放牧代码和思想
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试验UDP打洞穿透NAT

目录

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: 

  1. Full Cone 

  2. Restricted Cone 

  3. Port Restricted Cone 

  4. 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STUNNAT穿透场景中STUN客户端首先向位于公网上的STUN器 发送Binding RequestSTUN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,将其加在Binding Response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symmentricNAT

其他

支持自动检测NAT使用户即使在使用STUN协议无实现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

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

NAT无要求,支持所有类型的NAT。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

知识共享许可协议 知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享码农场 » 试验UDP打洞穿透NAT

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评论 6

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  1. #5

    你好,请问能提供完整的代码吗,还有,我在网上找不到关于ice4
    j的文档啊,

    YG1年前 (2016-07-28)回复
  2. #4

    有点头绪了,传输方式改为TCP
    然后生成的SDP 信息,复制到另一个应用
    继续研究

    solq2年前 (2015-06-17)回复
  3. #3

    a=candidate:1 1 udp 2130706431 192.168.60.117 9999 typ host
    a=candidate:2 1 udp 2130706431 10.10.0.6 9999 typ host

    大神,这个怎么只有两行的,不是你显示的四行
    还有调用这个方法阻塞了..要自己输入什么内容?
    public void exchangeSdpWithPeer()

    solq2年前 (2015-06-17)回复
  4. #2

    下载试试,多谢了
    比其它资料论文更实在
    还有代码例子

    solq2年前 (2015-06-17)回复
  5. #1

    哥们,现在这库能玩不

    solq2年前 (2015-06-17)回复

我的开源项目

HanLP自然语言处理包基于DoubleArrayTrie的Aho Corasick自动机