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：(1)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

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