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一种基于应用层路由的SIP穿越NAT方案设计与实现的中期报告

1.研究背景

随着互联网的快速发展，SIP通信协议作为一种广泛使用的互联网通信协议，得到了广泛的应用。但是由于NAT设备的存在，导致SIP通信协议无法正常穿越NAT设备，从而影响了通信质量和用户体验。因此，如何实现SIP的穿越NAT成为了SIP应用的一个瓶颈。

在穿越NAT时，通常会采用STUN、TURN、ICE等技术，但是这些技术都需要在底层协议中增加额外的信令交互。而且这些技术的实现难度较大，尤其是在多层NAT环境下，穿越NAT的成功率很低，影响通信的可靠性和稳定性。

因此，本文采用一种基于应用层路由的SIP穿越NAT方案，通过在SIP应用层中增加SIP消息的扩展头部字段，将NAT设备的公网IP地址和端口号加入到SIP消息中，并通过一种基于UDP多播的组播机制，将这些消息传递到SIP客户端。从而实现了SIP通信的穿越NAT，提高了通信的可靠性和稳定性。

2.方案设计

本方案的设计主要包括以下几个方面：

2.1扩展SIP消息头部字段

在SIP消息的头部中增加新的字段，用于存储NAT设备的公网IP地址和端口号。在SIP消息的原始头部以外，增加以下几个字段：

-X-NAT-IP:NAT设备的公网IP地址

-X-NAT-PORT:NAT设备的公网端口号

2.2创建UDP多播组

在应用层建立一个UDP多播组，将SIP消息广播到所有的SIP客户端。组播地址可以通过配置文件或者动态获取的方式来确定，并且需要保证组播地址的唯一性，避免不同的组播会影响到SIP的正常通信。

2.3封装和解析SIP消息

将SIP消息封装成一个UDP数据包，其中包含了应用层的SIP消息头和NAT设备的公网IP地址和端口号。在接收端，解析UDP数据包，提取出SIP消息和NAT设备的公网IP地址和端口号，并将其组合成新的SIP消息，将解析得到的SIP消息发送给SIP客户端。

3.方案实现

本方案的实现主要采用了Java语言和SIPServlet技术。具体实现步骤如下：

3.1创建SIPServlet

创建一个SIPServlet来处理SIP消息，当接收到SIP消息时，解析出NAT设备的公网IP地址和端口号，并且将这些信息封装成新的SIP消息，通过UDP多播组进行广播，发送给所有的SIP客户端。

3.2实现SIP消息封装和解析

实现将SIP消息封装成UDP数据包的方法和将接收到的UDP数据包解析成SIP消息的方法。根据RFC3261规范，可以将SIP消息封装成UDP数据包，其中包含了SIP消息头和NAT设备的公网IP地址和端口号。

在接收端，解析UDP数据包，提取出SIP消息和NAT设备的公网IP地址和端口号，并将其组合成新的SIP消息，将解析得到的SIP消息发送给SIP客户端。

3.3创建UDP多播组

通过Java提供的MulticastSocket类，创建一个UDP多播组，用于将SIP消息广播到所有的SIP客户端。组播地址可以通过配置文件或者动态获取的方式来确定，并且需要保证组播地址的唯一性，避免不同的组播会影响到SIP的正常通信。

4.意义和贡献

本方案提供了一种新的SIP穿越NAT的方案，解决了传统的STUN、TURN、ICE等技术的实现难度大和穿越NAT的成功率低的问题。采用基于应用层路由的方式，将NAT设备的公网IP地址和端口号加入到SIP消息中，并通过UDP多播组将消息广播到所有的SIP客户端，从而实现了SIP通信的穿越NAT。

本方案具有以下几个优势：

-实现简单：方案的实现非常简单，在SIP应用层中增加新的扩展字段，再次UDP多播组进行广播即可。

-成功率高：通过UDP多播组可以将消息广播到所有的SIP客户端，从而提高了穿越NAT的成功率。

-可靠性高：由于采用UDP多播组的方式进行消息广播，可以保证消息的可靠性和稳定性。

因此，本方案具有一定的实用性和推广价值，在SIP通信领域有一定的应用前景。