基于STUN和STUNT協議的M2M通信方案的設計與研究

　　摘要：物聯網是目前我國發展最快，應用范圍最廣的一種新型網絡，其本質屬于M2M系統。由于物聯網的異構性較強，因此導致各種通信協議、組網方式和數據類型呈現出多樣化的特點，這對數據的快速傳輸造成了極大的障礙。該文在分析了M2M系統工作原理和運行機制的基礎上，采用網絡地址轉換NA丁技術與物聯網技術相結合，提出了一種基于STUN和STUNT協議的通信方案。在保持網絡拓撲結構不變的條件下，通過添加兩個客戶端模塊即可實現數據的跨網傳輸，具有一定的實用價值。

　　關鍵詞：物聯網;M2M系統;NAT;STUN;STUNT

　　《移動通信》雜志為我國移動通信事業的起步、發展和產業的形成都做出了巨大的貢獻，在業內具有廣泛而深遠的影響，是移動通信領域的決策人員、科研生產人員、經營管理人員、大專院校師生和廣大移動通信用戶及移動通信愛好者的必備刊物，也是圖書和情報部門的首選刊物。

　　1概述

　　在進入快速發展的信息化時代以后，物聯網作為后互聯網+時代的代表性產物，收到了社會各界的普遍關注，各國都紛紛在該領域內加大了投資和人力資源配置規模，相關的標準、協議也不斷地推出。物聯網的推廣，將物理世界與信息時間有機的結合，使得人們從自然界乃至各種工業生產場合獲取信息并加以快速分析的能力大大提高了，以此為基礎，各種智能化管理和監控系統也不斷地被研發和投入使用，有力促進了生產力的進步。從廣義上講，物聯網屬于M2M系統的一部分，及人機之間和機器之間的雙重交互，而前者在互聯網時代已經得到了發展成熟，因此，對于物聯網而言，M2M研究的重點實質上是落在了機器間的快速智能化通信方面。

　　在物聯網的M2M通信體系中包含多種組網和數據傳輸類型，一般以Internet為核心網絡、以固定和移動IP為接入網絡，從而實現將處于各地現場的IP進行終端互聯，這也是最能體現物料網性能優勢的一種通信模式。但這種模式在現有的網絡環境中存在一些問題，例如當通信受到地址數量限制和網絡安全威脅時，如何自適應的解決在機器之間的傳輸，以及在自適應組網的過程中如何合理的分配節點能耗等。本文以物聯網通信特點為參考依據，提出對現行的STUN和STUNT協議的應用進行改進，并結合NAT穿越技術來完成M2M設備間通信的自適應調整，最終形成了一套行之有效的M2M通信解決方案。

　　2M2M系統的通信特點

　　由于M2M系統具有邊界明晰的功能域劃分，所以其通信特點主要反映在不同域的界面處，具體表現在連接設備域與網絡域的M2M網關處以及連接應用域與網絡域的服務能力處。

　　M2M網關作為典型的通信分界點，具有雙重身份，即網絡域邊緣節點和設備與的最高層節點。利用這一特點，M2M網關，承擔起了與設備域中如傳感器、射頻讀寫器等各種終端設備的通信交互。在M2M分布式系統中，大量來源于不同域的數據均在此處完成轉換工作，尤其是一些異構網絡中的數據，更需要在此處進行協議的映射，因此可以說，網關陸能的優劣，直接決定了M2M系統整體的通信質量。

　　3NAT穿越技術

　　3.1NA了穿越原理與M2M通信的有機結合

　　網絡地址轉換NAT技術是互聯網為了解決內網至外網的數據傳輸而采用的一項地址映射技術，通過采用NAT，極大節約了IP地址的消耗，同時也很好隱藏了企業內部的網絡布局狀況，隨著IP網絡應用的迅速擴張，NAT技術在迅速推廣的過程中也得到了不斷的改善。對于M2M通信而言，NAT技術的應用將顯著提高系統通信的效率，尤其當M2M局域網是EPC系統、WPAN等直接支持IP協議的網絡時，就可方便地將NA了技術融入至M2M網關中，使得M2M網管身兼二職，在完成協議映射任務的同時也解決了地址映射的需求。而當M2M局域網不支持IP協議時，則需要將在M2M網關中配置相關的協議轉換功能。

　　在采用NAT技術后，網絡被分割成本地網絡與公共網絡兩種不用的應用域。而在傳統的NAT技術中，處在異地的兩個本地網絡中的用戶是無法完成直接通信的，因為這兩個用戶均只擁有本地地址，因而無法穿過公共網絡，同時處于公共網絡中的某站點也無法首先向本地網絡中的某節點發起通信，這顯然造成了網絡通信的局限性，為了解決這一問題，各種NAT穿越技術被研發問世，主要有ALG、UPnP、STUN/STUNT等。

　　3.2STUN協議

　　STUN是一款基于C/S模式的通信協議，其主要作用是幫助本地網絡中的客戶端主機獲得位于公共網絡中的目標服務器的IP地址和服務進程啟用的端口，并將該公網地址夾帶在用戶數據包中，這樣就可有效地減少網絡通信開銷，當用戶數據包到達NA了出口處時，即可從報文頭部中取出對應的源地址與目的地址，并根據預先保存的映射表進行IP地址的轉換。圖1描繪了STUN的工作流程，通過該機制，即可解決本地網絡與公共網絡中的兩個節點之間的通信障礙問題。

　　3.3STUN了協議

　　M2M系統中大量的通信是由終端發起，如智能終端定期以UDP數據報的方式向應用系統發送收集到的信息或向控制中心發送報警信息，以及終端之間定期交換報文等，STUN很好地滿足了這一應用需求。但是，在一些特殊的情況下，控制中心需要穿越M2M網關對位于NAT后端的終端進行遠程管理，或應用系統需要主動向指定的終端發送請求報文，這時只能處理UDP數據報的STUN協議就無能為力，可以采用支持了CP報文段的STUNT協議來解決這一問題。圖2描繪了一種典型的STUNT協議的工作流程。

　　4M2M通信方案的設計

　　在對STUN和STUNT進行對比分析后，下一步工作就是在這兩種協議的基礎上，結合目前M2M系統的通信狀況，設計一款具有實用性的通信方案。在參考了大量文獻之后，本位設計的具體方案如圖3所示。在本方案中，除STUN、STUNT服務器和M2M應用服務器需要位于公共網絡外，其余終端全部交由NAT負責管理的本地網絡中，以充分利用NAT穿越技術帶來的優勢。另一方面，終端設備的IP地址與互聯網中其他設備的IP地址結構一致，但應用方式有所區別，通過這樣的設置，就可借助NAT穿越技術完成M2M設備之間的點對點通信，同時有效的完善了M2M設備的地址分配與管理問題.

　　觀察上圖可以發現，圖中的任意一臺M2M設備均被配置了一個全網唯一的ID，并在該設備中設置了一個STUN/STUNTClient模塊，而在NA了服務器中結合了服務器進程STUN/STUNT Server，用來負責對客戶端發來的請求進行分析和處理，同時負責識別M2M設備端的NAT類型。集成了用戶注冊和認證功能的M2M應用服務器負責對M2M設備ID的管理，并記錄M2M設備的IP地址、端口號、NAT類型等信息。

　　從方案執行流程方面來分析，可以分為三種情況，現對其進行逐一討論：

　　(1)M2M設備向M2M應用服務器發起通信

　　這種通信情況是物聯網中最常見的一種，由終端設備負責在感知層采集數據，并將其通過各種通信網絡傳輸至服務器進行處理，這種傳輸模式既可以采用實時化的快速傳輸，也可采用定期傳輸方法，待數據有了一定量的的積累后再統一傳送。由本文提出的通信模式可知，數據的傳輸方向是從本地網絡到外部的公共網絡的，因此需要由NAT允許其建立UDP和TCP連接請求。

　　(2)M2M設備之間的通信

　　在這種通信模式下，用戶數據通常在STUN協議下被封裝成UDP用戶數據報的形式進行傳送，以盡可能提高數據傳輸的實時性能。由于參與通信的M2M設備均位于本地網絡中，因此可以利用其本地IP地址直接進行通信，而位于不同本地網絡中的M2M設備則可以通過NAT穿越技術完成數據傳輸。本方案中所設計的不同本地網絡間的M2M設備通信過程如圖4所示。

　　(3)M2M應用服務器向M2M設備發起通信

　　在大多數情況下，都是有終端設備向服務器發起通信，服務器保持監聽并被動地接受終端發來的請求，但在某些特殊的情況下(如服務器需要對終端進行遠程控制)，服務器也可主動向終端發起通信，公共網絡中的服務器向本地網絡中的終端設備發起TCP連接時，可采用支持TCP的STUNT協議來完成這一工作。這一過程與圖3所描述的流程向類似，在M2M設備已經注冊的情況下，M2M應用服務器首先把通信建立請求發給STUNT Server，STUNT Server將其轉給M2M終端，后者在收到請求報文后將發回確認反饋，服務器再對此反饋做出響應，進過三次握手的過程即可建立可靠地了CP連接通道，從而實現從公共網絡到本地網絡的穿越。

　　5總結

　　本文提出了一種基于STUN和S7WUN了技術的M2M通信方案，較為有效地解決了M2M設備間的數據通信障礙問題，為該類型通信方案的設計工作提供了良好的參考借鑒作用。相信隨著后期實踐調整工作的不斷推進，本方案會進一步完善，成為一款真正具有實用價值的通信方案。