stun 协议 NAT穿透方式简介

╰半橙微兮° 2021-08-26 13:53 655阅读 0赞

STUN是RFC3489规定的一种NAT穿透方式，它采用辅助的方法探测NAT的IP和端口。毫无疑问的，它对穿越早期的NAT起了巨大的作用，并且还将继续在NAT穿透中占有一席之地。

STUN的探测过程需要有一个公网IP的STUN server，在NAT后面的UAC必须和此server配合，互相之间发送若干个UDP数据包。UDP包中包含有UAC需要了解的信息，比如NAT外网IP，PORT等等。UAC通过是否得到这个UDP包和包中的数据判断自己的NAT类型。

假设有如下UAC（B），NAT（A），SERVER（C），UAC的IP为IPB，NAT的IP为 IPA ，SERVER的 IP为IPC1 、IPC2。请注意，服务器C有两个IP，后面你会理解为什么需要两个IP。

(1)NAT的探测过程  
STEP1：B向C的IPC1的port1端口发送一个UDP包。C收到这个包后，会把它收到包的源IP和port写到UDP包中，然后把此包通过IP1C和port1发还给B。这个IP和port也就是NAT的外网IP和port，也就是说你在STEP1中就得到了NAT的外网IP。

熟悉NAT工作原理的朋友可以知道，C返回给B的这个UDP包B一定收到（如果你不知道，去读下我的其它文章）。如果在你的应用中，向一个STUN服务器发送数据包后，你没有收到STUN的任何回应包，那只有两种可能：1、STUN服务器不存在，或者你弄错了port。2、你的NAT设备拒绝一切UDP包从外部向内部通过(不支持cone NAT)。

当B收到此UDP后，把此UDP中的IP和自己的IP做比较，如果是一样的，就说明自己是在公网，下步NAT将去探测防火墙类型，我不想多说。如果不一样，说明有NAT的存在，系统进行STEP2的操作。

STEP2：B向C的IPC1发送一个UDP包，请求C通过另外一个IPC2和PORT（不同与SETP1的IP1）向B返回一个UDP数据包（现在知道为什么C要有两个IP了吧，为了检测cone NAT的类型）。

我们来分析一下，如果B收到了这个数据包，那说明什么？说明NAT来着不拒，不对数据包进行任何过滤，这也就是STUN标准中的full cone NAT。遗憾的是，full cone nat太少了，这也意味着你能收到这个数据包的可能性不大。如果没收到，那么系统进行STEP3的操作。

STEP3：B向C的IPC2的port2发送一个数据包，C收到数据包后，把它收到包的源IP和port写到UDP包中，然后通过自己的IPC2和port2把此包发还给B。

和step1一样，B肯定能收到这个回应UDP包。此包中的port是我们最关心的数据，下面我们来分析：

如果这个port和step1中的port一样，那么可以肯定这个NAT是个CONE NAT，否则是对称NAT。道理很简单：根据对称NAT的规则，当目的地址的IP和port有任何一个改变，那么NAT都会重新分配一个port使用，而在step3中，和step1对应，我们改变了IP和port。因此，如果是对称NAT,那这两个port肯定是不同的。

如果在你的应用中，到此步的时候PORT是不同的，恭喜你，你的STUN已经死了。如果不同，那么只剩下了restrict cone 和port restrict cone。系统用step4探测是是那一种。

STEP4：B向C的IP2的一个端口PD发送一个数据请求包，要求C用IP2和不同于PD的port返回一个数据包给B。

我们来分析结果：如果B收到了，那也就意味着只要IP相同，即使port不同，NAT也允许UDP包通过。显然这是restrict cone NAT。如果没收到，没别的好说，port restrict  NAT.

(2)SIP怎么使用STUN

个人认为这是个很不值得提的问题，不过有许多人问我，还是简要提一下。其实这是个很简单的问题，SIP通过STUN得到NAT的外网IP和SIP的信令监听端口的外网port，替换SIP注册包中的contact头中的IP和port，然后注册。这样就可以确保当有人呼叫你的的时候注册服务器能找到你。需要提醒你的是，NAT发现一个连接超过一段时间后没有活动，它就会关闭这个影射，因此你必须间隔一端时间发送一个数据包出去以keep alive。

另外，当你要和别人建立RTP通讯的时候，不要忘记把你的SDP中的IP和PORT改成公网IP和PORT。

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stun协议的作用

STUN协议的全称是Simple Traversal of User Datagram Protocol Through Network Address Translators，主要功能是检测是否位于NAT后面，如果位于NAT后面，经过NAT转换后的地址和端口是什么，另外可以检测NAT的类型。

**基本思想**

在私网内部安装一个STUN client，在公网上安装一个STUN Server，STUN协议定义了一些消息格式，大体上分成Request/Response，client向server发送request，server发送response给client。如何检测STUN client是否在NAT后面呢？原理很简单，Server在收到client的UDP包以后，Server将接收到该包的地址和端口利用udp传回来给client，client把这些地址和端口与本机的ip地址和端口进行比较，如果不同，说明在NAT后面，否则就位于NAT后面。为了检测不同类型的NAT，STUN协议定义了一些消息属性，要求Server有不同的动作，比如发送响应的时候使用不同的IP地址和端口，或者改变端口等等。STUN协议对NAT可能有效，但是对防火墙就无能为力了，因为防火墙可能不会打开UDP端口。

**NAT分类**

STUN协议将NAT粗略分为4种类型，即Full Cone、Restricted Cone、Port Restricted Cone和Symmetric。举个实际例子来说明这四种NAT的区别：

A机器在私网（192.168.0.4）

NAT服务器（210.21.12.140）

B机器在公网（210.15.27.166）

C机器在公网（210.15.27.140）

现在，A机器连接过B机器，假设是 A（192.168.0.4:5000）-> NAT（转换后210.21.12.140:8000）-> B（210.15.27.166:2000）。

同时A从来没有和C通信过。

则对于不同类型的NAT，有下列不同的结果：

Full Cone NAT：C发数据到210.21.12.140:8000，NAT会将数据包送到A（192.168.0.4:5000）。因为NAT上已经有了192.168.0.4:5000到210.21.12.140:8000的映射。

Restricted Cone：C无法和A通信，因为A从来没有和C通信过，NAT将拒绝C试图与A连接的动作。但B可以通过210.21.12.140:8000与A的 192.168.0.4:5000通信，且这里B可以使用任何端口与A通信。如：210.15.27.166:2001 -> 210.21.12.140:8000，NAT会送到A的5000端口上。

Port Restricted Cone：C无法与A通信，因为A从来没有和C通信过。而B也只能用它的210.15.27.166:2000与A的192.168.0.4:5000通信，因为A也从来没有和B的其他端口通信过。该类型NAT是端口受限的。

Symmetric NAT：上面3种类型，统称为Cone NAT，有一个共同点：只要是从同一个内部地址和端口出来的包，NAT都将它转换成同一个外部地址和端口。但是Symmetric有点不同，具体表现在：只要是从同一个内部地址和端口出来，且到同一个外部目标地址和端口，则NAT也都将它转换成同一个外部地址和端口。但如果从同一个内部地址和端口出来，是到另一个外部目标地址和端口，则NAT将使用不同的映射，转换成不同的端口（外部地址只有一个，故不变）。而且和Port Restricted Cone一样，只有曾经收到过内部地址发来包的外部地址，才能通过NAT映射后的地址向该内部地址发包。

现针对Symmetric NAT举例说明：

A机器连接过B机器，假使是 A（192.168.0.4:5000）-> NAT（转换后210.21.12.140:8000）-> B（210.15.27.166:2000）

如果此时A机器（192.168.0.4:5000）还想连接C机器（210.15.27.140:2000），则NAT上产生一个新的映射，对应的转换可能为A（192.168.0.4:5000）-> NAT（转换后210.21.12.140:8001）-> C（210.15.27.140:2000）。此时，B只能用它的210.15.27.166:2000通过NAT的210.21.12.140: 8000与A的192.168.0.4:5000通信， C也只能用它的210.15.27.140:2000通过NAT的210.21.12.140:8001与A的192.168.0.4:5000通信，而 B或者C的其他端口则均不能和A的192.168.0.4:5000通信。

下面对SIP协议产生**NAT**穿透问题，作一些解释；及提出解决的办法。   
1、大致有4种类型的**NAT**。  
a) Full Cone 完全圆锥体  
b) restricted cone 受限制的圆锥体  
c) port restricted 端口受限制的圆锥体  
d) symmetric 对称的  
其中a,b,c 也称作非对称的**NAT**。

2、SIP终端在**NAT**后面，其工作有可能出现问题。原因是SIP信令走的路径，和媒体流走的路径不一样。

3、Full Cone 完全圆锥体**NAT**  
因特网上的任何PC，可以发送数据包到IP:port对；而**NAT**将这个IP:port对（公网 上的）映射到内网的IP:port对（私有网络的）。

4、restricted cone 受限制的圆锥体**NAT  
NAT**外面的PC，只有那些内网中已有PC与之联系过的PC，才能通过这个映射 进来。例如，我通过内网的一台机器，IP 地址是10.1.1.1:123，与PC(a)联系，则PC(a)也可以通过这个**NAT**的映射，联系到我。而PC(b)则不行。  
10.1.1.1:123 —**NAT** —> 202.70.65.78:10000 ——pc(a)  
如果pc(b)也发送数据到 202.70.65.78:10000，则不会有数据送到10.1.1.1:123。

补充说明：  
如果我也联系过pc(b)，则pc(b)也可以进来了。  
10.1.1.1:123 —**NAT** —> 202.70.65.78:10000 ——pc(b)  
如果pc(b)也发送数据到202.70.65.78:10000，则数据送到 10.1.1.1:123。

5、port restricted 端口受限制的圆锥体**NAT**  
除了4的条件外，即不但要检测pc(a)的源IP地址，还要检测其端口是否 与前面也一样。  
10.1.1.1:123 —>**NAT**—->202.70.65.78:10000 —–> pc(a)\[213.123.324.34:8000\]

这个**NAT**只会接收从IP地址 213.123.324.34 且端口为 8000来的数据，让进入到10.1.1.1:123。

6、对称的**NAT** 这是关系描述最简单的一个  
10.1.1.1:1000 —-**NAT** —–> 200.123.123.34:1234 —-pc(a)  
10.1.1.1:1000 —-**NAT** —–> 200.123.123.34:2222—-pc(b)  
这种**NAT**的IP:port对，对每个外部的程序，都是不同的。因而每一个外部的程 序，都有自己的映射（**NAT**分配的IP:port对）。而前面的三种，多个外部程序，可能共用一个**NAT**的IP:port对。

7、RTP的问题  
在RTP的消息正文内，有UA能够成功通信所需要的一些信息。这种消息正文，就叫做SDP消息。

问题在于，SIP终端（UA）可能对**NAT**一无所知。因而在SDP中包含的IP地址，通常使用内部的IP地址，也就是SIP终端知道的IP。这样， 当通信的对方想与SIP终端通信时，就查看SDP消息中的IP地址，但是什么也没有得到，因为这里使用的是内部IP地址。

下面举个例子说明：

INVITE sip:040600@192.168.20.2:5060 SIP/2.0.
    Record-Route: <sip:143.248.130.35;ftag=3a7ceb24a6ac50c4;lr=on>.
    Via: SIP/2.0/UDP 143.248.130.35;branch=z9hG4bK758e.976609c7.0.
    Via: SIP/2.0/UDP
    192.168.20.3;rport=1024;received=223.178.140.109;branch=z9hG4bK34efcab2403aa20d.
    From: "Iqbal" <sip:040618@sip.dom.com>;tag=3a7ceb24a6ac50c4.
    To: <sip:040600@sip.dom.com>.
    Contact: <sip:040618@223.178.140.109:1024>.
    Supported: replaces.
    Call-ID: 7f2c327896a5b0e1@192.168.20.3.
    CSeq: 8717 INVITE.
    User-Agent: Grandstream HT487 1.0.5.18.
    Max-Forwards: 16.
    Allow: IN
    VITE,ACK,CANCEL,BYE,NOTIFY,REFER,OPTIONS,INFO,SUBSCRIBE.
    Content-Type: application/sdp.
    Content-Length: 343.
    .
    v=0.
    o=040618 8000 1 IN IP4 192.168.20.3.
    s=SIP Call.
    c=IN IP4 192.168.20.3.
    t=0 0.
    m=audio 38660 RTP/AVP 0 8 4 18 2 15 99.
    a=sendrecv.
    a=rtpmap:0 PCMU/8000/3.
    a=rtpmap:8 PCMA/8000/3.

SIP消息的标题头，类似于邮件的标题头。从后往前看，从From行开始，看到第一个Via行，这是SIP终端自己认为的IP地址，例如 192.168.20.3。但是SIP代理服务器是聪明的，它知道这个消息是从哪里发过来的，它添加了rport和接收到的标志：  
Via: SIP/2.0/UDP  
192.168.20.3;rport=1024;received=223.178.140.109;branch=z9hG4bK34efcab2403aa20d.

也就是说，SIP代理服务器，知道发消息的SIP终端的公网地址是223.178.140.109:1024。  
这样，SIP代理服务器是可 以与SIP终端通信的，因为它知道SIP终端的公网地址。

但是，可怜的老式的RTP被阻塞了，因为它的标题头如下：

v=0.
    o=040618 8000 1 IN IP4 192.168.20.3.
    s=SIP Call.
    c=IN IP4 192.168.20.3.
    t=0 0.
    m=audio 38660 RTP/AVP 0 8 4 18 2 15 99.
    a=sendrecv.
    a=rtpmap:0 PCMU/8000/3.
    a=rtpmap:8 PCMA/8000/3.

SIP终端期望从端口 port m=38660 且IP地址IP c= 192.168.20.3来接收RTP数据，而这个192.168.20.3:38660，就是通信的对方试图发RTP数据的目的地址。

这就是SIP电话振铃总是能够听到，而接起来却没有声音的原因。

8 解决办法 告诉SIP终端，不要如此傻地工作，而要想办法知道**NAT**分配给自己的端口映射。

并将公网的IP地址：端口放到SDP消息中。这样，SIP终端就问**NAT**….。或者是问公网的某个服务器，**NAT**分配给自己的映射是什么。

9 问**NAT**。 这种办法就是使用UPnP协议，另外去参见UPnP的资料。

10 问公网上的某个服务器。 如STUN服务器。  
SIP终端发送一个探测数据包，到公网上的服务器。公网上的服务器会发回数据包，会包含 有关**NAT**的详细信息。有了这些信息，SIP终端就会知道它是否在**NAT**后面。这种探测方法，可以用于上面4种**NAT**，都有效。例如SIP终端从 10.1.1.1:1000发送一个数据包，则SDP消息中包含的是m=1000 and c=10.1.1.1。但是，如果SIP终端先进行**NAT**探测，则会知道**NAT**会分配公网的IP:端口是212.134.123.23:12345。则 SIP终端直接在SDP消息写m=12345，c=212.134.123.23。

产生的问题 因为**NAT**的端口分配是动态的，因而有可能会改变。这样，在发送了**NAT**探测消息后，要很快地发送出SIP消息。而且，SIP终端发送数据的端口和接收数 据的端口要是一样的。

注意受限制的圆锥体（包括端口受限制的圆锥体）**NAT**，它不让回来的消息进来，除非SIP终端先发了一个数据包给它。因而，SIP终端需要先发一个 数据包给对方。这样以后对方来的数据，就可以进入**NAT**内部了（不过，不需要为这个操作担心，有办法的）。

上面的办法在对称的**NAT**后面，不能够工作。因为，对称的**NAT**，它在分配给SIP终端外部的IP:port时，每次都变化（不同的对方不一样）。 也就是SIP终端在探测**NAT**时，得到的IP:port，与它后来发SIP消息时，分配的IP:port不一样。这样，对方来的语音数据就进不来，因为对 方得不到正确的IP:port。

11、上面描述的过程，其实就是采用STUN协议时，解决问题的过程。就是SIP终端向STUN服务器发探测**NAT**的数据包。

12、对称的**NAT** 解决办法 就是在公网上放一个中转语音流的服务器。这个中转语音流的服务器有时就是一个Out Bound proxy。注意，这个中转语音流的服务器，可能会成为瓶颈。由于语音要经过中转语音流的服务器，所以路径增长了，音质会变差。所以，对称的**NAT**，要 SIP能够工作，总之是个麻烦。

不过，目前大多数的**NAT**，都可以做“虚拟服务器的端口转发”，即将SIP工作需要的端口转发到SIP终端上去。如果在**NAT**设备上，做了“虚拟服 务器的端口转发”，则**NAT**会保留SIP工作需要的端口，专用于SIP终端，这样SIP终端就相当于是在一个Full Cone完全圆锥体的**NAT**后面，SIP用STUN工作没有问题。SIP终端需要的端口数是这样确定的，一个端口用于SIP信令，比如5060。RTP端 口的数量，取决于通话的路数。一路通话需要2个RTP端口。每增加一路通话，则需要多2个端口。  
只支持一路通话的SIP话机，需要**NAT**映射3个 端口。  
前面三种的**NAT**，可统称为非对称的**NAT**。非对称的**NAT**，都可以用STUN协议穿过**NAT**。

将对称的**NAT**，通过端口转发的方式，变为完全圆锥体的**NAT**，是解决**NAT**问题的最好办法。首先应当用这种办法来解决。没有办法映射端口，再想其 它的办法。当然，建议大家不要买那种不能够映射端口的宽带路由器，那样的路由器太差了。

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2. 案例

2.1. asterisk作为服务器，在nat之外，voip电话在nat之内。

2.1.1. 呼叫来自nat后面的电话终端，asterisk把媒体发到私网ip

![format_png][]

如果voip电话没有使用stun或其他机制来获取它的公网地址（并把公网地址写入invite消息），asterisk就把媒体发到私网地址，被路由器丢弃导致单通。

这种情况发生在sip.conf中主叫用户配置了nat=never，或nat=no，或nat=rfc3581。与nat的类型无关。

那就只有nat=route可以了，即主叫发送媒体到asterisk后，asterisk再按原路返回rtp.(asterisk如何获得rtp的路由?)

2.1.2. 呼叫来自nat后面的电话，asterisk发送媒体到错误端口

![format_png 1][]  
voip电话能检测到自己的公网ip并写入invite头，asterisk知道rtp的ip地址。

如果nat类型是Cone（full cone，restricted cone）,nat转发rtp到asterisk的端口不是原来voip电话的媒体端口，asterisk按照原端口发送rtp