WebRTC（六）：ICE协议
协议简介
ICE（Interactive Connectivity Establishment，交互式连接建立）是一种 NAT穿透协议，在 WebRTC、VoIP 和视频会议等实时通信场景中被广泛使用。它的主要目标是解决由于 NAT（网络地址转换）和防火墙带来的连接问题，使通信双方能够建立可靠的端到端连接。
广泛用于：
- WebRTC（浏览器实时通信）
- VoIP（语音通话）
- 视频会议系统
- P2P 文件传输系统
其核心思想是：从多个路径中自动发现一条可用路径，并建立连接。
核心目标
- 发现并测试连接路径：通过不同网络路径和地址尝试建立连接。
- NAT穿透：穿越 NAT 和防火墙建立点对点连接。
- 选择最佳连接路径：根据连通性检查的结果选择延迟最低、可用性最好的候选地址对。
- 必要时使用 TURN 进行中继
基本概念
Candidate（候选地址）
ICE 会收集本地、映射和中继地址作为候选：
| 类型 | 描述 | 优先级 | 是否穿透 |
|---|---|---|---|
| Host Candidate | 本地地址（如 192.168.x.x） | 高 | 否 |
| Server Reflexive Candidate | 使用 STUN 获取的公网映射地址 | 中 | 是 |
| Peer Reflexive Candidate | 连通性检查动态发现的对端地址 | 中等偏高 | 是 |
| Relay Candidate | TURN 分配的地址，中继传输 | 低 | 是，最稳定 |
STUN（Session Traversal Utilities for NAT）
- 用于查询 NAT 映射后的公网地址，获取 Server Reflexive Candidate。
- 提供最轻量级的 NAT 穿透方式。
TURN（Traversal Using Relays around NAT）
- 当 STUN 穿透失败时，TURN 中继服务器作为数据转发中介。
- 成本高，延迟大，但可靠性高。
ICE Agent
- 每个通信端都运行一个 ICE Agent，它负责候选地址的收集、连通性检查、优先级比较、协商等工作。
工作流程
步骤 1：候选地址收集（Gathering）
每个通信端收集自己的候选地址，包括：
- 本地地址（Host）
- STUN服务器反射地址（Server Reflexive）
- TURN中继地址（Relay）
步骤 2：交换候选地址（Candidate Exchange）
- 使用信令协议（如 SDP，通常通过 SIP、WebRTC 的信令通道）交换候选地址。
步骤 3：连通性检查（Connectivity Checks）
- 使用 STUN 消息对候选地址对（candidate pair）进行测试，看是否能成功通信。
- 成功的连接对会被 ICE 标记为可用。
步骤 4：选择优选连接路径
- 每对候选地址都有优先级（由 ICE 算法计算得出）。
- ICE 会选择具有最高优先级且可达的候选对作为最终连接路径。
步骤 5：建立连接（Nomination）
- 确认并锁定最终使用的候选对。
- 对于双向通信（例如 WebRTC 的数据通道），双方都要确认连接对。
优先级与候选对选择
ICE 候选优先级受以下因素影响：
- 地址类型优先级：Host > Server Reflexive > Relay
- 网络接口类型：有线 > 无线
- 类型偏好（type preference）
- 本地优先级（local preference）
单个候选优先级
priority = (2^24) * type preference +(2^8) * local preference +256 - component ID
- Type Preference：Host > Reflexive > Relay
- Local Preference：用于多网卡排序
- Component ID：RTP/RTCP 区分
候选对优先级（candidate pair）
pair_priority = 2^32 * min(local_priority, remote_priority) + 2 * max(...) + (local > remote ? 1 : 0)
WebRTC 中 ICE 实现
整体架构
WebRTC 使用 ICE 协议结合 STUN 和 TURN，在浏览器内部由 ICE Agent 实现，流程如下：
浏览器 A 信令通道 浏览器 B
────────────► Gather candidates ◄────────────
─────────────► Exchange SDP (包含 candidates) ◄─────────────
──────────────► Connectivity checks (STUN) ◄───────────────
───────────────► Nomination and Selection ◄───────────────
───────────────► 建立数据通道（DTLS + SRTP）◄──────────────
ICE 流程详解（WebRTC 版本）
步骤 1：候选地址收集（ICE Gathering）
浏览器调用 WebRTC API（如 RTCPeerConnection）时：
- 浏览器会自动：
- 检查本地网络接口，生成 Host 候选地址
- 使用配置的 STUN 服务器获取 Server Reflexive 地址
- 使用配置的 TURN 服务器申请 Relay 候选地址
const pc = new RTCPeerConnection({iceServers: [{ urls: "stun:stun.l.google.com:19302" },{ urls: "turn:your.turn.server", username: "...", credential: "..." }]
});
步骤 2：信令交换（SDP 内部包含候选地址）
通过 createOffer() 生成包含候选的 SDP，交换给对方。
const offer = await pc.createOffer();
await pc.setLocalDescription(offer);// 将 offer.sdp 通过信令（如 WebSocket）发送给对端
对端通过 setRemoteDescription() 接收 SDP 并回传 answer。
步骤 3：候选地址交换（Trickle ICE）
候选地址并不是一次性全部发送，而是逐步收集并发送（trickle ICE）：
onicecandidate事件触发时，每收集到一个 candidate 就发送给对端；- 对端通过
addIceCandidate()添加该地址。
// 接收远端的 candidate
pc.addIceCandidate(new RTCIceCandidate(remoteCandidate));
步骤 4：连通性检查（STUN 交叉测试）
- 双方根据候选地址对进行连通性检查（connectivity check）；
- 使用 STUN Binding Request 消息进行握手；
- 浏览器使用 STUN over UDP/TCP 判断路径可用性；
- 若某对候选可通信，则标记为成功。
步骤 5：候选优选（Nomination）
- 每个候选对被赋予优先级；
- 浏览器选择最优的一对进行“提名”（nomination）；
- 一旦确认，浏览器锁定该候选对用于媒体通信。
步骤 6：连接建立并切换至 DTLS/SRTP
ICE 建立连接后，WebRTC 进入安全协商阶段：
- 使用 DTLS（Datagram TLS）建立安全数据通道；
- 使用 SRTP 加密媒体流；
- 数据通道使用 SCTP over DTLS。
候选地址优先级逻辑（WebRTC）
WebRTC 默认优先选择：
- Host（最快，最原始）；
- Reflexive（可 NAT 穿透）；
- Relay（TURN，中继，最慢但最稳定）；
每个候选地址有一个类型优先级（type preference）和本地优先级（local preference）组成：
priority = (2^24) * typePref + (2^8) * localPref + (2^0) * componentId
WebRTC 默认使用此策略排序所有候选对并逐个测试。
ICE 状态机（WebRTC）
可以监听 ICE 状态变化：
pc.oniceconnectionstatechange = () => {console.log('ICE 状态:', pc.iceConnectionState);
};
状态可能值包括：
new：未开始checking：进行连通性检查connected：至少有一个连接建立completed：所有连接建立完毕（非 Trickle）disconnected：网络临时中断failed：连接失败closed：连接已关闭
总结
| 步骤 | 关键点 |
|---|---|
| 候选地址收集 | Host、STUN（Reflexive）、TURN（Relay） |
| 候选交换 | 通过 SDP + trickle ICE |
| 连通性检查 | STUN 探测路径可用性 |
| 优选与提名 | 基于优先级选最优地址对 |
| 连接建立 | 最终选中路径，建立 DTLS/SRTP |
相关协议标准
| 协议 | 说明 |
|---|---|
| RFC 8445 | ICE 规范（最新） |
| RFC 5245 | 旧版 ICE 标准 |
| RFC 5389 | STUN 协议标准 |
| RFC 5766 | TURN 协议标准 |
| RFC 7589 | TURN over TCP |
优缺点
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 适应多种网络环境，穿透强 | 实现复杂，调试难 |
| 自动化建立连接，提升体验 | TURN 中继性能和成本问题 |
| 标准成熟，兼容性好 | STUN、TURN 可用性影响大 |