NAT，STUN，TURN，SIP，ICE，WebRTC

参考：

Kavirajan ST  : What is WebRTC and How to Setup STUN/TURN Server for WebRTC Communication?
Andrey B. ：Еnvironment: signaling, STUN and TURN servers
Meddane ： Demystifying NAT Traversal with STUN TURN and ICE
RFC 5766 – Traversal Using Relays around NAT (TURN): Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT (STUN) (ietf.org)
RFC 8656 – Traversal Using Relays around NAT (TURN): Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT (STUN) (ietf.org)

STUN(Session Traversal Utilities for NAT)

STUN 的唯一目的是让防火墙后面的设备在向外发送 UDP 流量时发现自己的 NAT 地址和端口。

两个客户端 通过 STUN 知道自己的公有 IP 和 端口后，直接点对点（P2P），不经过任何第三方进行媒体通信 

TURN(Traversal Using Relays around NAT)

STUN 仅适用于安全性较低的 NAT，即所谓的  完全锥形NAT（full-cone）。STUN 不能用于对称性 NAT，这时候就需要 TURN

两个客户端 通过 STUN 知道自己的公有 IP 和端口后，为了穿越防火墙，无法 P2P 通信，将通过 TURN 中继进行媒体通信。

但TURN服务器成本较高，因为在建立更多客户端连接的情况下，服务器利用率和带宽占用量都很大。

信令服务器 与 信令协议 SIP（Session Initiation Protocol）

让我们想象一下，我们有 2 个对等点想要建立直接连接并在彼此之间传输流。

但他们对彼此还一无所知。因此，我们需要一些第三方服务来帮助他们共享服务信息并开始直接流传输。这是信令服务器的工作。

信令服务器用于让对等体之间 共享服务信息 以启动点对点的对等流传输。
信令服务器的流量和计算负载相对较低。

SIP协议会与许多其它的协议协同工作，如SIP报文内容发送会话描述协议（Session Description Protocol，SDP），SDP协议描述了会话所使用流媒体细节，如：使用哪个IP端口，采用哪种编解码器等等。

一旦完成了建立消息的交换，就使用另一种协议（通常是RTP（实时传输协议））来交换媒体。

完全锥形 NAT 和 对称 NAT

NAT

属于四层负载均衡（网络层负载均衡，改变 IP 地址）

因为IPV4地址枯竭，也用NAT来通过公网IP路由内网IP

客户端发送外部请求到NAT：数据包的目的IP和端口本来是这个NAT设备的。NAT 要修改目的IP和端口，使其为真实服务器地址，从而转发到服务器。
内部服务器通过NAT发送响应给客户端：这个数据包的源地址是服务器自己的IP和端口，一般都是内部地址，非公网IP。如果直接发送给客户端，客户端是不认识这个地址的，所以要将源地址由服务器地址改为NAT 均衡器地址。

完全锥型 NAT（full-cone），静态 NAT

来自【同一内部 IP 地址和端口的所有请求】都映射到同一外部 IP 地址和端口

对称 NAT（Symmetric），动态 NAT

从【同一内部 IP 地址和端口到特定目标 IP 地址和端口的所有请求】都映射到同一外部 IP 地址和端口。如果内部同一主机发送具有相同源地址和端口的数据包，但发送到不同的目的地，则使用不同的映射。此外，只有接收到数据包的外部主机才能将UDP数据包发送回内部主机。

为什么对称 NAT 不可以使用 STUN？

Jdoe –> Jsmith 共同的步骤

jdoe 请求 Stun 服务器获取其自己的公共 IP 和端口 15.1.2.1:19222
通过 SDP INVITE 将 15.1.2.1:19222 发送给 jsmith
当被叫设备 jsmith 收到 INVITE 时，它会请求 Stun 服务器以获得自己的公共 IP 和端口 13.1.2.1:19999
然后被叫端点 jsmith 在 SDP 响应中包含此 NAT 化的 IP和端口 13.1.2.1:19999

信令完成后，两个端点都有各自的公共 IP 地址和端口，将用于建立 RTP 或媒体通信，并且它们可以开始连接检查阶段。

1、全锥NAT （full-cone）

Jdoe 向 jsmith 的公共 IP 地址 13.1.2.1:19999 发送模拟音频媒体流量的 UDP 数据包（STUN 数据包）。该数据包经过 Jdoe 的防火墙进行 NAT 转换后，Jdoe 的内部源IP 改变为源地址 15.1.2.1:19222 （因为全锥形NAT，所以到 Jsmith 与到 STUN 是一样的IP和端口）。同时 Jdoe 的防火墙建立一个连接条目：Src: 15.1.2.1:19222 和 Dst: 13.1.2.1:19999

一旦该数据包到达 jsmith 的防火墙，就会被防火墙丢弃，因为它是从外部不可信区域发起到内部可信区域的。 

jsmith 也向 jdoe 的公共 IP地址 15.1.2.1:19222 发送模拟音频媒体流量的 UDP 数据包（STUN 数据包）。该数据包经过 jsmith 的防火墙进行 NAT 转换后， Jsmith 的内部源IP 改变为源地址 13.1.2.1:19999（因为全锥形NAT，所以到 Jsmith 与到 STUN 是一样的IP和端口）。

该数据包会被 jdoe 的防火墙允许，因为它是由 jdoe 发起的 Stun 数据包创建的现有连接的一部分，Jdoe 的防火墙已经添加了这个连接条目 Src: 15.1.2.1:19222 和 Dst: 13.1.2.1:19999。所以连接检查将成功。

2、对称NAT（Symmetric）

Jdoe 向 jsmith 的公共 IP 地址 13.1.2.1:19999 发送模拟音频媒体流量的 UDP 数据包（STUN 数据包）。该数据包经过 Jdoe 的防火墙进行 NAT 转换后，Jdoe 的内部源IP 改变为源地址 15.1.2.1: 20200（因为对称 NAT，请求到 Jsmith 与请求到 STUN（15.1.2.1:19222） ，是不一样的源端口） 。同时 Jdoe 的防火墙建立一个连接条目：Src: 15.1.2.1:20200 和 Dst: 13.1.2.1:19999 

一旦该数据包到达 jsmith 的防火墙，就会被防火墙丢弃，因为它是从外部不可信区域发起到内部可信区域的。

jsmith 也向 jdoe 的公共 IP地址 15.1.2.1:19222 发送模拟音频媒体流量的 UDP 数据包（STUN 数据包）。该数据包经过 jsmith 的防火墙进行 NAT 转换后， Jsmith 的内部源IP 改变为源地址 13.1.2.1:19777（因为对称 NAT，请求到 Jdoe 与请求到 STUN （13.1.2.1:19999），是不一样的源端口）。

连接检查将失败，因为 jdoe 的防火墙期望接收具有与条目的连接表匹配的 L3/L4 信息 Src: 15.1.2.1:20200 和 Dst: 13.1.2.1:19999 的数据包。而现在的数据包却是 Src: 15.1.2.1:19222 到 Dst: 13.1.2.1:19777

交互式建立连接 Interactive Connectivity Establishment (ICE)

RFC 8445 中定义的交互式连接建立 (ICE) 是一个结合了 STUN 和 TURN 的框架。

ICE 在两个节点之间建立尽可能直接的连接。ICE 强制要求默认情况下使用 STUN，因为 TURN 通信需要连续使用 TURN 服务器，连接不是对等的，并且会使用更多的服务器资源。

如果它们之间可以直接连接，则会应用 STUN 协议。
如果无法实现直接媒体连接，端点将回退到 TURN 服务器并集中发送其 UDP 流量，而不是点对点。
通过 STUN 以发现端点的 NATed IP 和端口。
Turn 发现 ：Turn 服务器的中继公共 IP（例如 Expressway-E（Cisco的））
发现最佳 RTP 路径，或者在端点之间直接 RTP 流（如果使用专用公共 IP），或者通过中继转向服务器（例如 Expressway-E（Cisco的）），或者通过传统 RTP 流（例如，对于 MRA 端点通过 Expressway-C） 

 this site that checks for Trickle ICE functionality.