SIP电话的NAT穿越技术研究

郭朝鑫

（中国电子科技集团第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

近年来，随着通信技术和网络技术的飞速发展，网络融合的进程进一步加快，IP分组网络作为实时和非实时业务的承载已成为大势所趋，IP电话相关技术及应用受到广泛关注。其中，会话初始协议(SIP,Session Initiation Protocol)由于简单、灵活、可扩展性强的特点，是目前通信界最为活跃的通信协议之一，SIP电话是当前研究的热点之一，也是电话网发展的方向之一。

当前越来越多企业采用 SIP电话进行企业内部数据网络和语音网络的整合，出于共享公网 IP资源及保护内网安全的考虑，大量的企业网和用户本地网采用了私有 IP地址通过出口的网络地址转换器(NAT, Network Address Translators)接入公网，NAT的大量部署给SIP电话的应用造成了较大困难。一方面，NAT后的SIP电话作为被叫时，由于其 IP地址是私有的，对公网不可见，呼叫消息无法到达NAT后的SIP电话，通信不能建立；另一方面，即使NAT后的SIP电话做主叫时，由于其 SIP呼叫消息中包含了IP层的信息如主叫的IP地址等，而此IP地址是私有的，对于公网上的网络设备和被叫都是不可路由的，同样会导致通信无法正常建立。综上所述，SIP电话的NAT穿越技术是影响SIP电话大规模部署应用的关键技术之一，该技术的研究对推动SIP电话的大规模应用具有重要的意义。

1 SIP电话简介

SIP电话系统包含两个基本组件：SIP用户代理[1]和SIP网络服务器。用户代理是呼叫的终端系统元素，而SIP网络服务器是处理与多个呼叫相关信令的网络设备。网络服务器包括代理服务器、注册服务器和重定向服务器。

SIP的消息采用文本方式，报文语法格式和整体框架都借鉴了超文本传输协议（HTTP，Hypertext Transfer Protocol）和简单邮件传输协议（SMTP，Simple Mail Transfer Protocol），简单、扩展性好。SIP协议[2-3]定义了INVITE、ACK、BYE、CANCEL、REGISTER、OPTIONS 等 6 种基本方法来实现呼叫，每一种方法都是一个请求消息。

图1表示了一种典型的中小规模SIP电话系统。该系统中，SIP服务器集成了代理服务器、注册服务器和重定向服务器的功能，为方便进行集中的媒体控制和提供增值服务以及媒体的NAT穿越，系统配置了媒体服务器，SIP电话终端位于NAT之后。

图1 一个中小规模的SIP电话系统组成

2 NAT穿越技术分析

2.1 NAT类型

NAT穿越技术与NAT的类型[4]关系密切，根据映射方式的不同，NAT可分为完全圆锥型，地址受限圆锥型，端口受限圆锥型和对称型这4种。

完全圆锥型 NAT：将从同一内部 IP 地址和端口出来的所有请求，都映射到相同的外部 IP 地址和端口。任何外部主机通过向映射的外部地址发送报文，可以实现和内部主机进行通信。

地址受限圆锥型 NAT：将从相同的内部 IP 地址和端口的所有请求，映射到相同的外部 IP 地址和端口。但是与完全圆锥型NAT 不同，当且仅当内网主机之前已经向公网主机发送了分组，此公网主机才能够向内网主机发送分组。

端口受限圆锥型 NAT：类似于地址受限圆锥型 NAT，但更严格，它增加了端口号的限制。

对称型NAT：从相同的内部IP地址和端口，并且到相同的目的地址和端口的所有请求，都映射到同一个外部 IP地址和端口。如果同一个内部主机，用相同的内部 IP地址和端口，发送了一个报文到另一个目的主机，则会使用不同的映射。而公网主机，只有在接收到分组后，才能与发送分组的内网主机进行通信。

2.2 NAT穿越技术

目前主要的NAT穿越技术[5-6]有以下几类。

（1）应用层网关

应用层网关(ALG,Application Level Gateway)工作在应用层，一般驻留在NAT设备中。ALG通过修改SIP信令中所携带的内网终端的地址和端口为NAT 的公网地址和端口，并保存相应的映射，控制NAT打开映射条目所对应的NAT端口来穿透 NAT。ALG 原理比较简单，但扩展性不好，每增加一种应用时，都需要对NAT进行升级。

（2）基于UDP的NAT简单穿越

基于UDP的NAT简单穿越(STUN[7],Simple Traversal of UDP Through Network Address Translators)，通过某种机制由内网终端预先从 STUN 服务器（部署于公网）获得内网主机IP 和端口在NAT 上映射的IP 和端口，然后在报文消息中所描述的地址信息直接填写NAT上的对外地址，从而实现NAT穿越。该方式最大的优点是无需改动NAT，局限性在于终端需具备STUN代理功能，不支持TCP连接的穿越，不支持对称NAT的穿越。

（3）采用中继的NAT穿越

采用中继的 NAT穿越(TURN[8],Traversal Using Relay NAT)解决NAT问题的思路与STUN相似，也是基于用户通过某种机制预先得到其内网地址对应在公网的地址，STUN方式得到的地址为出口NAT上的地址，而TURN方式得到的地址为TURN服务器上的地址。该方式解决了STUN应用无法穿透对称NAT的缺陷，同时支持基于TCP的应用，局限性在于所有报文都必须经过 TURN服务器转发，增大了包的延迟和丢包的可能性。

（4）会话边界控制器

会话边界控制器(SBC,Session Border Controller)是近几年一种较新的NAT穿越技术，它位于接入控制层，其服务器部署在内网和SIP服务器（公网）之间，完成信令中转和媒体转发。对于SIP终端而言，可以将SBC看作集成注册服务器和代理服务器的SIP服务器。SBC进行NAT穿越最大的优点在于不需要对现有的网络结构作任何的假设和变更，但是SBC服务器也容易成为内网和公网通信的瓶颈。

3 NAT穿越设计

3.1 需求分析

在图1所示的SIP电话系统中，针对NAT的穿越设计，主要的应用需求分析如下：

①SIP电话系统最好不对网络结构提出限制；

②不要对现有的网络设备如NAT等升级改造；

③为减少维护管理投入，在内网和公网边界处不建议新增设备；

④SIP相关服务设备直接与公网连接，无NAT；

⑤SIP相关服务设备种类应尽量少，以减少系统部署后的维护工作量；

⑥SIP电话以及SIP相关服务设备可以增加支持NAT穿越的功能实体。

3.2 设计方案

根据上述需求分析，ALG方式需要对NAT进行升级改造，不适合该SIP电话系统采用。而SBC方式需要在NAT边界处部署SBC服务器，也不能完全满足需求，但是，SBC的NAT穿越思路对本系统有较大借鉴意义。STUN方式和TURN方式，与本系统的NAT穿越需求比较接近，然而，如单独使用其中的一种方式，仍存在着或多或少的缺陷，如STUN方式对NAT的类型有较大限制，TURN方式其服务器较容易成为系统瓶颈。因此，需综合分析本系统的NAT穿越需求，借鉴这几种NAT穿越技术，设计出适合的NAT穿越方案。

针对图1所示的SIP电话系统，设计NAT穿越方案如下。

对于SIP信令等协议消息的穿越，借鉴TURN方式，SIP电话终端通过与公网服务器的消息交互，预先得到其内网地址与公网地址的映射关系，然后在协议消息中修改相关信息。同时，为简化设备种类，将NAT穿越服务器功能实体与SIP服务器集成在一起。SIP服务器采用分布式部署方式，在系统用户规模较大时，配置多台SIP服务器进行负荷分担，同时 SIP服务器可互为备份。SIP服务器还具有控制媒体服务器完成媒体通道的开启和释放相关功能。

为解决SBC方式媒体转发的瓶颈，将媒体转发功能独立出来，采用单独的媒体服务器完成。媒体服务器采用分布式部署的方式，根据系统用户的规模，系统中可配置一台或多台媒体服务器，1台SIP服务器可控制管理多台媒体服务器。在SIP服务器管理区域内，媒体服务器可互为备份。

对于SIP电话终端，针对NAT穿越，主要的功能包括：维护与SIP服务器的消息交互，以获得其内网地址与公网地址的映射关系；修改SIP消息相关参数；话音通信时建立与媒体服务器的媒体转发通道。

3.3 协议流程

图2给出了一次典型通话的通信流程。在图2中，假定SIP电话终端A、B均位于NAT之后，NAT的类型为对称型。

图2 一次典型通话的通信流程

SIP电话终端A、B入网时，需向SIP服务器发出探测消息，终端根据SIP服务器的应答，获得NAT上的外部地址。同时，为维持该地址绑定，终端应定时向SIP服务器发送探测消息。该过程在图2中未表示。

通信流程描述如下：

①终端A向SIP服务器发出“INVITE”消息，SIP服务器收到此消息后，通知媒体服务器开启媒体转发通道；

②SIP服务器向终端A发送“100TRY”消息，消息中携带媒体服务器的地址；

③终端A收到SIP服务器的“100TRY”消息，得到媒体服务器地址，向媒体服务器发出媒体转发请求消息，由此媒体服务器和终端A均获得媒体转发时的NAT上的外部地址；

④SIP服务器向终端B转发“INVITE”消息，消息中携带媒体服务器的地址；

⑤终端B收到SIP服务器的“INVITE”消息，得到媒体服务器地址，向媒体服务器发出媒体转发请求消息，媒体服务器和终端B均获得媒体转发时的NAT上的外部地址；

⑥终端B向SIP服务器发送“100TRY”消息；

⑦终端B向SIP服务器发送“180RING”消息，SIP服务器转发至终端A；

⑧终端B向SIP服务器发送“200 OK”消息，SIP服务器转发至终端A，终端A发送“ACK”消息至SIP服务器，SIP服务器转发给终端B；

⑨终端 A、B进入通话态，媒体通过媒体服务器转发方式完成NAT的穿越；

⑩通话结束后，终端A向SIP服务器发送“BYE”消息，SIP服务器通知媒体服务器释放此媒体通道；SIP服务器转发“BYE”消息给终端B；

4 结语

上述SIP电话系统的NAT穿越方案，将SIP代理服务器、注册服务器和重定向服务器，以及针对NAT穿越的信令代理功能集成到SIP服务器中，大大减少了用户的使用维护成本，同时，将媒体转发功能采用独立的服务器实现，结合分布式部署方式，克服了通常的NAT穿越方案媒体转发的瓶颈。该方案特别适合于对网络结构无限制，网络设备不改造的应用环境。话音数据通过媒体服务器转发带来的时延和抖动，对SIP电话语音质量的影响评估以及相应的技术解决途径，是下一步需要研究的工作之一。

[1] 陈蕊,唐红,赵国峰.SIP协议用户代理的研究与实现[J]. 通信技术,2010,43(02):171-173.

[2] ROSENBERG J, SCHULZRINNE H, CAMARILLO G,et al.RFC3261,SIP:Session Initiation Protocol[S].[s.l.]:IETF, 2002.

[3] HANDLEY M, JACOBSON V.RFC2327,SDP:Session Description Protocol[S]. [s.l.]:IETF, 1998.

[4] 贾姗姗.基于SIP协议的VoIP系统中NAT穿越方案的研究与实现[D].北京：北京邮电大学,2009.

[5] 王啸,周渊平.VoIP系统中 NAT穿越技术的研究与实现[J].通信技术,2010,43(11): 111-113.

[6] 曹淼,李健,张烨,等. 基于 SIP的 VoIP穿透 NAT方法的研究与实现[J].网络安全技术与应用,2009(04):64-66.

[7] ROSENBERG J, WEINBERGER J, HUITEMA C, et al.RFC3489,STUN -Simple Traversal of User Datagram Protocol (UDP) Through Network Address Translators (NATs) [S]. [s.l.]: IETF, 2003.

[8] 闵江. 一种利用TURN穿越对称型NAT方案的设计与实现[D].武汉：华中科技大学,2008.