面试题：网络编程之NAT穿越与防火墙穿透策略

Question

假设在复杂网络环境下，既有NAT设备又存在防火墙，阐述如何结合STUN、TURN等协议实现可靠的NAT穿越与防火墙穿透？请说明每种协议在该过程中的作用和工作流程。

Answer 1

1. STUN协议

• 作用：
  • 用于协助客户端发现自身的公网IP地址和端口，解决NAT设备对内部主机地址和端口的转换问题，使客户端能了解自己在公网中的映射情况。
  • 可判断NAT的类型，为后续选择合适的穿透策略提供依据。
• 工作流程：
  • 客户端发起请求：客户端向STUN服务器发送STUN请求消息，消息中包含客户端的本地地址和端口信息。
  • 服务器处理与响应：STUN服务器接收到请求后，解析消息，获取客户端的本地地址信息，并在响应消息中填入客户端在NAT设备上映射的公网IP地址和端口。
  • 客户端接收响应：客户端收到STUN服务器的响应后，就能获取到自己在公网的映射地址和端口，同时根据响应中的相关信息判断NAT类型。

2. TURN协议

• 作用：
  • 当STUN无法实现穿透时（如对称型NAT场景），TURN协议作为备用方案实现可靠的NAT穿越和防火墙穿透。
  • TURN服务器为客户端提供中继服务，在客户端之间建立数据传输通道，确保数据能在复杂网络环境下传输。
• 工作流程：
  • 客户端请求中继：客户端向TURN服务器发送请求，请求分配一个中继地址（公网地址）。
  • 服务器分配资源：TURN服务器收到请求后，为客户端分配一个中继地址，并建立相应的绑定关系。
  • 数据中继传输：客户端A要与客户端B通信时，客户端A将数据发送给TURN服务器的中继地址，TURN服务器再将数据转发给客户端B。同理，客户端B的数据也通过TURN服务器中继给客户端A，从而实现双方的数据交互。

3. 结合实现穿透的过程

• 初始检测：客户端首先使用STUN协议与STUN服务器交互，尝试获取公网地址和判断NAT类型。如果NAT类型为全锥型、限制锥型或端口限制锥型等可通过STUN穿透的类型，客户端之间可以直接建立连接进行通信。
• TURN备用：若检测到是对称型NAT等STUN无法穿透的类型，客户端则向TURN服务器请求中继服务。TURN服务器为客户端分配中继地址，客户端之间通过TURN服务器的中继功能进行数据传输，以实现可靠的NAT穿越与防火墙穿透。