试验UDP打洞穿透NAT

本文主要是介绍试验UDP打洞穿透NAT，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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