CN103442224A - 一种基于nat穿透的视频监控访问策略和实现方法 - Google Patents

Abstract

一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，该方法包括网络协议、穿透服务器、代理服务器，其中所述的网络协议是指一套完整的NAT穿透流程，作为后续设备和服务器通讯的依据；所述的穿透服务器是指根据网络协议对设备端的通讯命令进行处理，以配合完成NAT穿透过程，并对主动注册到服务器上的设备进行基本管理；所述的代理服务器是指根据网络协议，对NAT穿透过程失败之后的设备和客户端之间通讯的数据进行转发；它通过简捷便利的设备配置，能够较好的处理现有技术中存在的一些问题和不足，达到一个较理想的效果。

Description

一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法

技术领域

本发明一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法主要涉及视频监控领域的多媒体数据网络传输技术，以及设备在私网下的远程监控技术，主要适用于安防视频监控领域。

背景技术

1）、近些年来由于信息技术的发展和家庭网络的普及，家用型视频监控需求已经日渐旺盛，同时对于视频监控设备的设置也提出简捷快速傻瓜化的需求；由于IPv4地址的匮乏，家用网络或者大部分手机的3G网络都是采用NAT的方式接入公网，使用传统监控方法不但配置繁琐而且服务器压力大传输效果不好。

2）、为了满足设备的远程监控需求，在传统的实现远程监控的方法中，大部分是采用DDNS加端口映射的方式；这种配置方式需要对网关路由器有一定的设定权限，但是这个需求在3G网络环境和一些集群管理的网络环境下无法实现，即无法满足视频远程监控的要求。

3）、为了满足设备的远程监控需求，在传统的实现远程监控的方法中，小部分采用媒体服务器转发的方式；但采用这种方式由于所有的视频数据都是要经过服务器转入转出，服务器负载会非常的重，又由于公网带宽的限制，所以能够同时能够支持的设备的是有限制的，不能做到庞大数量的设备支持，并且传输效果也不好。

4）、在基于NAT穿透的方式实现设备的远程监控需求的时候，由于国内网络环境的较为复杂；例如存在多个网络运营商，各网络运营商之间的通讯带宽不稳定，并且某些区域的网络环境还存在双线出口(指两个及以上网络运营商)的情况, 或者有些网关设备的NAT类型是对称型的情况；这些情况都是可能会对NAT穿透带来很多的困难，甚至造成穿透失败的情况；那么如何最大概率的提高这种网络环境下的穿透的成功率，以及在穿透失败的情况如果使用后续手段弥补，以对用户说来做到透明，这也是一个需要重要的课题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种通过简捷便利的设备配置，能够较好的处理现有技术中存在的一些问题和不足，达到一个较理想效果的基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法。

本发明采用的技术方案是：所述的一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，该方法包括网络协议、穿透服务器、代理服务器，其中所述的网络协议是指一套完整的NAT穿透流程，作为后续设备和服务器通讯的依据；所述的穿透服务器是指根据网络协议对设备端的通讯命令进行处理，以配合完成NAT穿透过程，并对主动注册到服务器上的设备进行基本管理；所述的代理服务器是指根据网络协议，对NAT穿透过程失败之后的设备和客户端之间通讯的数据进行转发。

所述的NAT穿透流程，它是在设备启动后主动登记到对应的服务器上去，并定期向注册的服务器上报自己的状态信息；当有客户端要求和设备建立数据通道的时候，先向服务器发起连接请求，在由服务器起到中间人的作用，将各自的外网地址信息相互的转送给对方，协助双方进行握手交互；设备端和客户端分别在收发服务发了对方的外网地址信息之后向该地址发送握手消息，并在收到握手消息之后，向对方发送握手确定以表示握手成功；一旦握手成功，数据通讯以点对点的方式在设备和客户端之间极性，服务器完全退出通讯过程；

所述的穿透服务器主要为了穿透过程中给双方提供一些基本信息；穿透服务器维持一张设备信息表，记录设备标号对应到设备外网地址的对应关系信息；按照协议当服务器收到连接请求时首先查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手；为适应国内多个网络运营商并存的情况，我们需要搭建多台NAT穿透服务器且每台服务器支持多运营商连接。同时采用NAT穿透服务器之间采用DNS动态随机分配策略实现服务器的负载均衡。

所述的代理服务器主要为了在穿透失败的情况下，对客户端和设备之间通讯的数据进行转发；其中主要维持一张代理登记表和一张收发映射表，在代理登记表中记录设备编号和对应的外网地址，在收发映射表中记录网络地址和网络地址的对应关系，即从哪个地址收到的数据要送往的目的地址信息；当收到一个代理登记命令时会在代理登记表中记录一条信息，并且同时根据目的设备编号进行匹配；如果匹配成功则添加到收发映射表中去。至此建立了一条数据代理通道，后续收到的数据自动就从这个通道进行转发；并在代理机制中引入分时共享的策略，在对一些带宽资源不能满足全部客户端需求的情况下，让每个客户分时复用，避免竞争中客户端饿死的情况。

本发明所述的NAT穿透流程包括如下几个步骤，设备注册，连接请求，握手确认，其中：

1）设备注册：设备上电运行后根据用户配置的NAT服务器的域名到DNS服务器中去查询对应的IP地址信息，获得之后，向该IP地址对应的穿透服务器发送心跳请求，该信息中包含了设备的编号；穿透服务器收到设备端发送来的心跳请求之后，首先根据这个编号和对应数据包的外网地址来构建起一张设备信息表，并向设备端发送心跳应答；此时设备和穿透服务器之间的连接就算建立成功了，同理在开启客户端的时候也会重复上述设备端的功能，向以穿透服务器2发送心跳请求，以建立和服务器2之间的正常连接；

2）连接请求：当有客户端需要和设备进行数据通讯的时候，首先新建连接，并通过这个连接向自己所在的穿透服务器发送连接请求；穿透服务器在拿到这个命请求之后，首先会查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手；如果不存在则向集群中的其他穿透服务器转发该连接请求，让其它服务协助穿透；当其它服务器收到转发过来的连接请求时，向设备端发送连接邀请，以通知其进行反向连接，当设备端收到转发过来的连接邀请之后，也会新建连接，并且通过这个连接反向地向客户端发送连接请求，服务器收到后会重复上述的处理过程，至此设备端和客户端都可以收到连接应答，从而触发了设备端和客户端的新建连接之间的握手过程，至此进入下一个握手过程阶段；

3）握手过程：当设备端或客户端在收到连接应答的时候，就会向对方的外网地址发送握手信息，并等待对方的握手应答；一旦收到握手应答，则P2P建立成功，就表示整个NAT穿透连接成功完成。

所述的NAT穿透流程在单服务器情景下，以及设备端客户端都是单线，即一个网络运营商的模式下，包括了如下几个步骤：

1）代理登记：当在穿透过程失败的情况下，设备端会向对应的代理服务器发送代理登记，当代理服务器收到代理登记命令时在本地的代理登记表中记录一下该设备的编号和对应的外网地址信息，并根据代理登记包中指定的目的连接的编号进行尝试匹配，同时客户端也会向对应的代理服务器发送代理登记；同理代理服务器也会在本地的代理登记表中记录一下该设备的编号和对应的外网地址信息；因为此时客户端和设备都登记完成，在尝试匹配的时候可以成功，会添加到一条记录到收发映射表中去；至此建立成功了一条数据代理通道，对后续收到的数据可以进行转发；

2）握手确认：设备端和客户端在代理登记成功之后，会尝试想代理服务器发送握手消息，并等待对方的握手应答，因为此时数据代理通道已经建立成功，握手消息可以到达对方，一旦收到握手应答，则P2P建立成功，就表示代理连接成功完成。

本发明在应对如双线出口的网络环境的时候，采用一种新的策略，即向集群中的多台服务器同时查询自己外网信息的方式，尽可能获知自己所处的网络情况。这样可在握手过程中，将这些信息通过服务器转发给客户端，让其尝试从多个不同的外网地址进行连接，以较大提高穿透的成功概率。

本发明通过简捷便利的设备配置，能够较好的处理现有技术中存在的一些问题和不足，达到一个较理想的效果。

附图说明

图1是本发明的整体穿透流程图。 

图2是本发明的代理流程图。  

图3是本发明的协议格式表。     

图4是本发明的典型网络场景的消息交互路线图。

图5是本发明的双线网络场景的消息交互路线图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明做详细的介绍：本发明所述的一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，该方法包括网络协议、穿透服务器、代理服务器，其中所述的网络协议是指一套完整的NAT穿透流程，作为后续设备和服务器通讯的依据；所述的穿透服务器是指根据网络协议对设备端的通讯命令进行处理，以配合完成NAT穿透过程，并对主动注册到服务器上的设备进行基本管理；所述的代理服务器是指根据网络协议，对NAT穿透过程失败之后的设备和客户端之间通讯的数据进行转发。

所述的NAT穿透流程，它是在设备启动后主动登记到对应的服务器上去，并定期向注册的服务器上报自己的状态信息；当有客户端要求和设备建立数据通道的时候，先向服务器发起连接请求，在由服务器起到中间人的作用，将各自的外网地址信息相互的转送给对方，协助双方进行握手交互；设备端和客户端分别在收发服务发了对方的外网地址信息之后向该地址发送握手消息，并在收到握手消息之后，向对方发送握手确定以表示握手成功；一旦握手成功，数据通讯以点对点的方式在设备和客户端之间极性，服务器完全退出通讯过程；

所述的穿透服务器主要为了穿透过程中给双方提供一些基本信息；穿透服务器维持一张设备信息表，记录设备标号对应到设备外网地址的对应关系信息；按照协议当服务器收到连接请求时首先查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手。

所述的代理服务器主要为了在穿透失败的情况下，对客户端和设备之间通讯的数据进行转发；其中主要维持一张代理登记表和一张收发映射表，在代理登记表中记录设备编号和对应的外网地址，在收发映射表中记录网络地址和网络地址的对应关系，即从哪个地址收到的数据要送往的目的地址信息；当收到一个代理登记命令时会在代理登记表中记录一条信息，并且同时根据目的设备编号进行匹配；如果匹配成功则添加到收发映射表中去。至此建立了一条数据代理通道，后续收到的数据自动就从这个通道进行转发。

实施例：

图1所示为本发明一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法的整个穿透流程图。本方法穿透流程图分成如下几个步骤：设备注册，连接请求，握手确认；前一个步骤是后一个步骤的基础和触发条件。

1）、设备注册：设备上电运行后根据用户配置的NAT服务器的域名到DNS服务器中去查询对应的IP地址信息。获得之后，如图1所示向该IP地址对应的服务器(例如穿透服务器1)发送心跳请求。该信息中包含了设备的编号。穿透服务器1收到设备端发送来的心跳请求之后，首先跟据这个编号和对应数据包的外网地址来构建起一张设备信息表，并向设备端发送心跳应答。此时设备和服务器1之间的连接就算建立成功了，同理在开启客户端的时候也会重复上述设备端的功能，向以穿透服务器2发送心跳请求，以建立和服务器2之间的正常连接。

2）、连接请求：当有客户端需要和设备进行数据通讯的时候，首先新建连接，并通过这个连接向自己所在的穿透服务器2发送连接请求。穿透服务器2在拿到这个命请求之后，首先会查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手。如果不存在则向集群中的其他穿透服务器转发该连接请求，让其他服务协助穿透。如图1所示，此例中需要连接的设备不在穿透服务器2中，所以穿透服务器2向穿透服务器1转发连接请求。当穿透服务器1收到该转发过来的连接请求时，向设备端发送连接邀请，以通知其进行反向连接。当设备端收到转发过来的连接邀请之后，也会新建连接，并且通过这个连接反向的向客户端发送连接请求，服务器收到后会重复上述的处理过程。至此设备端和客户端都可以收到连接应答，从而触发了设备端和客户端的新建连接之间的握手过程。至此进入下一个握手过程阶段。

3）、握手过程：当设备端或客户端在收到连接应答的时候，就会向对方的外网地址发送握手信息，并等待对方的握手应答。如图1所示，一旦收到握手应答，则P2P建立成功，就表示整个NAT穿透连接成功完成。

如图2所示为本发明一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法的代理流程图。本方法代理流程图是在上述图1中穿透过程失败的情况下才进入的。分成如下几个步骤：代理登记，握手确认。

1）、代理登记：当在上述图1中穿透过程失败的情况下图1中的设备端会向对应的代理服务器发送代理登记。当代理服务器收到代理登记命令时在本地的代理登记表中记录一下该设备的编号和对应的外网地址信息，并根据代理登记包中指定的目的连接的编号进行尝试匹配。同时客户端也会向对应的代理服务器发送代理登记。同理代理服务器也会在本地的代理登记表中记录一下该设备的编号和对应的外网地址信息。因为此时客户端和设备都登记完成，在尝试匹配的时候可以成功，会添加到一条记录到收发映射表中去。至此建立成功了一条数据代理通道，对后续收到的数据可以进行转发。

2）、握手确认：设备端和客户端在代理登记成功之后，会尝试想代理服务器发送握手消息，并等待对方的握手应答。因为此时数据代理通道已经建立成功，握手消息可以到达对方。一旦收到握手应答，则P2P建立成功，就表示代理连接成功完成。

如图3所示是本发明的协议格式表，它是对图1和图2中的通讯命令具体格式进行了确定。其中如下简写含义解释如下:

MsgID：消息命令字，可以根据自己需求自行定义。

UUID：为设备端或者是客户端连接的唯一编号。

my_WIP；为设备端或者是客户端的对应的外网IP地址

my_Wport；为设备端或者是客户端的对应的外网端口

my_LIP；为设备端或者是客户端的对应的内网IP地址

my_Lport；为设备端或者是客户端的对应的内网端口

如图4所示是本发明的一种典型网络场景的消息交互路线图；它是在单服务器的情景下、以及设备端客户端都是单线的模式下进行的。

图标含义说明:

蓝色线：设备或和客户端端和服务器之间长期保持的心跳连接。

紫色线：客户端向设备端发送的握手请求消息流。

红色线：设备端向客户端发送的握手请求消息流。

Server1 ：  穿透服务器1

Server2 ：  穿透服务器2

R_A     ：  路由器名称A

R_a     ：  路由器名称a

具体包括如下步骤：

1）、当客户端要求进行连接的时候，在本地新建一个套接字，并到服务器查询自己的外网地址和端口信息(走蓝色线)。这样就在[R-a]端打开一个新端口；服务器会告诉客户端这个新端口对应的外网信息。

2）、客户端向服务发送连接请求，消息中包含了自己的外网地址和端口信息，以及要连接的目标设备的编号(走蓝色线)。服务器收到链接请求之后，会向设备端发送连接邀请。

3）、设备端在收到链接邀请之后，会重复上述1和2的过程。也新建一个套接字，并到到服务器查询自己的外网地址和端口信息(走蓝线)，这样就在[R-A]端娿打开一个新端口，服务器会告诉设备端这个新端口对应的外网信息。同时向服务发送反向连接请求。

4）、客户端通过刚才在[R-a]端打开一个新端口向设备端在[R-A]上的端口发送握手请求(走紫色线)。

5）、设备端通过刚才在[R-A]端打开一个新端口向客户端在[R-a]上的端口发送握手请求(走红色线)。

6）、即进入了图1所示的正常的穿透流程。

如图5所示是本发明的一种双线网络场景的消息交互路线图；它是在多服务器的情景下、以及设备端是双线的模式下进行的。和图图4典型网络场景的消息交互路线图相比较，在设备端或者客户端在注册的时候，不仅是和一台服务器建立连接，而是和多个服务器同时建立连接，这样的话，在穿透的时候，尝试从多台服务器获得映射端口。这样只要保证有多个服务器在不同的运营商的情况下，穿透成功的概率就更高了。

图标含义说明:同图4。

具体包括如下步骤：

1）、当客户端要求进行连接的时候，在本地新建一个套接字，并到服务器1上查询自己的外网地址和端口信息。同时再到过服务器2上查询自己的外网地址和端口信息(走蓝色线)。

2）、客户端向服务发送连接请求，消息中包含了自己从多台服务器上查询所得的全部的外网地址和端口信息，以及要连接的目标设备的编号(走蓝色线)。服务器收到链接请求之后，会向设备端发送连接邀请。

3）、设备端在收到链接邀请之后，会重复上述1和2的过程。也新建一个套接字，并到到服务器1和服务器2查询自己的外网地址和端口信息(走蓝线)。同时向服务发送反向连接请求。连接请求消息中包含了自己从多台服务器上查询所得的全部的外网地址和端口信息。

4）、客户端通过刚才在[R-a]端打开一个新端口向设备端在[R-A]上的端口发送握手请求(走紫色线)。

5）、客户端通过刚才在[R-a]端打开一个新端口向设备端在[R-B]上的端口发送握手请求(走紫色线)。

6）、设备端通过刚才在[R-A]端打开一个新端口向客户端在[R-a] 上的端口发送握手请求(走红色线)。

7）、设备端通过刚才在[R-B]端打开一个新端口向客户端在[R-a] 上的端口发送握手请求(走红色线)。

8）、即进入了图1所示的正常的穿透流程。

Claims (5)

1.一种基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，其特征在于：该方法包括网络协议、穿透服务器、代理服务器，其中所述的网络协议是指一套完整的NAT穿透流程，作为后续设备和服务器通讯的依据；所述的穿透服务器是指根据网络协议对设备端的通讯命令进行处理，以配合完成NAT穿透过程，并对主动注册到服务器上的设备进行基本管理；所述的代理服务器是指根据网络协议，对NAT穿透过程失败之后的设备和客户端之间通讯的数据进行转发。

2.根据权利要求1所述的基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，其特征在于所述的NAT穿透流程，它是在设备启动后主动登记到对应的服务器上去，并定期向注册的服务器上报自己的状态信息；当有客户端要求和设备建立数据通道的时候，先向服务器发起连接请求，在由服务器起到中间人的作用，将各自的外网地址信息相互的转送给对方，协助双方进行握手交互；设备端和客户端分别在收发服务发了对方的外网地址信息之后向该地址发送握手消息，并在收到握手消息之后，向对方发送握手确定以表示握手成功；一旦握手成功，数据通讯以点对点的方式在设备和客户端之间极性，服务器完全退出通讯过程；

所述的穿透服务器主要为了穿透过程中给双方提供一些基本信息；穿透服务器维持一张设备信息表，记录设备标号对应到设备外网地址的对应关系信息；按照协议当服务器收到连接请求时首先查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手。

3.根据权利要求1所述的基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，其特征在于所述的代理服务器主要为了在穿透失败的情况下，对客户端和设备之间通讯的数据进行转发；其中主要维持一张代理登记表和一张收发映射表，在代理登记表中记录设备编号和对应的外网地址，在收发映射表中记录网络地址和网络地址的对应关系，即从哪个地址收到的数据要送往的目的地址信息；当收到一个代理登记命令时会在代理登记表中记录一条信息，并且同时根据目的设备编号进行匹配；如果匹配成功则添加到收发映射表中去；至此建立了一条数据代理通道，后续收到的数据自动就从这个通道进行转发。

4.根据权利要求1或2所述的基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，其特征在于所述的NAT穿透流程包括如下几个步骤，设备注册，连接请求，握手确认，其中：

1）设备注册：设备上电后由NAT服务器的域名到DNS服务器中去查询对应的IP地址信息，其后定间隔向该IP地址对应的服务器发送心跳信息，信息中包含了设备的编号，这样服务器就可以跟据这个编号和对应数据包的外网地址来构建起一张设备信息表；

2）连接请求：当有客户端和想和设备进行数据通讯的时候，首先向穿透服务器发送连接请求，穿透服务器在拿到这个命请求之后，会查询本地设备信息表，如果存在则发送连接应答给客户端，同时转发连接邀请给设备端，以协助握手；如果不存在则向集群中的其他穿透服务器转发该连接请求，让其他服务协助穿透；同理该设备所在的穿透服务器收到该消息后，会对客户端进行应答，并同时会转发连接请求给设备端；当设备端收到转发过来的连接邀请之后，会反向的向客户端发送连接请求，服务器收到后会重复刚才的过程，至此设备端和客户端都可以收到连接应答，从而触发了相互之间的握手过程；

3）握手过程：当设备端或客户端在收到连接应答的时候，就会向对方的外网地址发送握手信息，并等待对方的握手应答，一旦收到握手应答，则表示整个NAT穿透连接成功。

5.根据权利要求1或2所述的基于NAT穿透的视频监控访问策略和实现方法，其特征在于所述的NAT穿透流程在单服务器情景下，以及设备端客户端都是单线的模式下，包括了如下几个步骤：

1）当客户端要求进行连接的时候，在本地新建一个套接字，并到服务器的服务端口尝试端口映射查询通讯，这样就在[R-a]端打开一个新端口；服务器会告诉客户端这个新端口对应的外网信息,并让服务器给设备端发送连接请求；

2）设备端同理也新建一个套接字，并到服务器的服务端口尝试端口映射查询通讯，这样就在[R-A]端打开一个新端口；

3）设备端通过这个新端口和客户端的新端口进行连接，即进入了正常的穿透流程。

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