前言

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。

客户端侧无需关心所处网络的位置以及NAT类型，并且能够动态的发现最优的传输路径。

Classic STUN（RFC3489）的劣势:

Classic STUN 有着诸多局限性，例如:

不能确定获得的公网映射地址能否用于P2P通信
没有加密方法
不支持TCP穿越
不支持对称型NAT的穿越
不支持IPV6

STUN（RFC5389）协议

RFC5389是RFC3489的升级版

支持UDP/TCP/TLS协议
支持安全认证

ICE利用STUN（RFC5389） Binding Request和Response，来获取公网映射地址和进行连通性检查。同时扩展了STUN的相关属性:

PRIORITY:在计算candidate pair优先级中使用
USE-CANDIDATE:ICE提名时使用
tie-breaker:在角色冲突时使用

TURN协议

ICE使用TURN（RFC 5766）协议作为STUN的辅助，在点对点穿越失败的情况下，借助于TURN服务的转发功能，来实现互通。端口与STUN保持一致

TURN消息都遵循 STUN 的消息格式，除了ChannelData消息。

支持UDP/TCP/TLS协议，适用于UDP被限制的网络。
支持IPV6。

TURN的流程:

创建Allocation：

client 使用allocation transaction创建relay 端口，并在allocation的响应中回复给client。

当allocation创建后需要使用refresh request来保活，默认lifetime为10分钟。

创建Permission：

由allocation创建Permission，每个Permission 由 IP 地址和lifetime组成。

有两种方法来创建和刷新Permission

CreatePermission
ChannelBind

收发数据：

CreatePermission使用Send and Data indication消息
ChannelBind使用ChannelData消息

ICE介绍

ICE 的角色

分为 controlling和controlled。

Offer 一方为controlling角色，answer一方为controlled角色。

ICE的模式

分为FULL ICE和Lite ICE：

FULL ICE:是双方都要进行连通性检查，完成的走一遍流程。

Lite ICE: 在FULL ICE和Lite ICE互通时，只需要FULL ICE一方进行连通性检查， Lite一方只需回应response消息。这种模式对于部署在公网的设备比较常用。

Candidate

媒体传输的候选地址，组成candidate pair做连通性检查，确定传输路径，有如下属性：

Type 类型有：

Host/Srvflx/Relay/Prflx

Componet ID

传输媒体的类型,1代表RTP;2代表 RTCP。

WebRTC采用Rtcp-mux方式，也就是RTP和RTCP在同一通道内传输，减少ICE的协商和通道的保活。

Priority

Candidate的优先级。

如果考虑延时，带宽资源，丢包的因素，Type优先级高低一般建议如下顺序：

host > srvflx > prflx > relay

Base

是指candidate 的基础地址。

Srvflx address 的base 是本地host address。

host address和 relayed address 的base 是自身。

Candidate pair

由本端和远端candidate组成的pair，有自己的优先级。

pair优先级的计算是取决candidate的priority。

priority = 2^32*MIN(G,D) + 2*MAX(G,D) + (G>D?1:0)

G:controlling candidate 优先级

D:controlled candidate 优先级

ICE选择高优先级的candidate pair。

Checklist

由candidate pair生成按优先级排序的链表,用于ICE连通性检查。

Validlist

由连通性检查成功的candidate pair按优先级排序的链表,用于ICE提名和选择最终路径。

ICE过程

Gather candidates

根据Componet ID:

获取本机host address.
从STUN服务器获取 srvflx address.
从TURN服务器获取 relay address.
同时生成foundation。

删除重复的candidate

收集地址完成后，需要去掉重复的candidate，如果两个candidate的地址一样，并且Base地址也一样，则删除它。

交换candidates

ICE 使用offer/answer方式，双方通过SDP协商交换candidate信息.

Candidate信息包括type,foundation,base,component id,transport

SDP a行格式如下:

“a=candidate:1 1 UDP 9654321 212.223.223.223 12345 typ srflx raddr 10.216.33.9 rport 54321”

表示 foundation为1，媒体是RTP，采用UDP协议，公网映射地址为212.223.223.223:12345，优先级为9654321，type为srflx，base地址为10.216.33.9:54321

生成candidate pairs

在本端收到远端candidates后，将Component ID和transport protocol相同的candidates组成pair。

修整candidate pair，如果是srvflx地址，则需要用其base地址替换。

对端也是同样的流程。

生成checklist

将candidate pairs按照优先级排序，生成checklist，供连通性检查使用。

连通性检查

Ordinary checks 两端都按照各自checklist分别进行检查。

Triggered checks 收到对端的检查时，也在对应的candidate pair上发起连通性检查，以提高效率

如果checklist里有relay candidate，则必须首先为relay candidate创建permission。

发送连通性检查请求

ICE 使用STUN binding request/response，包含Fingerprint检验校验机制。

如果A收到B的response，则代表连通性检查成功，否则需要进行重传直到超时。

在建立连接时，如果没有响应，则会以RTO时间进行重传，每次翻倍，直到最大重传次数。

STUN请求采用STUN short-term credential方式认证，

STUN USERNAME属性 ”RemoteUsername：localUsername”

两端在SDP协商时交换ice-pwd和ice-ufrag，以得对端用户名和密码。

STUN 检查请求中需要检查地址的对称性，请求的源地址是响应的目的地址，请求的目的地址是响应的源地址，否则都设置状态为 Failed。

生成validlist

将连通性检查成功的candidate pair并按优先级排序加入validlist，这时本地candidate填写的是公网映射地址，remote candidate填写的是对端发送的STUN binding request地址。

提名candidate pair

由controlling来提名哪对candidate pair为valid pair

提名方式又分为普通提名和进取型提名

普通提名方式会做两次连通性检查，在第一次做连通性检查时不会带上USE-CANDIDATE属性，而是在生成的validlist里选择pair再进行一次连通性检查，这时会带上USE-CANDIDATE属性，并且置位nominated flag。

进取型方式则是每次发送连通性检查时都会带上USE-CANDIDATE属性，并且置位nominated flag，不会再去做第二次连通性检查。

选择最终传输地址

ICE在提名的valid pair里选择优先级最高那对作为本次ICE流程传输地址。

ICE状态

Waiting：还未开始连通性检查，从checklist中选择合适优先级的pair进行检查
In-Progress：连通性检查已经开始，但还未结束
Succeeded：该pair 连通性检查已经完成并且成功
Failed：失败
Frozen：连通性检查还未开始

ICE保活

对于每个ICE通道，都需要为其会话进行保活。
采用STUN binding request或者STUN binding indication。
如果没有收到响应，则会重传，直到最大重传次数。

ICE角色冲突解决

当两端角色都为controlling或者controlled角色冲突时，在连通性检查阶段，要求发送binding request消息里必须要带上tie-breaker属性。
当出现冲突时，比较tie-breaker大小，值比较大的则被认为是controlling，同时回应487错误给对端，对端收到487错误后切换角色。

结束语

随着WebRTC的应用越来越普遍，无论是Native端还是Web端，由于广泛的适应能力以及对未来网络的支持，ICE作为一种综合的解决方案将有着非常广阔的应用前景。

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