P2P学习（三）网络传输基本知识---STUN协议（一）
一：STUN协议介绍
（一）STUN协议简介
STUN 存在的目的就是进行NAT穿越，NAT有四种类型，每种类型如何穿越，它的基本原理是什么，都是属于STUN协议中的一部分。
（二）RFC STUN规范
RFC STUN规范中，实际上有两套STUN规范：
规范一：RFC3489
STUN的全称是Simple Traversal of User Datagram Protocol (UDP) Through Network Address Translators (NATs)，即穿越NAT的简单UDP传输，
是一个轻量级的协议，允许应用程序发现自己和公网之间的中间件类型，同时也能允许应用程序发现自己被NAT分配的公网IP。
它就是将STUN定义成简单的通过UDP进行NAT穿越的一套规范，也就是告诉你如何一步一步通过UDP进行穿越，但是这套规范在穿越的过程中还是存在很多问题，尤其是现在的网络
路由器对UDP的限制比较多，有的路由器甚至不允许进行UDP传输，所以这就导致了我们通过RFC3489这套规范进行NAT穿越的时候它的失败率会非常高。所以为了解决这个问题，
又定义了另一套标准，RFC5389.
规范二：RFC5389
1.RFC5389中，STUN的全称为Session Traversal Utilities for NAT，即NAT环境下的会话传输工具，是一种处理NAT传输的协议，但主要作为一个工具来服务于其他协议。
和STUN/RFC3489类似，可以被终端用来发现其公网IP和端口，同时可以检测端点间的连接性，也可以作为一种保活（keep-alive）协议来维持NAT的绑定。
和RFC3489最大的不同点在于，STUN本身不再是一个完整的NAT传输解决方案，而是在NAT传输环境中作为一个辅助的解决方法，同时也增加了TCP的支持。
RFC5389废弃了RFC3489，因此后者通常称为classic STUN，但依旧是后向兼容的。而完整的NAT传输解决方案则使用STUN的工具性质，ICE就是一个基于offer/answer方法的完整NAT传输方案，如SIP。
2.RFC5389是在RFC3489的基础上又增加了一些功能，但是它对整个STUN的描述就不一样了, 它是把STUN描述成一系列穿越NAT的工具，所以都叫STUN，但是他们的含义完全就不一
样了。RFC5389在UDP尝试可能失败的情况下，尝试使用TCP，也就是说RFC5389是包括UDP和TCP的两种协议进行NAT穿越的，这是两套规范最本质的区别。当然在协议的具体内
容上，包括协议头还有协议体中的属性都有很多的变化，但是那些都不是最关键的，最关键的是RFC5389里面将TCP纳入进来。你可以通过TCP进行穿越。
这是STUN 的RFC的两套规范。大家一定要清楚，尤其是查文档的 时候一定要清楚查询的是哪一套规范。
二：STUN协议详解
STUN是一个C/S架构的协议，支持两种传输类型：
一种是请求/响应（request/respond）类型，由客户端给服务器发送请求，并等待服务器返回响应；
另一种是指示类型（indication transaction），由服务器或者客户端发送指示，另一方不产生响应。
两种类型的传输都包含一个96位的随机数作为事务ID（transaction ID），
对于请求/响应类型，事务ID允许客户端将响应和产生响应的请求连接起来；
对于指示类型，事务ID通常作为debugging aid使用。
所有的STUN报文信息都含有一个固定头部（类型+长度+事务ID，3个字段），包含了方法，类和事务ID。
方法表示是具体哪一种传输类型---由type字段剩下的12位决定（两种传输类型<RFC3489中有两种>又分了很多具体类型），STUN/RFC5389中只定义了一个方法，即binding（绑定），其他的方法可以由使用者自行拓展；
Binding方法可以用于请求/响应类型和指示类型，用于前者时可以用来确定一个NAT给客户端分配的具体绑定，用于后者时可以保持绑定的激活状态。类表示报文类型是请求/成功响应/错误响应/指示---由（C0C1）决定。
在固定头部之后是零个或者多个属性（attribute），长度也是不固定的。
下面我们就具体看看这个STUN协议：
STUN这个协议它是包括了消息头和消息体，消息头是20字节固定的消息头，Body中可以有0个或者多个Attribute属性，后面我们会介绍属性的作用。
（一）消息头（固定20字节）
第三个是事物ID，它是16字节或128bit组成，它的作用就是请求和响应事物是相同的ID，用于请求与响应的匹配的：
比如我客户端发送了好几个请求，那服务端对于每一个请求都要返回一个响应 ，那怎么知道某个响应是对应到的请求呢，就通过这个事物ID。如果它事物ID号相同，说明这两是匹配的，整个逻辑就知道怎么做了，否则的话就很难判断。
所以它有三部分组成，第一是两个字节的类型，第二是两个类型的消息长度，不包括这个消息头，第三个是16字节的128位的事物ID，请求与响应的匹配。这个是消息头。
消息头的格式：
上图的格式是最新的RFC5389的格式，刚刚我们上面说三个的是RFC3489，那么RFC5389和RFC3489之间有什么区别呢？
首先我看消息类型，消息类型的最低两位必须是 0 0，就是RFC5389最新的协议 ，这是第一点的不同；
第二点的不同是，事物ID，老的里面是128位事物ID，在新的里面是 96位，其中有32位单独划出来了单独作为 Magic Cookie，一个魔法数，
以上两点就是RFC3489和5389的STUN消息头的区别。
下面我们再来看每一项，首先是这个STUN Message Type（2字节==16位）
1.前两位必须是00，以区分复用同一端口时STUN协议：就是不同的两个STUN协议复用同一个端口的时候，用它来区分哪个是最新的STUN协议RFC5389，哪个是老的STUN协议RFC3489，这是两位00的作用。
2.剩下的14位中有两位用于分类，就是C0和C1，C0和C1是占两位，所以它有四种类型，也就是四个分类，第一种是请求，第二种是指示，第三种是成功，第四种是错误应答，所以它将Message Type消息类型分成了四类。
3.剩下的12位是用于定义请求和指示，比如1代表绑定，2代表私有消息隐私数据，……，但是在STUN 3489里面定义了两个，就是用这12位定义了两种，但是5389里面就一种，一种就够了。
下图就是STUN Message Type的结构中的C0C1用于分类：
14位其中C0和C1分别在上图中两个不同位置，两个不是放在一起的，它是隔着的，隔着有什么好处，就是按照16进制的话，我们4位为一组，所有的M代表的是请求的值，C是分类，
这样划分，四个一组，第一组里面全都是请求，都是消息类型，第二组里面代表分类，第三组里面又代表另外一种分类。所以这两个进行不同的组合就能分成不同的类型了。
我们来看 C1C0：
C1C0第一个是C1第二个是C0。因为这个C1是处于这个高字节（存放在左侧低地址），对于网络数据对于协议分析对于二进制数据处理的人来说，这些都是比较容易理解的，对于没有接触过这些知识的
人可能稍微有点麻烦。
0b00:表式是一个请求
0b01:表示是一个指示
0b10:表示是请求成功的响应
0b11:表示是请求失败的响应
所以这里我们只要记住成功响应和失败的响应就好了。
下图就是STUN Message Type的结构中的最后12位定义的不同消息类型：
下面我们就可以看一下STUN的消息类型，它一共定义了6个消息类型，这个就是STUN的消息类型，但是RCF5389就将这个私密类型去掉了。就剩下一个 ，那完全够用了。
通过大小端模式理解C0C1：
对于这部分类型，为什么要了解呢，就是后面要对C0和C1要做详细的解释。
大端模式：数据的高字节保存在内存的低地址中
小端模式：数据的高字节保存在内存的高地址中
网络字节顺序：采用大端排序方式
了解这个模式之后，我们在聊C0和C1它是怎么排序的，大家就会很清楚它是怎么排序的。
图片为内存图，左侧为低地址，右侧为高地址！
网络字节排序采用大端，所以对于数据0x0001左侧（数据高字节）在内存的低地址中，先进行发送。如下图所示：0x0001中的1为数据低字节，却存放在内存最右侧（高地址）中！
0x0001:结合C1C0，可以知道，00是表示是一个请求消息
0x0101:C1为1,C0是0,是请求成功响应消息
0x0111:C1为1,C0是1,是请求失败的响应
其中最后一个数字表示具体的请求（是前面所提到的12位中的内容，1表示绑定）
下面这个字段是事物ID
新的RFC5389将它分成了两部分，前四个字节也就是32位是一个magic cookie，magic就是一个魔法数了，在这里是固定的0x2112A442，所以我们看到固定的值是这个的话，就是
RFC5389否则就是RFC3489。
1.前面4字节，32位，固定值0x2112A442. 通过它可以判断客户端是否可以识别某些属性。
通过它是可以识别客户端是否可以识别某些属性，因为不同的规范属性实际上是有变化的，所以你看到 这个魔法数之后就是RFC5389, RFC5389定义了一些新的属性，如果不是的
话，这些新的属性就可以忽略掉。
2.后面12字节 ，96位，标识同一个事物的请求和响应
剩下的12个字节，96位，标识同一个事物的请求和响应，当我们客户端发送多个请求的时候，就能通过这个事物ID将服务端返回的响应与之前发送的请求进行一一匹配。
字段是个96位的标识符，用来区分不同的STUN传输事务。对于request/response传输，事务ID由客户端选择，服务器收到后以同样的事务ID返回response；对于indication则由发送方自行选择。
事务ID的主要功能是把request和response联系起来，同时也在防止攻击方面有一定作用。服务端也把事务ID当作一个Key来识别不同的STUN客户端，因此必须格式化且随机在0~2^(96-1)之间。
重发同样的request请求时可以重用相同的事务ID，但是客户端进行新的传输时，必须选择一个新的事务ID。
（二）消息体
下面再看STUN Message Body 消息体，消息头后有0或多个属性。每个属性都使用TLV(动态)编码：Type,Length,Value
Length字段：
Value这个值是可以变化的，变化的程度怎么知道有多长呢？通过这个Length，这个Length标示了Value的长度，最终的消息是一个32位对齐的，如果最后不是32位对齐，要通过补0来达到对齐，这是整个Body。
字段存储了信息的长度，以字节为单位，不包括20字节的STUN头部。由于所有的STUN属性都是都是4字节对齐（填充）的，因此这个字段最后两位应该恒等于零，这也是辨别STUN包的一个方法之一。
Type字段：
为属性的类型。任何属性类型都有可能在一个STUN报文中出现超过一次。
除非特殊指定，否则其出现的顺序是有意义的：即只有第一次出现的属性会被接收端解析，而其余的将被忽略。为了以后版本的拓展和改进，属性区域被分为两个部分。
Type值在0x0000-0x7FFF之间的属性被指定为强制理解，意思是STUN终端必须要理解此属性，否则将返回错误信息；
而0x8000-0xFFFF之间的属性为选择性理解，即如果STUN终端不识别此属性则将其忽略。
目前STUN的属性类型由IANA维护。
这里列举定义的属性Type：
这里简要介绍几个常见属性的Value结构：
1.MAPPED-ADDRESS
MAPPED-ADDRESS同时也是classic STUN的一个属性，之所以还存在也是为了前向兼容。其包含了NAT客户端的反射地址， Family为IP类型，即IPV4(0x01)或IPV6(0x02)，Port为端口，Address为32位或128位的IP地址。
注意高8位必须全部置零，而且接收端必须要将其忽略掉。
2.XOR-MAPPED-ADDRESS
XOR-MAPPED-ADDRESS和MAPPED-ADDRESS基本相同，不同点是反射地址部分经过了一次异或（XOR）处理。对于X-Port字段， 是将NAT的映射端口以小端形式与magic cookie的高16位进行异或，再将结果转换成大端形式而得到的，X-Address也是类似。 之所以要经过这么一次转换，是因为在实践中发现很多NAT会修改payload中自身公网IP的32位数据，从而导致NAT打洞失败。
3.ERROR-CODE
ERROR-CODE属性用于error response报文中。其包含了300-699表示的错误代码，以及一个UTF-8格式的文字出错信息（Reason Phrase）。
另外，错误代码在语义上还与SIP和HTTP协议保持一致。比如：
300：尝试代替(Try Alternate)，客户端应该使用该请求联系一个代替的服务器。这个错误响应仅在请求包括一个
USERNAME属性和一个有效的MESSAGE-INTEGRITY属性时发送；否则它不会被发送，而是发送错误代码为400的错误响应；
400：错误请求(Bad Request)，请求变形了，客户端在修改先前的尝试前不应该重试该请求。
401：未授权(Unauthorized)，请求未包括正确的资格来继续。客户端应该采用一个合适的资格来重试该请求。
420：未知属性(Unknown Attribute)，服务器收到一个STUN包包含一个强制理解的属性但是它不会理解。
服务器必须将不认识的属性放在错误响应的UNKNOWN-ATTRIBUTE属性中。
438：过期Nonce(Stale Nonce)，客户端使用的Nonce不再有效，应该使用响应中提供的Nonce来重试。
500：服务器错误(Server Error)，服务器遇到临时错误，客户端应该再次尝试。
此外还有很多属性，如USERNAME，NONCE，REALM，SOFTWARE等，具体可以翻阅RFC3489。
属性的使用时机：（与具体有出入，以抓包内容为主）
M：必须 O：可选 N/A：没有 C：客户端使用
