解析软交换系统中的私网地址转换

概述
近年来，随着网络向分组化方向发展，VOIP、软交换等技术开始越来越多地应用于网络。这些新技术在为用户带来更多服务选择的同时，自身也面临许多需要解决的问题，网络中大量使用私有IP地址就是其中之一。 
1、问题的产生

先来简单介绍一下软交换系统的用户接入方式。从软交换机放置的等级区分，大致可分两类：通过PSTN接入，软交换机位于汇接局/长途局；(2)通过IP网接入，软交换机相当于本地端局，如图1所示。   

软交换用户接入方式

第一种接入方式，通过原有的PSTN交换机接入，和传统方式相比用户侧没有任何变化，也不存在IP地址问题；第二种接入方式(包括IP-IP、IP-PSTN等)，IP多媒体用户通过IP网接入，必须分配IP地址。由于IPv4本身地址空间有限，且分配不均，随着互联网用户的飞速发展，IP地址匮乏情况越来越严重，因此运营商、企业用户等大量采用私有IP地址。据估计目前网上使用私有IP地址的设备数量远远超过使用合法IP地址的设备数量。

这些私网用户在访问公网时，一般采用NAT+PAT技术来解决地址转换问题。当私网内部设备试图访问外部网络时，NAT(网络地址转换)技术可将其私有的IP地址转换成合法的IP地址。动态的端口转换(PAT)技术可解决合法IP地址紧缺的问题，PAT将私有地址+TCP/UDP端口转换并为一个合法地址+一个TCP/UDP端口，这样可有多个私有地址对应一个合法地址，用不同的TCP/UDP端口进行区分。NAT与PAT通常被同时使用，称为网络地址端口转换(NAPT)。

NAPT一般只完成IP层地址的转换，而软交换协议(如H.323、SIP、MGCP等)需要依靠封装在高层的地址信息完成通信。一方面，由于NAPT不能相应地修改这些封装在协议包内的地址，使软交换系统无法获得终端正确的地址信息，结果造成无法建立通信；另一方面，私网设备只有在向外部主动发起连接时，才会被分配到合法IP和端口号。若不做特殊处理，设备对外部网络来说是不可见的，也无法接受软交换发来的呼叫请求。 

目前业界有多种解决私网穿越的方案。完善的方案应能解决私网穿越中可能遇到的各种问题，如NAT、PAT、对称NAT(Symmetric NAT)、防火墙等，另外在建设时对现有IP承载网和软交换系统的影响要尽可能小。本文介绍两种被多数厂家采用，并已有成熟产品的方案：ALG和SBC。

2、ALG解决方案 

ALG(应用层网关，Application Layer Gateway)要求设备有识别应用程序的功能。在软交换系统中，ALG需要支持IP语音和多媒体协议(H.323、SIP、MGCP/H.248)。ALG方案的组网模型见图2。  

ALG组网方案

以SIP协议为例，简述ALG工作原理(MGCP、H.248和H.323情况类似)。假设图2中终端A、C都是SIP终端，软交换机是SIP代理。位于私网的终端A用户通过公网的SIP代理向终端C发出INVITE请求，并创建相应的SDP消息体。当消息通过ALG时，ALG会分析IP包头、UDP包头及SIP/SDP消息体，并用ALG外部端口的合法IP地址和临时分配的UDP端口号来替换相应的终端A的私网地址和端口号。如表1所示。 

ALG网关将转换后的消息发往SIP代理(软交换)，呼叫接续流程的其它信令消息、转换方式与INVITE类似。SDP描述中RTP信息也相应被ALG修改，这样，参与通信的终端都能获得正确的IP地址和端口信息。如图2所示，当呼叫建立后，终端A、C间的RTP媒体流通过ALG事先分配的端口建立连接。 
另外，如果ALG判断出两台终端在同一私网内(如图2中终端A、终端B)，将不对IP包做修改，终端A、B可直接用自己的私有地址建立RTP连接。 
ALG方式不需要对软交换协议和终端做任何修改，是比较简单的解决方式。在实际应用中，ALG可以是私网原有NAT/防火墙的一部分，也可是与原有NAT/防火墙并列的新增设备。本文建议采用后一种方式，这样可以避免原有设备升级对网络的影响，同时也便于软交换系统的管理，尤其在IP承载网和软交换系统由不同运营商所有的情况。不过，由于ALG放置在客户端，在软交换大规模部署时，对现网改造的工作量还很大。另外，当有新的应用出现时，需要对所有ALG进行升级来支持新的应用协议。 
图2所示的方案中，数据应用仍通过网络中原有的NAT访问互联网，软交换应用则通过ALG与公网连接。由于ALG本身可具有防火墙和高层安全应用功能，可以设置只允许通过软交换消息和媒体流，只要选择适当的ALG产品，采用这种建设方案并不会降低原有网络的安全性。
3、SBC解决方案 
SBC(边界会话控制器，Session Border Controller)是目前主要的解决方案。与ALG设置在用户侧不同，SBC一般设置在软交换侧，该方案的优点是无需改动现有的NAT设备。 
SBC方案的组网模型参见图3。  

SBC组网方案

不同厂商的系统呼叫流程可能不同，有的系统终端直接向SBC注册，所有消息和媒体流都需要经SBC转接；还有的系统则首先由软交换来判断是否需要SBC介入。两种方式SBC在地址转换功能上工作原理大同小异，以下以第一种方式为例简要介绍。 
当终端向软交换注册时，SBC会给每个终端分配一个信令代理端口，所有消息都会经过这个端口转发给软交换，同时SBC会用自身地址和这个端口来替换消息体中终端的地址信息。因此在软交换系统中维护的用户地址信息，实际上是SBC的地址和SBC分配给终端的端口号。 
如图3所示，呼叫建立时，SBC会给终端分配一对RTP代理端口(收、发)，并以此替换SDP消息中对RTP接收端口的描述，再转发给软交换。即：每个终端收到的对方RTP信息实际上是SBC分配的RTP代理端口号，RTP流经SBC在两个终端间建立连接。 
一般NAPT为私网终端分配的UDP端口有一定生命期(如40s)，因此SBC和终端间要有某种机制来保持这个端口始终对终端开放。如，SIP终端可定期向SBC发注册信息；而对MGCP系统，软交换收到终端RSIP消息后，可定期向终端发AUEP消息，强制终端回应，来保持NAPT上相应端口开放。 
由于所有消息和媒体流都是经过同一SBC转接，这就解决了对称NAT(Symmetric NAT)问题。 
需要指出，在软交换系统中，SBC还可实现很多重要功能，如防止带宽盗用、安全管理、QoS管理、合法监听等，本文仅涉及其中的私网穿越功能。引入SBC可使软交换系统更加完善，但也带来了新问题：如果所有消息和媒体流都需要经过SBC转接，似乎与软交换呼叫控制与承载分离的设计思想不符，SBC有可能会成为整个系统的瓶颈。 
4、结束语 
业内还有其它解决私网穿越的方案，具体采用哪种方法，要综合考虑承载网现状、相关设备的成熟度、软交换系统要实现的功能、规模等来确定。如上文提到的，这一问题的根源在于IPv4系统本身的限制，未来IPv6网络将会从根据上解决这一问题，也将会给软交换带来更广阔的发展空间。