coturn技术白皮书：架构设计与实现原理
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项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/coturn
引言
在实时通信领域，NAT（网络地址转换）穿越一直是开发者面临的主要挑战之一。coturn作为一款开源的TURN（Traversal Using Relays around NAT）服务器，为解决这一问题提供了强大的解决方案。本文将深入探讨coturn的架构设计与实现原理，帮助读者全面了解这款高性能TURN服务器的内部工作机制。
核心功能与协议支持
coturn实现了STUN（Session Traversal Utilities for NAT）和TURN协议，支持多种RFC标准，为实时通信应用提供了可靠的NAT穿越能力。
支持的STUN协议
coturn支持以下STUN相关协议：
- RFC 3489 - "classic" STUN
- RFC 5389 - 基础"new" STUN规范
- RFC 5769 - STUN协议测试向量
- RFC 5780 - NAT行为发现支持
- RFC 7443 - STUN & TURN的ALPN支持
- RFC 7635 - oAuth第三方TURN/STUN授权
支持的TURN协议
coturn实现了以下TURN相关协议：
- RFC 5766 - 基础TURN规范
- RFC 6062 - TURN的TCP中继扩展
- RFC 6156 - TURN的IPv6扩展
- RFC 7443 - STUN & TURN的ALPN支持
- RFC 7635 - oAuth第三方TURN/STUN授权
- RFC 8016 - 使用TURN的移动性支持
客户端到TURN服务器协议
coturn完全支持以下客户端到TURN服务器的协议：
架构设计
coturn采用模块化设计，主要由监听器（Listeners）、中继服务器（Relay Servers）和网络引擎（Network Engines）组成。这种架构使得coturn能够高效处理大量并发连接，并提供良好的可扩展性。
整体架构概述
coturn的网络架构主要包含以下几个关键组件：
- 监听器（Listeners）：负责与新客户端建立初始对话
- 中继服务器（Relay Servers）：在监听器建立初始连接后接管客户端会话
- 网络引擎（Network Engines）：处理不同操作系统下的网络I/O模型
监听器（Listeners）
在coturn中，"监听器"是与新客户端发起对话的实体。当新客户端向TURN发送第一个数据包时，它最初被UDP监听器（dtls_listener.c中的代码）或TCP监听器（tls_listener.c中的代码）接受。
监听器能够识别新会话是TLS会话还是"普通"协议会话，并处理必要的SSL密钥和协商。然后，监听器创建一个客户端端点（取决于协议和"网络引擎"）。
监听器（和中继服务器）的配置在netengine.c中的setup_server()函数中启动。首先，setup_listener()为监听器创建必要的通用数据结构。其次，特定于网络引擎的函数将监听器与执行线程和中继服务器相关联。
服务器中可能有多个监听器，它们可能在不同的线程中运行。
中继服务器（Relay Servers）
中继服务器在监听器建立初始联系后接管客户端会话。中继服务器将读取会话套接字（客户端和中继套接字）并根据TURN规范对它们执行必要的操作。
系统中可以有多个中继服务器，在不同的线程中运行。客户端会话以相当随机的方式在它们之间分配，以实现负载平衡。
中继服务器将负责会话，只要会话存在。它将专门处理所有会话通信。因此，会话将在其生命周期内保持在同一线程中。性能优势在于处理会话数据包时不会有CPU上下文切换。
网络引擎（Network Engines）
由于TURN对UDP通信要求较高，而不同操作系统具有不同的能力，因此coturn作为便携式服务器，必须为不同系统采用不同的策略。coturn实现了三种"网络引擎"（或"网络线程模式"）：
-
每个前端IP一个UDP监听器线程（FreeBSD，Solaris），带有多个UDP/TCP中继服务器。监听器和中继在不同的线程中。
-
每个前端IP一个UDP监听器和中继线程，带有多个TCP中继线程（早期Linux）。监听器和中继服务器相关联，形成对并在同一线程中工作。
-
每个前端IP多个UDP和TCP监听器和中继（高级Linux）。监听器和中继服务器相关联，形成对并在同一线程中工作。
关键模块实现
coturn的核心功能由多个关键模块实现，这些模块协同工作以提供高效的NAT穿越服务。
网络引擎实现
网络引擎的实现主要在netengine.c中，其中setup_server()函数负责初始化监听器和中继服务器的配置。网络引擎的具体实现可以在ns_ioalib_engine_impl.c中找到。
用户数据库支持
coturn支持多种用户数据库，包括：
- SQLite
- MariaDB/MySQL
- PostgreSQL
- Redis
- MongoDB
数据库驱动程序的实现位于src/apps/relay/dbdrivers/目录下，包括dbd_mongo.c、dbd_mysql.c、dbd_pgsql.c、dbd_redis.c和dbd_sqlite.c等文件。
认证机制
coturn实现了多种TURN认证机制：
- "经典"长期凭证机制
- TURN REST API（长期机制的修改版，用于基于秘密的限时认证）
- 实验性第三方基于oAuth的客户端授权选项
认证相关的代码可以在userdb.c中找到。
管理接口
coturn提供了以下管理接口：
- Telnet命令行接口
- HTTPS接口（http_server.c）
监控支持
coturn支持以下监控机制：
- Redis可用于状态和统计存储及通知
- Prometheus接口（prom_server.c）
性能优化
coturn在设计时就考虑了高性能和可扩展性，采用了多种技术来确保其能够处理大量并发连接。
高并发处理
为了实现高性能和可扩展性，TURN服务器实现了以下特性：
- 使用高性能工业级网络IO引擎libevent2
- 实现了可配置的多线程模型，允许充分利用可用的CPU资源（如果操作系统允许多线程）
- 可配置多个监听和中继地址
- 使用高效的内存模型
负载均衡
当作为ICE解决方案的一部分用于VoIP连接时，此TURN服务器每CPU可以处理数千个同时呼叫（当使用TURN协议时）或数万个呼叫（当仅使用STUN协议时）。为了实现几乎无限的可扩展性，可以使用负载平衡方案。负载平衡可以通过以下工具实现（其中一种或它们的组合）：
- 基于DNS SRV的负载平衡
- 内置300 ALTERNATE-SERVER机制（需要TURN客户端支持300响应）
- 网络负载均衡器服务器
有关性能调优的更多信息，请参见Performance.md。
配置指南
coturn提供了灵活的配置选项，允许管理员根据具体需求定制服务器行为。配置文件的示例可以在examples/etc/turnserver.conf中找到。
有关详细的配置说明，请参考官方文档Configuration.md和项目wiki页面。
部署与使用
coturn可以通过多种方式部署，包括直接从源代码编译、使用系统包管理器安装，或通过Docker容器部署。
从源代码构建
git clone https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/coturn
cd coturn
./configure
make
使用Docker部署
docker run -d -p 3478:3478 -p 3478:3478/udp -p 5349:5349 -p 5349:5349/udp -p 49152-65535:49152-65535/udp coturn/coturn
有关使用Docker容器的更多详细信息，请参见Docker Readme。
总结与展望
coturn作为一款成熟的开源TURN服务器，提供了强大的NAT穿越能力，支持多种协议和认证机制，具有高性能和良好的可扩展性。其模块化的架构设计使得它能够适应不同的网络环境和需求。
未来，coturn将继续跟进相关RFC标准的更新，不断优化性能，增加新的功能，以满足实时通信领域不断变化的需求。无论是WebRTC应用、VoIP服务还是其他需要NAT穿越的场景，coturn都将是一个可靠的选择。
要了解更多关于coturn的信息，请参考以下资源：
- 官方文档：README.md
- 开发者文档：docs/Developer.md
- 测试文档：docs/Testing.md
【免费下载链接】coturn coturn TURN server project 项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/co/coturn
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
