CN102739815A - 减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Traversal Server+STUN Server的综合方案，将P2P技术引入H.323系统，实现了视频会议系统NAT穿越，解决了传统的H.460方案中所有的信令和码流均需要通过Traversal Server进行中转，造成Traversal Server存在的服务器负载过大、多次转发引入的系统时延等问题，有效减小视频会议系统NAT穿越造成的系统时延。

Description

减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法

技术领域

本发明涉及一种通过P2P技术结合H.323系统减小视频会议系统NAT穿越造成的系统时延的方法。

背景技术

网络地址转换(NAT，Network Address Translation)属接入广域网(WAN)技术，是一种将私有(保留)地址转化为合法IP地址的转换技术，它被广泛应用于各种类型Internet接入方式和各种类型的网络中。NAT不仅完美地解决了1P地址不足的问题，而且还能够有效地避免来自网络外部的攻击，隐藏并保护网络内部的计算机。

借助于NAT，私有(保留)地址的“内部”网络通过路由器发送数据包时，私有地址被转换成合法的IP地址，一个局域网只需使用少量IP地址(甚至是1个)即可实现私有地址网络内所有计算机与Internet的通信需求。NAT将自动修改IP报文的源IP地址和目的IP地址，IP地址校验则在NAT处理过程中自动完成。有些应用程序将源IP地址嵌入到IP报文的数据部分中，所以还需要同时对报文进行修改，以匹配IP头中已经修改过的源IP地址。否则，在报文数据都分别嵌入IP地址的应用程序就不能正常工作。但是，NAT本身也有许多缺陷：

(1)不能处理嵌入式IP地址或端口。NAT设备不能翻译那些嵌入到应用数据部分的IP地址或端口信息，它只能翻译那种正常位于IP首部中的地址信息和位于TCP/UDP首部中的端口信息，由于对方会使用接收到的数据包中嵌入的地址和端口进行通信，这样就可能产生连接故障。

(2)不能从公网访问内部网络服务。由于内网是私有IP，所以不能直接从公网访问内部网络服务，比如WEB服务，对于这个问题，一般可以采用建立静态映射的方法来解决。

(3)有一些应用程序用A端口发送数据，用B端口进行接收，但NAT设备翻译时却不知道这一点，它仍然建立一条针对A端口的映射，结果对方响应的数据要传给B端口时，NAT设备却找不到相关映射条目而会丢弃数据包。

(4)如果NAT本身又位于另一个NAT之后，则也会出现一些问题，为了节约IP资源，现在很多的ISP在它们内部架设NAT，然后再把服务提供给用户。

(5)一些P2P应用在NAT后无法进行。对于那些没有中间服务器的纯P2P应用来说，如果大家都位于NAT设备之后，双方是无法建立连接的。因为没有中间服务器的中转，使得NAT设备后的P2P程序在NAT设备上不会有映射条目，因此对方不能向你发起一个连接。

要解决上面的部分问题，可以应用NAT穿越技术(NAT Traversal)，NAT穿越技术拥有这样的功能，它能够让网络应用程序主动发现自己位于NAT设备之后，并且会主动获得NAT设备的公网IP，并为自己建立端口映射条目。也就是说，在NAT穿越技术中，NAT设备后的应用程序处于主动地位，它已经明确地知道NAT设备要修改它外发的数据包，于是它主动配合NAT设备的操作，主动地建立好映射，这样就不像以前由NAT设备来建立映射了。这样就会解决很多以前由NAT引起的网络连接问题。

解决穿透NAT问题的最常用的一种思路是，私网中的终端通过某种机制预先得到出口NAT上的对外地址，然后在载荷中所填写的地址信息直接填写出口NAT上的对外地址，而不是私网内终端的私有IP地址，这样载荷中的内容在经过NAT时就无需被修改了，只需按普通NAT流程转换报文头的IP地址即可，载荷中的IP地址信息和报文头地址信息是一致的。STUN协议就是基于此思路来解决应用层地址的转换问题。

STUN的全称是Simple Traversal of UDP Through Network Address Translators，即UDP对NAT的简单穿越方式。应用程序(即STUN CLIENT)向NAT外的STUN服务器(STUN SERVER)通过UDP发送请求STUN消息，STUN SERVER收到请求消息，产生响应消息，响应消息中携带请求消息的源端口，即STUN CLIENT在NAT上对应的外部端口。然后响应消息通过NAT发送给STUN CLIENT，STUN CLIENT通过响应消息体中的内容得知其NAT上的外部地址，并将其填入以后呼叫协议的UDP负载中，告知对端，本端的RTP(Real-timeTransportProtocol实时传输协议)接收地址和端口号为NAT外部的地址和端口号。由于通过STUN协议已在NAT上预先建立媒体流的NAT映射表项，故媒体流可顺利穿越NAT。

STUN协议最大的优点是无需对现有网络地址翻译/防火墙(NAT/FW)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的局限性在于需要终端支持STUNCLIENT的功能，同时STUN并不适合支持TCP连接的穿越，因此不支持H.323信令的穿越。另外STUN方式不支持对称NAT(Symmetric NAT)类型穿越。

为此，ITU(International Telecommunications Union国际电信联盟)在H.323上扩展了H.460/18、19协议，专门阐述了如何利用Internet上的服务器进行H.323信令与码流NAT穿越的协议与实现。H.460/18定义H.323视频终端交换信号信息，H.460/19则定义了媒体的NAT-firewall穿越机制。

H.460使得视频会议的NAT/Firewall穿越真正进入了服务供应商及企业领域。目前，主流的H.323视频会议厂商均提供了支持H.460协议的终端和穿越服务器TS(TraversalServer)。但是，H.460最大的问题在于所有的信令和码流均需要通过Traversal Server进行中转，这对服务器的性能、网络带宽要求都提出了过高的要求。此外，多次的码流转发会对音视频造成额外的丢弃损失和网络时延，这也是视频会议中不可接受的。

发明内容

为了克服H.460方案中，Traversal Server存在的服务器负载过大、多次转发引入的系统时延等问题，本发明提出了减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法，该方法采用了Traversal Server+STUN Server的综合方案，将P2P技术引入H.323系统。与单纯的H.460Traversal Server比较，P2P服务器新增了NAT类型检测流程，修改部分呼叫流程，以达到在视频会议终端间直接传送码流的目的。

本发明采用的技术方案如下：

视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求得到自身经NAT映射后的地址，其中：

a.收不到P2P服务器响应信令，则认为UDP被防火墙阻断，不能通信，网络类型为Blocked；

b.收到P2P服务器响应信令，其中：

如果为错误响应，则判断错误号，再次发送正确的请求信令，回退到步骤1)，三次后还不成功，将不再检测，网络类型为UnKnowed，进入步骤6)；

如果收到正确响应，对比本地地址和端口，如果相同，则认为无NAT设备，进入步骤2)，否则认为有NAT设备，进入步骤3)；

2)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求服务器从其它IP和端口向视频会议终端发送响应信令，其中：

a.收不到P2P服务器从其它IP和端口的响应，认为包被前置防火墙阻断，网络类型为Symmetric UDP Firewall；

b.收到则认为视频会议终端处在一个开放的网络上，网络类型为Opened；

3)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求P2P服务器从其他IP和端口向视频会议终端发响应信令，其中：

a.收不到P2P服务器从其它地址和端口的响应，认为包被前置NAT设备阻断，进入步骤4)；

b.收到则认为NAT设备类型为Full Cone，即网络类型为Full Cone NAT；

4)视频会议终端向P2P服务器的另外一个端口发送请求信令，要求得到自身经NAT映射后的地址，并对比之，其中：

a.地址或端口不相同，则网络类型为Symmetric NAT；

b.地址和端口相同，则认为是Restricted NAT，进入步骤5)，进一步确认类型；

5)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求P2P服务器从相同IP的其他端口向视频会议终端回响应信令，其中：

a.收不到P2P服务器从其他端口地址的回复，认为包被前置NAT设备阻断，网络类型为Port Restricted Cone NAT；

b.收到则认为网络类型为Restricted Cone NAT；

6)视频会议终端知道自己所在的网络类型后，定期向P2P服务器发送指示信令，表明自己所在的网络类型。

在没有对称NAT终端参与的点对点呼叫的场景下，使用P2P技术进行H.323呼叫，呼叫的建立过程如下：

2.1)A发起呼叫；

2.2)服务器向A请求NAT类型；

2.3)返回获取A的NAT类型；

2.4)服务器向B转发呼叫请求；

2.5)服务器同时向B请求并获取B的NAT类型；

2.6)双方在NAT上打洞并持续保活；

2.7)A向B打开逻辑通道；

2.8)服务器根据NAT类型，决定启用P2P呼叫，修改打开逻辑通道信令的目标地址为NAT上洞的地址和端口；

2.9)B向该地址和端口向A发送码流；

2.10)重复2.7)-2.9)，直到双方建立所有逻辑通道；

2.11)开始正常会议使用。

本发明创新地采用了Traversal Server+STUN Server的综合方案，成功地将P2P技术引入H.323系统，实现了视频会议系统NAT穿越，解决了传统的H.460方案中在于所有的信令和码流均需要通过Traversal Server进行中转，造成Traversal Server存在的服务器负载过大、多次转发引入的系统时延等问题，有效减小视频会议系统NAT穿越造成的系统时延，从而最大限度的简化视频会议的部署成本，简化网络管理难度，提高企业效益。

附图说明

图1是Traversal Server+STUN Server的综合方案总体架构图；

图2是NAT类型检测图；

图3是使用P2P技术进行H.323呼叫示意图。

具体实施方式

本发明涉及减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法，该方法采用了Traversal Server+STUN Server的综合方案，将P2P技术引入H.323系统。与单纯的H.460Traversal Server比较，P2P服务器新增了NAT类型检测流程，修改部分呼叫流程，以达到在视频会议终端间直接传送码流的目的。

系统构架图如图1所示，视频会议终端H.460Ep和NATTC(NAT Traversal Client NAT穿越客户端)通过P2P服务器和NATTS(NAT Traversal Server NAT穿越服务器)顺利穿越NAT防火墙，与Internet网络相连接，最终与另一端的视频会议终端相连接，从而有效降低了服务器负载过大、多次转发引入的系统时延等问题，减小了视频会议系统NAT穿越造成的系统时延。

P2P服务器与视频会议终端进行NAT类型检测实现步骤如图2所示：

1.视频会议终端向P2P服务器发送请求信令1，要求得到自身经NAT映射后的地址：

a.收不到P2P服务器响应信令2，则认为UDP被防火墙阻断，不能通信，网络类型：Blocked。

b.收到P2P服务器响应信令2，如果为错误响应，则判断错误号，再次发送正确的请求信令1，回退到第一步，三次后还不成功，将不再检测，网络类型为：UnKnowed，进入第6步；如果收到正确响应，对比本地地址和端口，如果相同，则认为无NAT设备，进入第2步，否则认为有NAT设备，进入3步。

2.视频会议终端向P2P服务器发送请求信令3，要求服务器从其它IP和端口向视频会议终端发送响应信令4：

a.收不到P2P服务器从其它IP和端口的响应，认为包被前置防火墙阻断，网络类型：Symmetric UDP Firewall。

b.收到则认为视频会议终端处在一个开放的网络上，网络类型：Opened。

3.视频会议终端向P2P服务器发送请求信令3，要求P2P服务器从其他IP和端口向视频会议终端发响应信令4：

a.收不到P2P服务器从其他地址和端口的响应，认为包被前置NAT设备阻断，进入第4步。

b.收到则认为NAT设备类型为Full Cone，即网络类型：Full Cone NAT。

4.视频会议终端向P2P服务器的另外一个port发送请求信令5，要求得到自身经NAT映射后的地址，并对比之：

a.地址或端口不相同，则网络类型：Symmetric NAT。

b.地址和端口相同则认为是Restricted NAT，进入第5步，进一步确认类型。

5.视频会议终端向P2P服务器发送请求信令7，要求P2P服务器从相同IP的其他PORT向视频会议终端回响应信令8：

a.收不到P2P服务器从其他端口地址的回复，认为包被前置NAT设备阻断，网络类型：Port Restricted Cone NAT。

b.收到则认为网络类型：Restricted Cone NAT。

6.视频会议终端知道自己所在的网络类型后，定期向P2P服务器发送指示信令9，表明自己所在的网络类型。

配合NAT类型探测，在没有Symmetric NAT终端(对称NAT终端)参与的点对点呼叫的场景下，即可使用P2P技术进行H.323呼叫。呼叫的建立过程表达如图3所示：

1.A发起呼叫；

2.服务器向A请求NAT类型

3.返回获取A的NAT类型；

4.服务器向B转发呼叫请求(信令转发)；

5.服务器同时向B请求并获取B的NAT类型；

6.双方在NAT上打洞并持续保活；

7.A向B打开逻辑通道；

8.服务器根据NAT类型，决定启用P2P呼叫。修改打开逻辑通道信令的目标地址为NAT上洞的地址和端口；

9.B向该地址和端口向A发送码流(P2P的一条码流建立成功)；

10.重复7、8、9直到双方完成所有逻辑通道建立；

11.开始正常会议使用。

Claims (2)

1.一种减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求得到自身经NAT映射后的地址，其中：

a.若收不到P2P服务器响应信令，则认为UDP被防火墙阻断，不能通信，网络类型为Blocked；

b.若收到P2P服务器响应信令，其中：

如果为错误响应，则判断错误号，再次发送正确的请求信令，回退到步骤1)，三次后还不成功，将不再检测，网络类型为UnKnowed，进入步骤6)；

如果收到正确响应，对比本地地址和端口，如果相同，则认为无NAT设备，进入步骤2)，否则认为有NAT设备，进入步骤3)；

2)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求服务器从其它IP和端口向视频会议终端发送响应信令，其中：

a.若收不到P2P服务器从其它IP和端口的响应，认为包被前置防火墙阻断，网络类型为Symmetric UDP Firewall；

b.若收到则认为视频会议终端处在一个开放的网络上，网络类型为Opened；

3)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求P2P服务器从其他IP和端口向视频会议终端发响应信令，其中：

a.若收不到P2P服务器从其它地址和端口的响应，认为包被前置NAT设备阻断，进入步骤4)；

b.若收到则认为NAT设备类型为Full Cone，即网络类型为Full Cone NAT；

4)视频会议终端向P2P服务器的另外一个端口发送请求信令，要求得到自身经NAT映射后的地址，并对比之，其中：

a.若地址或端口不相同，则网络类型为Symmetric NAT；

b.若地址和端口相同，则认为是Restricted NAT，进入步骤5)，进一步确认类型；

5)视频会议终端向P2P服务器发送请求信令，要求P2P服务器从相同IP的其他端口向视频会议终端回响应信令，其中：

a.若收不到P2P服务器从其他端口地址的回复，认为包被前置NAT设备阻断，网络类型为Port Restricted Cone NAT；

b.若收到则认为网络类型为Restricted Cone NAT；

6)视频会议终端知道自己所在的网络类型后，定期向P2P服务器发送指示信令，表明自己所在的网络类型。

2.如权利要求1所述的减小视频会议系统网络地址转换穿越的系统时延的方法，其特征在于：

在没有对称NAT终端参与的点对点呼叫的场景下，使用P2P技术进行H.323呼叫，呼叫的建立过程如下：

2.1)A发起呼叫；

2.2)服务器向A请求NAT类型；

2.3)返回获取A的NAT类型；

2.4)服务器向B转发呼叫请求；

2.5)服务器同时向B请求并获取B的NAT类型；

2.6)双方在NAT上打洞并持续保活；

2.7)A向B打开逻辑通道；

2.8)服务器根据NAT类型，决定启用P2P呼叫，修改打开逻辑通道信令的目标地址为NAT上洞的地址和端口；

2.9)B向该地址和端口向A发送码流；

2.10)重复2.7)-2.9)，直到双方建立所有逻辑通道；

2.11)开始正常会议使用。

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