基于ICE的SIP穿越NAT方法的研究*

王夢杰口，何加銘

(1.寧波大學(xué)通信技術(shù)研究所，浙江寧波315211; 2.浙江省移動網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)重點實驗室，浙江寧波315211)

1 引言

NAT[1]已應(yīng)用于各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，它是一種將 局域網(wǎng)IP地址轉(zhuǎn)換為公共IP地址的地址轉(zhuǎn)換技術(shù)[21。 NAT主要工作在網(wǎng)絡(luò)層，當(dāng)報文在經(jīng)過NAT設(shè)備時’ 應(yīng)用層中包含的地址信息不做任何修改，只修改網(wǎng)絡(luò) 層和傳輸層中的報文信息，其中包含的地址信息也會 被修改。SIP協(xié)議是應(yīng)用層協(xié)議，當(dāng)SIP終端使用SIP信 令建立會話通信時，后續(xù)流媒體和信令的交互使用的 傳輸?shù)刂范际荢IP[3]信令中描述的私網(wǎng)IP地址，而這個 私網(wǎng)IP地址不能在公網(wǎng)上進行路由，所以媒體通道不 能正常建立w。

為解決NAT穿越問題，IETF提出了一些NAT 穿越的技術(shù)規(guī)范，例如：ALGs (Application Layer Gateways)、中間盒技術(shù)、STUN (Simple Traversal of UDP through NAT) ?, TURN (Traversal Using Relay NAT)等氣這些方案都有局限性，只能根據(jù)不 同的網(wǎng)絡(luò)情況選擇合適的方案，沒有很好地解決NAT 穿越問題。所以，目前需要一種全面綜合性NAT穿越 方法，而ICE技術(shù)正好是一種NAT穿越的綜合性解決 方案，它結(jié)合了STUN和TURN的穿越NAT方式使 之能在各種NAT情況下進行穿透。

本文詳細介紹了ICE算法，并針對ICE在對稱型 NAT穿越上提出了優(yōu)化方案，使ICE穿越NAT的時間 更短，同時也改進了ICE連通性測試時間較長的不足。

2 NAT的類型和特點[6]

2.1 完全圓錐（Full Cone) NAT

內(nèi)網(wǎng)主機從相同的IP地址和端口號發(fā)出的所有請 求都會被完全圓錐NAT映射成相同的外網(wǎng)IP地址和端 口號。同時，通過這個映射的外網(wǎng)IP地址和端口號， 任何外網(wǎng)主機都能夠向這個內(nèi)網(wǎng)主機發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.2 受限圓錐（Restricted Cone) NAT

內(nèi)網(wǎng)主機從相同的IP地址和端口號發(fā)出的所有請 求都會被受限圓錐NAT映射成相同的外網(wǎng)IP地址和端 口號，但不同于完全圓錐NAT的是、只有內(nèi)網(wǎng)主機先 向外網(wǎng)的某個主機地址發(fā)送數(shù)據(jù)后，才能接收到該外 網(wǎng)主機發(fā)送給內(nèi)網(wǎng)主機的數(shù)據(jù)，而拒絕其他外網(wǎng)主機 發(fā)送的數(shù)據(jù)包，支持數(shù)據(jù)包過濾功能。

2.3 端口受限維形(Port Restricted Cone) NAT

在映射規(guī)則上，端口受限錐形NAT和受限圓錐 NAT—樣，但是在接收數(shù)據(jù)包上面有差別，差別在于 加了端口號的限制，內(nèi)網(wǎng)主機只會接收之前巳經(jīng)發(fā)送 過信息的外網(wǎng)主機IP地址和固定端口號，其他的IP地 址和端口號發(fā)送的數(shù)據(jù)都不會被接收。

2.4 對稱型(Symmetric) NAT

對稱型NAT和前面的3種類型NAT在映射規(guī)則上 都不一樣。只有當(dāng)目的地址和端口號一樣時，從相同 的內(nèi)網(wǎng)IP地址和端口號發(fā)出的所有請求才會被映射為 相同的外網(wǎng)IP和端口號，否則映射的端口號會不同。 同樣，內(nèi)網(wǎng)主機只會接收之前已經(jīng)發(fā)送過信息的外網(wǎng) 主機IP地址和固定端口號，其他的IP地址和端口號發(fā) 送的數(shù)據(jù)都不會被接收。

3 ICE技術(shù)介紹

3.1 ICE簡介

交互式連通建立方式ICE[7]是一種適用于各種 NAT類型下的NAT穿越解決方案，它結(jié)合了STUN 和TURN的NAT穿越方式，不需要對NAT設(shè)備做任 何修改，且會根據(jù)上面的協(xié)議選擇最好的NAT穿越方 式。針對SIP穿越NAT的問題，只需要對ICE擴展SDP (Session Description Protocol) [8〗的～"些附加屬性。

3.2 ICE算法漸呈[910]

(1)候選地址信息收集

所有能夠用于會話的地址和端口都要被會話發(fā)起 方收集起來，其中包括本機地址和端口、NAT映射地 址和端口、服務(wù)器中繼地址和端口。一般而言，本機 地址和端口是主機上的一個物理接口綁定一個端口而 獲得，NAT映射地址和端口是從STUN服務(wù)器獲得， 而服務(wù)器中繼地址和端口則是TURN服務(wù)器提供。

(2)候選地址優(yōu)先級確定

候選地址的優(yōu)先級反映了會話者在該地址上接受 媒體流的優(yōu)先級別，所以需要對其優(yōu)先級進行排序， 其取值范圍從0到1。通常所收集的候選地址優(yōu)先級從 高到低是：本機地址、NAT映射地址、服務(wù)器中繼地 址。而缺省候選地址則按連通可能性的大小來判定優(yōu) 先級，一般是：服務(wù)器中繼地址、NAT映射地址、本 機地址

(3) 初始化消息創(chuàng)建

初始化消息由一系列媒體流組成，每個媒體流 包含候選地址列表和一個缺省地址。在SDP媒體描述 中，缺省IP地址在c屬性行，缺省端口和媒體參數(shù)在m 屬性行，而所有收集的候選地址都在a屬性行。將SDP 媒體描述作為消息體嵌入到SIP數(shù)據(jù)包中，同時提供地 址信息和媒體參數(shù)用于建立媒體流，完成呼叫和媒體 惶道的建立。會話發(fā)起者通過信令通道將初始化消息 發(fā)送給接受者。

(4)響應(yīng)處理

會話接受者接收到初始化請求后，首先，會執(zhí)行 候選地址和端口的收集，其過程與上文中描述一樣。 為減少呼叫建立的時間，候選地址的收集過程可以在 呼叫前完成；其次，會對這些候選地址進行優(yōu)先級排 序，其規(guī)則與上文中描述一樣；最后，會話接受者會 決定是否接受該會話通信，若拒絕則ICE過程將會被終 止，若接受則會話接受者會發(fā)送Accept消息給會話發(fā) 起者。Accept消息的創(chuàng)建過程與上文中類似。

(5)連通性檢測

如果會話接受者不支持ICE方式，則Accept消息 中將不會包含候選地址列表信息，而只包含缺省的地 址信息，這樣會話發(fā)起者將不會執(zhí)行連通性檢測。否 則，會話雙方得到雙方的候選地址列表信息后，首先 會進行地址信息的配對,保證一方的每個地址都會與 對方的所有地址組成一個配對；然后對這些地址對進 行優(yōu)先級排序，形成一個連通性檢測列表;最后會話 雙方進行連通性檢測，獲得有效的候選地址對，該地 址對就是雙方進行會話通信的傳輸?shù)刂稴這個過程的 時間會根據(jù)候選地址的多少和網(wǎng)絡(luò)情況而變化，一般 候選地址越少、網(wǎng)絡(luò)情況越好，時間就會越短。

(6)附加ICE過程

在候選地址連通性檢測的過程中，如果某些 STUN事物沒有結(jié)束，或者會話雙方在信息交換的過 程中提供了新的候選地址，則會話雙方的候選地址收 集過程將會繼續(xù)，

(7) ICE到SIP的映射

當(dāng)SIP采用ICE方式穿越NAT時，必須映射ICE定 義的相關(guān)參數(shù)到SIP消息中，如候選地址信息。同時 擴展SDP屬性，在SDP的Media塊中定義一個新屬性 "a=candidate"來支持ICE。Media塊中可以有多個該 屬性，它包含候選地址信息，SDP接受端可以用該地 址信息替換c、m屬性行中的地址和端口。

4 ICE方案的優(yōu)化

4.1 ICE的不足

ICE過程中的候選地址連通性檢査在網(wǎng)絡(luò)情況很 差時需要較長時間[111。因為連通性檢査是在接收方拿 起聽筒準備講話的時候，如果測試時間過長，則接收 方用戶說的話需要很長時間才能傳回到發(fā)起方，這會 增加通話延時，影響通話質(zhì)量。

如果通話雙方是在對稱型NAT下，ICE實際就是 使用TURN，通話雙方的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過服務(wù)器中轉(zhuǎn)， 這樣避免不了TURN造成的語音延遲問題，且會給服 務(wù)器造成較大壓力。

4.2 ICE改進方法

針對ICE方法的不足，提出以下改進方法：

(1)連通性測試時間過長的改進

ICE在連通性測試時，增加NAT類型檢測功能， 如果會話一方位于對稱型NAT后，而另一方位于對稱 型NAT或端口限制型NAT后，則只對中繼候選地址進 行連通性檢查，不對本機地址、NAT映射地址作連通 性檢查，節(jié)省連通性檢查所消耗的時間。同時在連通 性測試的過程中，當(dāng)發(fā)起方和接收方測試到一個可以 互通的地址時就產(chǎn)生應(yīng)答消息。因為候選地址的連通 性檢查是按照地址對的優(yōu)先級來測試的，所以可以保 證連通的那個地址對一定是優(yōu)先級最高的。

(2)對稱型NAT下穿越方式的改進

通話雙方在連通性檢測時檢測各自的NAT類型， 如果會話一方（設(shè)為A)在對稱型NAT后，而另一方 (設(shè)為B)在完全圓錐NAT或受限圓錐NAT后，這時B 的NAT映射地址和端口是可以連通的，而A的NAT映 射地址和端口是不可連通的。此時讓A發(fā)送消息到B的 NAT映射地址和端口，當(dāng)B接受到A的數(shù)據(jù)時，解析出 源地址和端口》并將該地址作為A通信的NAT映射地 址和端口，之后B發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)到該源地址和端口，從 而實現(xiàn)NAT的穿越，與A建立連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 如果是其他情況，則采用TURN的方式進行穿越。

5 改進后的ICE方法工作流程

假設(shè)會話發(fā)起方A和會話接收方B都位于對稱型 NAT后.，現(xiàn)在SIP終端A要與終端B進行通信，A的內(nèi) 網(wǎng)地址是192.168.1.100,外網(wǎng)地址是218.0.4.145，B的 內(nèi)網(wǎng)地址是10..22.70.90，外網(wǎng)地址是115.236.94.200。 ICE服務(wù)器綁定了2個公網(wǎng)IP_,地址是132.177.123.5 和132.177.123.6,其中STUN服務(wù)的端口使用3478和 3479, TURN服務(wù)的端口使用5566。

5.1 候選地址收集

A發(fā)起請求，進行候選地址收集,B接受到消息， 同時也進行候選地址收集.候選地址收集過程如圖1所 示：

圖1 A、B收集候選地址過程

A、B雙方收集到的候選地址列表如表1所示:

表1 A、B的候選地址列表

5.2 判斷NAT類型，并進行連通性檢測

NAT類型的判斷根據(jù)STUN協(xié)議提出的NAT類型 檢測算法[12】，當(dāng)判斷出A、B兩端都是對稱型NAT時， 則直接對服務(wù)器中繼地址進行連通性檢測，而不需要 對本機地址、NAT映射地址作連通性檢測，此過程與 原ICE相比，減少了需要測試的地址對，縮短了連通性 測試時間。B的連通性檢測如圖2所示。

B在連通性檢測完成后，會給A發(fā)送一組應(yīng)答消 息，當(dāng)A收到來自B的應(yīng)答消息后，也開始執(zhí)行連通性 檢測，如圖3所示。

A、B雙方的連通性檢測完成后，就會得到一 條A、B通信的線路。A發(fā)送到B的媒體流將使用 地址132.177.123.5=5566:,然后ICE服務(wù)器通過 端口 8888轉(zhuǎn)發(fā)至B、而B到A的媒體流將發(fā)送至 132.177.123.5:8889,然后ICE服務(wù)器通過端口5566轉(zhuǎn) 發(fā)至A。

圖2 B的連通性檢測

圖3 A的連通性檢測

5.3 ICE附加過程

在測試TURN地址連通性的過程中，A、B雙方還 會收集中繼候選地址。A、B的ICE附加過程如圖4所示。

以上是基于改進后的ICE方式穿越雙方都在對稱 型NAT后的簡化過程。而基于改進后的ICE方式穿越 非對稱型NAT的過程則與原ICE方案類似。

6 優(yōu)化后ICE方案的實現(xiàn)

圖4 A、B的ICE附加過程

測試環(huán)境的搭建：服務(wù)器搭建在Ubumu系統(tǒng)上， 該服務(wù)器采用ICE技術(shù)，結(jié)合了STUN和TURN服務(wù) 器的功能，同時在該服務(wù)器上安裝MySQL數(shù)據(jù)庫， 建立了sdpinfo、candidate、p2paddress這3張表，.分 別記錄SDP消息、候選地址和成功穿透后的地址對。 客戶端A、B在Windows系統(tǒng)上進行測試。A的內(nèi)網(wǎng)地 址是192.168.1.100，外網(wǎng)地址是218.0.4.145，B的內(nèi) 網(wǎng)地址是10.66.4.38,外網(wǎng)地址是202.107.195.199。 ICE服務(wù)器綁定了2個公網(wǎng)IP,地址是115.236.94.208 和115.236.94.209,其中STUN服務(wù)的端口使用3478和 3479, TURN服務(wù)的端口使用5566。

在測試過程中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)信息， 得出A、B的候選地址列表如表2所示：

表2 A、B的候選地址列表

然后A、B雙方進行NAT類型檢測，結(jié)果測出A 在對稱型NAT后，而B在受限錐形NAT后，根據(jù)改 進后的ICE方案，此時會讓A向B的NAT映射地址發(fā) 送消息，B記錄下這個地址，并作為A的最新NAT 映射地址，將應(yīng)答消息發(fā)送到這個最新的地址和端 口。此時A、B就建立了連接，也即完成了連通性測 試，實現(xiàn)了NAT穿越。最后雙方通信的地址對為： 218.0.4.145:65421< >202.107.195.199:53391..。

在實驗過程中，改進后的ICE實現(xiàn)了一方在對稱 型NAT后，而另一方在受限錐形NAT后時，不采用 TURN方式也可以穿越NAT、同時在實驗中，A、B雙 方并沒有對所有的地址進行連通性檢測，與原ICE方案 相比節(jié)省了一半的時間。

同時，對多種NAT情況下做實驗測試，并與原 ICE進行比較，測試結(jié)果如表3所示。

表3 原ICE與改進ICE的實驗對比

7 結(jié)束語

ICE方式與其他NAT穿越方式相比有較明顯的優(yōu) 勢，克服了其他穿越方式的單一局限性,能夠穿越 任何NAT、本文對ICE的改進主要體現(xiàn)在候選地址連 通性檢測和穿越對稱型NAT這2個方面。在連通性檢 測時，只要測試到一個可以互通的地址就產(chǎn)生應(yīng)答消息，同時針對一方位于對稱型NAT后，而另一方位于 對稱型NAT或端口限制型NAT后時，則只對中繼候選 地址進行連通性檢查，不對本機地址、NAT映射地址 作連通性檢查。在穿越對稱型NAT時，則根據(jù)NAT類 型的檢測，判斷出雙方是否都在對稱型NAT環(huán)境下， 再作出相應(yīng)的穿越方案，既避免了對稱型NAT卞完全采用TURN方式，同時又有效節(jié)省了連通性檢測時間。

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