浅谈 WebRTC P2P 打洞 (上)

loycoder
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前言：关于webRTC的基础，具体可参见MDN,本文不做具体阐述。

P2P（Peer-to-Peer）特点：

  1. 去中心化：P2P网络中没有单一的控制中心或服务器，所有节点平等、互相连接并共享资源。
  2. 直接通信：节点之间可以直接交换数据，不需要经过中央服务器转发(需要自行处理信令交换，后面会讲到)。常见的应用包括文件共享、即时通讯、音视频通话等。
  3. 资源共享：每个节点可以共享自身的计算资源（如带宽、存储、计算能力等）来支持网络中的其他节点。

名词介绍：

为便于读者阅读，特对下文中会出现的名词,做单独解释：

  • 对等点：前面说到去中心化，因为没有服务器，即客户端 = 服务器 = 接受者 = 发送者。此处可以理解为具有服务端能力的客户端，而在p2p网络中，会出现2个或者2个以上的对等点，即多对多的关系.

SDP的由来：

我们知道，计算机两个应用程序要通信，必须知道双方的IP+ 端口号。例如，当两个对等点在流式传输视频时，它们需要发送相同的视频分辨率和编解码器。如果你想给你的一个朋友打电话，就必须知道他的电话号码是一个道理。所以我们需要有一个解决方案：让对等点彼此能够交换连接信息。

为了交换这些信息，WebRTC 使用了一种格式化的数据。专业术语为：SDP， 即会话描述协议 (Session Description Protocol)。需要注意的是：SDP 不是一种协议，而是一种数据格式。

image.png

以上是 SDP 的示例数据。它描述了会话的基本信息，如媒体类型、编解码器、传输协议等。通过 SDP，对等点能够交换连接信息，从而协商并建立起通信。就像 HTTP 标头一样。对等点需要交换自己的 SDP。然后他们才知道如何相互连接。 SDP对应的字段非常多，计划后面写一遍单独讲解SDP的文章，本期可以参阅SDP 文档，初步了解webRTC的同学，可以不做过多深入研究，用到SDP涉及的字段，查文档即可。

信令交互：

在 WebRTC 中，交换 SDP 的过程称为信令交互（Signaling） 只有交换SDP后，对等点才能建立p2p连接，但是，WebRTC 中对于对等点信令如何交互，并没有规范定义。

翻译过来大白话： 如何让客户端A和客户端B，知道彼此的的SDP信息，这事儿得自己想办法搞定，官方没有底层的协议支持。

由于 WebRTC 规范未定义信令，我们甚至可以通过复制粘贴来交换 SDP。业界大多数都是通过 WebSocket 来做到这一点，如下示意图： chrome-capture-2024-11-5.png

而对于信令服务而言，仅仅是完成来回传递信息，并不关心传递的内容。

信令交互过程中，会涉及：NAT穿透、STUN服务器、ICE交互等，这些概念比较晦涩难懂，我们将通过代码+图文解释的形式，一步步深入了解。 先看看下面的代码：


const urls = [
    "stun:stun.services.mozilla.com",
    "stun:stunserver2024.stunprotocol.org",
    "stun:stun.l.google.com:19302",
];
const connection = new RTCPeerConnection({
iceServers: [{ urls }],
});

上面的代码，我们定义了一个 RTCPeerConnection 对象，配置了多个 STUN 服务器来支持 NAT 穿透，使得两个客户端可以在没有直接 IP地址的情况下建立点对点连接。其实背后做了非常多的事情，首先这里引出了 STUN和 NAT的概念。

关于 NAT（网络地址转换）：

在讲NAT穿透和STUN之前，需要先清楚它们诞生的背景和意义。 NAT穿透又被称之为：P2P打洞,它是IPv4 时代的产物，主要是为了解决IPv4 地址数量有限的问题，而在IPv6中，是不需要这么做的。

理想网络情况：

image.png

理想中我们希望通过 信令服务交互 SDP后，peerA就直接能和peerB建立连接，发送数据。

实际中的网络（多数情况）：

image.png

在IPv4 时代，由于IP数量的不足，通常会由运营商为每个用户分配一个外网IP，而在这个外网下，其他设备想上网，就只能通过路由器为每个设备分配一个内网IP. 而路由器中有一个关键协议：网络地址转换（NAT），其中有一个重要的功能：将内网 IP 地址转换为其所拥有的公网 IP 地址，从而使多个设备能够通过同一个公网 IP 地址共享互联网连接，但同时NAT还有一层防护作用，会阻止外网直接访问内网设备，在提供安全的同时，同时也对p2p连接造成了一定的困扰（后面会讲）

NAT基本原理,如下图所示:

image.png

配图解释： 主机A、B、C在在同一个局域网下，被路由器分配了各自的私有IP，当内部设备发送请求到外网服务器时，会先经过路由器，NAT映射表会记录当前主机在内网与外网的映射关系(ip和端口)，当服务器响应后，会将响应的数据包返回给路由器，再通过NAT找到对应私有设备。

以上就是NAT的基本工作原理，其中NAT除了有地址共享能力以外，还具备对外隐藏内网IP、和防火墙的能力。 不同的NAT类型，对p2p的支持力度也不一样，不过不管是哪种类型，它们都有一个共同特性：只有在内网设备主动向外网设备发起连接后，NAT才会允许响应。

NAT类型 外部设备能否主动与内网设备通信 穿透难度 安全性 共同点
完全锥形NAT 只要暴露了外网IP+端口就能直接通信 最低 低 只有在内网设备主动向外网设备发起连接后，NAT才会允许响应。
受限锥形NAT 必须先向外发起连接 较低 中
端口受限锥形NA 必须先向外发起连接且端口一致 高 中
对称NAT 外部无法主动与内网设备通信 最高 高

网上有很多对于NAT类型的介绍，多半是模凌两可，但是NAT的类型又决定了p2p 选用哪种连接，所以我们有必要掌握。这里通过自己的个人理解做了总结：

完全锥形NAT： 如果内网设备A有主动向外网设备B,发送过一次请求后（TCP/UDP），只要其他外网设备（可以是非B）知道内网设备的A+IP和端口，就能主动向A发送请求，而无需经过 A的同意。

image.png

受限锥形NAT： 类似完全锥形NAT，区别在于只有与 A 发起请求时 目标 IP 地址相同 的外网设备 B，才能通过 NAT 发送数据到内网设备 A。有点感觉像“我见过你，你才能进”。

image.png

端口受限锥形NA： 在受限锥形NAT基础上，又加强了端口校验。

我们可以将 端口受限锥形 NAT 类比为一个 "门禁系统" ，它不仅需要你有“门票”（即正确的 IP 地址），还要求你必须用**特定的通道（端口）**进入。

想象你进入一个大楼，在楼下的大厅有一个门禁系统。你持有一张有效的门票（公网 IP）可以进入大厅，但你只能通过指定的门（端口）进入。这就像是 端口受限锥形 NAT。 你只能通过最初给你“门票”的那个门（即 IP 和端口组合）进入。如果你从其他门（其他端口）进入，门禁系统会拒绝你。

image.png

对称型 NAT： 特点：对每个外部主机或端口的会话都会映射为不同的端口

image.png

上文只是便于初学者理解，如果想深入NAT可以参阅官方文档

在清楚NAT的几种类型和基本原理后,我们就不难理解，为什么peerA和peerB在不同网段下无法通信了，总结原因主要有2点:

  1. 不知道彼此的外网IP和端口
  2. 即使知道了IP和端口，受限于NAT类型的拦截

关于STUN：

而STUN 服务的意义是帮助内网设备获取其在公网中的映射 IP 地址和端口， 客户端A和客户端B在2个不同的网段，通过STUN服务器，可以获取到自己的公网IP和端口，然后通过 websocket 将自己的公网IP和端口发送给对方，对方就可以通过这个公网IP和端口连接到对方了(前提是NAT能够穿越成功的情况下)

STUN 只是用于获取设备的外网IP和端口，所消耗的资源极少，所以一般有开源的公共服务提供。例如我们上面的代码, 声明了多个STUN服务，如果一个STUN服务器无法响应，RTCPeerConnection的底层会尝试其他服务器连接。这种方式有效避免单点故障，提高NAT的成功率。

在学习p2p过程中，我们暂不需要过多关注STUN服务器的具体实现，初学者了解基本原理即可。

# PeerConnection 连接流程：

下载.png

参考链接： medium.com/@avocadi/p2…

www.cnblogs.com/hls-code/p/…

WebRTC 学习指南

如何搭建自己的STUN服务器

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