STUN/TURN/ICE协议在P2P SIP中的应用(二)

1       说明

2       打洞和穿越的概念... 1

3       P2P中的打洞和穿越... 2

4       使用STUN系列 协议穿越的特点... 2

5       STUN/ TURN/ICE协议的关系... 3

6       STUN协议(RFC 5389) 3

        6.1             为什么会用到STUN协议... 3

        6.2             STUN协议的工作原理... 4

7       TURN协议... 4

        7.1             为什么会用到TURN协议... 4

        7.2             TURN协议的工作原理... 5

                7.2.1         Allocate请求... 5

                7.2.2         Relay端口消息的转发... 6

                        7.2.2.1    A的Relay端口接受其他客户端的消息... 6

                        7.2.2.2    A的响应消息原路返回... 6

                        7.2.2.3     思考... 7

                7.2.3         Refresh请求... 7

                7.2.4         STUN端口的保活... 8

                7.2.5         Relay转发的时候添加STUN头(Send和Data请求)... 8

                7.2.6         使用TURN协议的必要性... 9

8       ICE协议... 9

        8.1             打洞原理... 9

        8.2             ICE的打洞... 10

        8.3             ICE的打洞的4次握手... 11

        8.4             ICE扩展的Binding消息... 12

        8.5             REGULAR NOMINATION 和 AGGRESSIVE NOMINATION.. 12

        8.6             Peer Reflexive. 13

                8.6.1         Peer Reflexive Candidates的概念... 13

                8.6.2         Peer Reflexive Candidates的发现... 13

                        8.6.2.1     当通信双方处在不同层次的NAT下的情况... 14

                        8.6.2.2     与NAT的类型相关... ...15

                        8.6.2.3     其他情况... ...16

                        8.6.2.4     公网P2P中的Peer Reflexive. ...16

9       ICE在SIP中的应用... 16

        9.1             呼叫双方分别收集3组地址...... 17

        9.1             A发送INVITE给B. ...18

        9.2             B给A回100、101、180. ...18

        9.3             B给A回200 ok. ...19

        9.4             A给B回ACK   ...19

 

       上个礼拜写了第1、2、3、4、5,今天把6、7也写完了,另外也总结了第8和第9,准备再分两次发布。

       关于第1、2、3、4、5 请查看:STUN/TURN/ICE协议在P2P SIP中的应用(一)

       本次书接上回,现在开始。

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6           STUN协议(RFC 5389)

6.1          为什么会用到STUN协议

       首先要明确的概念是:STUN协议没有穿越的能力,它只是为穿越提供反射地址(Server Reflexive Address)。在双方进行通讯的时候,我们双方的目的地址可以分别为对方的反射地址,但是反射地址不能穿越成功的时候(NAT类型为对称类型的时候),必须使用TURN。

       本文所说的STUN协议指的是RFC(5389) ,RFC(5389)已经移除了NAT类型探测的能力(RFC(3489)定义了NAT类型探测的能力),STUN协议主要有2个功能:

  • 让一个位于NAT后的客户端得到自己的公网地址(反射地址,Server Reflexive Address),该功能通过向服务端发送一个 Binding请求,服务端返回一个success response消息来完成。success response消息中包含一个叫做XOR-MAPPED-ADDRESS的属性,该属性的值就是“反射地址”经过异或后的值

 

  • 在ICE(交互式连接建立)时,用于探测双方的连通性。该功能也是通过向对方客户端发送Binding消息,对方响应该请求实现。需要说明一点的是,在ICE交互时的Binding消息与1中所说的Binding消息不一样。ICE添加了几个新的属性,从而扩展了Binding消息:PRIORITY, USE-CANDIDATE, ICE-CONTROLLED, ICE-CONTROLLING。这种扩展了的Binding消息,只会用在ICE的探测中。

6.2          STUN协议的工作原理

A.     客户端用于得到自己的外网地址(反射地址,Server Reflexive Address),如下图所示

a)         客户端A向STUN Port发送Binding请求(图中绿色部分)

b)        STUN服务器接收到客户端A的Binding请求,它能得到该请求的源地址与端口(该地址和端口就是经过NAT映射过的),将该地址和端口记为Server Reflexive Address。

c)         STUN服务器发送response响应,在response响应中携将Server Reflexive Address经过异或后填入XOR-MAPPED-ADDRESS属性。

d)         客户端A接受到STUN服务器的response后,就知道了自己的外网地址(反射地址,Server Reflexive Address)。

 

B.      在ICE(交互式连接建立)是,用于双方的连通性探测。

在ICE打洞探测的时候再详细介绍

7           TURN协议

7.1          为什么会用到TURN协议

       前面也提到过,TURN协议是STUN 协议的有效补充,在使用反射地址(Server Reflexive Address)穿越方式失败的时候才会用到TURN。

       简单的说就是,TURN协议使用中转的方式实现位于两个不同NAT后的客户端通信。TURN协议为每个连接到该服务器的客户端都分配一个公网地址(Relayed  Address),该Relayed地址专门为该客户端中转消息。

       该方法是实现位于两个不同NAT后的客户端通信的一个方式(其他方式还有p2p)。

       该方法的优点是:不管NAT是什么类型(NAT类型分为:全锥形、地址限制锥形、端口限制锥形、对称型),都可以通过这种方式实现两个客户端的通信。

       该方法的弊端有两个:

  1. 第一个是,如果通信两端传输的数据量过大(比如客户端之间传输的是音视频),那么每个数据包都要经过TURN服务器的转发,那么会造成数据的丢失以及传送时延的增加;
  2. 第二个是,成本问题,如果每两个客户端之间的通信都要经过TURN转发,那么在客户端到达一定规模后(十万上百万),需要架设大量的TURN服务器。这在成本上是无法承受的。所以才有了使用P2P方式。需要说明的有一点,双方可以进行点对点的直接通信,不是因为它们之间点对点通信后丢包和时延问题就能解决(P2P方式也可能有比较大的丢包),而是成本问题。

       所以这种使用TURN协议中转的方式只会用在双方通信交互内容数据量较少的情况下。

7.2          TURN协议的工作原理

       本节描述了TURN协议的大体工作原理,与RFC 5766有一定的出入,了解了此工作原理再去看RFC 5766 会事半功倍。本节介绍不涉及到RFC 5766中提到的,CreatePermission、ChannelBind操作。

7.2.1          Allocate请求

       客户端通过发送Allocate请求给STUN服务器,从而让STUN服务器为A用户开启一个relay端口。

 

       a)         客户端A向STUN Port发送Allocate请求(图中绿色部分)

       b)        STUN服务器接收到客户端A的Allocate请求,服务器一看是Allocate请求,则根据relay端口分配策略为A分配一个端口。

       c)         服务器发送response成功响应。在该response中包含XOR-RELAYED-ADDRESS属性。该属性值就是A的relay端口的异或结果。

       d)         客户端接收到response后,就知道了自己的relay地址。该relay地址是个公网地址,可以看作是客户端A在公网上的一个代理,任何想要联系A的客户       端,只要将数据发送到A的relay地址就可以了,具体的转发原理请看下一小节。

7.2.2          Relay端口消息的转发

       任何想要联系客户端A的人,只要知道客户端A的relay地址就可以了。

7.2.2.1         A的Relay端口接受其他客户端的消息

 

       如上图所示:因为客户端A位于NAT后,所以其他客户端无法和A建立直接的通信。但是客户端A在STUN服务器上申请了一个端口(上图中:A的relay端口),其他客户端想要和A通信,那么只需要将信息发送到“A的relay端口”,STUN服务器会将从relay端口接收到的信息通过STUN Port发送给A。

7.2.2.2         A的响应消息原路返回

       A应答其他客户端发来的消息的时候,是通过原路返回的。

 

 

7.2.2.3         思考

       1.STUN服务器为什么不直接从A的relay端口把数据转发给A呢(如下图所示)?而非要从STUN端口发送?

             

       2.客户端A的响应消息在原路返回的时候,A的响应消息是先发送到了STUN Port,然后再经由A的relay Port发出的。那么A的relay Port是怎么知道它要把数据发送到哪呢?

 

       请看7.2.4 和 7.2.5

7.2.3          Refresh请求

       STUN服务器给客户端A分配的relay地址都具有一定的有效时长,可能是30秒或者1分钟或者几十分钟。客户端如果需要STUN服务器一直为它开启这个端口,就需要定时的向STUN服务器发送请求,该请求用刷新relay端口的剩余时间。

       在标准的TURN(RFC 5766)协议中,客户端A向STUN服务器发送Allocate请求,STUN服务器在响应消息中添加了一个“LifeTime”的属性,该属性表示relay的存活时间。 客户端需要在relay的存活时间内周期性的调用REFRESH请求,服务端接收到REFRESH请求后,刷新剩余时间;当REFRESH请求中的lifetime属性为0时,说明是客户端主动要求关闭relay地址。

7.2.4          STUN端口的保活

       由于与STUN服务器通信使用的是UDP,所以为了保持一个长连接,需要客户端周期性的向STUN服务器的STUN Port发送心跳包。

       周期性心跳包的目的就是,使得NAT设备对客户端A的反射地址(Server Reflexive Address)一直有效。使得从STUN Port发送的数据能通过A的反射地址到达A。此处不理解的可以查阅“NAT 类型的分类以及NAT的作用”。

       此处解释了,7.2.2.3中的第一个问题,因为客户端A没有和relay Port保活,又由于NAT的特性,数据直接通过relay port转发给A时,NAT直接就丢弃了,所以A是收不到的。所以数据必须经过STUN服务器的STUN  Port发送。

7.2.5          Relay转发的时候添加STUN头(Send和Data请求)

       将7.2.2.1、 7.2.2.2合并到一起就是:

 

 

       如上图所示是B主动给A发消息:“Hello”,A回应“Hi”的过程。

       序号1、2、3、4、5为B的发送请求(蓝色箭头方向);

       序号6、7、8、9、10为A的回应,原路返回(绿色箭头方向)。

       注意:在“Hello”发送的过程中,1、2阶段时,发送的数据为裸的UDP数据。在4、5过程中,是被STUN协议包装过的“Hello”,称之为Data indication。

       同样在“Hi”发送的过程中,6、7阶段为被STUN协议包装过的“Hi”,称之为Send indication,9、10是裸的UDP数据。

       在4、5阶段,由于数据是从STUN Port转发下来的,为了能够让客户端A知道这个包是哪个客户端发来的,所以,STUN 协议对“Hello”进行了重新的包装,最主要的就是添加了一个XOR-PEER-ADDRESS属性,由裸数据包装成STUN协议的过程,我们称之为添加了STUN头。XOR-PEER-ADDRESS的内容就是客户端B的反射地址(Server Reflexive Address)。

       在6、7阶段,A的响应原路返回,为了能够让A的relay port知道最终发往哪个客户端,因此也为“Hi”添加了STUN头,也是添加了XOR-PEER-ADDRESS属性,内容就是客户端B的反射地址(Server Reflexive Address)。这样A的relay port就知道“Hi”的目的地址。

       第3阶段是:从A的relay端口收到数据,添加STUN头后,最后从STUN Port 发出的过程。

       第8阶段是:从STUN Port 接收到带STUN 头的数据,去掉STUN头,最后从A的relay端口发出的过程。

       此处解释了7.2.2.3 的第二个问题。

 

       客户端B主动发送信息给A的交互流程如上图所示,那么客户端A主动发送信息给客户端B的交互流程是怎样的呢,你能画出来吗?

       要知道客户端A主动发消息给客户端B,应该将消息发往客户端B的relay port哦。。

7.2.6          使用TURN协议的必要性

       要想实现消息的中转,必须使用TURN协议吗?答案当然是否定的。

       TURN协议只是一种公认的,标准的协议。我们当然可以实现自己的协议,但是已经有人对标准的TURN协议进行了实现(比如pjproject,它实现了STUN、TURN、ICE、SIP),我们为什么不拿来就用呢?

       在拿来就用的过程中,肯定会对已经实现的标准做一定的改动。但这关系不大,实现我们所关注的功能即可。

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