目标
路由穿透，实现广域网P2P通讯。
4种典型NAT类型
按照NAT设备在进行地址映射时行为的不同，NAT可以分为以下四种：
-
Full Cone
-
Restricted Cone
-
Port Restricted Cone
-
Symmentric
如何判断本机NAT类型
可以通过PyStun来判断：
- NAT Type: Full Cone
- External IP: 180.160.213.93
- External Port: 32130
几种现代穿透协议
STUN
STUN协议为终端提供一种方式能够获知自己经过NAT映射后的地址，从而替代位于应用层中的私网地址，达到NAT穿透的目的。STUN协议是典型的Client-Server协议，各种具体应用通过嵌入STUN客户端与STUN Server端通讯来完成交互。
在典型的运用STUN进行NAT穿透的场景中，STUN客户端首先向位于公网上的STUN服务器 发送Binding Request消息，STUN服务器接收到请求消息后识别出经过NAT转换后的公网地址60.1.1.1:12345，将其附加在Binding Response消息中返回给客户端。客户端得到这个地址 后用它替换SDP中的私网地址与终端B完成媒体协商。使用STUN进行NAT穿透对应用的要 求是必须使用同样的端口与STUN服务器交互和进行应用层通讯，比如当希望使用端口 37000进行RTP包的NAT穿透时，必须同样使用37000端口与STUN服务器通讯，否则从STUN服务器获得的NAT映射后的地址一般与实际地址时不一样的。另一个要求是STUN客户端与 服务器端的通讯和应用使用获得的NAT映射地址进行应用层通讯在时间上必须有连贯性， 这源于NAT设备建立的绑定有生存时间，当原绑定消亡后，NAT设备为同一个私网地址建 立的新绑定往往不同，因此转换后的公网地址是不同的。
STUN方案的特性如下表：
|
特性 |
说明 |
|
实现复杂度 |
实现简单 |
|
TCP穿透支持 |
不支持 |
|
对现有设备的要求 |
要求客户端支持，对现有NAT设备无改动要求，需增加STUN服务器 |
|
可扩展性 |
可扩展性好，与具体协议无关 |
|
安全性 |
一般 |
|
健壮性 |
差，不支持symmentric型NAT |
|
其他 |
支持自动检测NAT类型，使用户即使在使用STUN协议无法实现NAT 穿透时还可以根据NAT类型自主选择其他可使用的NAT穿透方案 |
TURN
TURN解决NAT穿透的思路与STUN类似，都是通过修改应用层中的私网地址达到NAT穿透。 与STUN不同的是，TURN是通过两方通讯的“中间人”的方式实现穿透，在这种方式下， 要进行通讯的两方分别与位于公网上的TURN服务器建立各自的连接进行通讯，由服务器负 责在两方之间进行数据转发。要达到这个目的，实现TURN客户端的终端必须在通讯开始前 与TURN服务器进行交互，得到服务器为其临时分配的位于TURN服务器上的公网地址，客户端使用它替换位于应用层中的私网地址。
TURN方案的特性如下表：
|
特性 |
说明 |
|
实现复杂度 |
难于实现。TURN的安全性设计增加终端设置的复杂度 |
|
TCP穿透支持 |
支持 |
|
对现有设备的要求 |
对现有NAT设备无要求，要求客户端支持，需增加TURN服务器s |
|
可扩展性 |
可扩展性好，与具体协议无关 |
|
安全性 |
一般 |
|
健壮性 |
好，支持所有类型的NAT |
|
其他 |
与P2P穿透方式相比，性能时relay穿透方式的弱点。另外TURN无法 实现负载分担，解决的方式是把media relay服务器的分配工作放在 SIP proxy完成 |
ICE
与STUN和TURN相比，ICE并非是解决NAT穿透问题的协议，而是一个框架，在这个框架中， 可以整合其他现存的NAT穿透协议，如STUN、TURN、RSIP等。区别于其他的NAT穿透解 决方案，ICE是一种探索和更新式的解决方案，通过搜集自身和对端尽可能多的网络信息（各种网络地址），尝试在这些地址间建立数据通道，并在这一过程中不断更新先前收集到的信息，从而找出和选择能够进行NAT穿透的数据通道。
ICE方案的特性如下表：
|
特性 |
说明 |
|
实现复杂度 |
一般 |
|
TCP穿透支持 |
支持 |
|
对现有设备的要求 |
对NAT设备无要求，支持所有类型的NAT设备。客户端必须支持， 网路结构中需增加STUN/TURN服务器 |
|
可扩展性 |
可扩展性好，与具体协议无关 |
|
安全性 |
较好 |
|
健壮性 |
好，适用与所有NAT及NAT拓扑类型，且由于存在中继服务器，NAT 穿透一般总是能成功 |
|
其他 |
试验环境
两台PC——
A位于公网IP为180.160.213.93 的路由下，内网IP为192.168.1.100，通过端口8888通讯。
B位于公网IP为180.160.233.193的路由下，内网IP为192.168.1.107，通过端口6666通讯。
大致如图所示：
STUN服务器采用免费的公用STUN服务器，具体STUN服务器列表在此。
试验过程
基于开源的Java ICE库ice4j，编写客户端，其中，客户端调用代码：
- package com.hankcs.network;
- import java.io.BufferedReader;
- import java.io.IOException;
- import java.io.InputStreamReader;
- import java.net.DatagramPacket;
- import java.net.DatagramSocket;
- import java.net.SocketAddress;
- public class Peer
- {
- public static void main(String[] args) throws Throwable
- {
- try
- {
- IceClient client = new IceClient(8888, "text");
- client.init();
- client.exchangeSdpWithPeer();
- client.startConnect();
- final DatagramSocket socket = client.getDatagramSocket();
- final SocketAddress remoteAddress = client
- .getRemotePeerSocketAddress();
- System.out.println(socket.toString());
- new Thread(new Runnable()
- {
- public void run()
- {
- while (true)
- {
- try
- {
- byte[] buf = new byte[1024];
- DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf,
- buf.length);
- socket.receive(packet);
- System.out.println(packet.getAddress() + ":" + packet.getPort() + " says: " + new String(packet.getData(), 0, packet.getLength()));
- }
- catch (IOException e)
- {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
- }).start();
- new Thread(new Runnable()
- {
- public void run()
- {
- try
- {
- BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
- String line;
- // 从键盘读取
- while ((line = reader.readLine()) != null)
- {
- line = line.trim();
- if (line.length() == 0)
- {
- break;
- }
- byte[] buf = (line).getBytes();
- DatagramPacket packet = new DatagramPacket(buf, buf.length);
- packet.setSocketAddress(remoteAddress);
- socket.send(packet);
- }
- }
- catch (Exception e)
- {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }).start();
- }
- catch (Exception e)
- {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- }
为了简便，没有引入SIP服务器，直接用人工复制粘贴的方式交换了两台设备的SDP信息，其中
A的SDP信息：
- v=0
- o=ice4j.org 0 0 IN IP4 66.228.45.110
- s=-
- t=0 0
- a=ice-options:trickle
- a=ice-ufrag:26iqs1932ucrkp
- a=ice-pwd:7rnncil3dqga9q5fl5e3jppobk
- m=text 50659 RTP/AVP 0
- c=IN 66.228.45.110 IP4
- a=mid:text
- a=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- a=candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:38f0:a54b:a8a6:e8b6 8888 typ host
- a=candidate:3 1 udp 1677724415 180.160.213.93 25627 typ srflx raddr 192.168.1.100 rport 8888
- a=candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50659 typ relay raddr 180.160.213.93 rport 25627
B的SDP信息：
- v=0
- o=ice4j.org 0 0 IN IP4 66.228.45.110
- s=-
- t=0 0
- a=ice-options:trickle
- a=ice-ufrag:dpmfo1912ud8p2
- a=ice-pwd:2q4c0689j98st3jmbr5k4jgc9k
- m=text 50656 RTP/AVP 0
- c=IN 66.228.45.110 IP4
- a=mid:text
- a=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.107 6666 typ host
- a=candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:448b:e2e1:7f4b:f0b8 6666 typ host
- a=candidate:3 1 udp 1677724415 180.160.233.193 44639 typ srflx raddr 192.168.1.107 rport 6666
- a=candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50656 typ relay raddr 180.160.233.193 rport 44639
交换信息后A的配对过程输出：
- 九月 30, 2014 5:32:53 下午 org.ice4j.ice.Component addRemoteCandidate
- 信息: Add remote candidate for text.RTP: 192.168.1.107:6666/udp/host
- 九月 30, 2014 5:32:53 下午 org.ice4j.ice.Component addRemoteCandidate
- 信息: Add remote candidate for text.RTP: [fe80:0:0:0:448b:e2e8:7f8b:f0b8]:6666/udp/host
- 九月 30, 2014 5:32:53 下午 org.ice4j.ice.Component addRemoteCandidate
- 信息: Add remote candidate for text.RTP: 180.160.233.193:44639/udp/srflx
- 九月 30, 2014 5:32:53 下午 org.ice4j.ice.Component addRemoteCandidate
- 信息: Add remote candidate for text.RTP: 66.228.45.110:50656/udp/relay
- 九月 30, 2014 5:32:55 下午 org.ice4j.ice.Agent startConnectivityEstablishment
- 信息: Start ICE connectivity establishment
- 九月 30, 2014 5:32:55 下午 org.ice4j.ice.Agent initCheckLists
- 信息: Init checklist for stream text
- 九月 30, 2014 5:32:55 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient startChecks
- 信息: Start connectivity checks!
- 17:32:55.651 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Agent entered the Running state.
- 九月 30, 2014 5:33:06 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processTimeout
- 信息: timeout for pair: 192.168.1.100:8888/udp/host -> 192.168.1.107:6666/udp/host (text.RTP), failing.
- 九月 30, 2014 5:33:16 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processTimeout
- 信息: timeout for pair: [fe80:0:0:0:38f0:a54b:a8a6:e8b6]:8888/udp/host -> [fe80:0:0:0:448b:e2e8:7f8b:f0b8]:6666/udp/host (text.RTP), failing.
- 九月 30, 2014 5:33:26 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processTimeout
- 信息: timeout for pair: 192.168.1.100:8888/udp/host -> 180.160.233.193:44639/udp/srflx (text.RTP), failing.
- 九月 30, 2014 5:33:36 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processTimeout
- 信息: timeout for pair: 66.228.45.110:50659/udp/relay -> 192.168.1.107:6666/udp/host (text.RTP), failing.
- 九月 30, 2014 5:33:36 下午 org.ice4j.ice.Agent incomingCheckReceived
- 信息: Received check from 192.168.1.100:8888/udp/host -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP) triggered a check
- 九月 30, 2014 5:33:36 下午 org.ice4j.ice.Agent triggerCheck
- 信息: Add peer CandidatePair with new reflexive address to checkList
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processSuccessResponse
- 信息: Pair succeeded: 192.168.1.100:8888/udp/host -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP)
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processSuccessResponse
- 信息: Pair validated: 180.160.213.93:25627/udp/srflx -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP)
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processSuccessResponse
- 信息: IsControlling: false USE-CANDIDATE:false
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.ConnectivityCheckClient processSuccessResponse
- 信息: Nomination confirmed for pair: 180.160.213.93:25627/udp/srflx -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP)
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Agent entered the Completed state.
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Total ICE processing time: 139649ms
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Stream name: text
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - ------------------------------------------
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Component of stream:RTP,selected of pair:CandidatePair (State=Succeeded Priority=7926347438766424062):
- LocalCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- RemoteCandidate=candidate:10000 1 udp 1845496575 180.160.233.193 44724 typ prflx
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - ------------------------------------------
- 17:33:45.695 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Printing the completed check lists:
- 17:33:45.696 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - Check list for stream: text
- 17:33:45.696 [Stun4J Message Processor] INFO com.hankcs.network.IceClient - nominated check list:CheckList. (num pairs=5)
- CandidatePair (State=Failed Priority=9151314442783293438):
- LocalCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- RemoteCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.107 6666 typ host
- CandidatePair (State=Failed Priority=9151314442783293438):
- LocalCandidate=candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:38f0:a54b:a8a6:e8b6 8888 typ host
- RemoteCandidate=candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:448b:e2e8:7f8b:f0b8 6666 typ host
- CandidatePair (State=Failed Priority=7205771498387144702):
- LocalCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- RemoteCandidate=candidate:3 1 udp 1677724415 180.160.233.193 44639 typ srflx raddr 192.168.1.107 rport 6666
- CandidatePair (State=Failed Priority=12094594351103):
- LocalCandidate=candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50659 typ relay raddr 180.160.213.93 rport 25627
- RemoteCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.107 6666 typ host
- CandidatePair (State=Succeeded Priority=7926347438766424062):
- LocalCandidate=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- RemoteCandidate=candidate:10000 1 udp 1845496575 180.160.233.193 44724 typ prflx
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.CheckList handleNominationConfirmed
- 信息: Selected pair for stream text.RTP: 192.168.1.100:8888/udp/host -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP)
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.Agent checkListStatesUpdated
- 信息: CheckList of stream text is COMPLETED
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.Agent checkListStatesUpdated
- 信息: ICE state is COMPLETED
- 17:33:45.696 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Component id=1 parent stream=text
- 4 Local candidates:
- default candidate: candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50659 typ relay raddr 180.160.213.93 rport 25627
- candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:38f0:a54b:a8a6:e8b6 8888 typ host
- candidate:3 1 udp 1677724415 180.160.213.93 25627 typ srflx raddr 192.168.1.100 rport 8888
- candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50659 typ relay raddr 180.160.213.93 rport 25627
- 4 Remote candidates:
- default remote candidate: null
- candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.107 6666 typ host
- candidate:2 1 udp 2130706431 fe80:0:0:0:448b:e2e8:7f8b:f0b8 6666 typ host
- candidate:3 1 udp 1677724415 180.160.233.193 44639 typ srflx raddr 192.168.1.107 rport 6666
- candidate:4 1 udp 2815 66.228.45.110 50656 typ relay raddr 180.160.233.193 rport 44639
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.1.100 8888 typ host
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Remote candinate transport address:180.160.233.193:44724/udp
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Remote candinate host address:null
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Remote candinate mapped address:null
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Remote candinate relayed address:null
- 17:33:45.697 [main] INFO com.hankcs.network.IceClient - Remote candinate reflexive address:180.160.233.193:44724/udp
- org.ice4j.socket.MultiplexingDatagramSocket@46160dbd
- 九月 30, 2014 5:33:45 下午 org.ice4j.ice.Agent logCandTypes
- 信息: Harvester used for selected pair for text.RTP: host
- 17:33:48.700 [TerminationThread] INFO com.hankcs.network.IceClient - Agent entered the Terminated state.
- 17:33:48.700 [TerminationThread] INFO com.hankcs.network.IceClient - ice processing TERMINATED
- 九月 30, 2014 5:33:48 下午 org.ice4j.ice.Agent$TerminationThread run
- 信息: ICE state is TERMINATED
其中，值得注意的是两台设备通过地址对
- Nomination confirmed for pair: 180.160.213.93:25627/udp/srflx -> 180.160.233.193:44724/udp/prflx (text.RTP)
建立了UDP连接。
试验结果
之后B通过键盘输入聊天消息并发送
- hello
- /180.160.213.93:25627 says: AS
- yes
- haha
- /180.160.213.93:25627 says: ZA
A收到消息并回复
- /180.160.233.193:44724 says: hello
- AS
- /180.160.233.193:44724 says: yes
- /180.160.233.193:44724 says: haha
- ZA
一些尝试
将B通过手机热点接入中国电信3G网络后，NAT穿透失败，原因不明。可能此时B属于Symmentric NAT，同时免费的TURN服务器也没有起作用。接下来应当深入研究这几种协议，以及TURN服务器的搭建。
Reference
《NAT穿透解决方案》
http://www.cnblogs.com/javaminer/p/3575282.html
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