CN101848235B

CN101848235B - 一种支持nat穿越的实时多媒体数据p2p传输方案

Info

Publication number: CN101848235B
Application number: CN201010152585A
Authority: CN
Inventors: 泮华杰; 楼奕华; 李未
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101848235A

Abstract

一种支持NAT穿越的实时多媒体数据传输方法：(1)NSPC创建一个UDP套接字，并为该套接字随机绑定一个端口，记该端口号值为G_Port。NSPC利用该套接字判断NSPC所在客户端的NAT类型，并建立与其他NSPC之间的NAT穿越通道；(2)发送数据时，NSPC获取上层应用程序的数据报文，查询NSPC套接字控制列表，检索出该报文所属的套接字以及接收端的NAT地址，完成对报文的封装并将报文发送到网络；(3)接收数据时，NSPC获取端口G_Port上到达的UDP数据报文，判断报文是否经过NSPC封装，若是则去除报文的封装并将数据推送给相应的应用程序，等待进一步处理。

Description

一种支持NAT穿越的实时多媒体数据P2P传输方案

发明领域

本发明属于多媒体数据传输领域，涉及一种在互联网上点对点传输实时多媒体数据的方法。

发明背景

一般而言，多媒体视频会议系统的服务器端都位于internet上，拥有各自独立的IP地址，但大多数会议系统的客户端却都是位于NAT设备之后，通过NAT设备连接到Internet，这样的结构给多媒体视频会议系统的开发带来了很多问题，例如，通常情况下NAT设备被配置为不允许外部的主动连接，因此很难直接向NAT内的用户主动发送音视频数据。同时，大量的音视频数据通过服务器转发给客户端造成了运行、带宽等压力。

为了突破NAT的限制，配置NAT设备，对外部网络开放某些端口，利用NAT设备向内部网络的某台主机转发数据。这种做法缺乏灵活性，并且要求具有NAT设备的管理员权限，对于普通用户而言，难以实现。

因此，NSPC的做法是在系统的网络协议栈中安装新的协议层，所有客户端安装同样的协议层，并在服务器上部署一个小型辅助管理程序。通过这一协议层完成了NAT防火墙的穿越功能。它通过标准的套接字接口给应用程序提供服务，给来自上层应用程序的多媒体数据添加新的报文头，然后将封包后的数据转交给更底层的系统UDP传输层。对于来自底层的数据报文，该协议解包数据报文，并把报文数据推送给应用程序。这一方法符合网络的分层设计原则，并且能够很快应用到原有的系统中。同时为了减少服务器数据转发的运行压力，NSPC实现了实时多媒体数据在客户端之间的P2P传输。

综上所述，本发明的任务在于解决NAT防火墙给多媒体应用带来的通讯问题。同时，在UDP协议的基础上实现了一个新的网络协议，支持多媒体数据的点对点传播，能够广泛的用于各种多媒体应用程序，提供跨跃NAT防火墙的多媒体实时通讯技术。

发明内容

本发明提出了一种支持NAT穿越的实时多媒体数据传输方案，并具体包括以下步骤：1)NSPC创建一个UDP套接字，并为该套接字随机绑定一个端口，记该端口号值为G_Port。NSPC利用该套接字判断NSPC所在客户端的NAT类型，并建立与其他NSPC之间的NAT穿越通道；(2)发送数据时，NSPC获取上层应用程序的数据报文，查询NSPC套接字控制列表，检索出该报文所属的套接字以及接收端的NAT地址，完成对报文的封装并将报文发送到网络；(3)接收数据时，NSPC获取端口G_Port上到达的UDP数据报文，判断报文是否经过NSPC封装，若是则去除报文的封装并将数据推送给相应的应用程序，等待进一步处理。

根据本方案的一个方面，其中步骤(1)进一步包括：NSPC在第一次被调用时，创建一个UDP套接字，并为该套接字随机绑定一个端口，记该端口的端口号为G_Port，所有的NSPC报文均通过该套接字接收和发送；NSPC向位于公网的服务程序发送NAT类型测试报文，根据返回报文判断自身所处NAT类型；NSPC在发送数据前向服务程序查询接收端的NAT类型，并由服务器告知接收端先向发送端做NAT反向穿越。

根据本方案的另一个方面，其中步骤(2)对数据报文的封装包括：在数据段头部添加发送端应用程序所用套接字的本地端口号，即源端口号；在数据段头部添加接收端应用程序套接字的本地端口号，即目的端口号。

根据本方案的另一个方面，其中步骤(2)发送数据时，在传输层，NSPC获取应用程序发送的UDP数据报文，修改报文头部的源端口字段值为G_Port值，并通过G_Port端口将该UDP数据报文推送到网络层。

根据本方案的另一个方面，其中步骤(3)接收数据时，NSPC侦听所有发往G_Port的UDP数据报文，丢弃未经过NSPC封装的数据报文；在传输层，NSPC读取UDP报文中数据段头部封装的接收端应用程序所用套接字的端口号，将该端口号写入UDP报文头的目的端口字段，重新计算UDP报文的校验码，将数据包向上推送给该目的端口对应的套接字；在传输层之上，应用层之下，NSPC再次获取数据，去除封装在报文数据段头部的附加数据，附加数据包括：发送端应用程序所用套接字的端口号和接收端应用程序所用套接字的端口号；最后，NSPC将数据推送给相应的应用程序。

附图说明

图1给出了NSPC识别客户端不同NAT类型的过程；

图2示出了NSPC实现NAT穿越的过程；

图3示出了NSPC在网络协议栈中的相对位置；

图4示出了NSPC数据报文的封装；

图5示出了NSPC数据报文的发送与接收流程。

具体实施方式

NSPC为了实现多媒体数据的实时点对点传输，需要知道客户端的NAT类型，以便NSPC在需要数据传输时做好NAT穿越，建立隧道连接。同时，为了方便大型网络P2P应用程序中不同的客户端在网络中的标识，本方案采用了使用主机MAC地址来标识客户端的方法(其他能达到唯一标识效果数字编号等亦可使用)。NSPC为了实现NAT类型的快速检测和查询，建立了一个需要部署在的公网上的NSPC服务器。根据STUN有关NAT类型判断的描述，本方案设计了一套客户端和服务器进行NAT识别、注册、查询、穿越等的报文协议：

(1)NAT类型测试报文NATTEST1*(*＝1，2)：客户端给服务器发送消息，从服务器的返回消息中获得NAT给本机分配的公网IP地址和端口号，该消息在NAT类型判断中使用两次。

(2)NAT类型测试报文NATTEST2*(*＝1，2)：客户端要求服务器用不同的IP和端口号作为返回消息的源IP和端口号。该消息在NAT类型判断中使用两次。

(3)NAT类型测试报文(NATTEST3)：客户端要求服务器只用不同的端口号作为返回消息的源端口号。

(4)NAT询问报文(ASKNAT)：客户端向服务器查询目标客户端的NAT地址。

(5)NAT应答报文(TELLNAT)：服务器向客户端告之查询的NAT地址。

(6)请求穿越报文(ASKTRAN)：客户端向服务器发送请求穿越报文，由服务器通过和目标客户端建立的连接告之目标客户端向源客户端发送一个穿越报文。

(7)登录报文(LOGIN)：客户端在启动后，向服务器告知其NAT类型、NAT地址、MAC地址。

(8)退出报文(LOGOUT)：客户端向服务器发送退出报文，告知服务器，客户端现在退出会话。

(9)心跳报文(KEEPLIVE)：客户端定时向服务器端端发送的心跳报文，用以保持客户端和服务器端建立的连接。

(10)NAT穿越进入报文(NATTRAN_IN)：由目标客户端发送到源客户端的NAT穿越报文，源客户端一般对此报文进行丢弃处理。

(11)NAT穿越双向报文(NATTRAN_INOUT)：目标客户端收到的来自服务器的NAT穿越报文，该报文用于告诉目标客户端需要往源客户端发送穿越进入报文。

图1给出了NSPC识别客户端不同NAT类型的过程，在NAT的类型判断、注册、查询、管理等过程中使用了以下两种数据结构：

客户端与服务器交互报文结构

客户端NAT地址(stClientNat)成员表

这两种数据结构的C语言描述如下：

struct stMessageCS//CS：表示数据用于客户端和服务器端的交互

{

BYTE iMessageType；//(1)——(11)

stClientNat nat；//

}；

struct stClientNat

{

char mac[8]；//MAC地址

SOCKADDR_IN natAddr；

SOCKADDR_IN interAddr；

NATTYPE type；

}；

NSPC在NSPC服务器上维护了一个stClientNat列表，为客户端提供从MAC地址到NAT地址的查询，客户端亦在本地建立已查询stClientNat列表，减少客户端NSPC向服务器重复查询。NSPC在服务器上定时检查这些stClientNat列表，删除未收到KEEPLIVE报文的stClientNat，并与客户端的stClientNat列表保持同步更新。利用NAT的原理，数据接收端需要主动往数据发送端发送一些数据，目的是在NAT设备上建立NAT地址到客户端内网地址的映射关系，一旦这种映射关系被建立，数据发送端就能通过NAT设备上对应的端口向数据接收端发送数据。图2给出了两个客户端之间如何实现NAT穿越的示意图。

NSPC是一个独立的网络层服务，位于系统的网络协议栈中，可以被应用程序选择使用。在客户端，NSPC由两部分组成：NSPC_LSP和NSPC_Driver，图3示出了NSPC在网络协议栈中的相对位置，按照网络协议的分层原则，NSPC_LSP位于UDP传输层与应用层之间，NSPC_Driver位于UDP传输层与网络层之间。NSPC_LSP是Winsock服务提供者接口(SPI)中的一个分层服务提供者(Layered Service Provider)它向上提供一组调用接口，为应用程序提供服务，并且能同时接纳多个应用程序并发执行，向下，NSPC_LSP依赖于系统的UDP传输层模块，在网络上完成实际的数据交换，并在内部集成穿越NAT防火墙的功能，对于上层的应用程序透明。NSPC_Driver是一个内核网络驱动，位于UDP传输层与网络层之间，NSPC_Driver的作用是减少NSPC对UDP端口资源的占用，使多个使用NSPC的应用程序的数据报文通过唯一指定端口发送和接收。

MSDN Platform SDK里的分层样例是一个一般化的LSP，NSPC_LSP)以该LSP为基础，改进了发送UDP报文需要的多个SPI接口(如表1)。应用程序通过NSPC_LSP提供的API接口访问系统网络层，这些接口的功能应当尽可能完善和易于使用。

表1NSPC_LSP_SPI接口列表

在应用程序要求使用NSPC_LSP时，NSPC_LSP应当为其提供一个客户端所在主机内唯一的套接字，不妨称之为”NSPC套接字”。与Berkeley套接字类似，应用程序根据NSPC套接字完成所有的网络通信，一个应用程序可以创建多个NSPC套接字，分别完成各自的网络操作，且相互之间不会有影响。以NSPC套接字为基础，NSPC_LSP为应用程序提供其他的API。

表1给出了根据Windows socket 2SPI的设计，当应用程序调用WSASocket函数时，Winsock会根据函数调用时提供的地址家族，套接字类型和协议参数等来决定需要加载哪个分层服务提供者(LSP)，并调用与之对应的SPI函数WSPSocket。对于NSPC而言，只要提供对应的协议参数，就可以加载NSPC_LSP。通常应用程序采用如下的方式来创建NSPC套接字：

WSAPROTOCOL_INFO info；

GetNSPCProviders(&info)； //获取NSPC协议参数

sock＝WSASocket(AF_INET，SOCK_DGRAM，0，&info，0，0)；

每一个套接字的生存期从应用程序创建开始，直到被应用程序撤销。NSPC_LSP维护这些套接字的信息，在应用程序发生异常时，自行撤销相应的套接字控制块。

WSPBind响应了应用程序的WSABind/bind函数，通过调用下一层的WSPBind实现了为NSPC套接字绑定端口。此端口实际上在系统底层并未被实际使用，不参与数据的收发，因此这些端口也称作虚拟端口。WSPBind在完成端口的绑定后向底层的NSPC_Driver注册此端口号，实现NSPC_Driver对来自该端口的外发数据的获取。

NSPC是为了实现实时多媒体数据的传输而设计。在当前众多了P2P应用程序中，不同NAT内客户端可能有相同的内网IP地址，因此本方案使用了8字节的MAC地址作为标识，其他任何能唯一标识客户端的方法亦可使用。同时NSPC以套接字绑定的虚拟端口号区分客户端内的不同NSPC套接字，因此设计了SOCKADDR_INI数据结构供应用程序作为参数调用WSARecvFrom/recvfrom和WSASendTo/sendto。NSPC_LSP在WSPRecvFrom和WSPSendTo中完成SOCKADDR_INI与系统默认结构SOCKADDR_IN的转化。WSPRecvFrom根据源SOCKADDR_IN中的NAT地址完成对应的SOCKADDR_INI查询，WSPSendTo根据SOCKADDR_INI中的mac字段完成对应NAT地址的查询，并将数据准确推送给上层应用程序或发送到网络。说明确一点就是：实现了MAC+虚拟端口号标识与实际网络NAT地址的相互转换。SOCKADDR_INI的定义如下：

struct SOCKADDR_INI

{

short sin_family；

char mac[8]；//MAC地址

unsigned short port；//是网络字序。

char sin_zero[6]；//填充

}；

为了减少系统资源的占用，NSPC被设计为只占用一个UDP端口，即客户端NSPC模块第一次被调用，NSPC向服务器注册端口时使用的端口，称之为G_Port。当有多个应用程序使用NSPC套接字发送和接收数据时，就需要对报文的目的地址做进一步区分，为此我们引入了上文的虚拟端口概念。虚拟端口是NSPC套接字中绑定的端口，这些端口在系统底层实际上不参与数据的发送和接收。应用程序通过相应的NSPC_LSP接口发送或接收数据包。发送报文时，NSPC_LSP将发送端和接收端的虚拟端口值附加到每一个报文中，作为UDP数据包中数据段的一部分在网络上传输。在接收报文时，NSPC_LSP删除这两个字段，把实际的数据推送给创建响应NSPC套接字上层应用程序。NSPC的UDP数据报文的格式如下：

发送端虚拟端口

接收端虚拟端口

data

NSPC_Driver是一个内核网络驱动，位于UDP传输层与网络层之间，NSPC_Driver侦听每一个NSPC套接字绑定的虚拟端口，拦截这些端口的外出UDP数据包，将UDP报文中的源端口字段值替换成NSPC的G_Port值，并通过G_Port端口转发出去。NSPC通过此方法实现外出数据的端口复用。对于从G_Port端口接收的数据，NSPC_Driver将UDP报文内数据段的接收端虚拟端口复制到UDP报文头的目的端口字段，并重新计算校验码，然后向接收端虚拟端口推送。本方案的UDP数据报文结构如图4。

综上所述，附图5给出了NSPC报文的发送和接收流程，将流程分层两个步骤：

1、客户端到NAT

客户端NSPC_LSP查询接收端的NAT地址，封装源虚拟端口和接收端虚拟端口到数据段。通过公共端口把数据发送多接收端NAT地址上。数据包经过发送端所属NAT后，源地址被修改成NAT地址。

2、NAT到客户端

接收端NSPC从公共端口获取数据，根据源NAT地址查询源MAC，从数据段获取上层虚拟端口，将数据向上层应用程序推送。

由于本方案中提出的NSPC_LSP对数据的修改仅在WSPRecvFrom和WSPSendTo中完成，NSPC_Driver的改动不涉及系统LSP，所以本方案支持多种不同的Winsock IO模型，同时本方案把部分数据处理过程转移到内核驱动中完成，提高了系统处理数据的速度，为网络应用程序的开发带来了便利。

对于本领域的普通技术人员来说可显而易见的得出其他优点和修改。因此，具有更广方面的本发明并不局限于这里所示出的并且所描述的具体说明及示例性实施例。因此，在不脱离由随后权利要求及其等价体所定义的一般发明构思的精神和范围的情况下，可对其作出各种修改。

Claims

1.一种支持NAT穿越的实时多媒体数据传输方法，包括：

(1)NSPC创建一个UDP套接字，并为该套接字随机绑定一个端口，记该端口的端口号为G_Port；NSPC利用该套接字判断NSPC所在客户端的NAT类型，并建立与其他NSPC之间的NAT穿越通道；所述NSPC是一个独立的网络层与传输层服务，位于系统的网络协议栈中，可以被应用程序选择使用；

(2)发送数据时，NSPC获取上层应用程序的数据报文，查询NSPC套接字控制列表，检索出该报文所属的套接字以及接收端的NAT地址，完成对报文的封装并将报文发送到网络；

(3)接收数据时，NSPC获取端口G_Port上到达的UDP数据报文，判断报文是否经过NSPC封装，若是则去除报文的封装并将数据推送给相应的应用程序，等待进一步处理；

其中步骤(2)对数据报文的封装包括：在数据段头部添加发送端应用程序所用套接字的本地端口号，即源端口号；在数据段头部添加接收端应用程序套接字的本地端口号，即目的端口号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(1)进一步包括：NSPC在第一次被调用时，创建一个UDP套接字，并为该套接字随机绑定一个端口，记该端口的端口号为G_Port，所有的NSPC报文均通过该套接字接收和发送；NSPC向位于公网的服务程序发送NAT类型测试报文，根据返回报文判断自身所处NAT类型；NSPC在发送数据前向服务程序查询接收端的NAT类型，并由服务器告知接收端先向发送端做NAT反向穿越。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(2)发送数据时，在传输层，NSPC获取应用程序发送的UDP数据报文，修改报文头部的源端口字段值为G_Port端口号值，并通过G_Port端口将该UDP数据报文推送到网络层。

4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(3)接收数据时，NSPC侦听所有发往G_Port的UDP数据报文，丢弃未经过NSPC封装的数据报文；在传输层，NSPC读取UDP报文中数据段头部封装的目的端口号，将该端口号写入UDP报文头的目的端口字段，重新计算UDP报文的校验码，将数据包向上推送给该目的端口对应的套接字；在传输层之上，应用层之下，NSPC再次获取数据，去除封装在报文数据段头部的附加数据，所述的附加数据包括：发送端应用程序所用套接字的端口号和接收端应用程序所用套接字的端口号；最后，NSPC将数据推送给相应的应用程序。