VOIP的運行需要對接很多公網(wǎng)資源，例如，對接運營商的SIP中繼，對接第三方的其他支持服務器，對接分公司業(yè)務等等數(shù)據(jù)。但是，無論怎么對接，用戶都需要一個標準的網(wǎng)絡架構來實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)分機和外網(wǎng)的互聯(lián)互通。因為，網(wǎng)絡地址資源的限制，所以，內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的互聯(lián)互通就需要一個內(nèi)網(wǎng)地址轉換的機制，通過一個外網(wǎng)轉換到多個內(nèi)網(wǎng)的地址。這里，就涉及到了路由器防火墻和應用業(yè)務的端口管理問題，其中有一些應用可能還不是問題，但是對SIP的語音通信來講，這是一個非常具有挑戰(zhàn)性的難題。為了幫助讀者盡快了解這些相關的技術細節(jié)，我們盡可能在有限的篇幅中對NAT提供多角度，多維度的討論，幫助用戶盡快了解這些必要的技術。
今天，我們將重點討論以下幾個方面的內(nèi)容，它們包括：防火墻，關于NAT的相關基礎概念，UDP 打洞介紹，NAT的類型。
1、請讀者注意，這里我們討論所有的相關細節(jié)時不會介紹太多和本話題不相關的技術內(nèi)容，所以，筆者建議用戶首先了解一般的網(wǎng)絡環(huán)境和知識點，以免引起造成困擾。在討論NAT之前，我們首先解釋一下關于為什么防火墻的對NAT處理有影響。以下圖例解釋了一個簡單的防火墻的工作拓撲圖：
這里，防火墻置于企業(yè)網(wǎng)絡邊界的地方，防火墻的工作就是保護公司內(nèi)網(wǎng)的安全。關于防火墻的具體功能和配置，我們這里不再介紹。但是，為了配合SIP的相關話題，我們這里再次強調一下關于防火墻的使用環(huán)境的問題，一般意義上，防火墻的應該是：
- 防火墻對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行策略管理，數(shù)據(jù)流量管理。
- 防火墻對某些設備進行權限的設置管理。
- 防火墻一般允許內(nèi)網(wǎng)用戶訪問外網(wǎng)，同時允許內(nèi)網(wǎng)訪問外網(wǎng)時返回的數(shù)據(jù)進入到內(nèi)網(wǎng)。
- 防火墻通常允許HTTP，SMTP這些一般的工作應用業(yè)務進行數(shù)據(jù)傳輸。
- 防火墻通常對SIP不太友好，可能過濾SIP端口，RTP 端口。
- 防火墻只能對外網(wǎng)進行保護，但是不能對內(nèi)網(wǎng)軟件病毒或者其他內(nèi)網(wǎng)設備發(fā)起的攻擊進行保護。所以，進來避免在內(nèi)部電腦安裝其他的未授權的第三方軟件。
2、大家知道，如果我們給公司公網(wǎng)申請一個固定IP地址的話是需要付費的，IP地址是一個緊缺資源，IPv4的地址資源已經(jīng)非常緊缺。通常情況下，一個可以上網(wǎng)的網(wǎng)絡環(huán)境至少需要一個公網(wǎng)的地址，這個公網(wǎng)地址對應內(nèi)部網(wǎng)絡地址（Class A, Class B 和Class C）進行轉換。RFC 6314 和RFC 4787對NAT做了規(guī)范。
為了實現(xiàn)一個公網(wǎng)地址對應多個內(nèi)網(wǎng)地址來實現(xiàn)正常的網(wǎng)絡訪問，我們必須使用一個NAT的機制，我們簡單稱之為網(wǎng)絡地址轉換（1:N），通過NAT可以實現(xiàn)公網(wǎng)地址轉換為內(nèi)網(wǎng)地址的作用。關于更多的NAT介紹，讀者可以參考網(wǎng)絡上的學習資料學習，這里不做過多討論。根據(jù)德國研究人員Florian Wohlfart對一般小型企業(yè)和家庭用戶對NAT的測試，根據(jù)網(wǎng)絡的不同，NAT過濾的比例也完全不同，所以NAT確實影響了數(shù)據(jù)的正�；ネā�
以下是一個內(nèi)網(wǎng)終端訪問外網(wǎng)的IP狀態(tài)，讀者通過以下圖例可以看到，內(nèi)網(wǎng)地址在通過防火墻到公網(wǎng)，然后到達另外一個公網(wǎng)地址時，自己的內(nèi)網(wǎng)IP地址已經(jīng)給替換成了公網(wǎng)的IP地址。在公網(wǎng)出局之前，內(nèi)網(wǎng)地址會被過濾。
對端網(wǎng)絡響應的消息將會返回到防火墻，然后通過路由器策略返回到請求的終端IP地址。
上面，我們看到的是終端和服務器端的互通，現(xiàn)在我們看看兩個帶NAT的終端直接互通的實現(xiàn)方式。在以下的示例中，兩個帶NAT的終端都需要注冊到公網(wǎng)以外的服務器，然后實現(xiàn)正常的通信流程。
如果兩個終端需要直接互通的話，可以對服務器發(fā)出請求，然后服務器對其注冊策略進行調整，讓兩個終端可以自己直接協(xié)商，兩個終端設備打洞以后實現(xiàn)雙方的直接互通。下面，我們介紹幾個不同NAT的流程處理方式：
同一NAT Hole Punching的一個具體流程：
不同NAT環(huán)境下 Hole Punching的處理流程：
多層NAT處理流程和一層NAT的處理機制基本上相同，但是多了一層協(xié)商的機制。網(wǎng)絡環(huán)境也變得更加復雜。
我們一直討論再不停解釋協(xié)商的概念，大家知道，UDP是一種不可靠的傳輸方式，需要端口一直處于存活狀態(tài)。如果打開的洞好久時間沒有數(shù)據(jù)交換，可能這個洞就會關閉。所以在UDP的打洞時也使用了定時器的開關來保證一定時間內(nèi)這個洞是開放的狀態(tài)。但是，不幸的是，很多NAT設備的設置和定時器的設置可能都不完全相同，一些設備的NAT的定時器設置一般為20秒，如果為了保證會話一直存活的話，可能需要調整定時器的時間長度，在網(wǎng)絡中不停發(fā)送keep-live的數(shù)據(jù)包，可能在很短早期需要再次重新發(fā)送這些數(shù)據(jù)包，讓打開的這個洞一直參與存活狀態(tài)。但是，更為不幸的是，這樣的做法同樣生成很多的無效數(shù)據(jù)，耗費了很多網(wǎng)絡資源。
上面我們討論了關于UDP 打洞的幾個方式和UDP打洞的定時器設置問題。既然有關于UDP的打洞的方式就會有基于TCP的打洞方式。關于TCP的方式，因為篇幅的關系，而且在我們的SIP案例中的使用量不多，所以，我們這里不再繼續(xù)展開討論。讀者可以參考Bryan Ford 發(fā)表的文章做進一步的研究，他的文章也討論了關于基于UDP打洞和TCP打洞的測試方式和測試流程。
根據(jù)Bryan發(fā)表的完整，在實際生產(chǎn)環(huán)境中，用戶對各種路由器的使用比例做了一個統(tǒng)計，以下是統(tǒng)計結果：
在使用點對點處理打洞的方法上，業(yè)內(nèi)有很多公司也使用了UDP Hole Punching 來保證用戶的連接效果。Tribler的測試結果可以作為一個參考，根據(jù)它們官方數(shù)據(jù)，成功率都在85%以上。Tribler使用的具體測試方法和工具，請讀者查閱參考資料鏈接。
下面，我們結合一些我們經(jīng)常使用的場景來形象化地解釋一下打洞的實現(xiàn)方式。這些場景可能是：點對點的通信，或者服務器端的的Bypass功能。以下圖例是經(jīng)過雙方協(xié)商以后，實現(xiàn)雙方互通的流程。
如果終端都在同一NAT的內(nèi)網(wǎng)環(huán)境中，系統(tǒng)也可以實現(xiàn)互通連接。這里，我們拿一個目前最為典型的云托管的FreePBX舉例。如果兩個終端都在同一內(nèi)網(wǎng)，而且?guī)AT環(huán)境。首先，兩個終端都需要實現(xiàn)SIP信令的連接，確保連接成功。
在這種情況下，IPPBX可以支持內(nèi)網(wǎng)之間的互通，兩個同一內(nèi)網(wǎng)的終端就可以實現(xiàn)語音或視頻的通話。這樣相對節(jié)省了很多網(wǎng)絡的資源。但是，也存在很多缺點，例如，影響計費功能，影響系統(tǒng)錄音功能。關于IPPBX終端直接互通的功能的設置和影響，我們在以前的Asterisk功能設置的講座中已經(jīng)提及，這里不再繼續(xù)討論。
但是，在現(xiàn)實的網(wǎng)絡環(huán)境中，我們的網(wǎng)絡架構也遠遠不是我們介紹的那樣簡單。很多網(wǎng)絡已經(jīng)涉及了多個NAT的環(huán)境，多個網(wǎng)絡地址，而且不同的防火墻對SIP的過濾也有所不同。
在實際運行環(huán)境中，比較典型的實例就是關聯(lián)了SIP內(nèi)網(wǎng)地址，如果內(nèi)網(wǎng)的終端SIP消息在出局時，防火墻經(jīng)過了NAT以后，相關的內(nèi)網(wǎng)SIP 頭消息都會被丟棄或者修改（Via，Contact，SDP中的c），發(fā)送出去的只有公網(wǎng)IP地址的消息。如果外網(wǎng)終端返回響應的消息時，路由器就可能丟棄這些無效的消息，或者無法做出路由策略的判斷，返回的消息也不知道如何路由到內(nèi)網(wǎng)相應的終端。
3、剛才，我們介紹了NAT對SIP的影響，現(xiàn)在，我們介紹一下NAT的四種類型和各自的不同。完整的NAT類型的定義可以參考維基百科的定義。
根據(jù)以下圖例我們可以看到，不同的NAT類型，對IP地址和端口的定義是完全不一樣的，通過不同的IP地址和端口的組合限制來確定NAT的類別。
以上圖例來自思科網(wǎng)絡資料
簡單來說，以上四種類型的定義為：
- Full Cone來自網(wǎng)絡所有的請求都轉發(fā)到一個內(nèi)網(wǎng)地址，IP地址，端口都不受到限制。
- Restricted Cone則限定某些外網(wǎng)的IP可以可以轉發(fā)到相應的一個內(nèi)網(wǎng)地址，端口可以變動。
- Port Restricted Cone則要求具體的IP地址和端口都限定。
- Symmetric Cone則可以同時支持多個IP地址/端口的版本，端口和IP地址必須是一組的限定。
從幾個類型的定義看，NAT類型對網(wǎng)絡的要求是完全不同的，F(xiàn)ull Cone是最為寬松的，而Symmetric是最為嚴格的。我們這里根據(jù)不同的顏色和字體表示對NAT轉換的寬松程度。當然，越來越寬松勢必帶來很多的網(wǎng)絡安全隱患問題和其他的問題。
運營商或者網(wǎng)絡本身也有對NAT的很多方面的限制。幾年前，德國研究人員在德國和美國針對中小型企業(yè)和家庭網(wǎng)絡調查得出的各種NAT的比例：
Tribler 公司對用戶做的NAT環(huán)境的調查結果，幾種NAT對用戶網(wǎng)絡的影響：
Tribler 公司對用戶做的NAT環(huán)境的調查結果，幾種NAT對用戶網(wǎng)絡的影響：
- 基于全球的NAT分布狀態(tài)：
- 因為NAT連接超時的頻率：
- 盡管NAT問題非常復雜，很多商業(yè)公司提供了NAT測試的工具，用戶可以下載測試。Nattest 公司提供關于NAT檢測的一些解決方案，這家公司也提供檢測NAT的工具檢測超時，端口存活等狀態(tài)數(shù)據(jù)。
- 客戶端對服務器端發(fā)送請求，服務器端返回響應消息。這樣的交互大約要互相發(fā)送100多次，才能獲取到真實的數(shù)據(jù)。
以下是檢測關閉的測試流程。
4、在上一個部分我們介紹了NAT的幾種類型，現(xiàn)在我們主要針對SIP終端結合NAT做一個簡單的介紹。以下圖例簡單解釋了SIP失敗的原因，用戶可以查閱RFC6314對NAT做更多了解。
以下圖例表示了UA呼叫外網(wǎng)的NAT類型，full cone 對所有外網(wǎng)開發(fā)。
以下圖例限定僅對IP地址開發(fā)，即使用戶使用不同的端口。
以下圖例限定了用戶使用的端口和IP地址。
以下圖例說明用戶同時限定了在同一會話時IP地址和端口的匹配。
總結，在本章節(jié)中我們介紹了關于防火墻的基本概念，另外，我們也討論了NAT的形成和一些關于NAT的打洞的技術討論，以及市場上各種NAT所在比例，我們還通過各種圖例結合SIP場景介紹了NAT的幾種類型。通過以上對NAT的完整介紹，筆者希望用戶對NAT有一個完整的概念。在接下來的章節(jié)中，我們將介紹如何通過各種解決方案來解決NAT的問題。
參考資料：
https://tools.ietf.org/html/rfc6314
https://tools.ietf.org/html/rfc4787
http://www.brynosaurus.com/pub/net/p2pnat.pdf
http://conferences.sigcomm.org/co-next/2013/workshops/HotMiddlebox/program/p43.pdf
https://www.tribler.org/NATMeasurements/
http://www.ds.ewi.tudelft.nl/reports/2010/PDS-2010-007.pdf
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