CN101557388B

CN101557388B - 一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法

Info

Publication number: CN101557388B
Application number: CN200810103849.6A
Authority: CN
Inventors: 王劲林; 任浩; 鲁逸峰; 苏少炜; 冯侦探
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2028-04-11
Also published as: WO2009124450A1; CN101557388A; JP2011517545A; US8560607B2; US20110264739A1; JP5185435B2

Abstract

本发明涉及一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法，该方法将UPnP和STUN进行有效结合，在UPnP穿越NAT失败后再采用STUN方法对NAT进行二次穿越，通过汲取两种穿越方法各自的优点有效提高穿越成功率；对于对称NAT的穿越，提出采用基于NAT添加端口映射的样本值估计端口映射分布的方法进行端口猜测，以避免由于第三方代理转发造成的缺陷和简单端口递增猜测方法的盲目性；对于P2P流媒体系统中通信双方都位于NAT后的情况，提出采用让部分带宽充裕位于外网的普通通信节点充当辅助中继节点的方法来缓解中继服务器的压力，从而有效消除系统通信瓶颈。

Description

一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法

技术领域

本发明涉及计算机网络P2P流媒体技术领域，特别涉及一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法。

背景技术

随着互联网的发展和宽带应用的普及，利用网络进行流媒体直播正在成为网络应用的热点。传统的基于客户端/服务器架构的流媒体系统由于服务器带宽和处理能力的限制导致其可扩展性极差。P2P(Peer-to-Peer)对等网络技术作为一种有效的解决方案在最近几年得到了极大的推广。在P2P模式下，由于每个节点都具有客户端和服务器的功能，每个节点在从别的节点接收数据的同时还向其他节点发送数据，这样利用客户端节点的上传能力可以极大减轻流媒体服务器的负担。

另一方面，为了节省网络地址空间和保障网络安全，当前互联网中较多的采用了NAT(网络地址转换)技术。它是一种将IP地址从一个编址域映射到另外一个编址域的方法，如最典型的应用是把RFC1918定义的私有非注册地址内部隔离编址域映射到能在互联网路由的全局统一注册地址外部编址域。NAT设备能够为内网编址域与外网编址域之间的每条网络连接实施动态IP地址转换并设置相应的报文过滤规则，让不满足条件的报文不能够穿透NAT。

NAT可以很好地支持网页浏览等基本的因特网应用，对HTTP等端口固定的一般应用协议，只需要转换TCP/UDP头即可实现穿越；但是很难支持P2P流媒体应用，其原因包括：

(1)NAT的特点决定了只能由NAT内的主机主动向NAT外部的主机发起连接，外部的主机想直接和NAT内的主机建立连接是不被允许的。这意味着当外网主机想向内网主机请求媒体数据时将无法建立连接，因而，两台主机无法进行数据交换。

(2)NAT端口映射分为静态和动态两种：静态映射是静态添加内部(IP_inner，Port_inner)和外部(IP_outer，Port_outer)的映射关系；动态映射是为内外网主机的每次会话都建立一次映射，但不保证每次相同的会话添加相同的映射。由于P2P流媒体系统中通信节点进行多媒体通信使用的通信端口是连接建立时双方动态协商的，因此无论哪种映射添加方式，都无法满足P2P流媒体应用中多个对等节点间动态通信的需要。

因此，P2P流媒体应用必须要在一定程度上解决NAT穿越的问题，否则系统将无法正常工作。

传统NAT根据端口映射方式可分为以下几种典型类型：全NAT(Full Cone)；受限NAT(Restricted Cone)；端口受限NAT(Port Restricted Cone)；对称NAT(SymmetricNAT)，其中前三种NAT又可统称为锥形NAT(Cone NAT)。它们的主要差别在于对通过NAT的数据报文的过滤规则不同。

目前常用的NAT穿越方法有如下几种：

(1)基于隧道的穿越：通过把需要穿越的数据流封装在某种隧道中，从而绕过NAT，这是基于隧道穿越的基本思想。隧道机制需要多媒体终端和服务器能够支持隧道，这是一个比较大的限制条件。

(2)UPnP：UPnP是即插即用技术在网络环境中的扩展，它通过用户控制点向NAT设备发送控制信息添加端口映射实现NAT穿越。UPnP不需要对现有设备进行改造，但要求集成NAT功能的网关或路由器支持UPnP功能。目前大多数大型网关都支持UPnP解决方案并且配置简单，因而大多数P2P应用都采用UPnP技术解决NAT穿越问题。但是不排除在部分网络环境下网关不支持UPnP功能或该功能被管理员关闭。

(3)STUN：STUN采用另一种思路实现NAT穿越，内网中的主机通过位于外网的穿越服务器预先得到出口NAT上的对外地址，然后在与其它节点通信时直接使用该对外地址作为自己的通信地址，这样就可以实现NAT穿越。STUN协议最大的优点是无需对现有NAT设备做任何改动，同时STUN方式可在多个NAT串联的网络环境中使用。STUN的局限性在于不适合支持TCP连接的穿越，另外STUN协议也不支持对称NAT的穿越。

另外，还有基于穿越代理、转发服务器(TURN)以及应用层网关(ALG)等多种NAT穿越方法。

目前，多数P2P流媒体系统仅采用单一的NAT穿越方法，由于每种方法都有其局限性或限制条件，同时，当几种方法互相结合使用时，难以找到恰当的结合点使每种方法都能正常工作，因而不能保证穿越成功率。另外对称NAT的穿越目前尚没有较高效的穿越方法，都要借助第三方穿越代理辅助进行穿越或采用简单的端口递增猜测方法。媒体数据在经过第三方代理转发时增大了数据包的延迟和丢包的可能性，同时也增大了系统部署开销；而现在较为通用的端口递增猜测方法只是经验性的在NAT已添加的映射端口号上加1作为NAT下次添加的端口映射的猜测结果。这种方法在数理统计上不是最优的，因为没有充分根据NAT添加端口映射的样本值分析NAT行为。同时对于通信双方都位于NAT后的情况，由于谁也不知道对方NAT映射的公网IP地址和端口号，造成双方都无法主动发起连接请求。针对这种情况目前较多采用基于中继服务器的穿越方式，但由于每个中继服务器都有通信负载的上限，一旦内网节点通信超过服务器负载上限，容易造成中继服务器崩溃；同时由于服务器的带宽有限，高并发的网络流量将会使服务器网络拥塞造成丢包，形成通信瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于，为了解决上述问题，本发明突破了现有技术当中惯有的单一的穿越方法，提出了一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法，该方法将两种穿越方法有效的结合起来，，保证NAT穿越的成功率；对于对称NAT的穿越，提出采用基于NAT添加端口映射的样本值估计端口映射分布的方法(简称端口添加样本估计)进行端口猜测，以避免由于第三方代理转发造成的缺陷和简单端口递增猜测方法的盲目性；对于P2P流媒体系统中通信双方都位于NAT后的情况，提出采用让部分带宽充裕位于外网的普通通信节点充当辅助中继节点的方法(简称节点中继辅助)来缓解中继服务器的压力，从而有效消除系统通信瓶颈。

为实现上述目的，本发明的一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法的步骤包括：

(1)加入P2P流媒体系统的用户节点首先通过简单服务发现协议SSDP在内网中广播搜索UPnP设备的消息：

void Search(char*name，const char*type)；

根据UPnP标准要求，name为“WANIPConnection”，type为“service”，表示搜索UPnP服务；

(2)如果搜索UPnP服务成功，则通过简单对象访问协议SOAP向NAT网关的控制URL发送添加端口映射的请求：

void InvokeCommand(char*name，char*args)；

其中，name为向UPnP设备下达的控制命令AddPortMapping，args为UPnP标准要求的若干参数，填加端口映射后用户节点就可与外网节点建立连接进行数据交互，从而实现NAT穿越；

(3)如果搜索失败，则用户节点启动STUN功能模块对NAT进行二次穿越：

void GetMapAddr(int&extIP，int&extPort，NatType&natType)；

其中，extIP和extPort为STUN穿越获得的NAT外部IP和端口，natType是在穿越过程中判断的NAT类型。

所述(3)步骤进一步包括：

1)如果NAT是锥形NAT，用户节点用得到的外部地址端口与其它节点通信，实现NAT穿越；

2)若NAT是对称NAT，用户节点采用端口添加样本估计法实行对NAT穿越。

所述端口添加样本估计法，其步骤包括：

位于对称NAT后的用户节点向位于外网的STUN服务器依次发起三次连接，并通过服务器反馈得到三次连接添加的映射端口，设为P₁，P₂，P₃，用户节点根据这三个数的变化规律做如下处理：

2a)若P₁，P₂，P₃为等差数列，则猜测对称NAT添加端口映射的方法为依次递增等差数列的公差d，位于对称NAT后的用户节点在原外部端口的基础上递增d作为自己新的外部通信端口，并填入数据交互的负载中，就可与其它节点进行通信；

2b)若P₁，P₂，P₃不是等差数列，则添加的端口映射是随机的，此时根据添加端口样本值对端口映射的总体X进行估计：

用户节点再次向STUN服务器发起N-3次连接，与开始得到的三个映射端口共同组成容量为N的样本观察值，设样本观察值都包含在[a，b]区间内，将区间分成M个子区间(M＜N)

a＝n₀＜n₁＜...＜n_M-1＜n_M＝b

设每个子区间(n_i，n_i+1](i＝1，...，M-1)包含t_i个观察值，第1个区间为[n₀，n₁]，根据贝努里大数定律和概率密度的定义得到：

的图形就是端口映射总体X在[a，b]上的分布直方图，通过分析

的图形在哪个Δn_i区间取值较大就可判断NAT映射端口一般分布在哪个子区间，在该范围较小的子区间内，再采用遍历的方法猜测对称NAT下次会话添加的端口映射，就可有效提高猜测的命中率。

所述基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法，进一步包括节点中继辅助的方法，如果P2P流媒体系统中通信双方都位于NAT后，用户节点让部分带宽充裕位于外网的普通通信节点充当辅助中继节点，简称节点中继辅助，来缓解中继服务器的压力。

所述节点中继辅助，其步骤包括：

1)加入P2P流媒体系统的外网节点首先向中继服务器注册，中继服务器保留一份外网节点的列表；

2)中继服务器采用心跳机制对注册的外网节点进行探测，并选择RTT最小的M个节点作为中继辅助候选节点；

3)内网用户节点向中继服务器注册时，中继服务器注册该用户节点信息的同时，向用户节点传送一份位于外网节点列表；

4)内网用户节点随机选择N(N＜M)个外网节点发起连接，并选择RTT最小的节点作为自己的辅助中继节点，同时向辅助中继节点发送注册信息；

5)用户节点确定自己中继节点的同时，得到在该中继节点上注册的其它通信节点信息，用户节点与其他NAT后节点通信时，首先查询自己中继辅助节点的注册列表，若待通信节点在中继辅助节点的注册列表中，用该辅助中继节点中继，否则用中继服务器中继。

本发明的优点在于：

1、UPnP和STUN进行有效结合，在UPnP穿越NAT失败后再采用STUN方法对NAT进行二次穿越，通过汲取两种穿越方法各自的优点有效提高穿越成功率。

2、对于对称NAT的穿越，提出采用基于NAT添加端口映射的样本值估计端口映射分布的方法(简称端口添加样本估计)进行端口猜测，以避免由于第三方代理转发造成的缺陷和简单端口递增猜测方法的盲目性。

3、对于P2P流媒体系统中通信双方都位于NAT后的情况，提出采用让部分带宽充裕位于外网的普通通信节点充当辅助中继节点的方法(简称节点中继辅助)来缓解中继服务器的压力，从而有效消除系统通信瓶颈。

附图说明

图1为现有技术含有NAT的P2P流媒体系统的架构；

图2为本发明基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法的流程图；

图3为本发明端口添加样本估计方法得到的一种样本分布直方图示例；

图4为本发明节点中继辅助方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出一种组合的NAT穿越方法，将目前常用的两种穿越方法——UPnP和STUN进行有效结合，在UPnP穿越NAT失败后，再采用STUN方法对NAT进行二次穿越，通过汲取两种穿越方法各自的优点有效提高穿越成功率。

含有NAT的P2P流媒体系统的架构，如图1所示。图中数据源服务器和数据中转服务器负责媒体数据的流化和转发，索引服务器作为所在区域的P2P网络的中心索引服务器保存了该区域P2P网络中所有节点的信息。用户通信节点A和B位于NAT设备A后的一个内部局域网中，用户通信节点C和D位于NAT设备B后的另一个内部局域网中，用户通信节点E是外网节点。

现假设通信节点E要向通信节点A请求数据，由于NAT的存在，连接不能直接建立，E的数据请求会被NAT设备A过滤，因此通信节点A要进行NAT穿越。

根据本发明的方法，具体流程如图2所示，通信节点A首先采用UPnP方法添加端口映射，如果成功就可与外网节点E建立连接；该方法具体步骤包括：

(1)新加入P2P流媒体系统的用户节点A首先通过简单服务发现协议SSDP在内网中广播搜索UPnP设备的消息：

void Search(char*name，const char*type)；

根据UPnP标准要求，name应为“WANIPConnection”，type为“service”，表示搜索UPnP服务；

(2)如果搜索UPnP服务成功，则节点A通过简单对象访问协议SOAP向NAT网关的控制URL发送添加端口映射的请求：

InvokeCommand(char*name，char*args)；

其中，name为向UPnP设备下达的控制命令AddPortMapping，args为UPnP标准要求的若干参数，填加端口映射后用户节点A就可与外网节点E建立连接进行数据交互，从而实现NAT穿越；

(3)如果搜索失败，则用户节点A启动STUN功能模块对NAT进行二次穿越：

GetMapAddr(int&extIP，int&extPort，NatType&natType)；

所述(3)步骤进一步包括：

1)如果NAT是除对称NAT外的另外三种锥形NAT，今后该用户节点A就可以用得到的外部地址端口与外网节点E通信，实现NAT穿越；

2)若NAT是对称NAT，则节点A采用端口添加样本估计法实行对NAT穿越，所述端口添加样本估计法，其步骤包括：

位于对称NAT后的节点A向位于外网的STUN服务器依次发起三次连接，并通过服务器反馈得到三次连接添加的映射端口，设为P₁，P₂，P₃，根据这三个数的变化规律做如下处理：

2a)若P₁，P₂，P₃为等差数列，则猜测对称NAT添加端口映射的方法为依次递增等差数列的公差d，今后位于对称NAT后的节点A只要在原外部端口的基础上递增d作为自己新的外部通信端口，并填入数据交互的负载中，就可与其它节点E进行通信；

节点A再次向STUN服务器发起N-3次连接，与开始得到的三个映射端口共同组成容量为N的样本观察值，设样本观察值都包含在[a，b]区间内，将区间分成M个子区间(M＜N)

a＝n₀＜n₁＜...＜n_M-1＜n_M

设每个子区间(n_i，n_i+1](i＝0，1，...，M-1)包含t_i个观察值，根据贝努里大数定律和概率密度的定义得到：

的图形就是端口映射总体X在[a，b]上的分布直方图(如图3所示)，通过分析

的图形在哪个Δn_i区间取值较大就可判断NAT映射端口一般分布在哪个子区间，在该范围较小的子区间内再采用遍历的方法猜测对称NAT下次会话添加的端口映射，可有效提高猜测的命中率。

现假设通信节点A要向通信节点C请求数据，由于双方都在NAT后故也不能直接建立连接，这里采用本发明提出的中继辅助方法，利用通信节点E作为中继辅助节点转发二者的连接请求，步骤包括：

1)加入P2P流媒体系统的外网节点E首先向中继服务器注册，中继服务器保留一份包括外网E节点的列表；

2)当内网节点A向中继服务器注册时，中继服务器注册节点A的信息的，同时向其传送一份包括外网节点E的列表；

3)然后内网节点A选择往返时延最小的节点E，作为自己今后的辅助中继节点，同时向其发送注册信息；

4)今后若要与其他NAT后节点通信时(如C、D)，首先查询自己中继辅助节点E的注册列表，若待通信的NAT后节点(C、D)在列表中就用该辅助中继节点中继，否则再用中继服务器中继。。这样当有大量其它节点要建立连接时可以有效缓解NAT穿越中继服务器的压力，如图4所示。

Claims

1.一种基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法，其步骤包括：

(1)加入P2P流媒体系统的用户节点，首先通过简单服务发现协议SSDP在内网中广播搜索UPnP设备的消息：

void Search(char*name，const char*type)；

void InvokeCommand(char*name，char*args)；

void GetMapAddr(int& extIP，int& extPort，NatType& natType)；

其中，extIP和extPort为STUN穿越获得的NAT外部IP和端口，natType是在穿越过程中判断的NAT类型；

所述(3)步骤进一步包括：

1)如果NAT是锥形NAT，该用户节点用得到的外部地址端口与其它节点通信，实现NAT穿越；

2)若NAT是对称NAT，则该用户节点采用端口添加样本估计法实行对NAT穿越；

所述端口添加样本估计法，其步骤包括：

位于对称NAT后的用户节点向位于外网的STUN服务器依次发起三次连接，并通过服务器反馈得到三次连接添加的映射端口，设为P₁，P₂，P₃，根据这三个数的变化规律做如下处理：

2a)若P₁，P₂，P₃为等差数列，则对称NAT添加端口映射为依次递增等差数列的公差d，位于对称NAT后的用户节点在原外部端口的基础上递增d作为自己新的外部通信端口，并填入数据交互的负载中，就可与其它节点进行通信；

2b)若P₁，P₂，P₃不是等差数列，则添加的端口映射是随机的，用户节点根据添加端口样本值对端口映射的总体X进行估计：

a＝n₀＜n₁＜...＜n_M-1＜n_M＝b

的图形就是端口映射总体X在[a，b]上的分布直方图，通过分析的图形取值较大时所在的Δn_i区间就可判断NAT映射端口一般分布在该子区间，在该范围较小的子区间内，再采用遍历的方法猜测对称NAT下次会话添加的端口映射，可有效提高猜测的命中率。

2.根据权利要求1所述基于UPnP和STUN技术相结合的NAT穿越方法，其特征在于，还包括节点中继辅助方法，如果P2P流媒体系统中通信双方都位于NAT后，用户节点用部分带宽充裕位于外网的普通通信节点充当辅助中继节点；

所述节点中继辅助方法，其步骤包括：

2)中继服务器采用心跳机制对注册的外网节点进行探测，并选择往返时延最小的M个外网节点作为中继辅助候选节点；

3)内网用户节点向中继服务器注册，中继服务器注册用户节点信息的同时，向用户节点传送一份外网节点的列表；

4)用户节点随机选择N(N＜M)个外网节点发起连接，并选择往返时延最小的节点作为自己的辅助中继节点，同时向辅助中继节点发送注册信息；

5)用户节点确定自己辅助中继节点的同时，得到在该辅助中继节点上注册的其它通信节点信息，用户节点与其他NAT后节点通信时，首先查询自己中继辅助节点的注册列表，若待通信节点在中继辅助节点的注册列表中，就用该辅助中继节点中继，否则用中继服务器中继。