CN103414800A

CN103414800A - 一种nat穿越中分布式中继服务器的分配和选择方法及系统

Info

Publication number: CN103414800A
Application number: CN2013103500550A
Authority: CN
Inventors: 张国强; 张怀畅
Original assignee: Zhang Ying Information Technology (shanghai) Co Ltd; Nanjing Normal University
Current assignee: Zhang Ying Information Technology (shanghai) Co Ltd; Nanjing Normal University
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: CN103414800B

Abstract

本发明公开了一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择方法及系统，系统维持一个逻辑上一致的中继服务器状态数据库和一个网络拓扑数据库,希望获得转交地址的客户可以向任何一个中继服务器发送分配请求,中继服务器根据服务器状态数据库和网络拓扑数据库，遴选出与该客户匹配的最佳的中继服务器，并通过备选服务器属性告知客户。此外，当两个客户端均位于对称NAT后面且被分配了不同的中继服务器时，由处于控制方的一端通过网络探测的方式选择最优的转交地址并告知被控端。本发明可以满足大量用户位于地址或地址和端口依赖型NAT之后情况下的流量中继服务需求,能优化服务器资源和网络带宽资源的使用，降低端对端传输的延迟，提高端对端传输的性能。

Description

一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于中继服务器(TURN)的NAT穿越方案应用于大规模用户群时的分布式中继服务器分配和选择方法及系统，属于网络多媒体数据传输技术领域。

背景技术

近年来，具有接入互联网需求的各类设备数量陡增，IPv4地址池已经枯竭，但IPv4向IPv6的过渡进展缓慢，网络地址转换（NAT:Network Address Transalation）设备变得越来越普及。NAT设备的存在破坏了互联网端对端的原则，为两个终端节点的直接通信设置了障碍。但许多点对点的应用，如及时通信，要求位于NAT之后的节点能相互通信。STUN(RFC5389:Session Traversal Utilities for NAT),TURN(RFC5766:Traversal Using Relays aroundNAT:Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT)和ICE(RFC5245:Interactive Connectivity Establishment:A Protocol for Network AddressTranslator Traversal for Offer/Answer Protocols)提出了比较完整的NAT穿越方案。

在上述方案中，如果两个节点均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后，则无法建立节点之间的直接通信通道，而必须由第三方进行中转。TURN协议的目的也正在于此，规范了终端节点和中继服务器的交互行为。但是，在基于点对点多媒体业务越来越成为主流的今天，单台中继服务器受制于带宽限制，只能服务有限的用户数。因此，需要多台中继服务器组成服务器群进行流量中转。面对分布式的中继服务器群，一个需要解决的问题是如何为每个客户分配较佳的中继服务器。STUN和TURN协议都提到了利用DNS进行分布式的中继服务器分配，但并未涉及服务器优选的问题。另一个问题是，当两个客户均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后，且两者被分配了不同的中继服务器时，该选择哪个服务器进行流量中继。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的技术问题，提供一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择方法，以及实现该方法的系统。

本发明的系统采用以下技术方案：

一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统，包括分布式中继服务器分配子系统和分布式中继服务器选择子系统；所述分布式中继服务器分配子系统用于客户端希望获得转交地址时为其分配一个较佳的中继服务器，包括分布式中继服务器群、中继服务器状态数据库、网络拓扑数据库、分配决策模块和分配预留处理模块；所述中继服务器选择子系统应用于两个客户均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后，且两者被分配了不同的中继服务器时，进行合法的传输地址配对选择。

所述分布式中继服务器群用于为客户端分配转交地址和中转流量；所述中继服务器状态数据库用于维护每个中继服务器的当前状态，可以由一个集中数据库来存放或者通过分布式的协议在各个中继服务器存放多个副本，其包括：中继服务器的传输地址、服务器当前是否活跃、服务器的总带宽、服务器的可用带宽和服务器的上限负载率；所述网络拓扑数据库存放了各个中继服务器到不同粒度的其它网络的网络距离，用于优化中继服务器的分配；所述分配决策模块，依据中继服务器状态数据库、网络拓扑数据库和客户的服务器反射地址,为客户分配较佳的中继服务器；所述分配预留处理模块，宿主于中继服务器，用于接收其他中继服务器发送来的分配预留消息，并进行资源预留。所述分配决策模块作为一个单独的服务模块存在于各个中继服务器之外的服务器上或者宿主于各个中继服务器本身。

本发明的方法采用以下技术方案：所述分布式中继服务器环境下的中继服务器分配流程如下：

步骤1：客户端代理从第三方获得一个可用的中继服务器服务地址，记其IP地址为IP_INITIAL；

步骤2：客户端代理向中继服务器发送转交服务地址分配请求，请求中包含或者不包含客户端代理的带宽需求；

步骤3：中继服务器获得客户端代理的服务器反射地址，并向所述分配决策模块发出分配决策请求，请求包含客户端代理的服务器反射地址及带宽需求；

步骤4：所述分配决策模块与中继服务器状态数据库交互，选择出活跃的且可用带宽能满足客户带宽需求的中继服务器集合SS；

步骤5：

步骤51：如果集合SS为空，则向客户端返回错误消息,表示带宽容量不足；

步骤52:如果|SS|>1，则依据所述网络拓扑数据库和客户端的服务器反射IP地址IP_SRA，首先，依据最长前缀匹配找出与地址IP_SRA最匹配的网络N_g,然后依据网络拓扑数据库找出集合SS中与网络N_g距离最近的中继服务器S_k，记其IP地址为IP_selected;如果|SS|=1，IP_selected即为SS中唯一的中继服务器的IP地址；

步骤53：若IP_INITIAL=IP_selected，则为客户分配转交地址，并向客户端发送分配成功的消息；

步骤54：IP_INITIAL！=IP_selected，则执行如下步骤：

步骤541：该中继服务器首先向地址IP_selected对应的中继服务器上的所述分配预留处理模块发送分配预留信息，包含客户端发送来的原始的分配请求信息；

步骤542：地址IP_selected对应的中继服务器上的分配预留处理模块接收到地址IP_INITIAL发送来的分配预留信息，为该客户进行带宽资源预留；

步骤543：地址IP_INITIAL对应的中继服务器向客户端发送错误消息,并将备选服务器属性的IP地址记为IP_selected，即让客户端向地址IP_selected对应的中继服务器重新发送分配请求；

步骤6：当客户端收到错误消息,且该错误消息包含备选服务器属性时,向该备选服务器属性给出的中继服务器服务地址发送分配请求消息,所发出分配请求消息应表明自身是重定向后的请求,而非原始请求；

步骤7：地址IP_selected对应的中继服务器收到该客户的重定向后的分配请求消息后，为该客户进行转交地址和相关资源的分配，并向客户发送分配成功的消息。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

首先，通过分布式的中继服务器群,可以满足大量用户位于地址或地址和端口依赖型NAT之后情况下的流量中继服务需求；

其次,通过为客户端分配较佳的中继服务器,同时又符合其带宽需求,能优化服务器资源和网络带宽资源的使用,降低端对端传输的延迟；

最后,当两个客户端均位于地址或地址和端口依赖型NAT后且被分配了不同的中继服务器时，通过控制端代理依据网络实际测量延迟来选择较佳的中继服务器，能实现优化的传输，提高端对端传输的性能。

附图说明

图1为本发明的系统框架图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的系统包括分布式中继服务器分配子系统和分布式中继服务器选择子系统。分布式中继服务器分配子系统用于客户端希望获得转交地址时为其分配一个较佳的中继服务器，包括分布式中继服务器群、中继服务器状态数据库、网络拓扑数据库、分配决策模块、分配预留处理模块；中继服务器选择子系统应用于两个客户均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后，且两者被分配了不同的中继服务器时，进行合法的传输地址配对选择。

分布式中继服务器分配子系统包括：

a,分布式中继服务器群S={S_i,i=1,2,…,M}，物理上分散的多个中继服务器，用于为客户端分配转交地址和中转流量；

b,中继服务器状态数据库，用于维护每个中继服务器S_i的当前状态，主要包括：中继服务器的传输地址TA(S_i)、服务器当前是否活跃、服务器的总带宽Cap(S_i)、服务器的可用带宽AvailCap(S_i)、服务器的上限负载率P(S_i)。中继服务器状态数据库是一个逻辑上的概念，物理上，可以由一个集中数据库来存放，也可以通过分布式的协议在各个中继服务器存放多个副本；

c,网络拓扑数据库，存放了各个中继服务器S_i到不同粒度的其它网络N_j的网络距离Distance(S_i，N_j)，用于优化中继服务器的分配；

d,分配决策模块，依据中继服务器数据库、网络拓扑数据库和客户的服务器反射地址(Server Reflexiive Transport Address),为客户分配较佳的中继服务器；分配决策模块也是个逻辑上的概念，物理上，其可以作为一个单独的服务存在于各个中继服务器之外的服务器（或服务器群，如云服务）上，也可以宿主于各个中继服务器本身。

e,分配预留处理模块，宿主于中继服务器，用于接收其他中继服务器发送来的分配预留消息，并进行资源预留。

本发明系统维持一个逻辑上一致的中继服务器状态数据库和一个网络拓扑数据库,希望获得转交地址的客户可以向任何一个中继服务器发送分配请求(Allocation Request),中继服务器根据中继服务器状态数据库和网络拓扑数据库，遴选出与该客户匹配的最佳的中继服务器，并通过备选服务器（ALTERNATE-SERVER）属性告知客户。分布式中继服务器环境下的中继服务器分配流程：

步骤1：客户端代理从第三方（例如，通过动态主机配置协议DHCP或通过域名系统DNS）获得一个可用的中继服务器服务地址，记其IP地址为IP_INITIAL；

步骤2：客户端代理向中继服务器发送转交服务地址分配请求(Allocation Request)，请求中可包含客户端代理的带宽需求R；

步骤3：中继服务器获得客户端代理的服务器反射地址，并向分配决策模块发出分配决策请求，请求包含客户端代理的服务器反射地址及带宽需求R；

步骤4：分配决策模块与中继服务器状态数据库交互，选择出活跃的且可用带宽能满足客户带宽需求的中继服务器集合SS={S_i|S_i活跃and AvailCap(S_i)-(1-P(S_i))Cap(S_i)>=R}；

步骤5：

步骤51：如果SS为空，则向客户端返回错误消息，表示带宽容量不足；

步骤52:如果|SS|>1，则依据网络拓扑数据库和客户端的服务器反射IP地址IP_SRA，首先，依据最长前缀匹配找出与IP_SRA最匹配的网络N_g,然后依据网络拓扑数据库找出SS中与N_g网络距离最近的中继服务器S_k，记其IP地址为IP_selected;如果|SS|=1，IP_selected即为SS中唯一的中继服务器的IP地址；

步骤54：IP_INITIAL！=IP_selected，则

步骤541：该中继服务器首先向IP_selected对应的中继服务器上的分配预留模块发送分配预留信息，包含客户端发送来的原始的请求分配消息；

步骤542：IP_selected对应的中继服务器上的分配预留模块接收到IP_INITIAL发送来的分配预留信息，为该客户进行带宽资源预留；

步骤543：IP_INITIAL对应的中继服务器向客户端发送错误消息，并置备选服务器（ALTERNATE-SERVER）属性的IP地址为IP_selected，即让客户端向IP_selected对应的中继服务器重新发送分配请求；

步骤6：当客户端收到错误消息且包含备选服务器属性时，则向该备选服务器属性给出的中继服务器服务地址发送请求分配消息，请求应表明是重定向的；

步骤7：IP_selected对应的中继服务器收到该客户的重定向后的请求分配消息后，为该客户进行转交地址和相关资源的分配，并向客户发送分配成功的消息；

此外，本发明还公开了当两个客户端均位于对称NAT后面且两个客户端被分配了不同的TURN服务器时，由处于控制方(Controlling Agent)的一端通过网络探测的方式选择最优的转交地址并告知被控端(Controlled Agent)的方法。中继服务器选择的流程：

步骤1：在ICE的连通性检测过程中，控制端代理L发现与被控端代理R只能通过转交地址进行通信，无法建立直接通信；

步骤2：控制端代理L判断其与被控端代理R被分配的中继服务器不同，两者的IP地址不一样,分别记为Relay(L),Relay(R)；

步骤3：控制端代理L分别测量其到两个转交地址的往返时间RTT(L,Relay(L)),RTT(L,Relay(R))，同时被控端代理R也分别测量其到两个转交地址的往返时间RTT(R,Relay(L)),RTT(R,Relay(R))；

步骤4：被控端代理R通过信令通道将测量的两个RTT值告知控制端代理L；

步骤5：控制端代理计算如下值：RTT(L,R)₁=RTT(L,Relay(L))+RTT(R,Relay(L))和RTT(L,R)₂=RTT(L,Relay(R))+RTT(R,Relay(R))，若RTT(L,R)₁>RTT(L,R)₂,则选择为被控端代理R分配的中继服务器进行流量中转，否则，选择为控制端代理L分配的中继服务器进行流量中转；

步骤6：控制端代理L向被控端代理发送消息，确认选择上述较佳的中继服务器用于控制端代理L和被控端代理R的流量中继。

Claims

1.一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统，其特征在于，包括分布式中继服务器分配子系统和分布式中继服务器选择子系统；所述分布式中继服务器分配子系统用于客户端希望获得转交地址时为其分配一个较佳的中继服务器，包括分布式中继服务器群、中继服务器状态数据库、网络拓扑数据库、分配决策模块和分配预留处理模块；所述中继服务器选择子系统应用于两个客户均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后，且两者被分配了不同的中继服务器时，进行合法的传输地址配对选择。

2.根据权利要求1所述的一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统，其特征在于，所述分布式中继服务器群用于为客户端分配转交地址和中转流量；所述中继服务器状态数据库用于维护每个中继服务器的当前状态，包括：中继服务器的传输地址、服务器当前是否活跃、服务器的总带宽、服务器的可用带宽和服务器的上限负载率；所述网络拓扑数据库存放了各个中继服务器到不同粒度的其它网络的网络距离，用于优化中继服务器的分配；所述分配决策模块，依据中继服务器状态数据库、网络拓扑数据库和客户的服务器反射地址,为客户分配较佳的中继服务器；所述分配预留处理模块，宿主于中继服务器，用于接收其他中继服务器发送来的分配预留消息，并进行资源预留。

3.根据权利要求2所述的一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统，其特征在于，所述中继服务器状态数据库由一个集中数据库来存放或者通过分布式的协议在各个中继服务器存放多个副本；所述分配决策模块作为一个单独的服务模块存在于各个中继服务器之外的服务器上或者宿主于各个中继服务器本身。

4.如权利要求1所述一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统的方法，其特征在于,所述分布式中继服务器环境下的中继服务器分配流程如下：

步骤5：

步骤54：IP_INITIAL！=IP_selected，则执行如下步骤：

5.如权利要求1所述一种NAT穿越中分布式中继服务器的分配和选择系统的方法，其特征在于,所述中继服务器选择子系统应用于两个客户均位于不同的地址或地址及端口依赖型的NAT后且两者被分配了不同的中继服务器前提下进行合法的传输地址配对选择的时刻,中继服务器选择的流程如下：

步骤3：控制端代理L分别测量其到两个转交地址的往返时间RTT(L,Relay(L))和RTT(L,Relay(R))，同时被控端代理R也分别测量其到两个转交地址的往返时间RTT(R,Relay(L))和RTT(R,Relay(R))；

步骤5：控制端代理L计算如下值：RTT(L,R)₁=RTT(L,Relay(L))+RTT(R,Relay(L))和RTT(L,R)₂=RTT(L,Relay(R))+RTT(R,Relay(R))，若RTT(L,R)₁>RTT(L,R)₂,则选择为被控端代理R分配的中继服务器进行流量中转，否则，选择为控制端代理L分配的中继服务器进行流量中转；

步骤6：控制端代理L向被控端代理R发送消息，确认选择上述较佳的中继服务器用于控制端代理L和被控端代理R的流量中继。