ICE概要

 

一、ICE产生的背景

基于信令协议的多媒体传输是一个两段式传输。首先，通过信令协议（如SIP）建立一个会话连接，通过该连接，会话双方（Agent）通过SIP交互所承载的SDP消息彼此学习传输媒体时所必须的信息，针对媒体传输机制达成共识。然后，通常采用RTP协议进行媒体传输。

基于传输效率的考虑，通常在完成第一阶段的交互之后，通信双方另外建立一条直接的连接传输媒体。这样就会减少传输时延、降低丢包率并减少开销。这样，用于SIP传输的链路就不再用于传输媒体。现在，问题出现了，由于不采用原来的链路，当传输双方中任一方位于NAT之后，新的传输链接必须考虑NAT穿越问题。

通常有四种形式的NAT，对于每一中NAT方式，都有相应的解决方案。然而，每一种NAT穿越解决方案都局限于穿越对应得NAT方式，对于复杂的网络环境来说，将会出现无法进行媒体传输的情况，同时这些方案给整个系统带来了在不同程度上的脆弱性和复杂性。

在这种背景下，Interactive Connectivity Establishment（交互式连通建立方式）也即ICE解决方案应运而生。ICE方式能够在不增加整个系统的复杂性和脆弱性的情况下，实现对各种形式的NAT进行穿越，使得媒体流在通信双方顺利传输。

 

二、ICE工作的基本原理及特性

ICE是一种探索和更新式的解决方案。通过收集自己的和通信对端的尽可能多的网络信息（各种网络地址），尝试在这些地址之间建立数据通道，并在此过程中不断更新先前收集到的信息，从而找到和选择一条能够进行NAT穿越的数据通道。

其特性如下：ICE实现不是很复杂，支持TCP穿透，对NAT设备没有要求，支持所有类型的NAT，必须在客户端实现ICE，在网络结构中需要STUN/TURN服务器，具有与协议无关性和良好的可扩展性，安全性和健壮性都比较好。

 

三、ICE工作的核心

如下内容是ICE实现NAT穿透的所要完成的核心处理。包括收集地址，对地址进行排序、配对，然后执行连通性检查。

1、收集地址

Agent必须确定所有的候选的地址。这些地址包括本地网络接口的地址和由它派生的其他所有地址。本地网络地址包括本地网卡地址、VPN网络地址、MIP网络地址等。派生地址指的是通过本地地址向STUN服务器发送STUN请求获得的网络地址，这些地址分为两类，一类是通过STUN的绑定发现用法得到的地址，称为服务器反向候选地址（Server Reflexive Candidates）或服务器反向地址。另一类是通过中继用法得到的，称为中继地址（RELAYED CANDIDATES）。上面提到的两种用法在相应的规范中提出。

服务器反向地址实际上就是终端的网络包经过一重或多重NAT穿透之后，由STUN服务器观察到的经过NAT转换之后的地址。中继地址是STUN服务器收到STUN请求后，为请求发起方在本机上分配的代理地址，所有被路由到该地址的网络包将会被转发到服务器反向地址，继而穿透NAT发送到终端，因此如名字所示，它是STUN服务器完成中继功能的地址。

为了找到服务器反向地址，Agent通过每一个主机候选地址（通过绑定主机某个接口和端口而获取的候选地址），使用绑定发现用法（Binding Discovery Usage [11]）发送一个STUN绑定请求给STUN服务器（STUN服务器的地址已经配置或者可以通过某种途径学习到）。当Agent发送绑定请求，NAT将分配一个绑定，它映射该服务器反向地址到主机候选地址。这样，通过主机候选地址发送的外发包，将通过NAT转换为通过服务器反向地址发送的包。发往服务器反向候选地址的包，将被NAT转换为发往该主机候选地址的包，并转发给Agent。

当Agent与STUN服务器之间存在多重NAT，那么STUN请求将会针对每一个NAT创建一个绑定，但是，只有最外部的服务器反向地址会被Agent发现。如果Agent不在任何NAT之后，那么，基候选传输地址将与服务器反向地址相同，服务器反向地址可以忽略。

关于中继地址，STUN中继用法允许STUN服务器作为一个媒体中继器进行工作，在L与R之间进行转发。为了发送消息到L，R必须发送消息给媒体中继器，通过媒体中继器转发给L。反之亦然。

从L到R的消息其地址信息将两次被重写：第一次被NAT，第二次被STUN中继服务器。这样，R所了解的想与之通信的地址就是STUN中继服务器的地址。这个地址就是中继地址。

 

2、连通性检查

Agent L收集到所有的候选地址后，就将它们按优先级高低进行排序，再通过信令信道发送给Agent R。这些候选地址作为SDP请求的属性被传输。当R收到请求，它执行相同的地址收集过程，并且把它自己的候选地址作为响应消息发给请求者。这样，每个Agent都将有一个完整的包含了双方候选地址的列表，然后准备执行连通性检查。

连通性检查的基本原理是：

l        按照优先顺序对候选地址进行排序。

l        利用每个候选地址发送一个检查包。

l        收到另一个Agent的承认检查包。

首先，Agent将本地地址集和远程地址集进行配对，如本地有n个地址，远程有m个地址，那么配成n*m对。对这些地址对进行连通性检查是通过发送和接收STUN请求和响应完成的，此时，Agent在每个地址对的本地地址上，必须同时充当STUN服务器和STUN客户端的角色。若通信双方以某一地址对通过一个完整的四次握手，那么该地址对就是有效地址对。

四次握手是指：当通过地址对中的本地地址向地址对中远程地址发送一个STUN请求，并成功收到STUN响应，称该地址对是可接收的；当地址对中的本地地址收到地址对中远程地址的一个STUN请求，并成功地响应，则称该地址对为可发送的。若一个地址对是可接收的，同时又是可发送的，则称该地址对是有效的，即通过连通性检查。则此地址对可用于媒体传输。

通常在对称NAT的情况下，在地址对验证过程中，会出现发现以前收集地址时没有收集到的地址对，这时就要对这些新的地址对进行连通性检查。

 

3、对候选地址进行排序

由于收集候选地址时，收集的是所有的候选地址，为了能够更快更好的找到能够正常工作的候选地址对，对所有组合进行排序是势在必行的。在此说明进行排序的两个基本原则，详细地排序算法将在后续文档中描述。

l        Agent为它的每个候选地址设置一个数值的优先级，这个优先级连同候选地址对一起发送给通信的对端。

l        综合本地的和远程的候选地址的优先级，计算出候选地址对的优先级，这样，双方的同一个候选地址对的优先级相同。以此排序，则通信双方的排序结果相同。

4、进行SDP编码

为了实现基于ICE的NAT穿越，对SDP进行了扩展，主要增加了四个属性。分别是candidate属性、ice-ufrag属性、ice-pwd属性和remote-candidates属性。

candidate属性为通信提供多种可能的候选地址中的一个。这些地址是使用STUN的端到端的连通性检查为有效的。

remote-candidates属性提供请求者想要应答者在应答中使用的远程候选传输地址标识。

ice-pwd属性提供用于保护STUN连通性检查的密码。

ice-ufrag属性提供在STUN连通性检查中组成用户名的片断。

 

四、一个例子

两个Agent，L和R，使用ICE。它们都有单个IPv4接口。对于Agent L地址为10.0.1.1，对于R，192.0.2.1。它们都配置了单独的STUN服务器（实际上是同一个），STUN服务器在192.0.2.2地址的3478端口监听STUN请求。这个STUN服务器同时支持绑定发现和中继功能。Agent L位于NAT之后，R位于公网。NAT有一个终端独立的映射特性和依靠地址的过滤特性。NAT公网端的地址是192.0.2.3。网络结构图如下所示。

 

图一 ICE的典型应用环境

为了便于理解，传输地址用变量名代替。变量名的格式是entity-type-seqno，其中entity是具有该传输地址的接口所在实体，具体为是L、R、STUN或NAT之一。type不是PUB（地址位于公网）就是PRIV（地址位于内网）。seqno是在实体上的相同类型的各传输地址各自的序列号。每个变量都有一个IP地址和端口号，分别用varname.IP和varname.port表示，varname就是变量名。

STUN服务器有公网的传输层地址STUN-PUB-1（192.0.2.2：3478），绑定发现用法和中继用法都使用这个地址。但在此处，两个Agent都不使用中继用法。

在呼叫过程中，STUN消息有被许多属性注解。“S=”属性表明消息的源传输地址，“D=”属性表明消息的目标传输地址。“MA”属性用于STUN绑定响应消息，指明映射的地址。

基于以上规定，媒体传输的初始过程如下图所示。

 

消息1-4获取服务器反向地址。消息5发送一个请求给R，该请求包括了本地主机候选地址和服务器反向地址。R收到消息5之后，通过消息6-7获取服务器反向地址（由于R不在NAT之后，服务器反向地址与主机候选地址相同），然后发送一个应答（消息8）给L，应答中包括主机候选地址。至此，通信双方都获取了彼此的网络信息。

双方都对获取的传输地址进行配对，确定优先级并排序。之后，R开始执行其连通性检查（消息9），由于来自L的候选地址是一个私有地址，所以此检查必定失败，而被丢弃。

同时，L收到应答后，除去包含了服务器反向地址的那对检查，只剩一对检查。基于此对地址，执行连通性检查（消息10），经过NAT转换后发送给R（消息11）。R收到之后发送响应给L（消息12），该消息中通过MA属性指明映射地址，经过NAT之后返回给L（消息13），这样L的连通性检查成功。L检查收到的消息13，以NAT-PUB-1为本地地址，R-PUB-1为远程地址创建新的地址对，并添加到有效列表中。

ICE查看有效列表，发现有一对存在，就发送一个更新请求（消息14）给R，这个请求用于删除没有被选中的候选地址，并且指示远程地址。

消息11到达R之后，会触发R执行一个相同地址对的检查，消息16-19反映了这个过程，在收到消息19的响应之后，R会像L一样创建一对新的地址对（以R-PUB-1为本地地址，以NAT-PUB-1为远程地址），并添加到有效列表中。这样就可以进行媒体传输了。

 

五、总结

本文档从ICE的产生背景入手，讨论了ICE的基本原理及其特性，并对其工作的几个核心部位进行了简单的概述，在此基础之上，分析了一个基于ICE通信的例子。所涉及的内容都是在宏观上的考虑，进一步的详细论述将在后续工作中展开。