实现（幕后牵线人）

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "time"
)

func main() {
    listener, err := net.ListenUDP("udp", &net.UDPAddr{IP: net.IPv4zero, Port: 9981})
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
        return
    }
    log.Printf("本地地址: <%s> \n", listener.LocalAddr().String())
    peers := make([]net.UDPAddr, 0, 2)  // 最多介绍两个有缘人
    data := make([]byte, 1024)
    for {
        n, remoteAddr, err := listener.ReadFromUDP(data)
        if err != nil {
            fmt.Printf("error during read: %s", err)
        }
        log.Printf("<%s> %s\n", remoteAddr.String(), data[:n])
        peers = append(peers, *remoteAddr)
        // 凑齐一对就开始介绍
        if len(peers) == 2 {
            log.Printf("进行UDP穿透,建立 %s <--> %s 的连接\n", peers[0].String(), peers[1].String())
            listener.WriteToUDP([]byte(peers[1].String()), &peers[0])  // 告诉第一个人第二个人的地址
            listener.WriteToUDP([]byte(peers[0].String()), &peers[1])  // 告诉第二个人第一个人的地址
            time.Sleep(time.Second * 8)  // 给两人一点时间熟悉一下
            log.Println("中转服务器退出,仍不影响peers间通信")  // 红娘功成身退
            return
        }
    }
}

服务器端的主要功能：

  1. 在 UDP 端口 9981 上监听连接
  2. 维护一个 peers 数组，最多存储两个客户端的地址信息
  3. 当有客户端发送数据时，将其地址添加到 peers 数组中
  4. 当 peers 数组中有两个客户端时，执行以下操作：
    • 将第一个客户端的地址信息发送给第二个客户端
    • 将第二个客户端的地址信息发送给第一个客户端
    • 等待 8 秒，确保两个客户端有足够的时间完成穿透
    • 服务器退出，但不影响两个客户端之间已建立的 P2P 连接

客户端实现（想要交友的小伙伴）

package main

import (
    "fmt"
    "log"
    "net"
    "os"
    "strconv"
    "strings"
    "time"
)

var tag string  // 我的昵称

const HAND_SHAKE_MSG = "我是打招呼消息"  // 破冰开场白

func main() {
    // 当前进程标记字符串,便于显示
    tag = os.Args[1]
    srcAddr := &net.UDPAddr{IP: net.IPv4zero, Port: 7777} // 注意端口必须固定，这是我的固定电话
    dstAddr := &net.UDPAddr{IP: net.ParseIP("*.*.*.*"), Port: 9981} // 红娘服务器地址（已隐藏真实IP）
    conn, err := net.DialUDP("udp", srcAddr, dstAddr)
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
    }
    // 向红娘自我介绍
    if _, err = conn.Write([]byte("hello, I'm new peer:" + tag)); err != nil {
        log.Panic(err)
    }
    // 等待红娘介绍对象
    data := make([]byte, 1024)
    n, remoteAddr, err := conn.ReadFromUDP(data)
    if err != nil {
        fmt.Printf("error during read: %s", err)
    }
    conn.Close()  // 拿到联系方式后，就不需要红娘了
    anotherPeer := parseAddr(string(data[:n]))  // 解析对方地址
    fmt.Printf("local:%s server:%s another:%s\n", srcAddr, remoteAddr, anotherPeer.String())
    // 开始穿透（破冰行动）
    bidirectionHole(srcAddr, &anotherPeer)
}

func parseAddr(addr string) net.UDPAddr {
    t := strings.Split(addr, ":")
    port, _ := strconv.Atoi(t[1])
    return net.UDPAddr{
        IP:   net.ParseIP(t[0]),
        Port: port,
    }
}

func bidirectionHole(srcAddr *net.UDPAddr, anotherAddr *net.UDPAddr) {
    conn, err := net.DialUDP("udp", srcAddr, anotherAddr)
    if err != nil {
        fmt.Println(err)
    }
    defer conn.Close()
    // 向另一个peer发送一条udp消息(对方peer的nat设备会丢弃该消息,非法来源),用意是在自身的nat设备打开一条可进入的通道,这样对方peer就可以发过来udp消息
    if _, err = conn.Write([]byte(HAND_SHAKE_MSG)); err != nil {
        log.Println("send handshake:", err)
    }
    go func() {
        for {
            time.Sleep(10 * time.Second)
            if _, err = conn.Write([]byte("from [" + tag + "]")); err != nil {
                log.Println("send msg fail", err)
            }
        }
    }()
    for {
        data := make([]byte, 1024)
        n, _, err := conn.ReadFromUDP(data)
        if err != nil {
            log.Printf("error during read: %s\n", err)
        } else {
            log.Printf("收到数据:%s\n", data[:n])
        }
    }
}

客户端的主要功能：

  1. 从命令行参数获取标签（tag），用于标识自己
  2. 在固定端口 7777 上创建 UDP 连接（注意：端口必须固定,程序自定义的端口）
  3. 连接到服务器（...:9981）并发送自己的标识信息
  4. 从服务器接收另一个客户端的地址信息
  5. 关闭与服务器的连接
  6. 调用 bidirectionHole 函数进行双向通讯：
    • 创建一个连接到另一个客户端的 UDP 连接
    • 发送一条握手消息，虽然可能被对方的 NAT 丢弃，但会在自己的 NAT 上打开一条通道
    • 启动一个 goroutine，每 10 秒向对方发送一条消息
    • 主 goroutine 持续监听并打印来自对方的消息

使用魔法指南

如何启动红娘服务器

  1. 在一台有公网 IP 的服务器上，施展以下咒语：
go build -o server.exe main.go  # 铸造魔法道具
./server.exe  # 启动红娘服务

如何让两个客户端建立私聊

  1. 在两个不同的网络环境（比如不同的家庭网络）中，分别启动客户端：
go build -o client.exe main.go  # 铸造魔法道具
./client.exe 小明  # 第一个客户端，名为小明
./client.exe 小红  # 第二个客户端，名为小红
  1. 接下来，魔法就会自动发生！两个客户端会自动联系红娘，获取对方的地址，完成 P2P，然后就可以直接聊天啦！

魔法注意事项

⚠️ 重要提示：以下是施展魔法的关键要点！ ⚠️

  1. 客户端的端口必须固定的！这就像是魔法通讯的专用频道，一旦改变，魔法就会失效！
  2. 你需要在客户端代码中填入真实的红娘服务器 IP 地址，替换掉 *.*.*.*
  3. 红娘服务器是个热心人，但她只在介绍阶段工作。一旦两位客户端建立了私聊，红娘就会功成身退，而私聊不会受到影响
  4. 记得在实际部署时修改服务器 IP 地址，代码中的 *.*.*.* 只是个占位符

魔法升级建议

如果你想让这个魔法更加强大，可以考虑以下升级路径：

  1. 添加错误重试魔法，让连接更加稳定可靠
  2. 添加心跳检测咒语，及时发现魔法连接是否中断
  3. 让红娘服务器能够同时介绍多对朋友，而不仅仅是一对
  4. 添加通信加密魔法，保护私聊内容不被偷听

魔法师总结

这个项目用简单的 Go 代码展示了 UDP 穿透这个网络魔法的实现方法。通过这个魔法，我们能够让两个被防火墙隔离的客户端建立直接的秘密通信通道！

这种魔法在很多地方都有应用：

  • 在线游戏中，玩家之间的低延迟通信
  • 视频通话软件，让通话更加流畅清晰
  • 文件共享工具，实现点对点高速传输

虽然示例代码看起来简单，但它包含了 UDP 穿透魔法的核心秘密。掌握了这个魔法，你就可以进一步探索更复杂的 P2P 通信系统，成为真正的网络魔法师！

现在，快去施展你的魔法吧！🧙♂️✨

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