NAT穿透解決方案介紹

最近公司要實現在各種網絡環境下面的多屏互動（機頂盒、android phone、iphone及PC端）的需求；由於IP地址資源有限的原因，目前我們使用的各種終端設備都位於局域網后面也就是多台設備共享同一個公網IP；例如：如果位於局域網里面的一個終端Agent A要與互聯網上的另一個終端Agent B通信，當A發送的data packet經過局域網出口處的NAT設備時，NAT會將data packet里面的source address字段替換成相應的公網IP和Port，然后再發送data packet到Agent B。Agent B看到的source address就是經過轉換后的IP和Port並不知道Agent A的局域網地址；當Agent B的響應到達Agent A的NAT設備后，NAT設備查找內存中保存的和這個外網地址相對應的內網地址，如果找到后就將這個data packet轉發到這個地址，這樣就實現了通信。

然而由於目前存在着各種不同類型的NAT設備對NAT有着不同的實現方式（將內外地址映射成外網地址的時候有着不同的行為方式），這就給NAT的穿透帶來了麻煩；目前主要的NAT類型有如下幾種：

1)Full-cone NAT, also known as one-to-one NAT

• 一旦一個內網地址 (iAddr:iPort) 被映射到一個外部地址 (eAddr:ePort), 來自 iAddr:iPort 的任何數據包將通過 eAddr:ePort 發送.
• 任何外部主機能夠通過eAddr:ePort這個地址發送數據包到iAddr:iPort.

2)Address-restricted-cone NAT

• 一旦一個內網地址 (iAddr:iPort) 被映射到一個外部地址 (eAddr:ePort), 來自 iAddr:iPort 的任何數據包將通過 eAddr:ePort 發送.
• 僅只有接收到主機(iAddr:iPort)通過eAddr:ePort發送的數據包的外部主機通過該主機的任何端口發送到eAddr:ePort的數據包才能夠被正確的轉發到iAddr:iPort.也就是說主機有關端口無關.

3)Port-restricted cone NAT

類似於address restricted cone NAT, 但是端口號有限制.

• 一旦一個內網地址 (iAddr:iPort) 被映射到一個外部地址 (eAddr:ePort), 來自 iAddr:iPort 的任何數據包將通過 eAddr:ePort 發送.
• 僅只有接收到主機(iAddr:iPort)通過eAddr:ePort發送的數據包的外部主機通過該主機的相同端口發送到eAddr:ePort的數據包才能夠被正確的轉發到iAddr:iPort.

4)Symmetric NAT

• 來自相同內部ip和port發送到相同目的地ip和port的請求被映射到唯一的外部ip和port地址；如果相同的內部主機采用相同的ip和port地址發送到不同的目的地，那么重新分配映射地址。
• 只有先前收到內部主機發送的包的外部主機才能夠發送返回包到內部主機。

針對前面三種NAT類型（即cone NAT）只要通信雙方彼此知道對方的內部地址和外部地址的映射關系，然后通過UDP打洞的方式就可以建立相互連接的通信；但是第四種也就是Symmetric NAT的話由於每次向不同目的地發送數據包時采用不同的外部地址，也就沒辦法通過直接的方式建立P2P連接。

 

1.各種網絡環境下的P2P通信解決方法：

（1）如果通信雙方在同一個局域網內，這種情況下可以不借助任何外力直接通過內網地址通信即可；

 

（2）如果通信雙方都在有獨立的公網地址，這種情況下當然可以不借助任何外力直接通信即可；

（3）如果通信雙方一方擁有獨立的公網地址另一方在NAT后面，那么可以由位於NAT后面的一方主動發起通信請求；

（4）如果通信雙方都位於NAT后面，且雙方的NAT類型都是cone NAT，那么可以通過一個STUN服務器發現自己的NAT類型以及內網和外網傳輸地址映射信息，然后通過Signaling(信令服務器，實現了SIP協議的主機)交換彼此的NAT類型及內網和外網傳輸地址映射信息，然后通過UDP打洞的方式建立通信連接；

（5）如果通信雙方有一方的NAT類型是Symmetric NAT，則無法直接建立P2P連接，這個時候就需要借助TURN(Traversal Using Relay NAT)即轉發服務器來實現間接通信；

 

2.協議及用到的相關技術介紹：

SDP(Session Description Protocol)

當初始化多媒體電視會議、IP電話、視頻流等會話的時候，參與者之間會要求傳送媒介的詳細、傳輸地址和其他會話描述元數據等信息；SDP為這些信息提供一種和傳輸方式無關的標准的表現形式。也就是說SDP僅僅只是一種描述會話信息的格式。它主要被各種不同的傳輸協議作為一種信息交換的格式使用列如：HTTP、RTSP、SIP、Email等各種協議。

如ICE里面的SDP內容為：

v=0 o=ice4j.org 0 0 IN IP4 192.168.106.215 s=- t=0 0 a=ice-options:trickle a=ice-ufrag:bc01a a=ice-pwd:1boove7ehnpo1lqho7unefni36 m=audio 3030 RTP/AVP 0 c=IN 192.168.106.215 IP4 a=mid:audio a=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.106.215 3030 typ host a=candidate:2 1 udp 1694498815 121.15.130.xxx 64923 typ srflx raddr 192.168.106.215 rport 3030

 

STUN(Session Traversal Utilities for NAT)

NAT會話穿透工具；STUN提供了一種方式使一個端點能夠確定NAT分配的和本地私有IP地址和端口相對應的公網IP地址和端口以及NAT的類型信息。它也為端點提供了一種方式保持一個NAT綁定不過期。NAT綁定過期則表示為相同的內網地址重新分配外網地址也就是端口號。

TURN(Traversal Using Relay NAT)

TURN是STUN協議的擴展，在實際應用中他也可以充當STUN的角色；如果一個位於NAT后面的設備想要和另外一個位於NAT后面的設備建立通信，當采用UDP打洞技術不能改實現的時候就必須要一台中間服務器扮演數據包轉發的角色，這台TURN服務器需要擁有公網的IP地址；

SIP(Session Initiation Protocol)

是一種Signaling（信令）通信協議；有許多互聯網應用需要創建有多個參與者的會話和管理參與者之間相互的數據交換，然而如果這些工作讓應用的參與者來實現是比較復雜的如：用戶也許在端點之間移動、通過多個名稱尋址和也許同時使用幾種不同的媒介通信。有許多協議能夠實現各種形式的多媒體會話進行數據傳送例如聲音、視頻或者文本消息。SIP能夠和這些協議一同合作，使一個客服端能夠發現參與這個會話的其他客服端並共享同一會話。為了定位后面加入會話的參與者等功能，SIP能夠為代理服務器創建基礎設施，客服端可以通過這個代理服務器實現會話注冊、邀請參與會話等功能。SIP是一個創建、修改和終止會話的靈活的多種用途的工具，不依賴於底層的傳輸協議並且不依賴於被創建的會話類型。

ICE(Interactive Connectivity Establishment)

是實現NAT穿透的一種技術方案；ICE是一種NAT穿透技術，通過offer/answer模型建立基於UDP的媒介流。ICE是offer/answer模型的擴展，通過在offer和answer的SDP里面包含多種IP地址和端口，然后對本地SDP和遠程SDP里面的IP地址進行配對，然后通過P2P連通性檢查進行連通性測試工作，如果測試通過即表明該傳輸地址對可以建立連接。其中IP地址和端口（也就是地址）有以下幾種：本機地址、通過STUN服務器反射后獲取的server-reflexive地址（內網地址被NAT映射后的地址）、relayed地址（和TURN轉發服務器相對應的地址）及Peer reflexive地址等。

 

3.ICE進行NAT穿透的基本過程：

 

在通常的ICE部署環境中，我們有兩個客服端想要建立通信連接，他們可以直接通過signaling服務器（如SIP服務器）執行offer/answer過程來交換SDP消息。

在ICE過程開始的時候，客服端忽略他們各自的網絡拓撲結構，不管是不是在NAT設備后面或者多個NAT后面，ICE允許客服端發現他們的所在網絡的拓撲結構的信息，然后找出一個或者更多的可以建立通信連接的路徑。

下圖顯示了一個典型的ICE部署環境，客服端L和R都在各自的NAT設備后面，下面簡單描述下ICE建立通信的過程：

（1）L和R先分別通過STUN和TURN服務器獲取自己的host address,server-reflexive address、relayed address（和TURN轉發服務器相對應的地址），其中server-reflexive address和relayed address通過定時刷新保證地址不過期。這些地址通常叫做candinate地址。

（2）給這些candinate地址分配優先級排序並格式化成SDP格式，通過SIP服務器交換彼此的SDP；

（3）交換完成后根據一定的原則把本地的候選和遠程的候選進行配對，每一對都有自己的優先級並根據優先級進行排序后放入Check列表里面（兩邊都會有相同的Check列表）。

（4）然后進行連接性測試，測試前會選擇一個客服端扮演Controlled角色和另一個扮演Controling角色，連通性檢查完成后扮演Controling角色的客服端負責在有效的Candinate對列表里面選擇一個作為一個被選中的傳輸通道並通知Controlled的客服端。

（5）利用被選中的candinate地址對進行通信。

 

4.ICE JAVA實現代碼

 

我這里的樣例代碼采用ICE4J來實現，ICE4J的API文檔可以參考http://bluejimp.com/jitsi/ice4j/javadoc/，在這個實現里面沒有利用SIP服務器進行SDP信息的交換而是采用手動輸入的方式，在生產環境中可以部署一台socket.io或者其他SIP服務器

 

/** 
* Copyright (c) 2014 All Rights Reserved.  3 * TODO  4 */

import java.beans.PropertyChangeEvent;  7 import java.beans.PropertyChangeListener;  8 import java.io.BufferedReader;  9 import java.io.InputStreamReader;  10 import java.net.DatagramSocket;  11 import java.net.SocketAddress;  12 import java.util.List;  13 
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;  15 import org.apache.log4j.Logger;  16 import org.ice4j.Transport;  17 import org.ice4j.TransportAddress;  18 import org.ice4j.ice.Agent;  19 import org.ice4j.ice.Component;  20 import org.ice4j.ice.IceMediaStream;  21 import org.ice4j.ice.IceProcessingState;  22 import org.ice4j.ice.LocalCandidate;  23 import org.ice4j.ice.NominationStrategy;  24 import org.ice4j.ice.RemoteCandidate;  25 import org.ice4j.ice.harvest.StunCandidateHarvester;  26 import org.ice4j.ice.harvest.TurnCandidateHarvester;  27 import org.ice4j.security.LongTermCredential;  28 
import test.SdpUtils;  30 
public class IceClient {  32 
     private int port;  34 
     private String streamName;  36 
     private Agent agent;  38 
     private String localSdp;  40 
     private String remoteSdp;  42     
     private String[] turnServers = new String[] { "stun.jitsi.net:3478" };  44     
     private String[] stunServers = new String[] { "stun.stunprotocol.org:3478" };  46     
     private String username = "guest";  48     
     private String password = "anonymouspower!!";  50     
     private IceProcessingListener listener;  52 
     static Logger log = Logger.getLogger(IceClient.class);  54 
     public IceClient(int port, String streamName) {  56           this.port = port;  57           this.streamName = streamName;  58           this.listener = new IceProcessingListener();  59  }  60 
     public void init() throws Throwable {  62 
          agent = createAgent(port, streamName);  64 
 agent.setNominationStrategy(NominationStrategy.NOMINATE_HIGHEST_PRIO);  66          
 agent.addStateChangeListener(listener);  68 
          agent.setControlling(false);  70 
          agent.setTa(10000);  72 
          localSdp = SdpUtils.createSDPDescription(agent);  74 
          log.info("=================== feed the following"
                    + " to the remote agent ===================");  77 
 System.out.println(localSdp);  79 
          log.info("======================================"
                    + "========================================\n");  82  }  83     
     public DatagramSocket getDatagramSocket() throws Throwable {  85 
          LocalCandidate localCandidate = agent  87  .getSelectedLocalCandidate(streamName);  88 
          IceMediaStream stream = agent.getStream(streamName);  90           List<Component> components = stream.getComponents();  91           for (Component c : components) {  92  log.info(c);  93  }  94  log.info(localCandidate.toString());  95           LocalCandidate candidate = (LocalCandidate) localCandidate;  96           return candidate.getDatagramSocket();  97 
 }  99 
     public SocketAddress getRemotePeerSocketAddress() { 101           RemoteCandidate remoteCandidate = agent 102  .getSelectedRemoteCandidate(streamName); 103           log.info("Remote candinate transport address:"
                    + remoteCandidate.getTransportAddress()); 105           log.info("Remote candinate host address:"
                    + remoteCandidate.getHostAddress()); 107           log.info("Remote candinate mapped address:"
                    + remoteCandidate.getMappedAddress()); 109           log.info("Remote candinate relayed address:"
                    + remoteCandidate.getRelayedAddress()); 111           log.info("Remote candinate reflexive address:"
                    + remoteCandidate.getReflexiveAddress()); 113           return remoteCandidate.getTransportAddress(); 114  } 115 
     /**
 * Reads an SDP description from the standard input.In production 118  * environment that we can exchange SDP with peer through signaling 119  * server(SIP server) 120      */
     public void exchangeSdpWithPeer() throws Throwable { 122           log.info("Paste remote SDP here. Enter an empty line to proceed:"); 123           BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader( 124  System.in)); 125 
          StringBuilder buff = new StringBuilder(); 127           String line = new String(); 128 
          while ((line = reader.readLine()) != null) { 130                line = line.trim(); 131                if (line.length() == 0) { 132                     break; 133  } 134  buff.append(line); 135                buff.append("\r\n"); 136  } 137 
          remoteSdp = buff.toString(); 139 
 SdpUtils.parseSDP(agent, remoteSdp); 141  } 142 
     public void startConnect() throws InterruptedException { 144 
          if (StringUtils.isBlank(remoteSdp)) { 146                throw new NullPointerException( 147                          "Please exchange sdp information with peer before start connect! "); 148  } 149 
 agent.startConnectivityEstablishment(); 151 
          // agent.runInStunKeepAliveThread();

          synchronized (listener) { 155  listener.wait(); 156  } 157 
 } 159 
     private Agent createAgent(int rtpPort, String streamName) throws Throwable { 161           return createAgent(rtpPort, streamName, false); 162  } 163 
     private Agent createAgent(int rtpPort, String streamName, 165                boolean isTrickling) throws Throwable { 166          
          long startTime = System.currentTimeMillis(); 168          
          Agent agent = new Agent(); 170          
 agent.setTrickling(isTrickling); 172 
          // STUN
          for (String server : stunServers){ 175                String[] pair = server.split(":"); 176                agent.addCandidateHarvester(new StunCandidateHarvester( 177                          new TransportAddress(pair[0], Integer.parseInt(pair[1]), 178  Transport.UDP))); 179  } 180 
          // TURN
          LongTermCredential longTermCredential = new LongTermCredential(username, 183  password); 184 
          for (String server : turnServers){ 186                String[] pair = server.split(":"); 187                agent.addCandidateHarvester(new TurnCandidateHarvester( 188                          new TransportAddress(pair[0], Integer.parseInt(pair[1]), Transport.UDP), 189  longTermCredential)); 190  } 191           // STREAMS
 createStream(rtpPort, streamName, agent); 193 
          long endTime = System.currentTimeMillis(); 195           long total = endTime - startTime; 196 
          log.info("Total harvesting time: " + total + "ms."); 198 
          return agent; 200  } 201 
     private IceMediaStream createStream(int rtpPort, String streamName, 203                Agent agent) throws Throwable { 204           long startTime = System.currentTimeMillis(); 205           IceMediaStream stream = agent.createMediaStream(streamName); 206           // rtp
          Component component = agent.createComponent(stream, Transport.UDP, 208                     rtpPort, rtpPort, rtpPort + 100); 209 
          long endTime = System.currentTimeMillis(); 211           log.info("Component Name:" + component.getName()); 212           log.info("RTP Component created in " + (endTime - startTime) + " ms"); 213 
          return stream; 215  } 216 
     /**
 * Receive notify event when ice processing state has changed. 219      */
     public static final class IceProcessingListener implements
 PropertyChangeListener { 222 
          private long startTime = System.currentTimeMillis(); 224 
          public void propertyChange(PropertyChangeEvent event) { 226 
               Object state = event.getNewValue(); 228 
               log.info("Agent entered the " + state + " state."); 230                if (state == IceProcessingState.COMPLETED) { 231                     long processingEndTime = System.currentTimeMillis(); 232                     log.info("Total ICE processing time: "
                              + (processingEndTime - startTime) + "ms"); 234                     Agent agent = (Agent) event.getSource(); 235                     List<IceMediaStream> streams = agent.getStreams(); 236 
                    for (IceMediaStream stream : streams) { 238                          log.info("Stream name: " + stream.getName()); 239                          List<Component> components = stream.getComponents(); 240                          for (Component c : components) { 241                               log.info("------------------------------------------"); 242                               log.info("Component of stream:" + c.getName() 243                                         + ",selected of pair:" + c.getSelectedPair()); 244                               log.info("------------------------------------------"); 245  } 246  } 247 
                    log.info("Printing the completed check lists:"); 249                     for (IceMediaStream stream : streams) { 250 
                         log.info("Check list for  stream: " + stream.getName()); 252 
                         log.info("nominated check list:" + stream.getCheckList()); 254  } 255                     synchronized (this) { 256                          this.notifyAll(); 257  } 258                } else if (state == IceProcessingState.TERMINATED) { 259                     log.info("ice processing TERMINATED"); 260                } else if (state == IceProcessingState.FAILED) { 261                     log.info("ice processing FAILED"); 262  ((Agent) event.getSource()).free(); 263  } 264  } 265  } 266 } 267  
import java.io.IOException; 269 import java.net.DatagramPacket; 270 import java.net.DatagramSocket; 271 import java.net.SocketAddress; 272 import java.util.concurrent.TimeUnit; 273 

public class PeerA { 276 
     public static void main(String[] args) throws Throwable { 278           try { 279                IceClient client = new IceClient(2020, "audio"); 280  client.init(); 281  client.exchangeSdpWithPeer(); 282  client.startConnect(); 283                final DatagramSocket socket = client.getDatagramSocket(); 284                final SocketAddress remoteAddress = client 285  .getRemotePeerSocketAddress(); 286  System.out.println(socket.toString()); 287                new Thread(new Runnable() { 288 
                    public void run() { 290                          while (true) { 291                               try { 292                                    byte[] buf = new byte[1024]; 293                                    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, 294  buf.length); 295  socket.receive(packet); 296                                    System.out.println("receive:"
                                             + new String(packet.getData(), 0, packet 298  .getLength())); 299                               } catch (IOException e) { 300                                    // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace(); 302  } 303 
 } 305  } 306  }).start(); 307 
               new Thread(new Runnable() { 309 
                    public void run() { 311                          int count = 1; 312                          while (true) { 313                               try { 314                                    byte[] buf = ("send msg " + count++ + "").getBytes(); 315                                    DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, 316  buf.length); 317 
 packet.setSocketAddress(remoteAddress); 319  socket.send(packet); 320                                    System.out.println("send msg"); 321                                    TimeUnit.SECONDS.sleep(10); 322                               } catch (Exception e) { 323                                    // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace(); 325  } 326 
 } 328  } 329  }).start(); 330           } catch (Exception e) { 331                // TODO Auto-generated catch block
 e.printStackTrace(); 333  } 334 
 } 336 
}

 

 

5.參考資料

 

  ICE:https://tools.ietf.org/html/rfc5245

  SDP:http://tools.ietf.org/html/rfc4566

  SIP:http://tools.ietf.org/html/rfc3261

  NAT:http://en.wikipedia.org/wiki/Network_address_translation

 STUN:http://tools.ietf.org/html/rfc5389

 TURN:http://tools.ietf.org/html/rfc5766

ICE4J:http://code.google.com/p/ice4j/