STUN协议数据格式及抓包分析
最近做一个服务器，在预先建立会话那块，协议提到了一种穿越NAT/防火墙的方案——ICE（Interactive Connectivity Establishment）交互式连接。ICE是通过综合运用STUN,TURN,RSIP等NAT穿透方式，使之能在最适合的情况下工作，以弥补单独使用其中任何一种所带来的固有缺陷。对于SIP来说，ICE只需要定义一些SDP(Sessionescription Protoc01)附加属性即可，对于别的多媒体信令协议也需要制定一些相应的机制来实现。
ICE的算法可以分为以下几个流程：
(1)收集本地传输地址
会话者从服务器上获得主机上一个物理(或虚拟)接口绑定一个端口的本地传输地址。
(2)启动STUN
与传统的STUN不同，ICE用户名和密码可以通过信令协议进行交换。
(3)确定传输地址的优先级
优先级反映了UA在该地址上接收媒体流的优先级别，取值范围0到1之间，按照被传输媒体流量来确定。
(4)构建初始化信息(Initiate Message)
初始化消息由一系列媒体流组成，每个媒体流的任意Peer之间实现最人连通可能性的传输地址是由公网L转发服务器(如TURN)提供的地址。
(5)响应处理
连通性检查和执行ICE算法中描述的地址收集过程。
(6)生成接受信息(Accept Message)
若接受则发送Accept消息，其构造过程与InitiateMessage类似。
(7)接受信息处理
接受过程需要发起者使用Send命令，由服务器转发至响应者。
(8)附加ICE过程
Initiate或Accept消息交换过程结束后，双方可能仍将继续收集传输地址。
简单的说，就是SIP终端在注册时，访问STUN服务器，获得NAT/防火墙的结构类型；当发起呼叫信息(INVITE)或接收到呼叫信息回应(200 OK)之前根据NAT/防火墙类型通过访问STUN服务器进行对RTP进行地址收集(任非对称性NAT/防火墙后需要收集NAT映射地址，在对称性NAT/防火墙后还需要收集TURN地址)；然后在RTP的地址端口启动接收线程RSTUN服务程序；最后发送SIP消息，收集的地址放列SDP消息中的alt属性中。
STUN（Simple Traversal of UDP over NATs，NAT 的UDP简单穿越），首先在RFC3489中定义，作为一个完整的NAT穿透解决方案，英文全称是Simple Traversal of UDP Through NATs，即简单的用UDP穿透NAT。在新的RFC5389修订中把STUN协议定位于为穿透NAT提供工具，而不是一个完整的解决方案，英文全称是Session Traversal Utilities for NAT，即NAT会话穿透效用。RFC5389与RFC3489除了名称变化外，最大的区别是支持TCP穿透。
TURN，首先在RFC5766中定义，英文全称是Traversal Using Relays around NAT:Relay Extensions to Session Traversal Utilities for NAT，即使用中继穿透NAT:STUN的扩展。简单的说，TURN与STURN的共同点都是通过修改应用层中的私网地址达到NAT穿透的效果，异同点是TURN是通过两方通讯的“中间人”方式实现穿透。一般来说，实在P2P通信无法实现时，TURN就会派上用场。
STUN的报文结构为：
Ø 消息头
所有的STUN消息都包含20个字节的消息头，包括16位的消息类型，16位的消息长度和128位的事务ID。
字节
0 1 2 3
| 消息类型 |
消息长度 |
| 事务ID |
|
消息类型许可的值如下：
0x0001：捆绑请求
0x0101：捆绑响应
0x0111：捆绑错误响应
0x0002：共享私密请求
0x0102：共享私密响应
0x0112：共享私密错误响应
消息长度，是消息大小的字节数，但不包括20字节的头部。
事务ID，128位的标识符，用于随机请求和响应，请求与其相应的所有响应具有相同的标识符。
Ø 消息属性
消息头之后是0个或多个属性，每个属性进行TLV编码，包括16位的属性类型、16位的属性长度和变长属性值。
字节
0 1 2 3
| 属性类型 |
属性长度 |
| 属性值 |
|
| …… |
|
属性类型定义如下：
MAPPED-ADDRESS
MAPPED-ADDRESS属性表示映射过的IP地址和端口。它包括8位的地址族，16位的端口号及长度固定的IP地址。
RESPONSE-ADDRESS
RESPONSE-ADDRESS属性表示响应的目的地址
CHASNGE-REQUEST
客户使用32位的CHANGE-REQUEST属性来请求服务器使用不同的地址或端口号来发送响应。
SOURCE-ADDRESS
SOURCE-ADDRESS属性出现在捆绑响应中，它表示服务器发送响应的源IP地址和端口。
CHANGED-ADDRESS
如果捆绑请求的CHANGE-REQUEST属性中的“改变IP”和“改变端口”标志设置了，则CHANGED-ADDRESS属性表示响应发出的IP地址和端口号。
USERNAME
USERNAME属性用于消息的完整性检查，用于消息完整性检查中标识共享私密。USERNAME通常出现在共享私密响应中，与PASSWORD一起。当使用消息完整性检查时，可有选择地出现在捆绑请求中。
PASSWORD
PASSWORD属性用在共享私密响应中，与USERNAME一起。PASSWORD的值是变长的，用作共享私密，它的长度必须是4字节的倍数，以保证属性与边界对齐。
MESSAGE-INTEGRITY
MESSAGE-INTEGRITY属性包含STUN消息的HMAC-SHA1，它可以出现在捆绑请求或捆绑响应中；MESSAGE-INTEGRITY属性必须是任何STUN消息的最后一个属性。它的内容决定了HMAC输入的Key值。
ERROR-CODE
ERROR-CODE属性出现在捆绑错误响应或共享私密错误响应中。它的响应号数值范围从100到699。
下面的响应号，与它们缺省的原因语句一起，目前定义如下：
400（错误请求）：请求变形了。客户在修改先前的尝试前不应该重试该请求。
401（未授权）：捆绑请求没有包含MESSAGE-INTERITY属性。
420（未知属性）：服务器不认识请求中的强制属性。
430（过期资格）：捆绑请求没有包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但它使用过期
的共享私密。客户应该获得新的共享私密并再次重试。
431（完整性检查失败）：捆绑请求包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但HMAC验
证失败。这可能是潜在攻击的表现，或者客户端实现错误
432（丢失用户名）：捆绑请求包含MESSAGE-INTEGRITY属性，但没有
USERNAME属性。完整性检查中两项都必须存在。
433（使用TLS）：共享私密请求已经通过TLS（Transport Layer Security，即安全
传输层协议）发送，但没有在TLS上收到。
500（服务器错误）：服务器遇到临时错误，客户应该再次尝试。
600（全局失败）：服务器拒绝完成请求，客户不应该重试。
UNKNOWN-ATTRIBUTES
UNKNOWN-ATTRIBUTES属性只存在于其ERROR-CODE属性中的响应号为420的捆绑错误响应或共享私密错误响应中。
REFLECTED-FROM
REFLECTED-FROM属性只存在于其对应的捆绑请求包含RESPONSE-ADDRESS属性的捆绑响应中。属性包含请求发出的源IP地址，它的目的是提供跟踪能力，这样STUN就不能被用作DOS攻击的反射器。
属性空间分为可选部分与强制部分，值超过0x7fff的属性是可选的，即客户或服务器即使不认识该属性也能够处理该消息；值小于或等于0x7fff的属性是强制理解的，即除非理解该属性，否则客户或服务器就不能处理该消息。
现在在公网上有很多可以直接使用的STUN服务器，比如我在测试时使用的STUN服务器的IP为：77.72.169.211，端口为3478，以下为测试的其中事务ID部分直接填写为了全0，发送的数据如图所示，其中，发送的环境为windows 10环境，发送端口为50000端口：
测试抓包截图如图所示：
其中，在第三个服务器上同时抓包，目的就是验证STUN服务器发送给我的数据是否是正确的。
从本机发送到STUN服务器上的数据如图所示：
从STUN服务器返回到本机的数据如图所示：
在第三个服务器上抓取得到的数据包如图所示：
发送的源IP和源端口如图所示：
可见，本机的公网经过NAT映射后的IP和端口和STUN服务器返回的IP和端口数据保持一致。
当然，网上也有资料显示，如果一段时间经过NAT映射后的IP和端口没有被使用，那么NAT会回收相关的资源。所以这就要求在NAT后的终端定时和STUN服务器保持通信，防止NAT回收相关资源导致在后面的业务之中出现了错误。
结论：在一些种类的NAT下，STUN是一种穿透NAT的有效手段。