SIP的NAT穿透方法浅析

1、SIP协议的NAT有四种模型。
a) Full Cone 完全圆锥体
b) restricted cone 受限制的圆锥体
c) port restricted 端口受限制的圆锥体
d) symmetric 对称的
其中a,b,c 也称作非对称的NAT。

2、SIP终端在NAT后面，其工作有可能出现问题。原因是SIP信令走的路径，和媒体流走的路径不一样。

3、Full Cone 完全圆锥体NAT
因特网上的任何PC，可以发送数据包到IP:port对；而NAT将这个IP:port对（公网上的）映射到内网的IP:port对（私有网络的）。

4、restricted cone 受限制的圆锥体NAT
NAT外面的PC，只有那些内网中已有PC与之联系过的PC，才能通过这个映射进来。例如，我通过内网的一台机器，IP 地址是10.1.1.1:123，与PC(a)联系，则PC(a)也可以通过这个NAT的映射，联系到我。而PC(b)则不行。
10.1.1.1:123 ---NAT ---> 202.70.65.78:10000 ------pc(a)
如果pc(b)也发送数据到202.70.65.78:10000，则不会有数据送到10.1.1.1:123。
补充说明：
如果我也联系过pc(b)，则pc(b)也可以进来了。
10.1.1.1:123 ---NAT ---> 202.70.65.78:10000 ------pc(b)
如果pc(b)也发送数据到202.70.65.78:10000，则数据送到10.1.1.1:123。
5、port restricted 端口受限制的圆锥体NAT
除了4的条件外，即不但要检测pc(a)的源IP地址，还要检测其端口是否与前面也一样。
10.1.1.1:123 --->NAT---->202.70.65.78:10000 -----> pc(a)[213.123.324.34:8000]
这个NAT只会接收从IP地址 213.123.324.34 且端口为 8000来的数据，让进入到10.1.1.1:123。
6、对称的NAT 这是关系描述最简单的一个
10.1.1.1:1000 ----NAT -----> 200.123.123.34:1234 ----pc(a)
10.1.1.1:1000 ----NAT -----> 200.123.123.34:2222----pc(b)
这种NAT的IP:port对，对每个外部的程序，都是不同的。因而每一个外部的程序，都有自己的映射（NAT分配的IP:port对）。而前面的三种，多个外部程序，可能共用一个NAT的IP:port对。
7、RTP的问题
在RTP的消息正文内，有UA能够成功通信所需要的一些信息。这种消息正文，就叫做SDP消息。
问题在于，SIP终端（UA）可能对NAT一无所知。因而在SDP中包含的IP地址，通常使用内部的IP地址，也就是SIP终端知道的IP。这样，当通信的对方想与SIP终端通信时，就查看SDP消息中的IP地址，但是什么也没有得到，因为这里使用的是内部IP地址。
下面举个例子说明
INVITE sip:[email protected]:5060 SIP/2.0.
Record-Route: <sip:143.248.130.35;ftag=3a7ceb24a6ac50c4;lr=on>.
Via: SIP/2.0/UDP 143.248.130.35;branch=z9hG4bK758e.976609c7.0.
Via: SIP/2.0/UDP
192.168.20.3;rport=1024;received=223.178.140.109;branch=z9hG4bK34efcab2403aa20d.
From: "Iqbal" <sip:[email protected]>;tag=3a7ceb24a6ac50c4.
To: <sip:[email protected]>.
Contact: <sip:[email protected]:1024>.
Supported: replaces.
Call-ID: [email protected].
CSeq: 8717 INVITE.
User-Agent: Grandstream HT487 1.0.5.18.
Max-Forwards: 16.
Allow: INVITE,ACK,CANCEL,BYE,NOTIFY,REFER,OPTIONS,INFO,SUBSCRIBE.
Content-Type: application/sdp.
Content-Length: 343.
.
v=0.
o=040618 8000 1 IN IP4 192.168.20.3.
s=SIP Call.
c=IN IP4 192.168.20.3.
t=0 0.
m=audio 38660 RTP/AVP 0 8 4 18 2 15 99.
a=sendrecv.
a=rtpmap:0 PCMU/8000/3.
a=rtpmap:8 PCMA/8000/3.

SIP消息的标题头，类似于邮件的标题头。从后往前看，从From行开始，看到第一个Via行，这是SIP终端自己认为的IP地址，例如192.168.20.3。但是SIP代理服务器是聪明的，它知道这个消息是从哪里发过来的，它添加了rport和接收到的标志：
Via: SIP/2.0/UDP
192.168.20.3;rport=1024;received=223.178.140.109;branch=z9hG4bK34efcab2403aa20d.
也就是说，SIP代理服务器，知道发消息的SIP终端的公网地址是223.178.140.109:1024。
这样，SIP代理服务器是可以与SIP终端通信的，因为它知道SIP终端的公网地址。
但是，可怜的老式的RTP被阻塞了，因为它的标题头如下：
v=0.
o=040618 8000 1 IN IP4 192.168.20.3.
s=SIP Call.
c=IN IP4 192.168.20.3.
t=0 0.
m=audio 38660 RTP/AVP 0 8 4 18 2 15 99.
a=sendrecv.
a=rtpmap:0 PCMU/8000/3.
a=rtpmap:8 PCMA/8000/3.
SIP终端期望从端口 port m=38660 且IP地址IP c= 192.168.20.3来接收RTP数据，而这个192.168.20.3:38660，就是通信的对方试图发RTP数据的目的地址。
这就是SIP电话振铃总是能够听到，而接起来却没有声音的原因。
8 解决办法 告诉SIP终端，不要如此傻地工作，而要想办法知道NAT分配给自己的端口映射。
并将公网的IP地址：端口放到SDP消息中。这样，SIP终端就问NAT....。或者是问公网的某个服务器，NAT分配给自己的映射是什么。
9 问NAT。 这种办法就是使用UPnP协议，另外去参见UPnP的资料。
10 问公网上的某个服务器。 如STUN服务器。
SIP终端发送一个探测数据包，到公网上的服务器。公网上的服务器会发回数据包，会包含有关NAT的详细信息。有了这些信息，SIP终端就会知道它是否在NAT后面。这种探测方法，可以用于上面4种NAT，都有效。例如SIP终端从10.1.1.1:1000发送一个数据包，则SDP消息中包含的是m=1000 and c=10.1.1.1。但是，如果SIP终端先进行NAT探测，则会知道NAT会分配公网的IP:端口是212.134.123.23:12345。则 SIP终端直接在SDP消息写m=12345，c=212.134.123.23。
产生的问题 因为NAT的端口分配是动态的，因而有可能会改变。这样，在发送了NAT探测消息后，要很快地发送出SIP消息。而且，SIP终端发送数据的端口和接收数据的端口要是一样的。
注意受限制的圆锥体（包括端口受限制的圆锥体）NAT，它不让回来的消息进来，除非SIP终端先发了一个数据包给它。因而，SIP终端需要先发一个数据包给对方。这样以后对方来的数据，就可以进入NAT内部了（不过，不需要为这个操作担心，有办法的）。
上面的办法在对称的NAT后面，不能够工作。因为，对称的NAT，它在分配给SIP终端外部的IP:port时，每次都变化（不同的对方不一样）。也就是SIP终端在探测NAT时，得到的IP:port，与它后来发SIP消息时，分配的IP:port不一样。这样，对方来的语音数据就进不来，因为对方得不到正确的IP:port。
11、上面描述的过程，其实就是采用STUN协议时，解决问题的过程。就是SIP终端向STUN服务器发探测NAT的数据包。
12、对称的NAT 解决办法 就是在公网上放一个中转语音流的服务器。这个中转语音流的服务器有时就是一个Out Bound proxy。注意，这个中转语音流的服务器，可能会成为瓶颈。由于语音要经过中转语音流的服务器，所以路径增长了，音质会变差。所以，对称的NAT，要SIP能够工作，总之是个麻烦。
不过，目前大多数的NAT，都可以做“虚拟服务器的端口转发”，即将SIP工作需要的端口转发到SIP终端上去。如果在NAT设备上，做了“虚拟服务器的端口转发”，则NAT会保留SIP工作需要的端口，专用于SIP终端，这样SIP终端就相当于是在一个Full Cone完全圆锥体的NAT后面，SIP用STUN工作没有问题。SIP终端需要的端口数是这样确定的，一个端口用于SIP信令，比如5060。RTP端口的数量，取决于通话的路数。一路通话需要2个RTP端口。每增加一路通话，则需要多2个端口。
只支持一路通话的SIP话机，需要NAT映射3个端口。
前面三种的NAT，可统称为非对称的NAT。非对称的NAT，都可以用STUN协议穿过NAT。
将对称的NAT，通过端口转发的方式，变为完全圆锥体的NAT，是解决NAT问题的最好办法。首先应当用这种办法来解决。没有办法映射端口，再想其它的办法。