Apa Itu Protokol Session Traversal Utilities for NAT (STUN)?

Sep 6, 2023

Salah satu istilah yang sering saya jumpai saat membuat kode program yang berhubungan dengan WebRTC adalah STUN. Session Traversal Utilities for NAT (STUN) adalah protokol yang didefinisikan di RFC 5389. STUN membantu mempermudah komunikasi dengan perangkat yang berada dibalik NAT yang tidak dapat dihubungi secara langsung dari IP publik. Komponen STUN disebut sebagai STUN Agent yang terdiri atas STUN Client dan STUN Server.

STUN Lewat Program Go

Sebagai latihan, saya akan membuat kode program Go yang berperan sebagai STUN Client dan mengirim pesan Binding Request ke STUN Server publik milik Google di stun.l.google.com. Biasanya port yang dipakai untuk STUN adalah UDP/3478, namun STUN Server gratis tersebut menggunakan port UDP/19302. Saya akan mulai dengan mendefinisikan struktur packet STUN seperti pada kode program berikut ini:

type Message struct {
  Header     MessageHeader
  Attributes []MessageAttribute
}

type MessageHeader struct {
  MessageType   uint16
  MessageLength uint16
  MagicCookie   uint32
  TransactionId [3]uint32
}

type MessageAttribute struct {
  Type   uint16
  Length uint16
  Value  []byte
}

type MappedAddressAttribute struct {
  Family uint8
  Port   uint16
  IP     net.IP
}

MessageHeader adalah sebuah struktur statis yang terdiri atas 20 bytes pertama dari packet STUN. Nilai MessageType menunjukkan jenis pesan STUN yang diterima. Pada kode program sederhana ini, saya hanya akan menggunakan jenis pesan BindingRequest dan BindingResponse:

const (
    BindingRequestType            = 0x0001
    BindingResponseType           = 0x0101
)

Nilai MessageLength menunjukkan isi dari pesan STUN (kosong atau beberapa MessageAttribute) dalam jumlah byte tidak termasuk 20 bytes pertama (untuk header). Khusus untuk pesan BindingRequest, karena saya tidak perlu memakai atribut, nilai dari MessageLength selalu 0.

Nilai MagicCookie selalu berupa 0x2112A442. Nilai ini dapat dipakai untuk memeriksa apakah packet STUN yang diterima adalah bener packet STUN atau bukan.

Nilai TransactionId adalah sebuah angka pengenal unik dalam ukuran 12 bytes (96 bit). Pada saat mengirim pesan BindingRequest, saya perlu mengisi nilai ini dengan sebuah nilai acak. Pada saat menerima pesan BindingResponse, saya perlu membandingkan nilai TransactionId yang dterima apakah sama dengan nilai TranscationId saat dikirim. Ini untuk memastikan bahwa jawaban yang diterima adalah jawaban untuk request yang saya berikan.

Untuk membuat sebuah pesan BindingRequest, saya dapat menggunakan kode program seperti berikut ini:

func NewBindingRequest() *Message {
  return &Message{
    Header: MessageHeader{
      MessageType:   BindingRequestType,
      MessageLength: 0,
      MagicCookie:   MagicCookie,
      TransactionId: [3]uint32{rand.Uint32(), rand.Uint32(), rand.Uint32()},
    },
    Attributes: nil,
  }
}

Saya kemudian dapat mengirim pesan ini ke STUN server melalui koneksi UDP seperti pada packet lainnya, misalnya dengan kode program seperti berikut ini:

func SendStunMessage(netInterface string, stunServer string, message *Message) ([]byte, error) {
  ip, err := GetLocalIP(netInterface)
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to retrieve local ip for interface %s: %w", netInterface, err)
  }
  localAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", ip.String()+":0")
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to resolve local addr %s: %w", ip.String(), err)
  }
  remoteAddr, err := net.ResolveUDPAddr("udp4", stunServer)
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to resolve remote addr %s: %w", stunServer, err)
  }
  conn, err := net.DialUDP("udp4", localAddr, remoteAddr)
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to dial udp: %w", err)
  }
  err = conn.SetReadDeadline(time.Now().Add(5 * time.Second))
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to set read deadline: %w", err)
  }
  defer conn.Close()
  _, err = conn.Write(message.GetBytes())
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to send message: %w", err)
  }
  response := make([]byte, 1280)
  _, err = conn.Read(response)
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to read response: %w", err)
  }
  return response, nil
}

Setelah mengirim packet STUN ke STUN Server, kode program di atas akan menunggu hingga maksimal 5 detik untuk mendapatkan respon. STUN Server akan mengirim pesan BindingResponse yang berisi alamat NAT atau IP publik terakhir yang dilihat oleh STUN server saat menerima pesan BindingRequest. Karena respon yang diterima berada dalam bentuk []byte, saya dapat menggunakan kode program seperti berikut ini untuk menerjemahkannya menjadi sebuah struktur Message:

func NewBindingResponse(raw []byte) (*Message, error) {
  buf := bytes.NewReader(raw)
  messageHeader := MessageHeader{}
  err := binary.Read(buf, binary.BigEndian, &messageHeader)
  if err != nil {
    return nil, fmt.Errorf("failed to ready binary: %w", err)
  }
  if messageHeader.MagicCookie != MagicCookie {
    return nil, fmt.Errorf("invalid magic cookie %d", messageHeader.MagicCookie)
  }
  message := new(Message)
  message.Header = messageHeader
  for i := uint16(20); i < uint16(20)+messageHeader.MessageLength; {
    attribute := MessageAttribute{}
    attribute.Type = binary.BigEndian.Uint16(raw[i : i+2])
    i += 2
    attribute.Length = binary.BigEndian.Uint16(raw[i : i+2])
    i += 2
    attribute.Value = raw[i : i+attribute.Length]
    i += attribute.Length
    message.Attributes = append(message.Attributes, attribute)
  }
  return message, nil
}

Pada kode program di atas, saya perlu menggunakan looping for karena sebuah packet STUN dapat berisi lebih dari satu MessageAttribute dimana masing-masing MessageAttribute memiliki ukuran yang bervariasi tergantung pada nilai Length-nya. Setiap MessageAttribute memiliki nilai MessageType yang menunjukkan jenis atribut (dan juga mendefinisikan struktur nilai dari atribut tersebut). Khusus untuk BindingResponse, saya perlu mendapatkan nilai dari atribut MappedAddressAttribute dengan nilai 0x0001 atau XorMappedAddressAttributeType dengan nilai 0x0020:

const (
  MappedAddressAttributeType    = 0x0001
  XorMappedAddressAttributeType = 0x0020
)

Untuk mengubah nilai MessageAttribute.Value menjadi sebuah MappedAddressAttribute, saya dapat menggunakan kode program seperti berikut ini:

func GetMappedAddressAttribute(attribute *MessageAttribute) *MappedAddressAttribute {
  if attribute.Value[0] != 0 {
    return nil
  }
  mappedAddressAttribute := new(MappedAddressAttribute)
  mappedAddressAttribute.Family = attribute.Value[1]
  mappedAddressAttribute.Port = binary.BigEndian.Uint16(attribute.Value[2:4])
  mappedAddressAttribute.IP = attribute.Value[4:]
  return mappedAddressAttribute
}

Untuk MappedAddressAttribute, byte pertama selalu kosong. Saya dapat menggunakan fakta ini untuk memeriksa apakah atribut ini valid atau tidak. Setelah itu, saya mulai dengan byte kedua yang berisi nilai untuk Family. Nilai Family berupa 0x01 menunjukkan bawah ini adalah alamat IPv4 dan 0x02 untuk alamat IPv6. Berikutnya, byte ketiga dan keempat menjukkan nilai Port. Sisanya adalah nilai alamat IP. Karena Go memiliki struktur net.IP untuk []byte, saya menggunakan struktur tersebut untuk nilai IP.

STUN server dari Google tidak mengembalikan atribut MappedAddressAttribute melainkan XorMappedAddressAttribute. Jenis atribut ini hampir sama dengan nilai MappedAddressAttribute, hanya saja nilai port dan IP disamarkan melalui operasi XOR terhadap magic cookie dan transaction id. Tujuan menyamarkan nilai tersebut adalah untuk mencegah perangkat jaringan tertentu dalam memproses NAT secara tidak sengaja menulis ulang IP dan port yang hanya berupa informasi di packet STUN.

Untuk mendapatkan nilai XorMappedAddressAttribute, saya dapat menggunakan kode program seperti berikut ini:

func GetXorMappedAddressAttribute(attribute *MessageAttribute, xorOperand []byte) *MappedAddressAttribute {
  result := GetMappedAddressAttribute(attribute)
  result.Port ^= binary.BigEndian.Uint16(xorOperand[0:2])
  xorAssignment(result.IP, xorOperand)
  return result
}

func xorAssignment(a []byte, b []byte) {
  for i := 0; i < len(a); i++ {
    a[i] ^= b[i]
  }
}

Saya dapat memanggil function di atas dengan menyertakan nilai byte magic cookie hingga transaction id seperti berikut ini:

address = stun.GetXorMappedAddressAttribute(attribute, response[4:20])
fmt.Printf("Public IP Address is %s:%d\n", netInterface, address.IP.String(), address.Port)

Sampai disini, saya sudah berhasil mendapatkan IP publik melalui protokol STUN.

STUN Lewat Web

Selain dengan pemograman low level melalui Go, saya juga dapat menghubungi STUN Server melalui JavaScript di web browser. Hampir semua browser modern mendukung WebRTC yang menggunakan protokol Interactive Connectivity Establishment (ICE). Protokol ICE menggunakan STUN di tahap client negotiation. Dengan demikian, saya dapat memanfaatkan fase tersebut untuk mengetahui IP publik dan menampilkannya di halaman web. Sebagai contoh, saya dapat membuat kode program seperti berikut ini:

const connection = new RTCPeerConnection({
    iceServers: [{
        urls: 'stun:stun.l.google.com:19302'
    }]
});
connection.createDataChannel('dummyChannel');
connection.createOffer()
    .then((offer) => connection.setLocalDescription(offer));

Kode program di atas akan melakukan binding request ke STUN Server stun.l.google.com:19302 untuk setiap perangkat jaringan lokal yang dijumpai oleh web browser. Untuk mendapatkan informasi alamat IP publik, saya dapat menggunakan event onicecandidate seperti berikut ini:

connection.onicecandidate = (event) => {
    if ((event == null) || (event.candidate == null) || (event.candidate.candidate === '')) {
        connection.close();
        return;
    }
    console.log(`${event.candidate.address}:${event.candidate.port}`);
};

Sebagai contoh, berikut ini adalah contoh hasil eksekusi JavaScript yang berusaha mendapatkan IP publik melalui WebRTC:

<pre id="ip-output">
</pre>

<script>
const output = document.getElementById("ip-output");
output.textContent = "Starting...\n";
const connection = new RTCPeerConnection({
  iceServers: [{
    urls: 'stun:stun.l.google.com:19302'
  }]
});
connection.createDataChannel('dummyChannel');
connection.createOffer()
  .then((offer) => connection.setLocalDescription(offer))
  .then(() => output.textContent += "Offer created...\n");
connection.onicecandidate = (event) => {
  if ((event == null) || (event.candidate == null) || (event.candidate.candidate === '')) {
    output.textContent += 'Done.\n';
    connection.close();
    return;
  }
  console.log(event.candidate);
  output.textContent += `Received address ${event.candidate.address}:${event.candidate.port}\n`;
};
</script>