P2P技术之STUN、TURN、ICE详解

　　现在大多数计算机主机都位于防火墙或NAT之后，很少有计算机直接接入Internet。通常，人们希望网络中两天计算机能直接进行通信（P2P通信），而不是需要其他公共服务器的中转。

　　由于主机位于防火墙或NAT之后，在进行P2P通信之前，需要进行检测确认它们间能否进行P2P通信及如何通信。这种技术通常称为NAT穿透（NAT Traversal）。最常见的NAT穿透是基于UDP技术，如RFC3489中定义的STUN协议。

　　NAT对待UDP的实现方式：

Full Cone NAT：
完全锥形NAT，所有从同一个内网IP和端口号发送过来的请求都会被映射成同一个外网IP和端口号，并且任何一个外网主机都可以通过这个映射的外网IP和端口号向这台内网主机发送包。
Restricted Cone NAT：
限制锥形NAT，它也是所有从同一个内网IP和端口号发送过来的请求都会被映射成同一个外网IP和端口号。与完全锥形不同的是，外网主机只能够向先前已经向它发送过数据包的内网主机发送包。
Port Restricted Cone NAT：
端口限制锥形NAT，与限制锥形NAT很相似，只不过它包括端口号。也就是说，一台IP地址X和端口P的外网主机想给内网主机发送包，必须是这台内网主机先前已经给这个IP地址X和端口P发送过数据包。
Symmetric NAT：
对称NAT，所有从同一个内网IP和端口号发送到一个特定的目的IP和端口号的请求，都会被映射到同一个IP和端口号。如果同一台主机使用相同的源地址和端口号发送包，但是发往不同的目的地，NAT将会使用不同的映射。此外，只有收到数据的外网主机才可以反过来向内网主机发送包。

一、STUN详解

　　STUN，首先在RFC3489中定义，作为一个完整的NAT穿透解决方案，英文全称是Simple Traversal of UDP Through NATs，即简单的用UDP穿透NAT。是个轻量级的协议，是基于UDP的完整的穿透NAT的解决方案。它允许应用程序发现它们与公共互联网之间存在的NAT和防火墙及其他类型。它也可以让应用程序确定NAT分配给它们的公网IP地址和端口号。

　　在新的RFC5389修订中把STUN协议定位于为传统NAT提供工具，而不是一个完整的解决方案，即NAT会话穿透效用(Session Traversal Utilities for NAT)。RFC5389与RFC3489除了名称变化外，最大的区别是支持TCP穿透。

1、RFC3489/STUN

　　STUN是一种Client/Server的协议，也是一种Request/Response的协议，默认端口号是3478。

（1）报文结构

【Ø 消息头】

　　所有的STUN消息都包含20个字节的消息头：16位的消息类型(MessageType)、16位的消息长度(MessageLength)、128位的事务ID(Transaction ID)。

　　消息类型许可值：0x0001(捆绑请求)、0x0101(捆绑响应)、0x0111(捆绑错误响应)、0x0002(共享私密请求)、0x0102(共享私密响应)、0x0112(共享私密错误响应)。

　　消息长度：消息大小的字节数，不包括20字节的头部。

　　事务ID：128位的标识符，用于随机请求和响应，请求与其相应的所有响应具有相同的标识符。

【Ø 消息属性】

　　消息头之后是0或多个属性，每个属性进行TLV编码，包括16位的属性类型、16位的属性长度和变长属性值。

　　属性类型定义：

MAPPED-ADDRESS：MAPPED-ADDRESS属性表示映射过的IP地址和端口。它包括8位的地址族，16位的端口号及长度固定的IP地址。
RESPONSE-ADDRESS：RESPONSE-ADDRESS属性表示响应的目的地址
CHASNGE-REQUEST：客户使用32位的CHANGE-REQUEST属性来请求服务器使用不同的地址或端口号来发送响应。
SOURCE-ADDRESS：SOURCE-ADDRESS属性出现在捆绑响应中，它表示服务器发送响应的源IP地址和端口。
CHANGED-ADDRESS：如果捆绑请求的CHANGE-REQUEST属性中的“改变IP”和“改变端口”标志设置了，则CHANGED-ADDRESS属性表示响应发出的IP地址和端口号。
USERNAME：USERNAME属性用于消息的完整性检查，用于消息完整性检查中标识共享私密。USERNAME通常出现在共享私密响应中，与PASSWORD一起。当使用消息完整性检查时，可有选择地出现在捆绑请求中。
PASSWORD：PASSWORD属性用在共享私密响应中，与USERNAME一起。PASSWORD的值是变长的，用作共享私密，它的长度必须是4字节的倍数，以保证属性与边界对齐。
MESSAGE-INTEGRITY：MESSAGE-INTEGRITY属性包含STUN消息的HMAC-SHA1，它可以出现在捆绑请求或捆绑响应中；MESSAGE-INTEGRITY属性必须是任何STUN消息的最后一个属性。它的内容决定了HMAC输入的Key值。
ERROR-CODE：ERROR-CODE属性出现在捆绑错误响应或共享私密错误响应中。它的响应号数值范围从100到699。
UNKNOWN-ATTRIBUTES：UNKNOWN-ATTRIBUTES属性只存在于其ERROR-CODE属性中的响应号为420的捆绑错误响应或共享私密错误响应中。
REFLECTED-FROM：REFLECTED-FROM属性只存在于其对应的捆绑请求包含RESPONSE-ADDRESS属性的捆绑响应中。属性包含请求发出的源IP地址，它的目的是提供跟踪能力，这样STUN就不能被用作DOS攻击的反射器。

　　具体的ERROR-CODE（响应号），与它们缺省的原因语句一起，目前定义如下：

400（错误请求）：请求变形了。客户在修改先前的尝试前不应该重试该请求。
401（未授权）：捆绑请求没有包含MESSAGE-INTERITY属性。
420（未知属性）：服务器不认识请求中的强制属性。
430（过期资格）：捆绑请求没有包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但它使用过期
的共享私密。客户应该获得新的共享私密并再次重试。
431（完整性检查失败）：捆绑请求包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但HMAC验
证失败。这可能是潜在攻击的表现，或者客户端实现错误
432（丢失用户名）：捆绑请求包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但没有
USERNAME属性。完整性检查中两项都必须存在。
433（使用TLS）：共享私密请求已经通过TLS（Transport Layer Security，即安全
传输层协议）发送，但没有在TLS上收到。
500（服务器错误）：服务器遇到临时错误，客户应该再次尝试。
600（全局失败）：服务器拒绝完成请求，客户不应该重试。

　　属性空间分为可选部分与强制部分，值超过0x7fff的属性是可选的，即客户或服务器即使不认识该属性也能处理该消息；值小于或等于0x7fff的属性是强制理解的，即除非理解该属性，否则客户或服务器就不能处理该消息。

（2）实现原理

　　STUN协议的完整交互过程如下所示：

　　STUN协议具体实现步骤：

　　一般情况下，客户会配置STUN服务器提供者的域名，该域名被解析为IP地址和SRV过程的端口号。

　　服务器名是“stun”，使用UDP协议发送捆绑请求，使用TCP协议发送共享私密请求。STUN协议的缺省端口号为3478。若要提供完整性检查，STUN在客户和服务器间使用128位的共享私密，作为捆绑请求和捆绑响应中的密匙。

　　首先，客户通过发现过程获得它将与之建立TCP连接的IP地址和端口号。客户打开该地址和端口的连接，开始TLS协商，验证服务器的标识。客户发送共享私密请求。该请求没有属性，只有头。服务器生成响应。客户会在该连接上生成多个请求，但在获得用户名和密码后关闭该连接。

　　其次，服务器收到共享私密请求，验证从TLS连接上到达的该请求；如果不是通过TLS收到的请求，则生成共享私密错误响应，并设置ERROR-CODE属性为响应号433；这里区分两种情况：若通过TCP收到请求，则错误响应通过收到请求的相同连接发送；若通过UDP收到请求，则错误响应发送回请求送出的源IP和端口。

　　服务器检查请求中的任何属性，当其中有不理解的小于或等于0x7fff的值，则生成共享私密错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号420,并包括UNKNOWN-ATTRIBUTE属性，列出它不理解的小于或等于0x7fff的属性的值。该错误响应通过TLS连接发送。

　　然后，若请求正确，服务器创建共享私密响应，包含与请求中相同的事务ID，并包含USERNAME和PASSWORD属性。用户名在10分钟内有效。共享私密响应通过与收到请求的相同的TLS连接发送，服务器保持连接打开状态，由客户关闭它。

　　接着，客户发送捆绑请求，携带的属性包括：

可选属性：RESPONSE-ADDRESS属性和CHANGE-REQUEST属性；
强制属性：MESSAGE-INTEGRITY属性和USERNAME属性。

　　客户发送捆绑请求，通过客户重传来提供可靠性。客户开始用100ms的间隔重传，每次重传间隔加倍，直至1.6秒。之间间隔1.6秒的重传继续，直到收到响应或总共已经发送了9次。因此，若9500ms后，还未收到响应，客户认为传输已经失败。

　　随后，服务器检查捆绑请求的MESSAGE-INTEGRITY属性，不存在则生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号401；若存在，计算请求的HMACKey值。

　　服务器检查USERNAME属性，不存在则生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号432；若存在，但不认识该USERNAME的共享私密（例如，它超时了），生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号430。

　　服务器如知道该共享私密，计算HMAC与请求是否相同，如果相同生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号431。

　　假设消息完整性检查通过了，服务器检查请求中的任何属性的值，若遇到不理解的小于或等于0x7fff的值，生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号420，该响应包含UNKNOWN-ATTRIBUTE属性，并列出不理解的小于或等于0x7fff的属性。

　　若请求正确，服务器生成单个捆绑响应，包含与捆绑请求相同的事务ID。服务器在捆绑响应中加入MAPPED-ADDRESS属性，该属性的IP地址和端口号为捆绑请求的源IP地址和端口号。

　　捆绑响应的源地址和端口号取决于捆绑请求中CHANGE-REQUEST属性的值及捆绑请求收到的地址和端口号相关。

（3）总结

　　服务器在捆绑响应中加入SOURCE-ADDRESS属性，包含用于发送捆绑响应的源地址和端口号；加入CHANGED-ADDRESS属性，包含源IP地址和端口号。

　　如果捆绑请求中包含了USERNAME和MESSAGE-INTEGRITY属性，则服务器在捆绑响应中加入MESSAGE-INTEGRITY属性。

　　如果捆绑请求包含RESPONSE-ADDRESS属性，则服务器在捆绑响应中加入REFLECTED-FROM属性：如果捆绑请求使用从共享私密请求获得的用户名进行认证，则REFLECTED-FROM属性包含共享私密请求到达的源IP地址和端口号；若请求中的用户名不是使用共享私密分配的，则REFLECTED-FROM属性包含获得该用户名的实体的源IP地址和端口号；若请求中没有用户名，且服务器愿意处理该请求，则REFLECTED-FROM属性包含请求发出的源IP地址和端口号。

　　服务器不会重传响应，可靠性通过客户周期性地重发请求来保障，每个请求都会触发服务器进行响应。

　　客户端判断响应的类型是捆绑错误响应还是捆绑响应。捆绑错误响应通常在请求发送的源地址和端口收到；捆绑响应通常在请求中的RESPONSE-ADDRESS属性的地址和端口收到，若没有该属性，则捆绑响应将在请求发送的源地址和端口号收到。

若是捆绑错误响应，客户检查响应中的ERROR-CODE属性的响应号：400至499之间的未知属性按属性400处理，500至599之间的未知属性按500处理，600至699之间的未知属性按600处理。任何100和399之间的响应都会使请求重传中止，但其他则忽略；若客户收到响应的属性类型大于0x7fff，则忽略该属性，若小于或等于0x7fff，则请求重传停止，并忽略整个响应；
若是捆绑响应，客户检查响应的MESSAGE-INTEGRITY属性：如果不存在，客户在请求中加入MESSAGE-INTEGRITY属性，并放弃该响应；如果存在，客户计算响应的HMAC。如果计算出的HMAC与响应中的不同，则放弃该响应，并警告客户可能受到了攻击；若计算出的HMAC与响应中的匹配，则过程继续；
不论收到捆绑响应还是捆绑错误响应，都将中止该请求的重传。客户在第一次响应后继续监听捆绑请求的响应10秒钟，如果这期间它收到任何消息类型不同的响应或不同的MAPPED-ADDRESS属性，它将警告用户可能受到攻击；并且，如果客户收到的捆绑响应次数超过它发送的捆绑请求数的两倍，它将警告用户可能受到攻击；若捆绑响应经过认证，上述攻击并未导致客户丢弃MAPPED-ADDRESS，则客户可以使用该MAPPED-ADDRESS和SOURCE-ADDRESS属性。

（4）STUN功能举例

　　客户通过带外方式获得STUN服务器信息后，就打开对应的地址和端口的连接，并开始与STUN服务器进行TLS协商。一旦打开了连接，客户就通过TCP协议发送共享私密请求，服务器生成共享私密响应。STUN在客户和服务器间使用共享私密，用作捆绑请求和捆绑响应中的密匙。之后，客户使用UDP协议向STUN服务器发送捆绑请求，当捆绑请求消息到达服务器的时候，它可能经过了一个或者多个NAT。结果是STUN服务器收到的捆绑请求消息的源IP地址被映射成最靠近STUN服务器的NAT的IP地址，STUN服务器把这个源IP地址和端口号复制到一个捆绑响应消息中，发送回拥有这个IP地址和端口号的客户端。

　　当STUN客户端收到捆绑响应消息之后，它会将自己发送捆绑请求时绑定的本地IP地址和端口号同捆绑响应消息中的IP地址和端口号进行比较，如果不匹配，就表示客户端正处于一个或者多个NAT的前面。

　　在Full-Cone NAT的情况下，在捆绑响应消息中的IP地址和端口是属于公网的，公网上的任何主机都可以使用这个IP地址和端口号向这个应用程序发送数据包，应用程序只需要在刚才发送捆绑请求的IP地址和端口上监听即可。

　　当然，客户可能并不在一个Full-Cone NAT的前面，实际上，它并不知道自己在一个什么类型的NAT的前面。为了确定NAT的类型，客户端使用附加的捆绑请求。具体过程是很灵活的，但一般都会像下面这样工作：客户端再发送一个捆绑请求，这次发往另一个IP地址，但是使用的是跟上一次同一个源IP地址和源端口号，如果返回的数据包里面的IP地址和端口号和第一次返回的数据包中的不同，客户端就会知道它是在一个对称NAT的前面。客户端为了确认自己是否在一个完全锥形NAT的前面，客户端可以发送一个带有标志的捆绑请求，这个标志告诉服务器使用另一个IP地址和端口发送捆绑响应。换句话说，如果客户端使X/Y的IP地址端口对向A/B的IP地址端口对发送捆绑请求，服务器就会使用源IP地址和源端口号为C/D的地址端口对向X/Y发送捆绑响应。如果客户端收到了这个响应，它就知道它是在一个Full-Cone NAT前面。

　　STUN协议允许客户端请求服务器从收到捆绑请求的IP地址往回发捆绑响应，但是要使用不同的端口号。这可以用来检查客户端是否在Port Restricted Cone NAT的前面还是在Restricted Cone NAT的前面。

2、RFC5389/STUN

http://www.52im.net/thread-557-1-1.html

二、TURN详解

三、ICE介绍