NAT解決方案的選擇
目前，根據對NAT支持的不同，處理機制的不同，業(yè)內把解決NAT的方法一般有分為以下幾種：
這些方案都有其各自的特點(diǎn)。根據國外有關(guān)市場(chǎng)研究人員的報告指出，不同企業(yè)類(lèi)型的要求不同，部署成本，安全因素，維護成本等因素的影響，所以它們對解決方案的要求也可能有所不同，以下是調查結果發(fā)布狀態(tài)：
- 一般家庭用戶(hù)選擇簡(jiǎn)單的NAT解決方案，例如UPnp，STUN，TURN， ICE
- 小型企業(yè)用戶(hù)大部分用戶(hù)可能選擇STUN，TURN， ICE 或者SBC，也可能選擇UPnP的方案。
- 一般中型企業(yè)則選擇SBC，STUN， TURN和企業(yè)級的SBC加防火墻的方案。
- 比較大的企業(yè)則會(huì )選擇防火墻，SBC的解決方案。
當然，選擇是有成本的。對于VOIP的解決方案，安全是一個(gè)公司的非常重要的考慮因素，用戶(hù)也要根據不同的安全要求對解決方案進(jìn)行比較全面的分析，以下圖例數據表示各種解決方案對安全的考慮和其可控性的考慮。
從以上數據我們可以看到，如果用戶(hù)需要更加安全的部署方式，需要對其訪(fǎng)問(wèn)有非常大的靈活性和可靠性，最好的方式還是選擇SBC。
關(guān)于STUN和TURN的討論
在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，我們客戶(hù)通常使用的設備所支持的STUN和TURN都可能有所不同，所以這樣就會(huì )導致一個(gè)解決方案兼容性的問(wèn)題。例如，可能有的物理話(huà)機支持STUN和TURN，但是不支持ICE，有的軟電話(huà)可能支持的舊版本的STUN，不支持新標準的STUN。
下面，我們介紹一下關(guān)于STUN的流程機制。這里我們要注意，一般我們舉例時(shí)使用的是RFC5389來(lái)解釋的，相對比較舊的STUN版本是RFC3489（classic STUN）。在RFC5389的規定中，STUN定義為輕量級的工具，它不是一個(gè)完整的NAT穿透解決方案（RFC3489定義為完整的解決方案），它僅是一個(gè)解決穿透能力的工具。另外，RFC3489的規定有幾個(gè)方面的不足，很難滿(mǎn)足真正的NAT解決方案。根據RFC5389的解釋?zhuān)琑FC3489的不足主要表現在：
在實(shí)際部署環(huán)境中，IP和端口有時(shí)可以作為Peer來(lái)進(jìn)行通信，有時(shí)則不能。Classic STUN沒(méi)有提供準確的方法來(lái)處理這些問(wèn)題。
Classic STUN的算法對多層NAT可能發(fā)生錯誤。
Classic STUN存在安全漏洞，可能有時(shí)駭客會(huì )利用某些端口重新映射時(shí)進(jìn)行地址或者端口串改。
目前，根據RFC5389對STUN所執行的功能包括：
- 用于ICE連接支持（MMUSIC-ICE）
- 用于客戶(hù)端的初始化連接（SIP-OUTBOUND）
- NAT行為發(fā)現（BEHAVE-TURN）。
STUN 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，內網(wǎng)SIP終端通過(guò)STUN對STUN發(fā)出請求，STUN回復一個(gè)響應，STUN服務(wù)器告訴使用指定的外網(wǎng)端口和IP地址。STUN使用UDP，默認端口是3478。它在響應的消息中包含了MAPPED-ADDRESS，RESPONSE-ORIGIN，OTHER-ADDRESS和XOR-MAPPED-ADDRESS這四個(gè)參數。通常來(lái)說(shuō)，為了支持NAT的映射和過(guò)濾行為機制，STUN服務(wù)器必須支持兩個(gè)公網(wǎng)IP地址和兩個(gè)不同的端口，分別稱(chēng)之為主信息地址和可選消息地址。讓我們看看具體的實(shí)現方式。
具體的流程包括：第一步客戶(hù)端A 通過(guò)設置的STUN地址查詢(xún)STUN外網(wǎng)地址和端口。第二步，客戶(hù)端A對客戶(hù)端B發(fā)生信令消息，通知客戶(hù)端B的外網(wǎng)地址和端口，可以對其發(fā)送媒體。客戶(hù)端B然后對NAT路由器發(fā)送媒體，NAT路由器然后轉發(fā)到客戶(hù)端 A。
以下圖例是一個(gè)簡(jiǎn)單的STUN流程圖（缺少對Symmetric 的支持，需要TURN支持）：
在上面的流程中，NAT是如何被檢測的？RFC 5780 規定了三個(gè)階段的NAT檢測方式：
NAT檢測的具體步驟：
研究人員Baruch 更加詳細地描述了這個(gè)test的流程，用戶(hù)可以查閱此研究人員的文檔做進(jìn)一步了解。具體Test的邏輯順序請讀者參考 RFC5780的4.5 部分。如果讀者需要了解更多的相關(guān)定義，請參RFC 5780 相關(guān)協(xié)議：
現在讓我們看看在SIP中NAT請求和響應的示例。
STUN 返回的IP和port number， SIP然后在SIP header 使用這個(gè)新的地址。
大家需要注意以下SIP頭中的rport 1024, 當在NAT后的終端收到消息時(shí)，這個(gè)rport 端口會(huì )覆蓋原來(lái)的端口49300端口。這里，實(shí)際上，rport是做路由使用的。關(guān)于rport 端口的修改問(wèn)題，讀者查閱RFC3581 的Server Behavior中rport的修改規則。用戶(hù)必須注意，在有一些網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，系統管理機制可能對收到的消息和返回的消息地址端口非常敏感，如果是這樣的話(huà)，RFC3581 標準建議開(kāi)啟TLS服務(wù)。另外，用戶(hù)也應該注意到，如果修改rport了，這里可能涉及到了一個(gè)安全的問(wèn)題，攻擊者在路由路徑中插入了一個(gè)中轉服務(wù)器的話(huà)，可能導致安全問(wèn)題。
盡管STUN可以解決很多類(lèi)型的NAT問(wèn)題，但是仍然有很多局限性：
- STUN不支持Symmetric NAT類(lèi)型，因為每一個(gè)新創(chuàng )建的IP：port 的會(huì )話(huà)映射可能地址以前STUN檢測到的數據失效。
- 如果防火墻設置了對UDP丟棄數據包的參數，也會(huì )導致STUN失敗。
- 因為UDP不是一個(gè)長(cháng)連接的方式，防火墻可能關(guān)閉一些存活動(dòng)端口，這樣可能導致會(huì )話(huà)失敗。
- 終端客戶(hù)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境可能導致STUN失敗，因為有的終端可以抵達服務(wù)商的服務(wù)器地址，有的SIP終端可能可能不會(huì )抵達STUN服務(wù)器地址（例如，很多國內用戶(hù)使用國外的STUN地址），這樣的話(huà)，SIP之間可能存在多層的NAT問(wèn)題。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境會(huì )變得更加復雜。
關(guān)于TURN的討論
既然STUN存在那么多的問(wèn)題，但是如何解決這些問(wèn)題是技術(shù)研究人員必須面對的困難。俗話(huà)說(shuō)，辦法總比問(wèn)題多。TURN是一個(gè)補充STUN不足的好辦法。TURN的英文全稱(chēng)如下：
- Traversal Using Relays around NAT （TURN）
- Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT （STUN）
從英文全稱(chēng)就可以看出，它僅是STUN的一種拓展，使用了中繼穿透NAT的方式。根據RFC5766的描述，TURN的設計目的是ICE的一部分，但是可以獨立使用。
在很多應用場(chǎng)景中，位于NAT后面的終端可能不能與外網(wǎng)的終端進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信，如果需要雙方通信的話(huà)，只能借助于一個(gè)外網(wǎng)的中轉服務(wù)點(diǎn)來(lái)實(shí)現互通。TURN的作用就是幫助雙方繞過(guò)阻擋的網(wǎng)絡(luò )點(diǎn)，使用中繼的方式，支持終端控制中繼操作從而實(shí)現雙方的數據交換，也可以支持終端對多點(diǎn)終端互通。
TURN和STUN相比，因為T(mén)URN的它本身的拓展，所以它也支持更多的功能，以下是對于TURN的一個(gè)總結：
除了本身工作方式類(lèi)似以為，TURN可以支持SIP消息和媒體的轉發(fā)，工作角色可以是一個(gè)代理的形式。
TURN可以支持UDP和TCP，TCP可以支持長(cháng)連接，從而保證防火墻對會(huì )話(huà)的連接不會(huì )斷開(kāi)。但是，這里要注意，根據RFC5766的規定，如果是TRUN server 到Peer則都使用UDP。大概20%以上的會(huì )話(huà)需要使用TURN。
TURN可以支持Symmetric NAT, 但是STUN則不能支持。我們前面已經(jīng)提及。
TURN必須支持公網(wǎng)IP地址。
TURN的本身要求服務(wù)提供商的TURN服務(wù)器部署成本相對比較高。因為，TURN需要考慮大量會(huì )話(huà)，大量轉發(fā)數據，同時(shí)還要獲取Relays 路徑中的交換數據。
以上我們討論的是關(guān)于整個(gè)TURN的使用場(chǎng)景的各種因素，但是還有很多細節性的問(wèn)題可能在實(shí)際應用中也可能出現，例如，以下圖例是一個(gè)開(kāi)發(fā)人員在測試WebRTC中關(guān)于使用P2P和SFU時(shí)的數據，使用P2P或SFU測試的結果是完全不同的。以下是其中一個(gè)數據。
TURN服務(wù)器的表現因為地理原因，配置原因或者其他的原因造成的對語(yǔ)音時(shí)延也完全不同，以下示例來(lái)自于 Dag-Inge Aas， 在開(kāi)發(fā)WebRTC時(shí)對于TURN服務(wù)器時(shí)延的實(shí)驗數據，各個(gè)服務(wù)器的帶寬不同，處理能力不同導致的各種不同的結果。
如果用戶(hù)選擇TURN的話(huà)，可以參考Twillio的標準來(lái)做出決定：是否全球部署，是否靠近用戶(hù)，是否支持拓展，是否優(yōu)化時(shí)延。
關(guān)于ICE討論
前面我們詳細討論了STUN和TURN的使用場(chǎng)景和各種影響。讀者可能會(huì )看到，以上兩種方式仍然存在一些問(wèn)題。ICE的出現改善了兩種NAT解決方法的很多問(wèn)題。ICE英文全名是Interactive Connectivity Establishment。RFC5245（更新的RFC6336）對ICE做了規定。一般簡(jiǎn)單的定義是：ICE=STUN+TURN+協(xié)商機制+協(xié)商路徑。以下圖例中表示了ICE的架構。
以下是一個(gè)Candidate的消息架構體，關(guān)于結構體中每個(gè)參數的含義，請參閱RFC3245的第三部分（Terminology）。
ICE執行的幾個(gè)步驟：
- 發(fā)現收集申請終端信息。收集到終端可通信的地址，終端申請者的類(lèi)型（host, Reflexive和Relay candidate）。
- 根據優(yōu)先級對candidate 進(jìn)行處理，大部分情況下，首先使用Relay candidate。
- 解析candidate信息，發(fā)送到對端candidate。
- 對candidate進(jìn)行配對處理，保證雙方匹配。
- 檢查配對的candidated的連接性。
- 計算ICE是否可以連接成功，如果成功，則發(fā)送確認消息。
- 然后進(jìn)行語(yǔ)音流的通信。
以下幾個(gè)步驟比較詳細地介紹了關(guān)于SIP ICE的協(xié)商過(guò)程：
通過(guò)priority oder，結合兩個(gè)pair check the ICE開(kāi)始測試。如果雙方測試成功，則進(jìn)行下一步的信令交互，例如SIP 2 發(fā)送180消息，發(fā)送200 OK消息。如果開(kāi)始發(fā)送到消息和收到的消息不一致，則需要SIP Phone 1 重新發(fā)送Re-INVITE消息，然后進(jìn)行測試驗證，最后收到200 OK消息。
ICE 測試成功以后，則雙方開(kāi)始發(fā)送RTP語(yǔ)音。
關(guān)于ICE的支持問(wèn)題，在我們很多常見(jiàn)的環(huán)境中，有的終端可以支持ICE，但是有一些終端可能不支持。用戶(hù)可以檢查各種軟電話(huà)的ICE配置功能。以下SIP消息中表示終端支持ICE:sip.ice。
如果對端終端不支持ICE的話(huà)，終端只能有兩種選擇：1）繼續連接，但是不使用ICE，ICE支持一個(gè)自動(dòng)檢測返回的機制，通知對端不支持ICE。2）或者繼續執行一個(gè)可選授權支持的方式使用ICE，根據RFC5768對Mandating Support的規定， SIP終端可以在INVITE請求的Require中添加一個(gè)ice option。
另外，用戶(hù)可能有時(shí)看到這樣的例子，在終端的SIP INVITE頭中沒(méi)有sip.ice, 但是在SDP中確實(shí)有ICE candidate的信息，這也是互相不兼容導致的結果，但是最終這是一種不支持ICE的標識。
因為SIP技術(shù)本身的快速發(fā)展，其實(shí)ICE的版本也在不斷更新。這里，我們簡(jiǎn)單介紹兩個(gè)ICE的“升級”版本。這里，我稱(chēng)之為升級版本僅是對ICE的一種優(yōu)化，它們并不是在ICE本身的升級或者更新：
ICE-lite主要功能是簡(jiǎn)化了ICE的復雜性，例如，我們看到的SBC。
Trickle ICE主要目的是縮短了ICE的協(xié)商處理時(shí)間，避免重新分配已被轉發(fā)的candidate，如果需要則開(kāi)啟。不像ICE的標準處理流程，標準的ICE需要收集candidate的信息狀態(tài)信息，它則一開(kāi)始就和host candidate檢查連接狀態(tài)，同時(shí)并行處理其他的交換機制。所以，Trickle ICE相對較低了處理流程花費的時(shí)間。
關(guān)于Near-NAT和Far-NAT討論
很多時(shí)候，大家可能會(huì )看到關(guān)于Near End NAT 和Far End NAT的解釋說(shuō)明。從字面意思也可以基本理解這兩個(gè)概念的基本區別。
Near End NAT是在本地NAT處理機制中通過(guò)本地ALG或者本地SBC修改了SIP 頭消息，出局時(shí)SIP頭消息變成了公網(wǎng)的IP地址，然后運營(yíng)商SBC增加一個(gè)Via到SIP 頭，最后呼叫到對端終端。下面圖例中的五個(gè)處理流程解釋了Near End NAT的完整過(guò)程。
Far End NAT是本地網(wǎng)絡(luò )對SIP頭消息不做任何處理，運營(yíng)商側SBC修改SIP頭消息，添加Via，然后呼叫遠端終端。同時(shí)，運營(yíng)商SBC會(huì )對內網(wǎng)SIP終端發(fā)送一個(gè)SIP OPTION 或者NOTIFY消息，保證終端SIP防火墻的端口不被關(guān)閉，通信端口一直處于存活狀態(tài)。
從以上介紹中，我們可以看到，兩者之間的區別就在于在說(shuō)明地方修改的SIP頭的IP地址，而且Far End NAT的處理方式會(huì )引起路由器需要不斷地接收從運營(yíng)商SBC發(fā)送到大量的NOTIFY消息，這樣可能會(huì )導致公司內網(wǎng)的不穩定。關(guān)于A(yíng)LG和SBC的解決方案介紹我們會(huì )在下一個(gè)講座中專(zhuān)門(mén)介紹這些內容。
總結，在本章節中，我們首先討論了關(guān)于STUN，TURN和ICE的原理和使用場(chǎng)景，同時(shí)，我們也介紹了它們之間的不同和各種在實(shí)際場(chǎng)景中所支持的功能和其局限性。另外，我們重點(diǎn)介紹了ICE的幾個(gè)協(xié)商流程，最后多兩個(gè)通常使用的NAT概念做了描述和介紹。ICE本身集合了STUN，TURN的各自的優(yōu)勢，在解決NAT方面可能是目前一種最佳的利器，但是因為網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不斷變化，終端客戶(hù)的設備類(lèi)型也不斷升級，所以ICE的技術(shù)應用仍然在不斷升級來(lái)支持更多的要求。用戶(hù)需要根據自身特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )資源，本身成本等不同方式來(lái)解決NAT問(wèn)題。
參考資料：
http://manoftoday.wdfiles.com/local--files/nat/SIPNATtraversal.pdf
https://medium.com/the-making-of-appear-in/webrtc-and-turn-latency-around-the-world-4d172dd59e8e
https://bloggeek.me/turn-public-ip-address/
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