作者｜張?jiān)ｙi，單位：中國移動智慧家庭運(yùn)營中心

Labs 導(dǎo)讀

隨著視頻物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，IPC（IPCamera，網(wǎng)絡(luò)攝像頭）已經(jīng)在家庭安防場景廣泛應(yīng)用。中國移動移動看家業(yè)務(wù)提供了以視頻為基礎(chǔ)的場景化安防服務(wù)，支持接入IPC、門鎖、貓眼等泛安防智能硬件，用戶通過使用和家親APP可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程看護(hù)、設(shè)備對講、監(jiān)控視頻回放等功能。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，IPC等設(shè)備需使用流媒體傳輸協(xié)議發(fā)送攝像頭采集到的音視頻媒體流，而APP則通過流媒體傳輸協(xié)議獲取媒體流。

目前市面上常見的流媒體傳輸協(xié)議有：RTMP、WebRTC、QUIC、P2P、SRT等。移動看家使用的流媒體傳輸協(xié)議主要有P2P和SRT。關(guān)于這兩個協(xié)議，筆者準(zhǔn)備用兩篇文章進(jìn)行介紹，本文先介紹P2P協(xié)議。

1什么是P2P？

簡單來說P2P就是設(shè)備之間不通過中間服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的通信的方式。

那么非P2P是如何通信的呢？我們以微信通信為例，簡單介紹一下：

圖1

從圖1中我們可以看到，小明通過微信給小紅發(fā)了一條消息，其消息的真實(shí)流經(jīng)路徑是：小明->騰訊服務(wù)器->小紅。

那么問題就來了，為什么消息要先經(jīng)過騰訊服務(wù)器，而不能是直接：小明->小紅？

答：小明的手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上大概率是無法直接找到小紅的手機(jī)。

如何理解這句話？請看圖2

圖2

我們都知道，在網(wǎng)絡(luò)世界中，是通過IP地址來唯一確定某一臺設(shè)備的，但是由于IPv4地址數(shù)量的有限性，導(dǎo)致很多設(shè)備其實(shí)是無法獲取到唯一的IP地址（公網(wǎng)地址），而是使用NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）技術(shù)獲取一個內(nèi)網(wǎng)地址，多個內(nèi)網(wǎng)地址共用一個公網(wǎng)地址實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。家庭中常見的內(nèi)網(wǎng)地址有：192.168.X.X 。

公網(wǎng)地址唯一，而內(nèi)網(wǎng)地址不唯一，所以如果只是知道一個設(shè)備的內(nèi)網(wǎng)IP地址是無法找到對應(yīng)設(shè)備的（除非是剛好處在同一個內(nèi)網(wǎng)環(huán)境中），這也就是為什么小明的手機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上大概率是找不到小紅手機(jī)的原因。

而騰訊服務(wù)器由于有自己的公網(wǎng)地址，因此小明和小紅都可以通過這個公網(wǎng)地址都可以找到騰訊服務(wù)器，然后通過騰訊服務(wù)器這個中介，小明和小紅就可以通信了。

從圖2中我們也可以發(fā)現(xiàn)，小明的手機(jī)連接的路由器A的WAN口的IP地址（公網(wǎng)地址）是：36.23.223.162；小紅的手機(jī)連接路由器B的WAN口的IP地址（公網(wǎng)地址）是：183.129.184.211。要是小明能知道自己的公網(wǎng)IP地址，并告訴小紅（反過來也是一樣），也就能跳過騰訊服務(wù)器直接與對方相連。這其實(shí)也就是 P2P 的技術(shù)原理。 

2為什么要使用P2P?

使用P2P的好處有很多，從不同的角度出發(fā)可以得到不同的答案。如果站在設(shè)備廠商的角度來看，如果他們的設(shè)備之間能實(shí)現(xiàn)P2P，那就可以減少中轉(zhuǎn)服務(wù)器的流量費(fèi)用，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時候，P2P省流量的優(yōu)勢就更加明顯，從而降低運(yùn)營成本。從技術(shù)方面來看，P2P 直接跳過服務(wù)器中轉(zhuǎn)，因此只要能連接成功，其傳輸速度從理論上來說會更快。

圖3

3如何實(shí)現(xiàn)P2P？

從圖2的描述中我們知道，如果設(shè)備能知道自己本身的公網(wǎng)IP地址和端口，并告訴對方，就能實(shí)現(xiàn)P2P通信。所以要實(shí)現(xiàn)P2P通信，就要解決以下兩個問題：

• 如何獲取自身的公網(wǎng)IP地址和端口
• 如何將獲取到的公網(wǎng)IP地址和端口告訴對端

3.1 NAT原理

關(guān)于如何獲取自身的IP公網(wǎng)地址和端口，我們可以參考瀏覽器訪問百度搜索引擎的流程，如下圖：

圖4

圖中路由器下面連接了4個設(shè)備：ABCD，假設(shè)這4個設(shè)備都通過瀏覽器訪問百度（假設(shè)都是使用內(nèi)部端口80），那在路由器上會生成一張NAT映射表，瀏覽器返回?cái)?shù)據(jù)在通過路由器的時候就通過這張映射表找到對應(yīng)的內(nèi)部設(shè)備。

從表中我們可以看到，這些設(shè)備映射后的外網(wǎng)IP地址是相同的（即路由器的外網(wǎng)IP地址），但是端口不同。因此瀏覽器在返回?cái)?shù)據(jù)的時候，通過IP+端口，就可以確定唯一的一臺設(shè)備（其實(shí)這也是NAT技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多個設(shè)備只使用一個公網(wǎng)地址就能獨(dú)立上網(wǎng)的基本原理）。同理，如果這時候小明想和設(shè)備A通信，那小明只需要向設(shè)備A映射的公網(wǎng)地址信息：36.23.223.162：8081發(fā)起連接就可以了。

因此，如果能將內(nèi)網(wǎng)設(shè)備通過NAT方式映射到公網(wǎng)上，并獲取映射后的公網(wǎng)IP地址及對應(yīng)的端口號，那么也就實(shí)現(xiàn)了P2P通信的第一步。想要實(shí)現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)設(shè)備對公網(wǎng)地址的映射，除了常見的主動訪問某個知名網(wǎng)站之外，還可以通過STUN協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。

3.2 STUN協(xié)議

圖5

STUN協(xié)議如圖5所示：設(shè)備通過給公網(wǎng)的STUN服務(wù)器發(fā)送請求獲得自己的公網(wǎng)地址信息。類似的，像這種通過某種協(xié)議或者方式讓路由器留下一個內(nèi)外網(wǎng)映射的“洞口”，通常稱為：“打洞”。而外網(wǎng)主機(jī)如果可以通過這個“洞口”與內(nèi)網(wǎng)主機(jī)通信，則說明“打洞成功”。

3.3 信令服務(wù)器

通過STUN協(xié)議可以獲取到設(shè)備本身的外網(wǎng)IP地址和端口，只是完成了P2P通信的第一步。第二步則是如何將自己的外網(wǎng)IP地址和端口告訴對端。通常我們需要借助信令服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)。通用的方案如圖6所示：

圖6

• 步驟1：IPC通過STUN協(xié)議獲取到了自己的公網(wǎng)地址信息：36.23.223.162 : 8081；
• 步驟2：IPC將自己的地址信息發(fā)給信令服務(wù)器，信令服務(wù)器則將地址信息轉(zhuǎn)發(fā)給“和家親APP”；
• 步驟3：“和家親APP”獲取到對端的地址信息后，發(fā)起連接；由于路由器已經(jīng)有IPC的地址映射，所以發(fā)起的連接會轉(zhuǎn)發(fā)給IPC設(shè)備，至此就實(shí)現(xiàn)了“和家親app”和IPC的P2P連接。

關(guān)于信令服務(wù)器，這邊需要需要說明一下。一般來說設(shè)備啟動時就會主動連接信令服務(wù)器，之后會保持與信令服務(wù)器的長連接；app也會保持與信令服務(wù)器的連接；通過信令服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)IPC與app的通信，目前信令服務(wù)器使用的協(xié)議是websocket。

4擴(kuò)展

圖6的幾個步驟對于快速理解P2P的原理是有幫助的，但是也省略了很多內(nèi)部細(xì)節(jié)，這個章節(jié)會將一些遺留的知識點(diǎn)補(bǔ)充回來。

思考一個問題：通過STUN協(xié)議獲取到的公網(wǎng)IP地址和端口，對端就一定能連接成功嗎？很顯然答案是否定的。否則也就不會有“打洞成功率”的概念了。為了理解這點(diǎn)，首先需要了解NAT類型。

4.1 NAT類型

目前常見的NAT可以分成4種類型：

• 完全錐型
• IP 限制錐型
• 端口限制錐型
• 對稱型

這4種類型中，越往后的NAT類型穿越難度越大。

4.1.1 完全錐型

完全錐型特點(diǎn)：一旦打洞成功，所有知道該洞的主機(jī)都可以通過它和內(nèi)網(wǎng)主機(jī)通信。

4.1.2 IP 限制錐型

IP 限制錐型特點(diǎn)：IP限制錐型要比完全錐型嚴(yán)格，打洞成功后，只有與之打洞成功的外網(wǎng)主機(jī)才能通過該洞與內(nèi)網(wǎng)主機(jī)通信，而其他外網(wǎng)主機(jī)哪怕知道這個洞口也不能通信。

4.1.3 端口限制錐型

端口限制錐型特點(diǎn)：端口限制錐型則要比IP限制錐型更嚴(yán)格，打洞成功后，除了要檢測IP地址之外還要檢測端口號。二者中只要有一項(xiàng)不滿足，都無法通過該洞口進(jìn)行通信。

4.1.4 對稱型

完全錐型特點(diǎn)：內(nèi)網(wǎng)主機(jī)每次訪問不同的外網(wǎng)主機(jī)時，都會生成一個新的洞。而前面3種錐型使用的是同一個洞。

不同NAT類型的路由器其穿越表如下所示：

所以，前面例子中我們其實(shí)是將路由器的NAT類型默認(rèn)假設(shè)成完全錐型。但是現(xiàn)實(shí)中，除了完全錐型外，我們還需要處理其他類型的路由器。

4.2 TURN協(xié)議

當(dāng)兩端路由器的NAT類型是：（端口限制錐型，對稱型）或者（對稱型，對稱型）時，使用STUN協(xié)議就無法穿越，這個時候就需要使用TURN協(xié)議。TUAN協(xié)議簡單來說就是進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，兩個內(nèi)網(wǎng)主機(jī)分別把內(nèi)容發(fā)給TURN服務(wù)器，TURN服務(wù)器再將內(nèi)容分別轉(zhuǎn)發(fā)給對端，以此來實(shí)現(xiàn)通信。這邊不再進(jìn)行贅述。

5總結(jié)

P2P打洞的大致流程主要就是以下兩個步驟：

1. 處在內(nèi)網(wǎng)的設(shè)備通過STUN/TURN協(xié)議獲取到自身的內(nèi)外網(wǎng)地址信息；
2. 將相關(guān)的地址信息通過信令服務(wù)器發(fā)送給對端，對端拿到對應(yīng)的地址信息后，嘗試連接。

在實(shí)際過程中，進(jìn)行P2P打洞的設(shè)備不僅獲取外網(wǎng)的地址信息，也會獲取內(nèi)網(wǎng)的地址信息，同時也獲取TRUN服務(wù)器分配的地址信息，生成候選地址對，候選地址對也有連接的優(yōu)先級的概念，一般來說所有的候選地址對，都會嘗試連接。

由于P2P協(xié)議涉及內(nèi)容比較多，既需要了解底層的網(wǎng)絡(luò)原理，也需要了解類似STUN和TUAN協(xié)議的內(nèi)容。而且P2P協(xié)議打洞成功的關(guān)鍵很多時候與設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有關(guān)，假如設(shè)備和app都處在對稱型路由器之下，那打洞成功概率就會很低，并且由于P2P流程比較長，因此對于不了解其原理的開發(fā)人員來說定位起來會比較困難。

基于以上原因，目前中國移動智慧家庭運(yùn)營中心的移動看家設(shè)備，已經(jīng)升級至全新的流媒體傳輸協(xié)議——SRT。但是這并不妨礙我們了解P2P的實(shí)現(xiàn)原理。關(guān)于SRT協(xié)議的介紹，請期待之后的文章。