230209 항해99 95일차 ICE

ICE

• ICE는 Interactive Connectivity Establishment의 약어로, 두 단말이 서로 통신할 수 있는 최적의 경로를 찾을 수 있도록 도와주는 프레임워크다.
• ICE는 STUN(Session Traversal Utilities for NAT)와 TURN(Traversal Using Relay NAT)을 활용하는 프레임워크로 SDP 제안 및 수락 모델(Offer/Answer Model)에 적용할 수 있다.
• ICE는 두 단말 간의 제안 및 수락 모델로 생성되는 실시간 UDP 미디어 스트림을 송수신하기 위한 NAT Traversal 기술이지만 TCP 전송 프로토콜에도 적용 가능하다.
• ICE는 STUN과 TURN 프레임워크로 확보된 통신 가능한 여러 IP 주소와 포트 넘버를 SDP Offer와 SDP Answer를 통해 상대방에게 전달한다. 두 단말은 확보된 모든 주소에 대해 단대단(Peer-to-Peer) 연결성 테스트를 진행하고, 통신 가능한 주소로 RTP 미디어 스트림을 송수신한다.

STUN(Session Traversal Utilities for NAT)

• STUN은 클라이언트-서버 프로토콜이다. STUN 클라이언트는 사설망에 위치하고 STUN 서버는 인터넷망에 위치한다. STUN 클라이언트는 자신의 공인 IP 주소를 사전에 확인하기 위해 STUN 서버에게 요청하고, STUN 서버는 STUN 클라이언트가 사용하는 공인 IP 주소를 응답한다.
• STUN 클라이언트는 자신이 사용할 공인 IP 주소를 알 수 없으므로 STUN 서버에게 자신의 공인 IP 주소를 요청한다. STUN 메시지가 방화벽을 지날 때 네트워크 계층의 IP와 전송 계층의 포트 넘버가 바뀐다. STUN 서버는 패킷의 IP 헤더와 UDP 헤더의 값(클라이언트의 공인 주소)과 STUN 메시지 안에 있는 STUN 클라이언트의 IP 주소와 UDP 포트 넘버(클라이언트의 사설 주소)를 비교한다. STUN 서버는 두 개의 서로 다른 주소에 대한 바인딩 테이블을 생성하고 요청에 대한 응답 메시지에 공인 IP 주소를 보낸다. STUN 클라이언트는 VolP 시그널링을 생성할 때 사설 IP가 아닌 공인 IP 주소를 사용한다.
• STUN 클라이언트의 주소는 호스트 주소 또는 단말 주소라고 하고, STUN 서버가 알려주는 주소는 Reflexive Transport Address 또는 Mapped Address라고 한다. STUN 클라이언트는 SIP 메시지와 RTP 메시지에 Reflexive Transport Address를 사용한다.
• STUN이 항상 효과적이지는 않다. 두 단말이 같은 NAT 환경에 있을 경우 STUN은 동작하지 않는다. 또한, Symmetric NAT로 동작하는 사설망 환경에서는 애플리케이션이 다르면 NAT 매핑 테이블이 바뀌기 때문에 사용할 수 없다. STUN 메시지로 확인한 STUN 클라이언트의 Reflexive Transport Address가 다른 애플리케이션인 SIP 시그널링과 RTP 프로토콜을 사용할때는 주소가 바뀐다.

TURN (Traversal Using Relays around NAT)

• TURN 프로토콜은 NAT 환경에 단말이 릴레이 서버를 이용하여 통신하게 한다. TURN 클라이언트는 사설망에 위치하고 TURN 서버는 인터넷망에 위치한다. TURN 클라이언트는 통화를 할 피어들과 직접 통신하는 것이 아니라 릴레이 서버 역할을 하는 TURN 서버를 경유한다.
• TURN 서버의 주소는 관리자가 직접 설정하거나 설정 파일을 다운로드한다고 가정한다. TURN 클라이언트는 사설 주소(Host transport Address)가 포함된 TURN 메시지를 TURN 서버로 전송한다. TURN 서버는 TURN 메시지에 포함된 사설 주소(Host transport Address)와 TURN 메시지 패킷의 공인 주소인 layer 3 IP 주소와 layer 4 UDP 포트 넘버 (Server-reflexive transport address)의 차이를 확인한다. TURN 서버는 TURN 클라이언트의 공인 주소 (Server-reflexive transport address)로 응답한다. NAT 장비는 NAT 매핑 테이블에 있는 정보에 따라 TURN 응답 메시지를 클라이언트의 사설 주소(Host transport address)로 전송한다.
• TURN 서버는 릴레이 역할을 하는 서버의 공인 주소(Relay transport address)를 할당하는 역할을 한다. 대규모 전개가 아니라면 TURN 서버와 릴레이 서버는 동일한 서버이다.

STUN과 TURN 정리

• STUN은 단말이 자신의 공인 IP 주소와 포트를 확인하는 과정에 대한 프로토콜이고, TURN은 단말이 패킷을 릴레이 시켜줄 서버를 확인하는 과정에 대한 프로토콜이다. STUN 서버는 사설 주소와 공인 주소를 바인딩하고, TURN 서버는 릴레이 주소를 할당한다. 특히 TURN은 ICE에서 직접 사용한다.

ICE Candidate Gathering

• ICE를 실행하는 단말들은 통신이 가능한 모든 주소를 식별한다. 처음에 클라이언트는 STUN 메시지를 TURN 서버로 전송하고 수신하는 과정에서 릴레이 주소를 확인한다. 릴레이 주소는 TURN 서버가 패킷 릴레이를 위해 할당하는 주소다.

• Candidate는 IP 주소와 포트 넘버의 조합으로 표시된 주소를 의미한다. TURN 서버는 Relayed Candidate와 Server Reflexive Candidate(단말의 공인 IP 주소)를 응답하고, STUN 서버는 Server Reflexive Candidate(단말의 공인 IP 주소)를 응답한다. 결국, 사설망에 있는 단말은 3개의 통신 가능한 주소를 획득한다.

  Local Address: 자신의 사설 IP 주소와 포트 넘버
  Server Reflexvie Address: 자신의 공인 IP 주소와 포트 넘버
  Relayed Address: TURN 서버의 IP 주소와 포트 넘버

• 만일 단말이 인터넷 망에 있다면 Server Reflexive Address와 Local Address는 동일하다.

• 두 단말이 각각 3개의 주소를 가지고 있고 서로가 상대방의 주소 수집(Candidate Gathering)으로 알 수 있다. 그러면, Local Address와 Local Address, Server Reflexive Address와 Server Reflexive Address, 그리고 Relayed Address와 Relayed Address 간의 연결이 가능하다. 또한, 한 단말의 Local Address와 다른 단말의 Server Reflexive Address와도 연결이 가능하다.

• ICE Candidate Gathering은 SDP Offer에 3개의 Candidate와 SDP Answer에 3개의 Candidate를 우선순위를 정하여 교환하는 것이다.

• SIP 메시지에 전달되는 SDP 메시지에 따르면, RTP 패킷이 사용하는 목적지 주소인 'c=' 속성은 기존의 SDP와 동일하다. 'a=candidate' 속성에 우선순위를 정하여 IP 주소와 UDP 포트 넘버를 명시한다. Candidate 1은 Local Address인 단말의 사설 IP 주소이고, Candidate 2는 Server-reflexive Address인 단말의 공인 IP 주소를 전달한다. 만일 단말이 두 개 이상의 Local IP 주소를 사용한다면 모두 명기한다.

ICE 연결성 체크 (Connectivity Checks)

• 두 단말은 TURN 서버와 메시지 교환을 통해 자신의 3개 Candidate 주소를 확인하고 SDP Offer와 SDP Answer를 통해 상대방의 3개 Candidate 주소를 확인한다.
• 상대방의 Candidate와 자신의 Candidate로 실제 사용할 RTP와 RTCP가 통신이 가능한지를 확인한다. 주어진 모든 Candidate에 대한 확인을 마치고 나면 사용 가능한 주소 리스트가 만들어진다.

정리

• ICE는 마이크로소프트나 시스코와 같은 제조사들이 적극 도입하는 프로토콜이다. 다자간 통화는 중앙의 다자간 회의 서버로 모여야 하므로 기존의 NAT Traversal 기능을 써야한다. 그러나 일대일 통화라면 ICE는 중앙의 TURN 서버의 부담을 줄이고 실시간 미디어 트래픽의 품질을 개선할 수 있다. ICE를 사용하기 위해서는 단말과 클라이언트 그리고 TURN 서버가 ICE를 지원해야 한다.

참조: 30장. ICE의 이해