解析軟交換系統(tǒng)中的私網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換
2006/10/31
概述:近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)向分組化方向發(fā)展，VOIP、軟交換等技術(shù)開始越來越多地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)。
這些新技術(shù)在為用戶帶來更多服務(wù)選擇的同時(shí)，自身也面臨許多需要解決的問題，網(wǎng)絡(luò)中大量使用私有IP地址就是其中之一。
1、問題的產(chǎn)生
先來簡單介紹一下軟交換系統(tǒng)的用戶接入方式。從軟交換機(jī)放置的等級區(qū)分，大致可分兩類：(1)通過PSTN接入，軟交換機(jī)位于匯接局/長途局；(2)通過IP網(wǎng)接入，軟交換機(jī)相當(dāng)于本地端局。
第一種接入方式，通過原有的PSTN交換機(jī)接入，和傳統(tǒng)方式相比用戶側(cè)沒有任何變化，也不存在IP地址問題；第二種接入方式(包括IP-IP、IP-PSTN等)，IP多媒體用戶通過IP網(wǎng)接入，必須分配IP地址。由于IPv4本身地址空間有限，且分配不均，隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶的飛速發(fā)展，IP地址匱乏情況越來越嚴(yán)重，因此運(yùn)營商、企業(yè)用戶等大量采用私有IP地址。據(jù)估計(jì)目前網(wǎng)上使用私有IP地址的設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過使用合法IP地址的設(shè)備數(shù)量。
這些私網(wǎng)用戶在訪問公網(wǎng)時(shí)，一般采用NAT+PAT技術(shù)來解決地址轉(zhuǎn)換問題。當(dāng)私網(wǎng)內(nèi)部設(shè)備試圖訪問外部網(wǎng)絡(luò)時(shí)，NAT(網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換)技術(shù)可將其私有的IP地址轉(zhuǎn)換成合法的IP地址。動態(tài)的端口轉(zhuǎn)換(PAT)技術(shù)可解決合法IP地址緊缺的問題，PAT將私有地址+TCP/UDP端口轉(zhuǎn)換并為一個(gè)合法地址+一個(gè)TCP/UDP端口，這樣可有多個(gè)私有地址對應(yīng)一個(gè)合法地址，用不同的TCP/UDP端口進(jìn)行區(qū)分。NAT與PAT通常被同時(shí)使用，稱為網(wǎng)絡(luò)地址端口轉(zhuǎn)換(NAPT)。
NAPT一般只完成IP層地址的轉(zhuǎn)換，而軟交換協(xié)議(如H.323、SIP、MGCP等)需要依靠封裝在高層的地址信息完成通信。一方面，由于NAPT不能相應(yīng)地修改這些封裝在協(xié)議包內(nèi)的地址，使軟交換系統(tǒng)無法獲得終端正確的地址信息，結(jié)果造成無法建立通信；另一方面，私網(wǎng)設(shè)備只有在向外部主動發(fā)起連接時(shí)，才會被分配到合法IP和端口號。若不做特殊處理，設(shè)備對外部網(wǎng)絡(luò)來說是不可見的，也無法接受軟交換發(fā)來的呼叫請求。
目前業(yè)界有多種解決私網(wǎng)穿越的方案。完善的方案應(yīng)能解決私網(wǎng)穿越中可能遇到的各種問題，如NAT、PAT、對稱NAT(SymmetricNAT)、防火墻等，另外在建設(shè)時(shí)對現(xiàn)有IP承載網(wǎng)和軟交換系統(tǒng)的影響要盡可能小。本文介紹兩種被多數(shù)廠家采用，并已有成熟產(chǎn)品的方案：ALG和SBC。
2、ALG解決方案
ALG(應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，ApplicationLayerGateway)要求設(shè)備有識別應(yīng)用程序的功能。在軟交換系統(tǒng)中，ALG需要支持IP語音和多媒體協(xié)議(H.323、SIP、MGCP/H.248)。
以SIP協(xié)議為例，簡述ALG工作原理(MGCP、H.248和H.323情況類似)。假設(shè)終端A、C都是SIP終端，軟交換機(jī)是SIP代理。位于私網(wǎng)的終端A用戶通過公網(wǎng)的SIP代理向終端C發(fā)出INVITE請求，并創(chuàng)建相應(yīng)的SDP消息體。當(dāng)消息通過ALG時(shí)，ALG會分析IP包頭、UDP包頭及SIP/SDP消息體，并用ALG外部端口的合法IP地址和臨時(shí)分配的UDP端口號來替換相應(yīng)的終端A的私網(wǎng)地址和端口號。
ALG網(wǎng)關(guān)將轉(zhuǎn)換后的消息發(fā)往SIP代理(軟交換)，呼叫接續(xù)流程的其它信令消息、轉(zhuǎn)換方式與INVITE類似。SDP描述中RTP信息也相應(yīng)被ALG修改，這樣，參與通信的終端都能獲得正確的IP地址和端口信息。當(dāng)呼叫建立后，終端A、C間的RTP媒體流通過ALG事先分配的端口建立連接。
另外，如果ALG判斷出兩臺終端在同一私網(wǎng)內(nèi)，將不對IP包做修改，終端A、B可直接用自己的私有地址建立RTP連接。
ALG方式不需要對軟交換協(xié)議和終端做任何修改，是比較簡單的解決方式。在實(shí)際應(yīng)用中，ALG可以是私網(wǎng)原有NAT/防火墻的一部分，也可是與原有NAT/防火墻并列的新增設(shè)備。本文建議采用后一種方式，這樣可以避免原有設(shè)備升級對網(wǎng)絡(luò)的影響，同時(shí)也便于軟交換系統(tǒng)的管理，尤其在IP承載網(wǎng)和軟交換系統(tǒng)由不同運(yùn)營商所有的情況。不過，由于ALG放置在客戶端，在軟交換大規(guī)模部署時(shí)，對現(xiàn)網(wǎng)改造的工作量還很大。另外，當(dāng)有新的應(yīng)用出現(xiàn)時(shí)，需要對所有ALG進(jìn)行升級來支持新的應(yīng)用協(xié)議。
數(shù)據(jù)應(yīng)用仍通過網(wǎng)絡(luò)中原有的NAT訪問互聯(lián)網(wǎng)，軟交換應(yīng)用則通過ALG與公網(wǎng)連接。由于ALG本身可具有防火墻和高層安全應(yīng)用功能，可以設(shè)置只允許通過軟交換消息和媒體流，只要選擇適當(dāng)?shù)腁LG產(chǎn)品，采用這種建設(shè)方案并不會降低原有網(wǎng)絡(luò)的安全性。
3、SBC解決方案
SBC(邊界會話控制器，SessionBorderController)是目前主要的解決方案。與ALG設(shè)置在用戶側(cè)不同，SBC一般設(shè)置在軟交換側(cè)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是無需改動現(xiàn)有的NAT設(shè)備。
SBC組網(wǎng)方案
不同廠商的系統(tǒng)呼叫流程可能不同，有的系統(tǒng)終端直接向SBC注冊，所有消息和媒體流都需要經(jīng)SBC轉(zhuǎn)接；還有的系統(tǒng)則首先由軟交換來判斷是否需要SBC介入。兩種方式SBC在地址轉(zhuǎn)換功能上工作原理大同小異，以下以第一種方式為例簡要介紹。
當(dāng)終端向軟交換注冊時(shí)，SBC會給每個(gè)終端分配一個(gè)信令代理端口，所有消息都會經(jīng)過這個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)給軟交換，同時(shí)SBC會用自身地址和這個(gè)端口來替換消息體中終端的地址信息。因此在軟交換系統(tǒng)中維護(hù)的用戶地址信息，實(shí)際上是SBC的地址和SBC分配給終端的端口號。
呼叫建立時(shí)，SBC會給終端分配一對RTP代理端口(收、發(fā))，并以此替換SDP消息中對RTP接收端口的描述，再轉(zhuǎn)發(fā)給軟交換。即：每個(gè)終端收到的對方RTP信息實(shí)際上是SBC分配的RTP代理端口號，RTP流經(jīng)SBC在兩個(gè)終端間建立連接。
一般NAPT為私網(wǎng)終端分配的UDP端口有一定生命期(如40s)，因此SBC和終端間要有某種機(jī)制來保持這個(gè)端口始終對終端開放。如，SIP終端可定期向SBC發(fā)注冊信息；而對MGCP系統(tǒng)，軟交換收到終端RSIP消息后，可定期向終端發(fā)AUEP消息，強(qiáng)制終端回應(yīng)，來保持NAPT上相應(yīng)端口開放。
由于所有消息和媒體流都是經(jīng)過同一SBC轉(zhuǎn)接，這就解決了對稱NAT(SymmetricNAT)
問題。
需要指出，在軟交換系統(tǒng)中，SBC還可實(shí)現(xiàn)很多重要功能，如防止帶寬盜用、安全管理、QoS管理、合法監(jiān)聽等，本文僅涉及其中的私網(wǎng)穿越功能。引入SBC可使軟交換系統(tǒng)更加完善，但也帶來了新問題：如果所有消息和媒體流都需要經(jīng)過SBC轉(zhuǎn)接，似乎與軟交換呼叫控制與承載分離的設(shè)計(jì)思想不符，SBC有可能會成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。
4、結(jié)束語
業(yè)內(nèi)還有其它解決私網(wǎng)穿越的方案，具體采用哪種方法，要綜合考慮承載網(wǎng)現(xiàn)狀、相關(guān)設(shè)備的成熟度、軟交換系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能、規(guī)模等來確定。如上文提到的，這一問題的根源在于IPv4系統(tǒng)本身的限制，未來IPv6網(wǎng)絡(luò)將會從根據(jù)上解決這一問題，也將會給軟交換帶來更廣闊的發(fā)展空間。
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