文章目录
- 为什么需要STUN
- 什么是STUN服务器
- STUN如何工作
- STUN如何在SD-WAN网络中应用
P2P网络要求通信双方都能主动发起访问，但是NAT设备的存在，却阻断了这种主动访问，导致P2P应用无法正常运行。STUN是一种解决P2P应用NAT穿越问题的常用技术。它允许网络设备找出通信端点经NAT设备后的IP地址和端口号，并利用这些信息在通信双方之间建立一条可以穿越NAT设备的数据通道，实现P2P通信。
为什么需要STUN
随着IPv4地址的枯竭，NAT功能部署越来越广泛。为了避免来自外部网络的攻击，保护网络内部的主机，NAT会过滤掉一些外网主动发送到内网的报文。因此，NAT技术虽然在一定程度上解决了IPv4地址短缺的问题，却破坏了点到点P2P（Point to Point）网络的通信。因为在P2P网络中要求通信双方都能主动发起访问，而NAT设备的存在却阻断了这种主动访问。
为了解决NAT设备给P2P网络带来的问题，出现了一些适用于P2P网络的NAT穿越技术。例如反向链接技术、应用层网关ALG（Application Level Gateway）技术、打洞技术(Hole Punching)、中间件技术等。
NAT会话穿越应用程序STUN（Session Traversal Utilities for NAT）是一种由RFC定义的网络协议，用于检测网络中是否存在NAT设备，并获取两个通信端点经NAT设备分配的IP地址和端口号。然后在两个通信端点之间建立一条可穿越NAT的P2P链接，实现P2P通信，这一过程也被形象的称为“打洞”。STUN无需现有NAT设备做任何改动，只需在组网中部署一台STUN服务器，操作起来比较简单，因此得到广泛应用。
什么是STUN服务器
STUN采用客户端/服务器通信模式，由STUN服务器（STUN Server）组成和STUN客户端（STUN Client）组成，其中：
- STUN服务器：是一个发送STUN绑定响应和接受STUN绑定请求的实体，例如路由器，STUN服务器通常部署在公网上。
- STUN客户端：是一个发送STUN绑定请求和接受STUN绑定响应的实体，例如路由器。
STUN典型组网
在STUN标准中，根据私网IP地址和端口到NAT出口的公网IP地址和端口的映射方式，把NAT分为完全锥型NAT、限制锥型NAT、端口限制锥型NAT及对称NAT四种类型。为了方便用户理解这4种NAT类型，我们把这4种NAT类型的介绍放在了NAT里，详细信息请参见相关词条NAT。
STUN如何工作
通过STUN客户端与STUN服务器之间的报文交互，STUN服务器可以发现NAT设备的存在，并获取NAT设备分配给STUN客户端的IP地址和端口号，在STUN客户端之间建立一条数据通道。STUN客户端之间建立好数据通道之后，客户端之间可以相互访问。STUN的报文交互流程包含NAT探测和打洞两个阶段，详细的交互过程如下图所示。
STUN报文交互过程
NAT探测阶段
- STUN客户端向STUN服务器发送STUN绑定请求报文（Binding Request）。
- STUN服务器收到绑定请求报文后，获取请求报文中的源IP地址和源端口，并构建STUN绑定响应报文（Binding Response）发送给客户端。报文中携带MAPPED-ADDRESS、XOR-MAPPED-ADDRESS、RESPONSE-ORIGIN属性。
- STUN客户端收到STUN绑定响应报文后，根据该报文中的MAPPED-ADDRESS或XOR-MAPPED-ADDRESS属性，获取IP地址和端口，与之前发送的STUN绑定请求报文中的源IP地址和源端口比较，如果不一致，则STUN客户端前面存在NAT设备。确定探测结果后，STUN客户端将结果返回给有需要的业务模块。
打洞阶段
打洞是指通过中间设备（如路由反射器）的协助在各自的NAT网关上建立相关表项，使P2P连接双方发送的报文能够直接穿透NAT网关的过程。NAT STUN的打洞流程如下：
- STUN客户端通过BGP从路由反射器处获得其他STUN客户端的接口信息（包括NAT前后的IP地址和端口信息）。当Client1需要与Client2进行通信时，Client1会通过BGP通知Client2，它们之间需要通过打洞建立数据通道。
- Client1与Client2互相发送STUN绑定请求进行打洞。Client1使用本端NAT前的IP地址和端口分别与Client2 NAT前和NAT后的IP地址和端口构建STUN绑定请求报文A和B发送给Client2。同时，Client2也同样进行相应的操作。
- Client2收到报文A和B后，处理流程如下，Client1也类似：
- 对于报文A，若Client1与Client2在同一个私网中，也就是同一个NAT设备后侧，则报文A可以成功发送至Client2，否则报文A被丢弃。
- 对于Client1发出的报文B，经Client1前面的NAT设备1时会生成表项，记录Client1到Client2的会话，但是由于Client2前的NAT设备2上没有相关表项，报文B将会被丢弃。
- 同样的，对于Client2发出的报文B，经Client2前面的NAT设备2上将会生成表项，记录Client2到Client1的会话，但是由于Client1前的NAT设备1上没有相关表项，报文B也会被丢弃。
- Client1和Client2持续向对方发送绑定请求报文，当NAT设备1与NAT设备2上的会话表项都生成后，绑定请求报文就可以成功发送至对端Client。
- Client2收到STUN绑定请求报文后，向Client1发送STUN绑定响应报文，Client1也同样进行相应的操作。
完成以上报文交互后，STUN客户端之间成功建立可穿越NAT的数据通道。
STUN如何在SD-WAN网络中应用
在SD-WAN解决方案中，为了节省IP地址资源，分支站点的用户经常会使用私网IP地址，通过NAT转换后访问总部。因此，分支的网关CPE经常会和NAT设备一起部署。网关CPE发出的报文在经过NAT设备后，IP地址会发生变化，如果无法获取报文转换后的IP地址，则CPE之间的数据通道会建立失败。因此，为了实现分支之间业务流量穿越NAT，需要在SD-WAN场景中部署NAT STUN功能。
SD-WAN的NAT穿越场景
在SD-WAN 的NAT穿越组网中，路由反射器RR（Route Reflector）及分支CPE通过管理通道，向网络控制器iMaster NCE发起注册信息。注册成功后，RR和CPE被iMaster NCE纳管。CPE通过管理通道，向RR发布站点、路由、隧道、NAT转换前后的IP地址和端口号等信息，统称为TNP（Transport Network Port）。分支CPE1与分支CPE2之间通过数据通道，传输它们之间的业务流量。
由于CPE1和CPE2前面都部署了NAT设备，为了实现CPE1和CPE2之间的业务互通，需要在RR和CPE上部署NAT STUN功能，探测CPE之间是否有NAT设备。并获取CPE1、CPE2设备经NAT转换后的IP地址和端口号，建立数据通道，转发它们之间的业务流量。
分支CPE作为STUN客户端，RR作为STUN服务器，它们之间的交互过程如下：
- 分支CPE向RR发起STUN探测请求，发送STUN绑定请求报文。
- RR给分支CPE回应STUN探测请求，发送STUN绑定响应报文。
- CPE收到RR的STUN绑定响应报文后，判断CPE设备前是否有NAT设备。
- 探测成功后，CPE将自己的TNP信息通过BGP协议发送给RR，并通过RR获取其他CPE的TNP信息。TNP信息里包含了CPE设备经NAT转换前和转换后的IP地址及端口号。
- 获取到TNP信息后，CPE之间使用各自NAT转换后的IP地址和端口号建立数据通道，传输分支之间的业务流量。
