摘 要： 為解決SIP應(yīng)用穿透NAT的問題，剖析了NAT的工作原理，并針對SIP協(xié)議信令" title="信令">信令過程的特點，提出了采用ALG設(shè)備解決NAT的穿透問題，具體設(shè)計了ALG的結(jié)構(gòu)和相關(guān)實現(xiàn)算法，并給出了詳細(xì)的實現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 會話發(fā)起協(xié)議(SIP) 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT) 會話描述協(xié)議(SDP) 信令
會話發(fā)起協(xié)議SIP[1](Session Initiation Protocol)是由IETF組織于1999年提出的在Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實現(xiàn)實時通信應(yīng)用的一種信令協(xié)議。SIP引發(fā)了現(xiàn)代通信體系結(jié)構(gòu)的變革，然而它卻在視頻能力、會議控制方面沒有一個完善的標(biāo)準(zhǔn)；同時，由于大量企業(yè)和駐地網(wǎng)都采用了私有編址[2]，并通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換NAT(Network Address Translation)來控制與公共網(wǎng)絡(luò)的通信，而SIP數(shù)據(jù)包需通過信令消息中的IP地址和端口號" title="端口號">端口號來實現(xiàn)目的地尋址，且它的媒體流" title="媒體流">媒體流端口是動態(tài)分配的，這就為在NAT上配置固定的包過濾策略帶來了困難。因此，SIP穿透NAT是絕大多數(shù)VoIP運營商亟待解決的問題。
當(dāng)前，幾種主要的NAT穿透技術(shù)有SIP ALG、Full Proxy、MidCom、VPN、隧道穿透、STUN等。其中，SIP ALG方式是在傳統(tǒng)的NAT上進行擴展，使之具備感知SIP呼叫控制協(xié)議的能力，從而對基于SIP呼叫的地址實現(xiàn)穿透。它是一種比較簡單的方案，最突出的特點是ALG和具體的SIP系統(tǒng)無關(guān)，對于一個SIP系統(tǒng)不需要做任何修改，只要在響應(yīng)的NAT上加載SIP ALG，就能完成私網(wǎng)到公網(wǎng)甚至私網(wǎng)中的兩個用戶之間的SIP連接。
1 SIP應(yīng)用穿透NAT面臨的問題
1.1 NAT的工作原理
NAT[3]被置于兩網(wǎng)間的邊界。NAT技術(shù)使得一個私有網(wǎng)絡(luò)可以通過Internet注冊IP連接到外部世界。位于內(nèi)網(wǎng)" title="內(nèi)網(wǎng)">內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)中的NAT路由器在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，負(fù)責(zé)把內(nèi)部IP翻譯成外部合法地址。當(dāng)從外網(wǎng)來的含公網(wǎng)地址信息的數(shù)據(jù)包到達NAT時，NAT使用預(yù)設(shè)好的規(guī)則(其組元包含源地址、源端口、目的地址、目的端口、協(xié)議)來修改數(shù)據(jù)包，然后再轉(zhuǎn)發(fā)給內(nèi)網(wǎng)接收點。NAT的基本工作原理如圖1所示，NAT設(shè)備實際上是在維護一個狀態(tài)表，該表用于把非法的IP地址映射" title="地址映射">地址映射到合法的IP地址上。
1.2 技術(shù)難點
與傳統(tǒng)NAT支持HTTP等數(shù)據(jù)的穿透不同，SIP應(yīng)用中的語音和視頻數(shù)據(jù)需通過信令消息中的IP地址和端口號來實現(xiàn)目的地尋址，因此信令消息在地址穿透中不僅需要對TCP/UCP層的端口信息以及IP層的源地址和目的地址進行變換，還需對IP包載荷中的相關(guān)地址信息進行變換。同時，對于SIP應(yīng)用來說，是在控制信息中動態(tài)地協(xié)商媒體流端口，信令協(xié)議中的IP地址也是私有的，因此要準(zhǔn)確把握相關(guān)的地址和端口信息，并進行正確的轉(zhuǎn)換。這是本文需要解決的首要技術(shù)難點。
其次，SIP ALG實現(xiàn)對NAT的穿透會因呼叫方處在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)而不同，因此對進出NAT的SIP消息在解析時要判斷是內(nèi)網(wǎng)之間的呼叫請求(內(nèi)部消息)、外網(wǎng)呼叫請求內(nèi)網(wǎng)(對內(nèi)消息)，還是內(nèi)網(wǎng)呼叫請求外網(wǎng)(對外消息)，以便對該消息進行正確處理。這也是本文需要解決的技術(shù)難點。
2 SIP ALG的設(shè)計思想
由于媒體流端口是在呼叫雙方SIP信令建立連接后動態(tài)協(xié)商的，因此對SIP消息穿透NAT設(shè)備要綜合考慮這兩個方面因素。
2.1 SIP信令的穿透原理
SIP信令穿透NAT與HTTP穿透類似，NAT設(shè)備只要打開固定的端口，就能保證SIP信令穿透NAT并與外界建立連接。
本文基于SIP終端設(shè)備的特殊性來考慮信令穿透NAT。SIP終端設(shè)備會周期性地發(fā)送Register消息[1]到注冊服務(wù)器上，由于不斷有信令消息經(jīng)過NAT設(shè)備，致使NAT設(shè)備對通過的消息流始終保持一個確定的端口；同時，當(dāng)Register消息經(jīng)過ALG，ALG就會記錄信令穿透NAT時經(jīng)NAT轉(zhuǎn)換后的IP地址和端口等信息，并將此信息與NAT后面的終端用戶ID(如890010098)等信息進行綁定。這樣，當(dāng)一個信令到來，ALG將通過NAT上正確的地址和端口發(fā)送給被叫方。
2.2 媒體流的穿透原理
當(dāng)信令穿透NAT后，NAT后面的SIP終端就可以收到來自外網(wǎng)的呼叫請求。這時呼叫方的Invite消息和響應(yīng)方的200(OK)消息中都攜帶了用于描述與會話相關(guān)的信息及與流媒體相關(guān)參數(shù)的SDP(Session Description Protocol)消息體[4]。當(dāng)該消息通過ALG時，ALG將通過與該媒體流相關(guān)的呼叫——會話層消息中的用戶ID(如890010098)識別出NAT上的IP地址和端口并進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，這樣當(dāng)呼叫方收到200(OK)消息時就能從SDP消息體中獲取該IP地址和端口等信息并發(fā)送ACK確認(rèn)消息，從而完成一個會話的建立。
3 SIP ALG的實現(xiàn)
利用SIP ALG實現(xiàn)對NAT的穿透，主要是對流經(jīng)ALG的SIP消息進行處理和維護。按照各部分功能的差異，可以將SIP ALG劃分為消息解析模塊、消息修改模塊和消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊，SIP ALG的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該圖體現(xiàn)了各功能模塊間的相互關(guān)系。
下面以一個典型的兩個不同NAT內(nèi)的用戶(Joe：890010098@192.168.1.4和Bob：810000004@10.10.15.44)通過注冊服務(wù)器(SER服務(wù)器)完成連接的過程為例，來說明SIP ALG的具體實現(xiàn)。SIP ALG解決NAT穿透的示意圖如圖3所示。
3.1 前提條件
SIP ALG的實現(xiàn)主要是對Request、Response消息進行解析、修改與轉(zhuǎn)發(fā)。因此在實現(xiàn)ALG前首先要了解SIP請求(Request)的方法(Register、Invite、ACK、Options、Cancel、Bye)[1]，SIP回答(Response，包括Trying、Ringing、OK和ACK)[1]以及SIP消息中的相關(guān)頭域(Request-URI、Via、From、To、Call-ID、Cseq、Contact等)[1]。
3.2 消息解析模塊的實現(xiàn)
消息解析模塊主要對流經(jīng)ALG的SIP消息進行解析，并判斷該消息是內(nèi)部消息、對外消息還是對內(nèi)消息，以便消息修改模塊能對這些消息進行正確的處理。消息解析模塊的工作流程如圖4所示。它主要判斷數(shù)據(jù)包From、To、Via等頭域中的IP地址信息，以準(zhǔn)確解析消息類型。
3.3 消息修改模塊的實現(xiàn)
由于同一NAT內(nèi)部的用戶間可以直接通信，因此“內(nèi)部消息處理”模塊不需要對消息體進行修改。這樣就把消息修改模塊分為對內(nèi)消息修改與對外消息修改。這兩個過程實際上是可逆的。對內(nèi)消息修改主要根據(jù)地址映射表把外網(wǎng)IP和端口號轉(zhuǎn)換成內(nèi)部IP和端口號，以便外部請求能準(zhǔn)確到達NAT內(nèi)側(cè)的用戶端；對外消息修改則根據(jù)地址映射表把內(nèi)部IP和端口號轉(zhuǎn)化成外網(wǎng)可用的IP和端口號，這樣，來自外網(wǎng)的請求就能準(zhǔn)確定位到該地址。但無論哪個模塊，最終結(jié)果都是對相應(yīng)的Request和Response消息中與NAT有關(guān)的IP地址和端口號進行修改。消息修改模塊的處理流程如圖5所示。
對信令消息的修改需要對Invite、ACK、BYE和Register等Request消息和100(Tring)、180(Ringing)以及200(OK)等Response消息中的Via、From、To、Call-ID、Contact等頭域中包含的私有IP地址和端口信息進行修改。而對SDP消息體的處理是SIP ALG實現(xiàn)其功能的關(guān)鍵所在，因為SDP消息體的交換是實現(xiàn)呼叫雙方媒體流通信的前提和關(guān)鍵。對SIP控制的向內(nèi)的媒體流轉(zhuǎn)發(fā)，ALG分析向外的Invite和200(OK)消息中的SDP消息體中“Media Description”和“Connection Information”行，根據(jù)這兩行中的描述地址在NAT上啟用未用端口，完成向內(nèi)接收媒體流的目的地址翻譯，從而實現(xiàn)媒體流通信的建立。需要注意的是，在對Response消息進行修改時，還需通過Call-ID匹配呼叫的上下文環(huán)境，也要加入Record-Route頭域以告知內(nèi)網(wǎng)上的SIP終端，本次呼叫中以后所有的SIP消息都要流經(jīng)該SIP ALG，這樣才能保證ALG的正確轉(zhuǎn)發(fā)。最后，對消息修改完畢后，需要重新計算消息的長度，并保存在Content-Length中。
3.4 消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊的實現(xiàn)
消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊主要是通過控制NAT，對修改后的SIP消息進行轉(zhuǎn)發(fā)，以完成一個會話的建立。消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊在ALG中保留并維護當(dāng)前呼叫的上下文環(huán)境，也就是一個地址映射信息表，如表1所示。以記錄相關(guān)的地址映射信息。
表1中的數(shù)據(jù)表示所有目的地址為202.205.11.230、60012的SIP包都會被NAT網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到主機10.10.15.44：5060上處理。消息修改模塊在做修改前，要首先查詢ALG內(nèi)記錄的地址映射信息表，如果表內(nèi)已建立了該用戶的信息，則按此信息對向NAT處的SIP消息做相應(yīng)修改，否則丟棄該消息。
為生成相關(guān)地址映射信息表，ALG首先需要分析向外的Register消息。ALG記錄Register中的To和Contact頭域，按它們的值在NAT設(shè)備上啟用一個未用的端口，然后ALG記錄生成的映射信息并填入地址映射信息表。生成地址映射信息表后，消息修改模塊再按映射信息修改向外的Invite和Register等報文，然后再通過消息轉(zhuǎn)發(fā)模塊實現(xiàn)對NAT的穿透。
本文通過分析NAT的工作原理以及SIP信令與媒體流的特點，詳細(xì)講述了SIP ALG的具體實現(xiàn)方法。實驗證明，本文設(shè)計的SIP ALG能很好地解決NAT穿透問題，且運行穩(wěn)定，互通性好。
參考文獻
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