流媒体服务器

WebRTC ICE概述

一、概述

ICE全称Interactive Connectivity Establishment：交互式连通建立方式。
ICE参照RFC5245建议实现，是一组基于offer/answer模式解决NAT穿越的协议集合。
它综合利用现有的STUN，TURN等协议，以更有效的方式来建立会话。
ICE是通过综合运用STUN,TURN,RSIP等NAT穿透方式，使之能在最适合的情况下工作，以弥补单独使用其中任何一种所带来的固有缺陷。对于SIP来说，ICE只需要定义一些SDP(Sessionescription Protoc01)附加属性即可，对于别的多媒体信令协议也需要制定一些相应的机制来实现。

ICE的算法可以分为以下几个流程：(1)收集本地传输地址会话者从服务器上获得主机上一个物理(或虚拟)接口绑定一个端口的本地传输地址。(2)启动STUN与传统的STUN不同，ICE用户名和密码可以通过信令协议进行交换。(3)确定传输地址的优先级优先级反映了UA在该地址上接收媒体流的优先级别，取值范围0到1之间，按照被传输媒体流量来确定。(4)构建初始化信息(Initiate Message)初始化消息由一系列媒体流组成，每个媒体流的任意Peer之间实现最人连通可能性的传输地址是由公网L转发服务器(如TURN)提供的地址。(5)响应处理连通性检查和执行ICE算法中描述的地址收集过程。(6)生成接受信息(Accept Message)若接受则发送Accept消息，其构造过程与InitiateMessage类似。(7)接受信息处理接受过程需要发起者使用Send命令，由服务器转发至响应者。(8)附加ICE过程Initiate或Accept消息交换过程结束后，双方可能仍将继续收集传输地址。简单的说，就是SIP终端在注册时，访问STUN服务器；当发起呼叫信息(INVITE)或接收到呼叫信息回应(200 OK)之前根据NAT/防火墙类型通过访问STUN服务器进行对RTP进行地址收集；然后在RTP的地址端口启动接收线程RSTUN服务程序；最后发送SIP消息，收集的地址放列SDP消息中的alt属性中。STUN（简单的用UDP穿透NAT），后面最大的区别是支持TCP穿透（即使用中继穿透NAT）。STUN的扩展。简单的说，TURN与STURN的共同点都是通过修改应用层中的私网地址达到NAT穿透的效果，异同点是TURN是通过两方通讯的“中间人”方式实现穿透。一般来说，实现P2P通信无法实现时，TURN就会派上用场

二、STUN的报文结构为：

消息头
所有的STUN消息都包含20个字节的消息头，包括16位的消息类型，16位的消息长度和128位的事务ID。

 0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|0 0|     STUN Message Type     |         Message Length        |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                         Magic Cookie                          |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                                                               ||                     Transaction ID (96 bits)                  ||                                                               |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+｜                                                              ｜｜              2 byte attrtype  2 byte attrlength  body        ｜+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

头两位必须是0，当网络中收到stun和其他数据包时，可以基于该两位的值是否为0判断是stun包。（当然这种判断方式不太严谨
在这里插入图片描述

Message Type 总共占14位，其中方法Method 占12位，类型Class占两位。展开后具体格式如下

0                 1
2  3  4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5
+--+--+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|M |M |M|M|M|C|M|M|M|C|M|M|M|M|
|11|10|9|8|7|1|6|5|4|0|3|2|1|0|

M11 到M0 表示12位的Method，C1和C0两位表示Class。
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用12位表示Method，理论上可以表示2^12个Method，实际应用中主要用到一个Binding方法。
Class 占2位，可以表示2^2=4 种类型

在这里插入图片描述
四种类型分别为：request、sucess response、failure response、indication
具体如下：（注意协议文档中的0b00，代表二进制00）

对于每种Method都会对应请求、成功响应、错误响应、指示四种类型。Method和Class 拼接在一起组成Message Type

enum MessageType
{// see @ https://tools.ietf.org/html/rfc3489#section-11.1 BindingRequest            = 0x0001,BindingResponse           = 0x0101,BindingErrorResponse      = 0x0111,SharedSecretRequest       = 0x0002,SharedSecretResponse      = 0x0102,SharedSecretErrorResponse = 0x0112,
};

Message Length
Message Length 表示除了20字节头以外的所有数据长度。由于STUN属性都是以4字节的倍数填充，因此这个字段最后两位总是等于零，这也是辨别STUN包的一个方法之一。

Magic Cookie
固定的4个字节，具体值为：0x2112A442
Magic Cookie用来和客户端映射的外网IP地址做异或，形成XOR-MAPPED-ADDRESS属性。见下文分析。
Transaction ID
12字节的事务ID。对于一个客户端，客户端和服务端的事务id相等，它被用来作为客户端的唯一标识。
stun协议20字节的消息头后，就是0到N个的属性消息。

三、属性消息

属性格式

 0                   1                   2                   30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|         Type                  |            Length             |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|                         Value (variable)                ....+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

获取AttrType 和 AtrrLenght方法：
在这里插入图片描述

四、介绍几个常用属性

USERNAME
USERNAME 是有sdp中的ice-ufrag拼接而成，具体的拼接格式为 answer sdp 中的ice-ufrag: offer sdp中的ice-ufrag
在服务器单端口改造时，由于所有客户端的stun包都发到服务器的同一端口，且客户端发送sdp信令(tcp或者websocket协议)的端口和发送stun包(udp协议）的端口不是同一个，所以可用USERNAME区分不同的客户端。
USE_CANDIDATE
USE_CANDIDATE 客户端的icecandidate。
ICE-CONTROLLING
用来表示通信双方的ice角色，ICE-CONTROLLING 表示控制端，用来选择最终进行连接性检测的候选地址对；ICE-CONTROLLED表示被控端，被告知最终用哪个地址对进行通信。

    在实际通信过程中，双方都可能是ICE-CONTROLLING或者ICE-CONTROLLED，当双方值相同时就会产生冲突。为了解决这个冲突，引入一个 tie-breake字段，tie-breake值大的一端是控制端。

Attribute::FINGERPRINT
如果turn包属性中带了FINGERPRINT，需要信息校验。具体mediasoup中实现。
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MESSAGE-INTEGRITY
消息完整性。

先解释HMAC-SHA1 算法。
HMAC 是一种基于密钥的报文完整性验证方法，其安全性是建立在Hash加密算法基础上的。HMAC利用哈希算法，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。
SHA1 是一种哈希算法，可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值
stun包中被加密的具体数据为：
从stun头到该字段（包含该字段）的所有数据，加密中所用的密码是ice-pwd中表示的密码。
加密完成的值，作为MESSAGE-INTEGRITY的属性值保存到stun包中。
mediasoup中具体实现见：StunPacket.cpp 的Serialize()函数
在这里插入图片描述
stun包信息会大概会带以下信息：USERNAME， ICE_CONTROLLING， USE_CANDIDATE， PRIORITY， MESSAGE_INTEGRITY和FINGERPRINT。

五、stun包的合法性判断

mediasoup基于MESSAGE-INTEGRITY 和USERNAME来验证stun包的合法性。

StunPacket::Authentication StunPacket::CheckAuthentication(const std::string& localUsername, const std::string& localPassword){MS_TRACE();switch (this->klass){case Class::REQUEST:case Class::INDICATION:{// Both USERNAME and MESSAGE-INTEGRITY must be present.if (!this->messageIntegrity || this->username.empty())return Authentication::BAD_REQUEST;// Check that USERNAME attribute begins with our local username plus ":".size_t localUsernameLen = localUsername.length();if (this->username.length() <= localUsernameLen || this->username.at(localUsernameLen) != ':' ||(this->username.compare(0, localUsernameLen, localUsername) != 0)){return Authentication::UNAUTHORIZED;}break;}// This method cannot check authentication in received responses (as we// are ICE-Lite and don't generate requests).case Class::SUCCESS_RESPONSE:case Class::ERROR_RESPONSE:{MS_ERROR("cannot check authentication for a STUN response");return Authentication::BAD_REQUEST;}}// If there is FINGERPRINT it must be discarded for MESSAGE-INTEGRITY calculation,// so the header length field must be modified (and later restored).if (this->hasFingerprint)// Set the header length field: full size - header length (20) - FINGERPRINT length (8).Utils::Byte::Set2Bytes(this->data, 2, static_cast<uint16_t>(this->size - 20 - 8));// Calculate the HMAC-SHA1 of the message according to MESSAGE-INTEGRITY rules.const uint8_t* computedMessageIntegrity = Utils::Crypto::GetHmacShA1(localPassword, this->data, (this->messageIntegrity - 4) - this->data);Authentication result;// Compare the computed HMAC-SHA1 with the MESSAGE-INTEGRITY in the packet.if (std::memcmp(this->messageIntegrity, computedMessageIntegrity, 20) == 0)result = Authentication::OK;elseresult = Authentication::UNAUTHORIZED;// Restore the header length field.if (this->hasFingerprint)Utils::Byte::Set2Bytes(this->data, 2, static_cast<uint16_t>(this->size - 20));return result;}

FINGERPRINT
指纹属性，用来检测数据传输过程中是否发生了错误。前面数据完整性是验证数据是否完整，这里是验证消息内部具体的数据是否出错了。

计算规则：
对FINGERPRINT以外的所有数据进行crc-32循环冗余校验（FINGERPRINT是stun包最后一个属性），并把得到的值与0x5354554e异或得到最终的值。

服务端收到stun包以后，再按同样的规则生成一遍，判断自己生成的值和FINGERPRINT属性中所带的值是否相等，相等说明数据正确，否则数据传输中发生了错误。

mediasoup中生成FINGERPRINT和判断FINGERPRINT是否相等的代码如下：

// Add MESSAGE-INTEGRITY.if (addMessageIntegrity){// Ignore FINGERPRINT.if (addFingerprint)Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, 2, static_cast<uint16_t>(this->size - 20 - 8));// Calculate the HMAC-SHA1 of the packet according to MESSAGE-INTEGRITY rules.const uint8_t* computedMessageIntegrity =Utils::Crypto::GetHmacShA1(this->password, buffer, pos);Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, pos, static_cast<uint16_t>(Attribute::MESSAGE_INTEGRITY));Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, pos + 2, 20);std::memcpy(buffer + pos + 4, computedMessageIntegrity, 20);// Update the pointer.this->messageIntegrity = buffer + pos + 4;pos += 4 + 20;// Restore length field.if (addFingerprint)Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, 2, static_cast<uint16_t>(this->size - 20));}else{// Unset the pointer (if it was set).this->messageIntegrity = nullptr;}// Add FINGERPRINT.if (addFingerprint){// Compute the CRC32 of the packet up to (but excluding) the FINGERPRINT// attribute and XOR it with 0x5354554e.uint32_t computedFingerprint = Utils::Crypto::GetCRC32(buffer, pos) ^ 0x5354554e;Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, pos, static_cast<uint16_t>(Attribute::FINGERPRINT));Utils::Byte::Set2Bytes(buffer, pos + 2, 4);Utils::Byte::Set4Bytes(buffer, pos + 4, computedFingerprint);pos += 4 + 4;// Set flag.this->hasFingerprint = true;}else{this->hasFingerprint = false;}