Java使用黑盒方式模擬實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透
前言:
最近準備使用樹莓派搭建一個內(nèi)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng),然后在外網(wǎng)訪問。因此選擇了釘釘內(nèi)網(wǎng)穿透的方式,因為這種方式最為簡單,但是由于樹莓派的架構(gòu)是ARM指令集,所以無法運行成功,釘釘內(nèi)網(wǎng)穿透只能在我的X86筆記本上面運行了。但是我倒是對內(nèi)網(wǎng)穿透這個概念特別感興趣了,所以就想著能不能利用自己所學(xué)習(xí)的知識,自己來模擬實現(xiàn)一個內(nèi)網(wǎng)穿透工具。
1. 內(nèi)網(wǎng)穿透簡介
從黑盒的角度理解: 通常個人電腦無論是連接WIFI上網(wǎng)還是用網(wǎng)線上網(wǎng),都是屬于局域網(wǎng)里邊的,外網(wǎng)無法直接訪問到你的電腦,內(nèi)網(wǎng)穿透可以讓你的局域網(wǎng)中的電腦實現(xiàn)外網(wǎng)訪問功能。舉一個例子: 你在本地運行了一個Web服務(wù),占用端口是8080,那么你本地進行測試就是://localhost:8080。但是如果你想給一個好朋友分享你的服務(wù),那怎么辦呢?是的,就是采用內(nèi)網(wǎng)穿透的方式。 實際上,內(nèi)網(wǎng)穿透是很復(fù)雜的一個操作,百度百科上面的解釋為:
內(nèi)網(wǎng)穿透,也即 NAT 穿透,進行 NAT 穿透是為了使具有某一個特定源 IP 地址和源端口號的數(shù)據(jù)包不被 NAT 設(shè)備屏蔽而正確路由到內(nèi)網(wǎng)主機。
這里,我顯然是做不了的。我需要的只是從外網(wǎng)訪問到內(nèi)網(wǎng)的服務(wù),至于具體的過程我不關(guān)心,只需要達到這個目的即可了。
2. 具體想法和實現(xiàn)細節(jié)
2.1 具體想法
無論是哪種方式實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透都是需要一個公網(wǎng)IP地址的,我這里使用的一臺阿里云的服務(wù)器。下面是整個模擬的示意圖:
注:
1.內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端部署在具有公網(wǎng)IP的機器上。
2.內(nèi)網(wǎng)服務(wù)和內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端部署在內(nèi)網(wǎng)機器上。
說明:
我的想法很簡單,即用戶訪問內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器,然后內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器將用戶的請求報文轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端,接著內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端將請求報文轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)服務(wù),然后接收內(nèi)網(wǎng)服務(wù)的響應(yīng)報文,將其轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端,最后由內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端將其轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。大致流程是這樣的,對于外部的用戶來說它只會認為它訪問了一個外網(wǎng)服務(wù),因為用戶面對的是一個黑盒系統(tǒng)。
2.2 實現(xiàn)細節(jié)
為了實現(xiàn)上面那個目標(biāo),其中最為關(guān)鍵的就是維持內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端和內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端的一個長連接,我需要使用這個長連接來交換雙方的報文信息。因此,這個長連接需要在系統(tǒng)啟動后就建立好,當(dāng)有用戶的請求進來的時候,內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端首先接收這個請求,然后使用長連接將其轉(zhuǎn)給內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端,內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端使用該報文作為請求訪問內(nèi)網(wǎng)服務(wù),然后接收內(nèi)網(wǎng)服務(wù)的響應(yīng),將其轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端,最后將其轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。
3. 代碼實現(xiàn)
3.1 目錄結(jié)構(gòu)
說明: 這個是內(nèi)網(wǎng)穿透的服務(wù)端和客戶端代碼,我是放在一起了,沒有分開寫,因為雙方需要使用到一些公用的類。但是建議還是分開成兩個工程,因為需要分開部署。或者導(dǎo)出成jar包的時候,分別選擇不同的主類即可。
客戶端代碼文件:Client.java、Connection.java、Msg.java、ProxyConnection.java。
服務(wù)端代碼文件:Server.java、Connection.java、Msg.java、ProxyConnection.java。
3.2 Client 類
package org.dragon; import java.io.IOException; import java.net.Socket; import java.net.UnknownHostException; /** * 用于雙向通信的客戶端 * */ public class Client { private static final String REMOTE_HOST = "公網(wǎng)IP"; private static final String LOCAL_HOST = "127.0.0.1"; public static void main(String[] args) { try { Socket proxy = new Socket(REMOTE_HOST, 10000); System.out.println("Connect Server Successfully!"); ProxyConnection proxyConnection = new ProxyConnection(proxy); // 維持和內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端的長連接 // 可以實現(xiàn)同一個人多次訪問 while (true) { Msg msg = proxyConnection.receiveMsg(); Connection connection = new Connection(new Socket(LOCAL_HOST, 8080)); connection.sendMsg(msg); // 將請求報文發(fā)送給內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器,即模擬發(fā)送請求報文 msg = connection.receiveMsg(); // 接收內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器的響應(yīng)報文 proxyConnection.sendMsg(msg); // 將內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器的響應(yīng)報文轉(zhuǎn)發(fā)給公網(wǎng)服務(wù)器(內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端) } } catch (UnknownHostException e) { e.printStackTrace(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
3.3 Connection 類
package org.dragon; import java.io.BufferedInputStream; import java.io.BufferedOutputStream; import java.io.IOException; import java.io.InputStream; import java.io.OutputStream; import java.net.Socket; /** * 維持用戶和服務(wù)器的連接 * */ public class Connection { private InputStream input; private OutputStream output; public Connection(Socket client) throws IOException { this.input = new BufferedInputStream(client.getInputStream()); this.output = new BufferedOutputStream(client.getOutputStream()); } public Msg receiveMsg() throws IOException { byte[] msg = new byte[2*1024]; int len = input.read(msg); return new Msg(len, msg); } public void sendMsg(Msg msg) throws IOException { output.write(msg.getMsg(), 0, msg.getLen()); output.flush(); // 每一次寫入都要刷新,防止阻塞。 } }
3.4 Msg 類
package org.dragon; public class Msg { private int len; private byte[] msg; public Msg(int len, byte[] msg) { this.len = len; this.msg = msg; } public int getLen() { return len; } public byte[] getMsg() { return msg; } @Override public String toString() { return "msg: " + len + " --> " + new String(msg, 0, len); } }
3.5 ProxyConnection 類
package org.dragon; import java.io.BufferedInputStream; import java.io.BufferedOutputStream; import java.io.DataInputStream; import java.io.DataOutputStream; import java.io.IOException; import java.net.Socket; import java.net.UnknownHostException; /** * @author Alfred * * 代理服務(wù)器和代理客戶端是用于維持兩者之間通信的一個長連接Socket, * 主要的目的是因為雙方之間的通信方式是全雙工的,它們的作用是為了傳遞報文。 * */ public class ProxyConnection { private Socket proxySocket; private DataInputStream input; private DataOutputStream output; public ProxyConnection(final Socket socket) throws UnknownHostException, IOException { proxySocket = socket; input = new DataInputStream(new BufferedInputStream(proxySocket.getInputStream())); output = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(proxySocket.getOutputStream())); } /** * 接收報文 * @throws IOException * */ public Msg receiveMsg() throws IOException { int len = input.readInt(); if (len <= 0) { throw new IOException("異常接收數(shù)據(jù),長度為:" + len); } byte[] msg = new byte[len]; int size = input.read(msg); // 這里到底會不會讀取到這么多,我也有點迷惑! return new Msg(size, msg); // 為了防止出錯,還是使用一個記錄實際讀取值size } /** * 轉(zhuǎn)發(fā)報文 * @throws IOException * */ public void sendMsg(Msg msg) throws IOException { output.writeInt(msg.getLen()); output.write(msg.getMsg(), 0, msg.getLen()); output.flush(); // 每一次寫入都需要手動刷新,防止阻塞。 } }
3.6 Server 類
package org.dragon; import java.io.IOException; import java.net.ServerSocket; import java.net.Socket; /** * 用于雙向通信的服務(wù)器 * */ public class Server { public static void main(String[] args) { try (ServerSocket server = new ServerSocket(10000)) { // 用于交換控制信息的Socket Socket proxy = server.accept(); ProxyConnection proxySocket = new ProxyConnection(proxy); // 用于正常通訊的socket while (true) { Socket client = server.accept(); Connection connection = new Connection(client); Msg msg = connection.receiveMsg(); // 接收用戶的請求報文 proxySocket.sendMsg(msg); // 轉(zhuǎn)發(fā)用戶的請求報文給內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器 msg = proxySocket.receiveMsg(); // 接收內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器的響應(yīng)報文 connection.sendMsg(msg); // 轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器的響應(yīng)報文給用戶 } } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } } }
4. 內(nèi)網(wǎng)服務(wù)
內(nèi)網(wǎng)服務(wù)是一個web服務(wù),這里我使用的是一個簡單的SpringBoot項目,它只有三個請求方法。
package org.dragon.controller; import java.util.HashMap; import java.util.LinkedHashMap; import java.util.Map; import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping; import org.springframework.web.bind.annotation.RestController; @RestController public class Controller { @GetMapping("/loveEN") public String testEN() { return "I love you yesterday and today!"; } @GetMapping("/loveZH") public String loveZH() { return "有一美人兮,見之不忘。一日不見兮,思之如狂。鳳飛翱翔兮,四海求凰。無奈佳人兮,不在東墻。"; } @GetMapping("/loveJson") public Map<String, String> loveJson() { HashMap<String, String> map = new LinkedHashMap<>(); map.put("english", "I love you yesterday and today!"); map.put("chinese", "有一美人兮,見之不忘。一日不見兮,思之如狂。" + "鳳飛翱翔兮,四海求凰。無奈佳人兮,不在東墻。"); return map; } }
5. 測試
5.1 內(nèi)網(wǎng)測試
啟動內(nèi)網(wǎng)服務(wù),在瀏覽器輸入以下三條URL進行測試,功能正常。
5.2 外網(wǎng)測試
先后啟動內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)端和內(nèi)網(wǎng)穿透客戶端,然后在瀏覽器訪問一下三條URL即可。 注意: 1.如果你自己測試,切換成你運行內(nèi)網(wǎng)穿透服務(wù)器的ip地址或者使用域名也行。 2.我這里外網(wǎng)機器和內(nèi)網(wǎng)機器使用的是不同的端口(隨便使用,只要不和自己機器上的服務(wù)端口沖突就行了),實際上可以在外網(wǎng)使用80端口,這樣對普通用戶比較友好。 3.第三條測試實際上是失敗的,可以看到上面那個加載動畫,一直在加載。按理說這個應(yīng)該很快就停止了,但是似乎無法停下來。這是系統(tǒng)的bug了,但是由于我掌握的知識有限,就不去解決了。
6. 注意事項
這里的代碼是一種模擬,它只能模擬這個功能,但是基本上不具備實際的作用,哈哈。因為我這里只有一個長連接,所以只能支持串行的通信,最好就是一個人簡單的調(diào)用,似乎調(diào)用速度也不能太快了。我想了一種方式,在客戶端和服務(wù)器之間維持一個連接池,這樣就可以實現(xiàn)多線程訪問了。這里沒有處理TCP的粘包和分包(我理解了這個概念,但是我不太會處理它),所以我默認請求報文和響應(yīng)報文都是2KB以內(nèi)大小。如果超過這個長度會導(dǎo)致問題,盡管可以調(diào)大這個參數(shù),但是如果多數(shù)報文的都是很小的話,也會導(dǎo)致效率低下。這個內(nèi)網(wǎng)穿透是可以支持TCP之上的各種協(xié)議的,不一定是HTTP,至少理論上是可以的。
7. 總結(jié)
從這個想法的萌生到實現(xiàn)這個功能也是花了我好幾天時間的,這本身就是一個學(xué)習(xí)的過程。學(xué)習(xí)使用自己的網(wǎng)絡(luò)和編程知識解決問題,我認為這是一種很好的學(xué)習(xí)方式——學(xué)以致用。書到用時方恨少,在這個過程中體現(xiàn)的淋漓盡致,想要達到某個目的,但是由于自己知識的不足,沒有什么特別好的解決辦法,只能采用一些不優(yōu)雅的實現(xiàn)方式了。不過,辯證的看,這也是一件好事,至少它指明了下一步學(xué)習(xí)的方向。
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