STUN技术：客户端和服务器详解与实战

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简介：STUN是一种网络协议，旨在解决NAT环境下的实时通信问题。STUN客户端和服务器通过映射检测机制帮助设备发现公网IP和端口，从而建立直接连接。STUN服务器能高效处理大量请求，而ICE协议则在STUN基础上增加了候选对概念，以提高连接成功率。了解和测试STUN协议对于开发者至关重要，相关开源工具和在线平台能帮助测试和调试NAT穿越问题。

1. STUN协议及其作用

网络地址转换（NAT）是目前互联网架构中普遍存在的技术，它解决了IPv4地址短缺的问题，并且隐藏了内部网络的结构。然而，当涉及到网络应用，尤其是实时通信（RTC）应用时，NAT带来的好处被它自身造成的连接问题所抵消。在这里，简单传输协议（STUN）被引入，作为一种解决这一问题的协议。

STUN，全称为Session Traversal Utilities for NAT，是一种网络协议，它允许位于NAT（网络地址转换）后面的客户端发现其公网可见的地址，并判断NAT的行为类型。STUN为解决NAT造成的对等连接问题提供了一种有效的手段。

STUN的实现基于客户端-服务器模型。客户端位于私有网络，通过发送STUN请求到STUN服务器，获取公网映射信息。然后，客户端使用这些信息建立外部连接，允许两个处于不同NAT之后的客户端互相通信。STUN简单易用，但也有局限性。具体来说，它在对称型NAT环境下效果不佳，并且需要考虑安全性提升，比如与ICE（Interactive Connectivity Establishment）协议结合使用，以进一步解决更复杂的NAT穿透问题。

2. NAT穿越机制

2.1 NAT类型概述

NAT（Network Address Translation）网络地址转换，是现代网络中广泛使用的协议之一，它的主要目的是解决IPv4地址不足的问题，并且允许私有网络中的主机通过一个公共IP地址访问外部网络。

2.1.1 全锥型NAT

全锥型NAT（Full Cone NAT）是最简单的NAT类型，当内部网络的一个主机建立了一个到外部网络的连接，NAT将创建一个映射记录，使得任何外部主机都可以通过这个公共IP地址和端口向内部主机发送数据。

2.1.2 受限锥型NAT

受限锥型NAT（Restricted Cone NAT）对于全锥型NAT有所限制，只有先由内部主机向外部特定的主机地址发送数据包，该外部主机才能通过公共IP和端口向内部主机发送数据。

2.1.3 端口受限锥型NAT

端口受限锥型NAT（Port Restricted Cone NAT）在受限锥型NAT的基础上进一步限制，只有当内部主机向外部主机的特定端口发送数据时，该外部主机才能通过特定的公共IP和端口向内部主机发送数据。

2.1.4 对称型NAT

对称型NAT（Symmetric NAT）是最复杂的NAT类型，对每一个新的外部连接，NAT都会分配一个新的端口，也就是说，即使内部主机与外部同一个主机通信，也会使用不同的外部端口。

2.2 NAT穿透技术

2.2.1 绕过NAT的必要性

在互联网通信中，尤其是在P2P（Peer-to-Peer）网络和实时通信应用中，NAT的存在会造成通信障碍。因此，开发出多种NAT穿透技术来解决这一问题变得至关重要。

2.2.2 常见的NAT穿透技术对比

1. UPnP（Universal Plug and Play） ：允许内部网络设备发现和进行网络上的通信配置。
2. STUN（Session Traversal Utilities for NAT） ：允许外部主机发现其公共NAT映射。
3. TURN（Traversal Using Relays around NAT） ：当NAT穿越失败时，使用中继服务器转发数据。
4. ICE（Interactive Connectivity Establishment） ：结合STUN和TURN，选择最佳通信路径。

2.2.3 STUN在NAT穿透中的角色

STUN是一种在NAT穿越中常用的协议，主要用于发现公共IP和端口映射，允许位于不同NAT后的客户端建立直接连接。STUN协议能够告诉客户端的服务器端NAT转换后的地址，从而使得双方能够在P2P通信时互相连接。

2.3 STUN的工作原理和限制

STUN协议通过客户端与STUN服务器之间的请求和响应来发现NAT的外部IP地址和端口号。客户端首先向STUN服务器发送一个请求，STUN服务器收到请求后，回复一个响应，其中包含了从服务器角度看客户端的公网IP地址和端口信息。

尽管STUN协议能够帮助解决NAT穿透的问题，但它也有局限性。比如，它在对称型NAT面前效果不佳，因为它依赖于稳定的映射关系，而在对称型NAT中，每次新连接都会产生新的映射。

// 示例代码块：STUN请求与响应过程的伪代码表示 // 客户端发送STUN请求 stun_request = send_to_stun_server('STUN Binding Request') // STUN服务器响应客户端请求 stun_response = receive_from_stun_server('STUN Binding Response') // 客户端解析STUN响应，获取公共地址和端口信息 public_address = parse_response(stun_response) 

在本示例中，STUN客户端与STUN服务器之间的通信使用了伪代码表示，实际实现时需要遵循STUN协议的详细规定，包括数据包的格式、加密、认证等安全机制。

STUN协议的实现和应用对于理解NAT穿越具有重要意义，通过上述章节的介绍，我们对NAT类型有了全面的了解，对NAT穿透技术及STUN的工作原理有了一定的认识。在下一章节中，我们将进一步深入探讨STUN客户端的功能和映射检测过程。

3. STUN客户端功能与映射检测

在实时通信场景中，STUN客户端扮演了至关重要的角色，它负责与STUN服务器交互，以获取公网IP地址和端口映射信息，并确保这些信息在NAT环境中保持有效。本章将深入探讨STUN客户端的基本功能以及映射检测的详细过程。

3.1 STUN客户端的基本功能

STUN客户端的设计旨在解决NAT带来的网络地址转换问题，它通过一系列的交互流程，确保客户端能够获得正确的公网IP和端口映射信息。

3.1.1 服务发现

STUN客户端首先需要发现STUN服务器，这一过程通常涉及预配置的服务器地址或使用服务发现协议来动态获取可用的STUN服务器列表。服务发现机制允许客户端从候选服务器列表中选择一个进行连接，这在面对多个NAT环境时尤为重要。

3.1.2 映射地址获取

获取映射地址是STUN客户端的核心功能之一。客户端通过向STUN服务器发送绑定请求（Binding Request）并接收绑定响应（Binding Response），从而获得公网IP地址和端口号。这个过程涉及的STUN协议交互机制，将确保即使在变化的NAT环境下，客户端也能实时获得准确的网络地址信息。

3.2 映射检测过程

STUN客户端在获取映射地址后，需要定期执行映射检测，以保证在NAT地址和端口映射变化时能够及时更新信息。

3.2.1 绑定请求和响应

映射检测的第一步是发送绑定请求。STUN客户端生成一个事务ID，并通过UDP协议向STUN服务器发送一个绑定请求消息。STUN服务器接收到请求后，将客户端的公网IP地址和端口号填入绑定响应消息中，并将其发送回客户端。这个过程能够确保客户端获得最新的NAT绑定信息。

3.2.2 保持绑定

获取到公网IP地址和端口映射后，STUN客户端会使用这一信息与远端通信。然而，NAT映射有可能因为超时而失效。因此，STUN客户端需要定期发送绑定请求来维持绑定关系，防止NAT映射失效导致通信中断。

3.2.3 连接超时和刷新机制

为了处理NAT绑定超时的情况，STUN客户端引入了刷新机制。通常情况下，客户端会在绑定超时前发送新的绑定请求来刷新NAT绑定。此外，如果在一定时间内客户端没有收到任何来自远端的消息，客户端也可以发送绑定请求来重新建立连接。

下面是一段示例代码，演示了STUN客户端如何执行绑定请求：

import socket from stun import Message, XORPeerAddress  def send_binding_request(stun_server_ip, stun_server_port, local_ip, local_port):     # Create a socket     sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)     # Enable the socket to be reused (required for UDP sockets)     sock.setsockopt(socket.SOL_SOCKET, socket.SO_REUSEADDR, 1)      # Bind the socket to the local IP and port     sock.bind((local_ip, local_port))      # Prepare the Binding Request     request = Message()     # Add XOR-MAPPED-ADDRESS attribute to the request     xor_addr = XORPeerAddress()     xor_addr.family = socket.AF_INET     xor_addr.port = local_port     xor_addr.address = local_ip     request.attributes.append(xor_addr)      # Send the Binding Request to the STUN server     request.encode()     sock.sendto(request.raw, (stun_server_ip, stun_server_port))      # Receive the Binding Response     response, _ = sock.recvfrom(1024)     response_message = Message.decode(response)      # Extract XOR-MAPPED-ADDRESS attribute from the response     xor_addr_response = response_message.attributes[0]     mapped_address = xor_addr_response.address     mapped_port = xor_addr_response.port      return (mapped_address, mapped_port)  # Example usage: # Assuming we have a STUN server at ***.***.*.***:3478 # and we want to get our mapped address when behind a NAT stun_server_ip = '***.***.*.***' stun_server_port = 3478 local_ip = '*.*.*.*' # Wildcard IP address local_port = 12345  mapped_address, mapped_port = send_binding_request(stun_server_ip, stun_server_port, local_ip, local_port) print(f"Public IP: {mapped_address}, Public Port: {mapped_port}") 

在上述代码中，我们构建了一个STUN的绑定请求并发送到STUN服务器。服务器返回的响应包含了公网的IP地址和端口号，这些信息被客户端用于后续的通信。

通过上述过程，STUN客户端能够有效地处理NAT环境下的通信问题，并保持与远端的稳定连接。在下一节中，我们将详细介绍STUN服务器的工作原理，以及它如何处理客户端的请求并确保通信的可靠性。

4. STUN服务器工作原理

4.1 STUN服务器结构

4.1.1 服务器的主要组件

STUN服务器的主要组件包括监听端口、消息处理器、认证机制和地址映射表。监听端口负责接收来自客户端的STUN请求。消息处理器负责解析请求消息，并根据请求类型生成相应的响应。认证机制确保了通信的安全性，防止未授权的访问。地址映射表存储了客户端的公网地址和端口信息，这是NAT穿透的关键数据。

4.1.2 请求处理流程

当STUN服务器接收到客户端发送的STUN请求时，服务器首先验证消息的完整性，然后根据STUN协议的类型字段（如Binding Request）来决定如何处理。对于绑定请求，服务器会将公网IP地址和端口附加到响应中，并发送回客户端。对于认证请求，服务器会与客户端进行认证过程的交互，确保客户端有权访问该服务。

4.2 STUN协议的认证机制

4.2.1 用户认证的重要性

在NAT穿透过程中，保护通信不被恶意用户利用是至关重要的。STUN协议通过认证机制来确保只有合法的用户才能使用NAT穿透服务。认证机制可以防止恶意客户端占用大量的公网IP资源，也保护了网络的安全性，避免了潜在的中间人攻击。

4.2.2 STUN的认证过程

STUN协议支持多种认证方式，常见的有短时认证（Short Term Authentication）和长期认证（Long Term Authentication）。短时认证通常使用一次性密码（OTP），而长期认证则使用用户名和密码对。STUN的认证过程涉及到客户端和服务器之间的交换信息，包括用户名、密码、非预期地址、随机数等。服务器会根据这些信息和存储的密钥来验证客户端的合法性。

STUN认证流程示例

sequenceDiagram     participant C as 客户端     participant S as STUN服务器      C->>S: 发送认证请求包含用户名和密码     Note right of S: 验证用户名和密码     alt 认证成功         S->>C: 发送认证成功消息     else 认证失败         S->>C: 发送认证失败消息     end 

上图展示了STUN服务器如何处理认证请求的简化流程。实际的STUN认证过程可能会更复杂，包括多次客户端与服务器之间的交互，以确保安全的认证过程。

STUN认证代码示例

import hashlib from base64 import b64encode  def stun_auth(username, password, nonce, realm):     # 根据nonce, realm, username, password计算出response     username_password = username + ":" + realm + ":" + password     ha1 = hashlib.md5(username_password.encode('utf-8')).hexdigest()     response = hashlib.md5((ha1 + ":" + nonce + ":***").encode('utf-8')).hexdigest()     return b64encode(response.encode('utf-8')).decode('utf-8')  # 示例使用 username = 'client_user' password = 'client_pass' nonce = 'nonce_value' realm = 'stun_server_realm'  # 认证 auth_response = stun_auth(username, password, nonce, realm) print(f"Authentication response: {auth_response}") 

在上述代码中，首先定义了一个 stun_auth 函数来处理认证逻辑。使用MD5算法计算出 ha1 ，然后根据 nonce 值、一个标志位以及前面计算的 ha1 来生成最终的 response 。该 response 会经过Base64编码后返回。客户端将此响应发送给STUN服务器进行验证。服务器会执行类似的计算过程，并与客户端发送的响应进行比对，来完成认证过程。

在这个例子中，我们没有包含实际的STUN消息处理逻辑，也没有实现与服务器的网络交互，仅为理解认证过程提供了一个简单的示例。在实际应用中，STUN协议的实现会涉及到网络编程和消息格式处理的复杂性。

5. ICE协议与候选对概念

5.1 ICE协议概述

5.1.1 ICE的工作原理

ICE（Interactive Connectivity Establishment）协议是一种基于NAT穿透的解决方案，旨在实现在不同网络环境下的VoIP（Voice over IP）和实时多媒体通信。它结合了多种NAT穿透技术，如STUN和TURN（Traversal Using Relays around NAT），来确保两个端点即使在复杂的网络条件下也能建立连接。

ICE工作原理的核心在于它允许端点收集多种可能的网络地址和端口（候选对），然后通过一系列的尝试来确定哪些候选对可以成功用于通信。这个过程涉及对候选对的优先级排序，随后通过STUN和TURN协议验证这些候选对的可访问性。候选对的选择考虑了多个因素，包括网络类型、地址类型（私有或公共）、以及各种NAT类型。

ICE协议主要分为两个阶段：候选对的收集和候选对的测试。在收集阶段，ICE客户端会收集其网络接口上所有可用的地址信息。在测试阶段，ICE客户端会与对端进行一系列的连接测试，以确定最佳的通信路径。

5.1.2 ICE的主要组件和流程

ICE协议的主要组件包括ICE客户端（ICE Agent）、候选对（Candidate Pair）、控制信令（Signaling）和媒体传输路径（Media Path）。

• ICE客户端 ：通常指的是呼叫方或被呼叫方的设备，它负责收集候选对，并与对端交换候选对信息。
• 候选对 ：是进行连接测试的网络地址和端口对，每个候选对由本地候选（Local Candidate）和远程候选（Remote Candidate）组成。
• 控制信令 ：是指交换候选对信息的机制，通常通过SIP（Session Initiation Protocol）或其他信令协议完成。
• 媒体传输路径 ：是指两个ICE客户端之间用于传输实时媒体流的实际路径。

ICE协议的工作流程大致分为以下几个步骤： 1. 候选对收集：ICE客户端收集所有可用的候选对。 2. 信令交换：ICE客户端之间通过信令交换候选对信息。 3. 候选对测试：ICE客户端测试所有候选对，确定哪个候选对能够成功通信。 4. 连接建立：选择最佳候选对，完成连接的建立，并开始传输媒体流。

ICE协议的优势在于它的灵活性和健壮性，能够在多种网络环境中实现稳定连接，尤其适合于P2P（Peer-to-Peer）通信场景。

5.2 候选对的选择和优先级

5.2.1 候选对的定义

候选对是ICE协议中用于建立连接的网络地址和端口的组合。每个候选对都由两个部分组成：本地候选和远程候选。本地候选代表本地端点上的一个网络接口地址，而远程候选代表远程端点的网络接口地址。在ICE协议中，一个有效的候选对必须是这样的组合：本地候选和远程候选都能够独立地通过NAT，从而使它们之间的连接变得可能。

ICE协议定义了几种不同类型的候选对，每种类型都有其特定的网络属性和使用场景： - 主机候选（Host Candidate） ：来自直接连接到网络的主机接口。 - 服务器反射候选（Server Reflexive Candidate） ：通过STUN服务器反射得到的地址，通常用于NAT后的设备。 - 对称候选（Symmetric Candidate） ：由对称型NAT产生的地址，这种类型需要通过TURN服务器来转发数据。 - 中继候选（Relay Candidate） ：通过TURN服务器获得的地址，通常用于NAT后且无法通过STUN进行通信的情况。

5.2.2 优先级的计算方法

在ICE协议中，每个候选对都有一个优先级，用于在多个候选对中选择最佳的通信路径。优先级的计算依赖于多种因素，如候选对的类型、网络类型以及配置的优先级值等。

候选对的优先级计算公式大致如下：

priority = (2^24 * type preference) + (2^8 * local preference) + (2^0 * component ID) 

其中： - type preference ：是一个基于候选对类型的权重值，这个值越高，候选对越可能被优先选择。 - local preference ：是一个配置值，用于区分同一类型下多个候选对的优先级。通常，这个值越高，候选对越可能被优先选择。 - component ID ：对于媒体流（如RTP）来说，这个值通常设置为1，对于控制信息（如RTCP）来说，可能为2。

例如，一个主机候选可能拥有较高的 type preference 值，因为它不需要依赖任何外部服务（如STUN或TURN服务器）即可直接使用。而一个中继候选由于需要额外的网络资源（如TURN服务器的带宽），可能具有较低的 type preference 值。

ICE协议中的候选对选择过程不仅考虑优先级，还需要通过测试来验证候选对的可用性。最终的连接建立使用的是被测试证实为有效的最佳候选对。

在实际应用中，了解和正确配置候选对的优先级对于优化通信质量和提高连接成功率至关重要。通过合理配置，可以确保在各种网络环境下实现最优化的通信路径选择。

6. STUN和ICE在实时通信中的应用

6.1 实时通信中NAT穿越的挑战

6.1.1 实时通信的网络特性

实时通信应用如VoIP、视频会议以及WebRTC等依赖于低延迟和稳定的连接。这些应用通常需要在设备之间建立直接的点对点连接，以便高效地传输音频和视频数据。然而，NAT的存在破坏了网络的扁平化设计，使得两个处于不同NAT后的设备难以直接通信。网络地址转换给实时通信带来了两个主要问题：外网地址的不可预测性以及内网地址的私密性。

6.1.2 NAT穿越的影响

NAT穿越机制允许处于不同NAT设备后的客户端通过某些策略发现并建立连接。对于实时通信来说，如果不能成功穿越NAT，可能会导致连接建立时间变长、连接不稳定、甚至完全无法建立连接。这不仅影响了用户的体验，还可能给运营平台带来额外的维护和优化成本。

6.2 STUN和ICE的实际应用案例

6.2.1 WebRTC中的应用

WebRTC（Web Real-Time Communication）是一个支持网页浏览器进行实时语音对话或视频对话的API。WebRTC利用STUN和ICE协议来完成NAT穿透和端点间的连接。STUN服务器负责为客户端提供公网IP地址和端口映射信息，而ICE协议则负责候选对的搜集、优先级排序和连接的建立。

在WebRTC的初始化阶段，客户端会搜集所有可能的候选地址（包括本地地址、反射地址和服务器反射地址）。然后，它将这些地址通过STUN协议提供给ICE进行处理。ICE根据各种因素（如地址类型、网络类型、延迟等）对这些地址进行排序，并尝试建立连接。一旦找到一个可工作的连接，其他候选地址就会被忽略。

6.2.2 其他实时通信平台的应用分析

除了WebRTC，还有许多其他的实时通信平台和应用也广泛使用STUN和ICE协议。例如，现代的在线游戏、远程桌面协议（如RDP），甚至是一些企业通信解决方案都利用这些协议来建立稳定和快速的连接。

在企业级的远程通信解决方案中，STUN和ICE协议被集成到VoIP系统中以处理各种网络拓扑。这种集成通常包括对不同NAT类型的支持，以及在协议栈中嵌入相应的重试逻辑和故障转移机制。这样的集成确保了在各种网络条件下都能获得最佳的呼叫体验和最小的连接延迟。

下面是一个WebRTC使用STUN和ICE建立连接的简化代码示例：

// 创建RTCPeerConnection const peerConnection = new RTCPeerConnection({   iceServers: [{ urls: 'stun:***' }] });  // 添加本地媒体流的轨道 const localStreamTrack = ...; // 获取本地媒体流的轨道 peerConnection.addTrack(localStreamTrack, localStream);  // 创建一个offer并发送给远端 peerConnection.createOffer().then(offer => {   return peerConnection.setLocalDescription(offer); }).then(() => {   // 将localDescription发送给远端 });  // 监听远端的answer和ICE候选 peerConnection.ontrack = (event) => {   // 当收到远端的媒体流时进行处理 }; peerConnection.onicecandidate = (event) => {   if (event.candidate) {     // 发送远端的候选信息到远端   } }; 

在上述代码中，通过创建 RTCPeerConnection 并设置 iceServers 来配置STUN服务器，这将允许客户端在NAT后建立连接。整个过程包括创建Offer、Answer以及处理ICE候选，展示了如何在实时通信中应用STUN和ICE协议。

通过这些实际的应用案例，我们可以看到STUN和ICE如何解决NAT穿越的问题，保障了实时通信的高效性和可靠性。

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简介：STUN是一种网络协议，旨在解决NAT环境下的实时通信问题。STUN客户端和服务器通过映射检测机制帮助设备发现公网IP和端口，从而建立直接连接。STUN服务器能高效处理大量请求，而ICE协议则在STUN基础上增加了候选对概念，以提高连接成功率。了解和测试STUN协议对于开发者至关重要，相关开源工具和在线平台能帮助测试和调试NAT穿越问题。

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