WebRTC第一课：网络架构与NAT工作原理

最新推荐文章于 2025-10-13 16:49:28 发布

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#webrtc #网络 #架构

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2023年下旬，OpenAI与Livekit的合作^[1]在科技圈引起了不小的轰动。这两家公司联手，通过WebRTC技术和大型语言模型（LLM）的结合，使AI模型具有了看、听和说话的能力^[2]。这一举动不仅彰显了WebRTC在现代通信技术中的重要地位，也为我们揭示了AI与实时通信融合的无限可能。WebRTC技术在大流行后再一次进入技术人的视野，恰好在我们今年打造的产品中，WebRTC也是技术栈的核心。

在去年9月份，我写了一篇WebRTC入门科普的文章：使用Go和WebRTC data channel实现端到端实时通信，在那篇文章中，我对WebRTC技术做了一些概述说明，并通过一个基于Go语言的实例，展示了如何实现端到端的实时通信。大家可以通过那篇文章了解WebRTC技术的基础概念和核心架构。

WebRTC端到端实时通信的效果主要取决于两个重要因素，一个通信质量，一个是音视频编解码质量。对于入门类文章来说，改进通信质量或音视频编解码质量还为时尚早，我们亟需了解的是其背后的原理。

在这篇文章以及后续的几篇文章中，我们先来关注一下“WebRTC网络通信”。我们会先了解一下WebRTC网络架构，然后对WebRTC中的难点，诸如NAT打洞、基于信令与ICE的建连等做深入分析。

在这篇文章中，我们先来学习NAT的工作原理，探讨不同类型的NAT网络行为是如何影响点对点通信的，为后续理解WebRTC的NAT打洞(也称为NAT穿透)和端到端建连做准备。

1. WebRTC网络架构

我们知道WebRTC（Web Real-Time Communication）是一种支持网页浏览器/应用进行端到端实时语音对话或视频对话的技术，其中支持端到端建立连接和后续数据传输的网络架构是十分重要的，这也是理解WebRTC技术栈的一个重点。下面是WebRTC网络架构图的示意图：

这个架构包含以下主要组件：

浏览器/App：这是进行WebRTC的端(Peer)，可以是浏览器，也可以是App。WebRTC API在浏览器中实现，使得web应用能够直接访问媒体设备和建立点对点连接。App也可以利用WebRTC的实现(比如Pion^[4])与对端进行RTC通信。
信令服务器(Signaling Server）：虽然不是WebRTC标准的一部分，但对于WebRTC建立连接至关重要，任何non-trivial的基于WebRTC的系统都会有专属的信令服务器，它会帮助通信双方交换会话描述协议（SDP）信息和ICE候选地址。这个在使用Go和WebRTC data channel实现端到端实时通信^[5]一文中介绍过，在后续的文章中还会有系统说明。
STUN服务器（Session Traversal Utilities for NAT）：该服务器可以帮助客户端发现自己的公网IP地址和端口，这个服务器是NAT打洞时所必须的。
TURN服务器（Traversal Using Relays around NAT）：当通过常规方式点对点连接失败时(通常是NAT打洞失败)，可以使用TURN服务器作为媒体数据的中继服务器使用。两端发送的数据都会要通过TURN的中继才能转发给对端。
ICE框架（Interactive Connectivity Establishment）：综合使用各种NAT打洞技术来协助两端建立连接，这个我们会在后面文章中系统说明。

我们看到这个架构略有些复杂，但该架构允许WebRTC应用在复杂的网络环境中建立直接的点对点连接，即使客户端位于NAT或防火墙后面。

2. 网络世界的真相：我们都在NAT后面

在理想的网络世界中，每个设备都有一个唯一的公网IP地址，可以直接相互连接和通信。这种理想状态下，网络是完全开放和对等的，没有任何障碍阻止设备之间的直接交互。

但现实情况却很骨感，出于IPv4地址空间的限制(IPv4地址的数量不够了)、网络管理以及网络安全的考虑，大多数设备都隐藏在NAT(网络地址转换)后面。

NAT（网络地址转换）技术于1994年由Egevang等人在RFC 1631^[6]中提出，旨在作为缓解IPv4地址不足问题的临时技术方案。通过将私有IP地址和端口映射到公共IP地址和端口，NAT使得在私有网络中的设备可以使用公共地址(共享一个或多个)访问互联网。

NAT转换示意图(来自维基百科)

这种技术的出现大大缓解了IPv4地址的紧张状况，并成为当时乃至现在(IPv6的推广与使用未及预期)网络地址管理的重要手段。不过，NAT技术的广泛应用也意味着大部分设备只有私网IP，无法从外网直接访问，这一定程度上限制了端到端的直接通信。另外，由于不同类型的NAT行为有所不同，进一步增加了端到端网络连接的复杂性。

注：私网IP地址是指在局域网（LAN）中使用的IP地址，这些地址不能在公共互联网(公网)中被路由。私网IP地址主要用于内部网络中设备之间的通信，通常用于家庭、企业或组织的网络。根据IETF的标准，私网IP地址的范围包括(以CIDR（无类域间路由）格式表示)：10.0.0.0/8、172.16.0.0/12和192.168.0.0/16。

于是便有了NAT打洞技术(N