新一代多媒體通信協(xié)議SIP及其實(shí)現(xiàn)

引言

    會(huì)話啟動(dòng)協(xié)議SIP（Session Initiation Protocol）是由IETF（Internet Engineering Task Force）組織于1999年提出的多媒體通信框架的應(yīng)用層信令協(xié)議，是在諸如SMTP（簡單郵件傳送協(xié)議）和HTTP（超文本傳送協(xié)議）基礎(chǔ)之上建立起來的，尤其適用于Internet中的實(shí)時(shí)通信應(yīng)用，其設(shè)計(jì)理念和協(xié)議結(jié)構(gòu)完全符合NGN的特性和要求，成為未來多媒體通信系統(tǒng)的主流發(fā)展方向。

    SIP用來生成，修改和終結(jié)一個(gè)或多個(gè)參與者之間的會(huì)話。這些會(huì)話包括因特網(wǎng)多媒體會(huì)議，因特網(wǎng)（或任何IP網(wǎng)絡(luò)）電話呼叫和多媒體發(fā)布。會(huì)話中的成員能夠通過多播或單播聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)來通信。

    目前，SIP已廣泛地應(yīng)用在VoIP系統(tǒng)中，是VoIP系統(tǒng)的主要協(xié)議，實(shí)現(xiàn)VoIP的協(xié)議除了SIP以外主要還有H.323和媒體網(wǎng)關(guān)控制協(xié)議MGCP。MGCP能將眾多的ＩＰ電話網(wǎng)關(guān)連接成一個(gè)具備互操作性的整體，特別適用于配置大型應(yīng)用系統(tǒng)，然而對(duì)于小型應(yīng)用系統(tǒng)來說過于復(fù)雜。Ｈ.323是針對(duì)電路交換網(wǎng)的，協(xié)議相對(duì)復(fù)雜，采用H.323的VoIP服務(wù)對(duì)終端設(shè)備的要求較高。SIP則簡單易行并且很容易與其他服務(wù)集成，優(yōu)勢明顯。

    SIP協(xié)議用于發(fā)起會(huì)話，可以用來建立、修改以及終結(jié)多個(gè)參與者參加的多媒體會(huì)話進(jìn)程。參與會(huì)話的成員可以通過組播方式、單播連網(wǎng)或者兩者結(jié)合的形式進(jìn)行通信。為提供多媒體業(yè)務(wù)，還需要結(jié)合不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，如需要RTP確保媒體傳輸，RSVP確保語音質(zhì)量，RADIUS鑒權(quán)用戶等。

論文研究SIP基本架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)機(jī)制，基于開放源代碼的VOCAL系統(tǒng)，分析實(shí)現(xiàn)基于   宋體簡介、圖名、表名及內(nèi)容、參考文獻(xiàn)均為小五號(hào)字，正文中除標(biāo)題SIP語音通信的方法，從而深入探討SIP實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

SIP協(xié)議架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)機(jī)制

    SIP的核心思想是邀請(qǐng)新成員加入一個(gè)已經(jīng)存在的會(huì)話或創(chuàng)建一個(gè)新的會(huì)話，各成員之間可以通過組播（multicast）、單播（unicast）或兩者結(jié)合的方式進(jìn)行交互。

1．SIP的基本功能及特點(diǎn)

    SIP支持會(huì)話描述，它允許參與者在一組兼容媒體類型上達(dá)成一致，同時(shí)通過代理和重定向請(qǐng)求到用戶當(dāng)前位置來支持用戶移動(dòng)性。SIP不與任何特定的會(huì)議控制協(xié)議捆綁。SIP提供以下功能：

● 名字翻譯和用戶定位：無論被呼叫方在哪里都確保呼叫達(dá)到被叫方。執(zhí)行任何描述信息到定位信息的映射。

● 特征協(xié)商：它允許與呼叫有關(guān)的組（這可以是多方呼叫）在支持的特征上達(dá)成一致。例如是否支持視頻等多種需要協(xié)商的特征。

● 呼叫參與者管理：呼叫中參與者能夠引入其它用戶，加入呼叫或取消到其它用戶的連接。

● 呼叫特征改變：用戶應(yīng)該能夠改變呼叫過程中的呼叫特征。

SIP既可以用于建立各種會(huì)話，也可以用來傳送即時(shí)消息和文件。能夠靈活、方便地提供業(yè)務(wù)，具有多方面優(yōu)點(diǎn)。

● 協(xié)議可擴(kuò)展性：SIP協(xié)議具有強(qiáng)大的擴(kuò)充機(jī)制。SIP協(xié)議的擴(kuò)展性主要體現(xiàn)在其消息的擴(kuò)展上，SIP消息的三個(gè)基本部分：消息類型、消息頭、消息體，都可以被不斷擴(kuò)充。SIP消息基于文本方式，使得各種擴(kuò)充工作都變得十分簡潔。

● 開放的業(yè)務(wù)生成環(huán)境：SIP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)提供主要由Proxy Server完成，生成一個(gè)業(yè)務(wù)就是設(shè)計(jì)一個(gè)業(yè)務(wù)邏輯從而對(duì)一個(gè)特定的消息流進(jìn)行控制，或?qū)ο�息�?qǐng)求做出相應(yīng)的響應(yīng)。

● 支持移動(dòng)性：SIP的動(dòng)態(tài)注冊機(jī)制，使用戶端移動(dòng)變得十分方便。

2．SIP協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)

    SIP是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)協(xié)議，它的行為根據(jù)一組平等獨(dú)立的處理階段來描述，每一階段之間只是松耦合。

    SIP的最底層是語法和編碼。它的編碼使用增強(qiáng)Backus-Nayr形式語法（BNF）來規(guī)定。

第二層是傳輸層，定義了網(wǎng)絡(luò)上客戶機(jī)與服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求和接收響應(yīng)的方式，所有的SIP元素包含傳輸層。

    第三層是事務(wù)層。事務(wù)是SIP的基本元素。事務(wù)層具有客戶機(jī)組成部分（稱為客戶機(jī)事務(wù)）和服務(wù)器組成部分（稱為服務(wù)器事務(wù)），一個(gè)事務(wù)由客戶機(jī)事務(wù)發(fā)送給服務(wù)器事務(wù)的請(qǐng)求（使用傳輸層），以及服務(wù)器事務(wù)發(fā)送對(duì)應(yīng)該請(qǐng)求的響應(yīng)組成。

    事務(wù)層之上的層為事務(wù)用戶（TU）。當(dāng)一個(gè)TU希望發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，生成一個(gè)客戶機(jī)事務(wù)實(shí)例并向它傳遞請(qǐng)求和IP地址、端口和用來發(fā)送請(qǐng)求的傳輸機(jī)制。

3．SIP協(xié)議的消息機(jī)制

    SIP采用C／S結(jié)構(gòu)，通過消息機(jī)制來建立會(huì)話。SIP消息包括請(qǐng)求消息和響應(yīng)消息，二者具有相同的消息格式。

    SIP消息是UAC和UAS之間通信的基本信息單元，采用的是基于UTF-8的文本編碼格式，語法信息以擴(kuò)展Backus-Naur形式（EBNF）描述，消息格式遵循RFC2822。

SIP消息的通用格式是：

Generic-message = start-line

*message-header

CRLF

[message-body]

start-line： SIP消息起始行。

*message-header：多個(gè)頭域。

CRLF：空行，表示消息頭域的結(jié)束

message-body：消息體部分。

SIP消息有兩種：客戶機(jī)到服務(wù)器的請(qǐng)求（Request）, 服務(wù)器到客戶機(jī)的響應(yīng)（Response） .

4． SIP系統(tǒng)得功能實(shí)體及工作流程

    SIP系統(tǒng)采用C\S模式，利用消息機(jī)制建立并管理會(huì)話。按邏輯功能，SIP系統(tǒng)可分為四大功能實(shí)體：SIP用戶代理、SIP代理服務(wù)器、SIP重定向服務(wù)器和SIP注冊服務(wù)器，它們共同構(gòu)成了SIP系統(tǒng)的基本模型。

    SIP用戶代理（SIP UA）：又稱為SIP終端，是SIP系統(tǒng)中的最終用戶，在RFC3261中將它們定義為一個(gè)應(yīng)用。根據(jù)它們在會(huì)話中扮演的角色的不同，又可分為用戶代理客戶機(jī)(UAC)和用戶代理服務(wù)器(UAS)兩種。其中前者用于發(fā)起呼叫請(qǐng)求，后者用于當(dāng)接到SIP請(qǐng)求時(shí)聯(lián)系用戶，并代表用戶返回響應(yīng)。

    SIP代理服務(wù)器(SIP Proxy Server)：是一個(gè)中間元素，它既是一個(gè)客戶機(jī)又是一個(gè)服務(wù)器，能夠代理前面的用戶向下一跳服務(wù)器發(fā)出呼叫請(qǐng)求。SIP代理服務(wù)器除了路由能力外，也可以集成防火墻、radius（AAA）等功能。

    SIP重定向服務(wù)器(SIP Redirect Server)：是一個(gè)規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務(wù)器，在獲得了下一跳的地址后，立刻告訴前面的用戶，讓該用戶直接向下一跳地址發(fā)出請(qǐng)求而自己則退出對(duì)這個(gè)呼叫的控制。

    SIP注冊服務(wù)器(SIP Register Server)：用來完成對(duì)UAS的登錄，在SIP系統(tǒng)的網(wǎng)元中，所有UAS都要在某個(gè)登錄服務(wù)器中登錄，以便UAC通過服務(wù)器能找到它們。注冊服務(wù)并不做請(qǐng)求的身份認(rèn)證的判定。在SIP中授權(quán)和認(rèn)證可以通過建立在基于請(qǐng)求/應(yīng)答的模式上的上下文相關(guān)的請(qǐng)求來實(shí)現(xiàn)，也可以使用更底層的方式來實(shí)現(xiàn)。

    圖表中用戶Alice使用安裝了支持語音和視頻功能的客戶程序的PC，用戶Bob使用SIP電話。兩者都已經(jīng)向本域內(nèi)的SIP代理服務(wù)器注冊了他們的狀態(tài)和IP地址。用戶A發(fā)起呼叫；代理服務(wù)器收到A的請(qǐng)求后向注冊服務(wù)器查詢B的位置信息；向B發(fā)出代理呼叫；B通知代理服務(wù)器接受A的邀請(qǐng)并已作好接受數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備；代理服務(wù)器通知A后SIP會(huì)話建立完畢。當(dāng)Bob要結(jié)束會(huì)話時(shí)，直接向Alice發(fā)送結(jié)束請(qǐng)求，在Alice確認(rèn)這個(gè)請(qǐng)求以后會(huì)話結(jié)束。

用VOCAL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于SIP的語音通信

    VOCAL（Vovida Open Communication Application Library）是一個(gè)開源代碼通信軟件，以ＩＰ網(wǎng)為核心，在Linux或Solaris操作系統(tǒng)上運(yùn)行。提供VoIP電話服務(wù)，支持基于SIP的通信設(shè)備。

1．VOCAL通信系統(tǒng)的組成

    一個(gè)完整的VOCAL通信系統(tǒng)應(yīng)包含以下幾個(gè)部分：

● VOCAL系統(tǒng)電話軟件，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包含多種服務(wù)器。

● GUI：圖形用戶接口。

● IP電話：VOCAL支持多種電話設(shè)備，包括SIP電話和SIP用戶代理應(yīng)用軟件。

● 網(wǎng)關(guān)：不僅提供網(wǎng)絡(luò)之間的接口，還能起到基于SIP網(wǎng)絡(luò)和其他類型網(wǎng)絡(luò)之間消息翻譯器的功能。VOCAL包含兩種網(wǎng)關(guān)：住宅網(wǎng)關(guān)和中繼網(wǎng)關(guān)。

    Marshal server：是外部設(shè)備和VOCAL系統(tǒng)連接的唯一接口。提供了SIP協(xié)議中的SIP代理服務(wù)器和注冊服務(wù)器的邏輯功能。作用是SIP消息翻譯，用戶鑒定和保障安全性，計(jì)費(fèi)等。

重定向服務(wù)器：重定向服務(wù)器是SIP協(xié)議中重定向、注冊、定位服務(wù)器的組合實(shí)現(xiàn)，存儲(chǔ)用戶的聯(lián)系和特征數(shù)據(jù)。

    呼叫詳述記錄服務(wù)器：從Marshal server接受呼叫數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為第三方計(jì)費(fèi)系統(tǒng)能夠識(shí)別的格式。

    特征服務(wù)器：是SIP代理服務(wù)器的另外一種實(shí)現(xiàn)方式。

    Provisioning Server：存儲(chǔ)系統(tǒng)所有用戶和服務(wù)器模塊的數(shù)據(jù)記錄，并把這些信息通過預(yù)定通報(bào)模塊發(fā)送到整個(gè)系統(tǒng)中去。

2．VOCAL系統(tǒng)的安裝與測試

    VOCAL系統(tǒng)在Linux或Solaris操作系統(tǒng)下運(yùn)行，本文運(yùn)行在Red Hat 9.0之下，安裝與測試過程中解決的主要問題包括：

（1）操作系統(tǒng)中必須要有X window系統(tǒng)，gcc編譯器。

（2）主機(jī)名稱和IP地址必須設(shè)定，不可以為１２７．０．０．１可以先檢查/etc/hosts文件，如果只有１２７．０．０．１一行，需要自行加入本機(jī)IP 及主機(jī)名，例如：

　　127.0.0.1 localhost.localdomain localhost

　　xxx.xxx.xxx.xxx  our_hostname

（3）vocal server 必須要有java環(huán)境。如果沒有要自行下載支持Linux的j2re包來安裝。

    VOCAL是由http://vovida.org提供的，http://vovida.org　提供兩種VOCAl安裝方式，一種是源碼安裝，一種是rpm安裝。在測試過程中要進(jìn)行兩點(diǎn)之間的語音通信，要在兩臺(tái)機(jī)器上安裝VOCAL，其中一臺(tái)選擇用源碼安裝整個(gè)系統(tǒng)做服務(wù)器和一個(gè)客戶端，另外一臺(tái)用rpm安裝一個(gè)客戶端：sipset。

    服務(wù)器端集成了完整的VOCAL系統(tǒng)，可以通過weｂ方式登錄服務(wù)器，并建立用戶。建立兩個(gè)用戶１０００和１００１以備測試。

    在兩臺(tái)機(jī)器上分別啟動(dòng)sipset,sipset提供了一個(gè)簡單的圖形界面，用戶可以實(shí)現(xiàn)登錄、呼叫、掛機(jī)等操作，兩個(gè)終端先分別以用戶１０００和１００１登錄。讓１０００用戶呼叫１００１。當(dāng)呼叫發(fā)出以后１００１端就會(huì)顯示有一個(gè)呼叫進(jìn)入，１００１端選擇接聽，就建立了基于SIP的語音會(huì)話。

結(jié)論

    論文詳細(xì)介紹了（SIP）的實(shí)現(xiàn)機(jī)制、消息結(jié)構(gòu)、功能實(shí)體以及呼叫建立流程，結(jié)合VOCAL系統(tǒng)，介紹了如何在IP網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)基于SIP協(xié)議的語音通信。要實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)中基于SIP的視頻通信以及多方參與的多媒體會(huì)議系統(tǒng)等，還需要使用會(huì)話初始協(xié)議的一些擴(kuò)展功能，媒體協(xié)商、會(huì)話過程控制等。

    北京郵電大學(xué)信息工程學(xué)院 李志 撰