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NAT理论讨论和网关配置实战技巧分享

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NAT理论讨论和网关配置实战技巧分享

随着网络配置的发展和变化，SIP环境中用户需要支持不同的网络环境，不同的终端和不同的服务器端。各种环境因素纠缠在一起就会产生各种各样的问题，这些问题导致用户的IPPBX和呼叫中心等通信功能不能正常工作。在这些莫名其妙的问题中，运维人员经常碰到的一个最重要的问题就是NAT问题。
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其实，笔者以前就NAT问题已经进行过很多讨论，集中讨论了解决NAT问题的各种设置方式。但是在实际使用过程中，一些企业使用SBC来解决问题，一些中小型企业用户因为公司资源问题，其实还是使用最简单实用低成本的方式来解决NAT问题。为了帮助用户能够这些问题。今天，我们首先和读者分享一个企业用户场景中如何配置网关来解决NAT问题，然后再回顾笔者以前的一些其他场景的理论讨论。

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SIP语音环境下的常见问题

在VOIP的环境中，特别是基于SIP通信的环境中，我们经常会遇到一些非常常见的问题，例如，单通，30秒就断线，注册问题，回声等。这些问题事实上都有非常直接的排查方式和解决办法，用户可以按照一定的排查方式，工具非常高效地解决这些问题。但是，因为读者技术水平参差不齐，网络上的很多技术也不完整。笔者今天系统归纳了这些问题。根据一些用户的使用环境和用户经常遇到一些问题，我们列举了以下十个在SIP呼叫中经常遇到的问题，并且给出了相应的排查方式，用户可以按照这些方法来解决SIP通话中的这些问题。这几个问题包括：

  1. 不能注册或呼叫到SIP服务器端

  2. 30秒挂断呼叫的黄金法则

  3. 咬线或摘机状态

  4. 单通或无语音

  5. 收到400 bad request

  6. 收到413，513 Request Entity Too Large或Message Too Large消息

  7. 收到408， 480或者487 消息

  8. 483 – Too Many Hops

  9. 488 – Not Acceptable Here

具体关于经典问题的讨论，读者可以阅读笔者文章：

SIP语音环境中十大经典问题及解决办法

其中在涉及到NAT问题中，比较常见的问题包括：

  • SIP账户注册不上，Register报文收不到响应消息

  • 呼叫通话中出现语音单通，内网设备收不到公网媒体流

  • 收不到ACK信令，呼叫接通持续30秒自动挂断

  • 收不到BYE消息，通话挂不断

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NAT产生的三个原因

SIP信令呼叫建立和媒体通信的建立是根据SIP消息头部和SDP消息体里携带的IP地址和端口来协商的，如果SIP服务器在公网，设备部署在NAT网络下，NAT设备默认发出的SIP消息里携带的是内网IP地址和端口，从而导致外网服务器寻址失败，信令和媒体报文送不到NAT设备，造成信令、媒体丢失。针对这种组网应用，通常采用以下三种NAT穿透技术解决：

  1. 动态NAT

  2. 静态NAT

  3. STUN穿透

设备启用NAT穿透功能后，可以实现“网络打洞”，并且探测到路由器外网的IP地址，从而发出的SIP消息头部以及SDP消息体携带的IP地址和端口都会替换为获取到的公网IP和端口。

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NAT穿越原理示例

以鼎信IAD语音网关为例，设备上开启动态NAT功能后，发出取得请求消息via头里会携带rport字段，如下:

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1）发送REGISTER消息，在请求信息的Via头域中包含了无具体rport端口参数，如下所示：

REGISTER sip: 124.40 . 120.188 : 5060  SIP / 2.0// Via的rport 空白Via: SIP/ 2.0 / UDP  124.42 . 4.203 : 15500 ;branch = z9hG4bK - d8754z -1049ed261d2e643d - 1 --- d8754z -;rportMax - Forwards:  70Contact: < sip: 19988888888 @ 192.168 . 2.65 : 12344 ;rinstance =7cd1c532e92fdb0e > ;expires =To: " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 >From: " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 >;tag =203ba359Call -ID: Yzc4N2IwMzY5OWU4MTdkMzY0NWY4OWU3NjMzNmJiM2U.CSeq:  1 REGISTERAllow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, NOTIFY, MESSAGE, SUBSCRIBE, INFOUser - Agent: eyeBeam release 1105a stamp  56793Content- Length:
2）公网服务器收到请求消息后，将会分析检测来源SIP消息的NAT地址和端口，并且会在响应SIP报文里使用received和rport字段携带给客户端，如例子中的获取到的NAT的公网地址（124.42.4.203）和端口（15500）：
SIP / 2.0   200  OKVia: SIP / 2.0 / UDP  124.42 . 4.203 : 15500 ;branch = z9hG4bK - d8754z -1049ed261d2e643d - 1 --- d8754z - ;rport = 15500 ;received = 124.42. 4.203From:  " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 >;tag = 203ba359To:  " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 > ;tag= 0005 - 058 - 7d6dc90516ae2e21Call - ID: Yzc4N2IwMzY5OWU4MTdkMzY0NWY4OWU3NjMzNmJiM2U.CSeq:  4  REGISTERAllow: INVITE,ACK,OPTIONS,BYE,CANCEL,REGISTER,INFO,UPDATE,PRACK,REFER,SUBSCRIBE,NOTIFY,MESSAGEContact:  < sip: 124.40 . 120.188 : 5060 >Content - Length:

3）设备在收到响应200OK信息后，从rport和received字段里获取NAT公网地址和端口，设备之后发SIP消息时会更改为路由器公网的IP和端口。如下列，Contact头部携带变换成124.42.4.203: 15500，例如新发的REGISTER信息变为：

 REGISTER sip: 124.40 . 120.188 : 5060  SIP / 2.0Via: SIP / 2.0 / UDP  124.42 . 4.203 : 15500 ;branch = z9hG4bK - d8754z -1049ed261d2e643d - 1 --- d8754z - ;rportMax - Forwards:  70Contact:  < sip: 19988888888 @ 124.42 . 4.203 :  15500 ;rinstance =7cd1c532e92fdb0e > ;expires =To:  " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 >From:  " 19988888888 " < sip: 19988888888 @ 124.40 . 120.188 : 5060 >;tag = 203ba359Call - ID: Yzc4N2IwMzY5OWU4MTdkMzY0NWY4OWU3NjMzNmJiM2U.CSeq:  2  REGISTERAllow: INVITE, ACK, CANCEL, OPTIONS, BYE, REFER, NOTIFY, MESSAGE, SUBSCRIBE, INFOUser - Agent: eyeBeam release 1105a stamp  56793Content - Length:
这样IPPBX(或SIP Proxy)就会把SIP报文发往NAT公网地址和端口，实现NAT穿透。
具体关于NAT打洞的原理和概念介绍，读者可以查阅历史文章：

SIP系列讲座-SIP-防火墙-NAT-Hole Punching探讨

SIP系列讲座-NAT解决方法探讨Symmetric RTP-UPnP-ALG

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STUN穿透原理示例

Simple Traversal of UDP over NATs，即NAT的UDP的简单穿越，是客户机-服务器的一种网络协议，由RFC 3489定义。该协议定义了一些消息格式，大体上分为Request/Response。这个协议主要作用是用以在两个处于NAT路由器之后的主机之间建立UDP通信。帮助位于NAT后的客户端获取自己的公网地址以及NAT为这个客户端的本地端口所绑定的对外端口。
利用STUN技术实现NAT穿透，首先需要搭建一个STUN server（也可以找免费的STUN server），然后在设备上配置STUNserver地址即可。

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STUN实现穿透流程处理：
  1. 开启STUN后，设备作为客户端，会自动用SIP端口和不同的RTP端口往STUN服务器发STUN探测消息；
  2. 服务器收到后会在响应消息里携带设备所在网络的NAT地址和端口；
  3. 路由器会记录保持对应的NAT地址表
  4. 设备收到STUN服务器响应消息后自动记录NAT公网IP和端口
  5. 设备发起的SIP报文里contact头字段和SDP字段会自动携带公网地址
  6. 设备会定时刷新STUN报文，用于NAT洞保持打开状态
  7. 开启STUN报文注册消息如下：

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更多关于的具体概念和解释，读者可以查阅笔者历史文章：

SIP系列讲座-NAT解决方法探讨-STUN-TURN-ICE

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静态NAT示例

静态NAT在实际应用中使用比较少，因为使用静态NAT实现穿透时，路由器的公网IP必须是一个固定不变的地址，如果是PPPOE拨号上网的网络，不适合启用这种方式。
启用静态NAT，必须手动配置好公网IP，并且需要在路由器里添加端口映射，将设备的SIP端口和RTP端口映射到公网。设备发出去的SIP消息contact头部和SDP信息里携带配置的静态公网IP地址，从而实现NAT穿透。

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其他相关NAT解决方案讨论

通过设置网关的NAT配置，用户可以解决一般比较常见的NAT问题，对中小型企业的用户也是非常实用的功能。除了以上讨论以外，笔者也发布过关于NAT问题的其他文章，希望对读者有大的帮助：

图解边界会话控制器（SBC）的20个最常用功能

SIP系列讲座-NAT解决方法探讨Symmetric RTP-UPnP-ALG

Asterisk课堂-SIP和NAT

SIP呼叫和路由器ALG相关配置详解

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总结

笔者分享了一个关于结合网关来配置NAT的示例说明，笔者就会更加了解具体的配置环境，可以通过相对比较经济的办法来处理NAT问题。为了为读者提供了更多关于NAT的完整的介绍和解决方案，例如使用SBC来处理NAT问题。
再次说明，笔者通过示例来说明如何解决NAT问题，但是在实际环境中，每个用户使用的终端和网关可能有所不同，需要用户自己调整相应参数。

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