NAT, STUN, TURN 和 ICE

在构建 p2p 应用程序的联网过程中，您可能听说过 NAT、STUN、TURN 和 ICE。那么这些到底是什么呢？让我们通过一个类比来了解一下。

先从定义开始：

NAT：网络地址转换（NAT）是一种将 IP 地址空间映射到另一地址空间的方法，方法是在数据包通过流量路由设备传输时修改其 IP 头中的网络地址信息。

STUN：（Session Traversal Utilities for NAT：NAT 会话遍历实用程序）是一套标准化方法，包括一个网络协议，用于在实时语音、视频、信息和其他交互式通信应用中穿越网络地址转换器（NAT）网关。

TURN：Traversal Using Relays around NAT（TURN）是一种协助多媒体应用穿越网络地址转换器（NAT）或防火墙的协议。它可与传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）一起使用。它对被对称 NAT 设备伪装的网络上的客户端最有用。TURN 无法帮助服务器通过 NAT 在专用网络的已知端口上运行；它只支持 NAT 后面的用户连接到单个对等设备，例如电话。

ICE：交互式连接建立（ICE）是计算机网络中使用的一种技术，用于在点对点网络中找到让两台计算机尽可能直接对话的方法。最常用于交互式媒体，如网络电话（VoIP）、点对点通信、视频和即时信息。

这些都是维基定义，人们对它们了解不多。因此，让我来解释一下什么是点对点网络。

首先，基本用例是我们需要双方在尽可能减少资源占用的情况下进行通话，同时延迟也应尽可能小。比方说，客户 1 想要与客户 2 视频通话。要实现两个系统之间的通话，最基本的是要在它们之间建立互联网连接。一种方法是在两个客户端中间添加一个服务器，让它们连接到服务器。服务器从客户端 1 接收数据，然后发送给客户端 2。

如果要这样做，我们需要服务器尽可能靠近两个客户端，以减少延迟。我们可以通过在不同地点添加多个服务器来做到这一点，但这样做成本很高，而且在两个客户端之间传输数据所需的资源也很庞大。现在，我们假设有一种方法可以将两台设备相互连接起来（具体方法稍后讨论）。现在，传输的数据不必在多个地点之间跳转，因此延迟会减少，资源利用率也会相对降低。

现在我们来谈谈可用于通信的基本协议，即 TCP 和 UDP。

TCP（传输控制协议）在通过 IP 网络通信的主机上运行的应用程序之间提供可靠、有序和错误校验的八进制数（字节）流传输。

UDP（用户数据报协议）是一种高性能数据传输协议，设计用于在高速广域网上传输大容量数据集。它适用于不需要检错和纠错或在应用程序中进行检错和纠错的情况。在 IP 网络中，UDP 不需要事先建立通信通道或数据路径。

在这两种协议中，UDP 的性能更好，因为我们不需要每个数据缓冲区都到达目的地。即使错过某些数据缓冲区，例如错过视频通话中的某些帧，也没有关系。

现在让我们看看在两台设备之间建立直接通道需要什么：

• 双方的 IP 地址
• 端口号
• 打开套接字

每台连接到互联网的设备都有自己的 IP 地址，我们需要在愿意共享数据的两台设备之间共享这些地址。但这里还有一个注意事项，即连接到 NAT 设备或防火墙后的设备不知道自己的 IP 地址和端口。

让我们考虑这样一种情况：两个客户端（client1 和 client2）位于 NAT 设备（路由器）后面。client1 拥有自己的私有 IP 地址，我们称之为 “IP1″，但它自己并不知道。同样，client2 也有一个私有 IP 地址，我们称之为 “IP2″。这些客户端通过各自的 NAT 设备连接到互联网，每个设备都有自己的公共 IP 地址，我们称之为 “公共 IP 1 “和 “公共 IP 2″。

当client1 和 client2 要共享数据时，它们通常需要通过各自的 NAT 设备路由数据，充当中间人。但是，如果 client1 和 client2 知道各自的 IP 地址，共享数据就会简单得多。这就是 STUN（用于 NAT 的会话遍历工具）服务器的用武之地。

STUN 服务器有一个简单而重要的功能：根据请求为客户端提供各自的 IP 地址和端口号。例如，client1 可以向 STUN 服务器发送请求，STUN 服务器将回复其私有 IP 地址和端口号。同样，即使 client2 位于 NAT 设备或防火墙后面，它也能从 STUN 服务器获取信息。

然而，在某些情况下，STUN 服务器无法有效地完成此任务。在这种情况下，TURN（使用围绕 NAT 的中继进行遍历）服务器就会介入。TURN 服务器充当两个客户端之间的中继，允许它们间接交换数据。虽然 TURN 服务器的运行方式与传统服务器类似，可以接收和传输数据，但它们仅在连接的客户端之间这样做，从而保护了它们的隐私。尽管如此，当通过 TURN 服务器进行通信时，它不再是直接的点对点连接。

在实践中，STUN 和 TURN 服务器经常一起使用，以确保客户端之间的高效数据传输，例如从 client1 到 client2，即使它们位于 NAT 设备后面。这种组合方法有助于克服各种网络限制并确保无缝通信。

STUN 服务器：本质上，STUN 服务器通过向其他客户端提供其私有 IP 地址和端口号，帮助防火墙和 NAT 设备后面的客户端与其他客户端建立直接通信。

TURN 服务器： 同样，TURN 服务器通过将数据从 A 点转发到 B 点，实现客户端之间的通信，特别是当由于网络限制或 STUN 的其他故障而无法实现直接点对点连接时。

ICE 协议： ICE（交互式连接建立）是一种协调这些连接的协议。它使设备能够探索各种通信选项（如利用 STUN 或直接点对点连接），并选择最有效的通信选项。ICE 执行多项基本功能，包括收集候选连接、检查连接性、协商并最终建立连接。这样既能确保最佳通信，又能最大限度地减少对中介的依赖。

现在让我来打个比方：

想象一下，Rahul 和 Simran 是一年级的学生，他们想在没有大人参与的情况下互相交谈。Rahul 需要知道 Simran 在教室里的座位，反之亦然。但是，作为一年级的学生，他们可能记不住自己的桌号。因此，他们决定向老师求助，老师会告诉他们各自的桌号。在这种情况下，老师代表 STUN 服务器，帮助 Rahul 和 Simran 找到彼此的位置。

现在，假设 Rahul 和 Simran 不愿意向老师寻求帮助。相反，他们决定直接交换信件。为此，他们给对方写信，然后交给学校的邮递员，由他把信送到他们的课桌之间。邮递员就像一个 TURN 服务器，在无法直接通信的情况下，在 Rahul 和 Simran 之间转发信息。

在这种情况下，ICE（Interactive Connectivity Establishment，交互连接机构）就会介入，帮助 Rahul 和 Simran 建立沟通渠道。无论是通过教师（STUN 服务器）、邮递员（TURN 服务器），还是直接在他们之间交换信息，ICE 都会协调整个过程，确保 Rahul 和 Simran 能够高效地交换信息。

作者：Dikshant Rajput