IP電話系統和呼叫路由技術（4）

2019-11-03 09:04:13

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供稿：網友

第4講基于Sip的IP電話系統

趙志峰1, 2, 3 楊永康2 仇佩亮1
（1. 浙江大學博士后科研流動站杭州310027）
（2. 東方通信博士后科研工作站杭州310053）
（3. 解放軍理工大學通信工程學院南京210007）

　　摘要文章首先對基于SIP的IP電話系統進行了概括性的介紹，給出了其網絡結構和協議棧的結構，并進行簡要的分析和解釋。在對SIP協議的分層結構、用戶標識和消息結構等基本內容進行介紹后，分析了SIP IP電話系統的基本工作過程，對注冊/注銷過程、呼叫過程、重定向過程和能力查詢過程進行了全面的描述。

　　關鍵詞 SIP IP電話系統網絡結構協議棧結構 SIP協議工作過程

1 引言

　　會話啟動協議SIP（session Initiation PRotocol）[1]是由IETF制定的用于對基于IP的多媒體通信系統進行控制的協議。SIP定義了對多媒體會話進行控制的信令過程，包括會話的建立、拆除和修改等，可以用來構建IP電話系統。目前已成為IP多媒體通信系統最有發展潛力的會話控制協議。3GPP已決定使用SIP來作為第三代移動通信系統多媒體域的控制協議。微軟也在其新版本的MSN中集成了對SIP協議的支持，逐漸拋棄了使用H.323協議[2]的Netmeeting系統。

　　SIP協議最初是由IETF的MMUSIC工作組制定的，其第一版本RFC 2543[3]于1999年3月推出，可以支持IP網上的多媒體通信。與H.323協議相比，SIP具有簡單、開放、擴展性好等特點，一出現就得到了業界的普遍關注和支持。為此，IETF專門成立了SIP工作組，對SIP協議進行研究和改進，并于2002年推出了SIP的第二版RFC 3261[1]。目前，SIP工作組在對SIP協議進行進一步的改進和完善，并對其應用進行研究。

2 系統的結構

2.1 網絡結構

　　可以看出，系統采用了因特網的客戶機/服務器結構，由用戶代理和服務器兩大部分組成。其中用戶代理又分為用戶代理客戶（UAC: User Agent Client）和用戶代理服務器（UAS:User Agent Server）兩種。服務器分為代理服務器（Proxy Server）、重定向服務器（Redirected Server）和注冊服務器（Registrar）。圖中的定位服務器為SIP系統提供位置服務，不屬于SIP協議的范疇。

　　在SIP中，終端用戶被稱為用戶代理，主叫方稱用戶代理客戶UAC，被叫方稱用戶代理服務器UAS。UAC負責發起SIP呼叫請求，UAS接收UAC的請求并負責對其做出響應（接受、拒絕或重定向）。終端用戶應同時具備UAC和UAS的功能。

　　代理服務器是SIP IP電話系統中最重要的網絡功能實體，主要提供路由功能。它負責將用戶的SIP請求和響應轉發到下一跳，最終到達目的地。

　　注冊服務器是完成用戶代理注冊/注銷功能的邏輯實體。它接收其管轄范圍內的用戶代理的注冊請求，將用戶代理的地址信息添加到定位服務器中。

　　重定向服務器是實現呼叫重定向功能的邏輯實體。它接收用戶代理客戶UAC的呼叫請求，通過服務器中配置的策略和對定位服務器的查詢指示UAC將呼叫重定向到其它的目的地，以實現對呼叫的靈活控制。

　　定位服務器是SIP協議范疇之外的功能實體。它保存著用戶的邏輯地址與當前聯系地址間的綁定信息，支持對地址綁定信息的查詢、添加、修改和刪除，為注冊服務器、代理服務器和重定向服務器提供服務。

　　當UAC要發起呼叫時，它一般將呼叫請求消息發送給本域的出向代理服務器。媒體描述信息以SDP（Session Description Protocol）[4]的形式在SIP消息中傳送。代理服務器檢查被叫地址，將請求轉發（可能經過多個中間代理服務器的轉發），直至到達被叫域的代理服務器。被叫域的代理服務器通過查詢定位服務器確定被叫的確切位置，然后將請求轉發給UAS。UAS收到請求后，生成響應消息。響應將按照請求消息經過的路徑，原路返回到UAC。UAC根據響應消息的內容選擇是建立呼叫、重新發起呼叫或取消該呼叫。

2.2 協議棧結構

　　SIP協議本身只定義了對多媒體呼叫進行控制的信令過程，它充分利用了因特網已有的協議來構建基于IP的多媒體通信系統。

　　在SIP多媒體通信系統中，音視頻媒體信息可以使用現有的G.7xx和H.26x系列標準來進行壓縮。媒體信息使用RTP/RTCP通過UDP來進行傳送。呼叫的媒體類型和格式信息通過SDP協議來描述。SDP信息放在SIP消息的請求和響應消息體中傳送。最終通信時使用的媒體類型和格式由雙方協商決定。RTSP（Real Time Streaming Protocol）[5]協議用于控制對存儲在庫中的多媒體信息的實時操作，包括播放、暫停、快進、快退、停止等。比如IP電話系統中對語音信箱的控制。

3 SIP協議基礎

3.1 協議的分層結構

　　為了方便協議的描述和理解，SIP將其協議定義自下而上劃分為如圖3所示的四層：語法和編碼層（Syntax and Encoding）、傳輸層（Transport Layer）、事務層（Transaction Layer）和事務用戶層（Transaction User）。

　　語法和編碼層定義了SIP協議使用的各種參數、消息的結構、語法和格式。編碼采用擴充的巴柯斯范式（BNF：Backus Normal Form）來描述。

　　傳輸層定義了客戶端如何發送請求和接收響應，也定義了服務器端如何接收請求和發送響應。傳輸層負責對端到端的連接進行管理。所有的SIP功能單元都必須包含傳輸層，必須支持TCP和UDP作為傳輸協議，可選性地支持SCTP和TLS+TCP/SCTP作為傳輸協議。

　　事務層負責保存事務的狀態，處理應用層的重傳和超時，以實現消息的可靠傳輸。事務層還要負責匹配一個請求消息的所有響應消息。無狀態的代理服務器不含該層。而用戶代理、有狀態的代理服務器和注冊服務器都包含有事務層。在圖3中，無狀態的代理服務器直接使用傳輸層提供的服務進行消息轉發。

　　最上層是事務用戶層，除無狀態的代理服務器外的所有實體都是事務用戶。這些事務用戶利用事務層提供的服務來實現各自的功能。比如當事務用戶想要發送一個請求消息時，它創建一個客戶事務，然后把請求消息、目的IP地址、端口號交給該事務，該客戶事務負責把消息可靠地發送到目的地。

3.2 用戶標識

　　在SIP IP電話系統中，使用SIP URI（Uniform Resource Identifier）地址來標識用戶。SIP URI的一般結構為：

　　sip: user: passWord@host: port; uri-parameters ? headers

　　User：用戶名，指在本主機或本域中的特定用戶或其它通信資源。

　　Password：口令，指在本主機或本域中該用戶名對應的口令。

　　Host：指本URI的主機名或域名。

　　Port：主機發送消息使用的TCP/UDP端口號。

　　uri-parameters：該URI的參數，格式是“參數名=參數值”，多個參數之間用分號分割。URI參數包括用于指明傳輸機制（TCP、UDP等）的“transport”；還有指明聯系地址的“maddr”；區分用戶名和電話號碼的“user”；表示請求方法的“method”；指明路由方式的“lr”等。

　　headers：指使用該URI構建請求消息時應帶有的頭部字段。下面是SIP URI的示例：

　　SIP: John @ eastcom.com

　　SIP: John:abced @ companu.com;transport=tcp ? subject=project

　　SIP: +86-571-86698522@gateway.com;user=phone

　　SIP: alice @ 10.0.18.3; lr

　　SIP: aice @ registrar.com; method=REGISTER

3.3 消息結構

　　SIP消息是基于純文本方式的。消息包含四部分：起始行、消息頭、空行和消息體。其中起始行分為請求行和狀態行，分別對應于SIP的請求消息和響應消息。消息頭由多個頭部參數構成，每個頭部參數一行。消息后的空行（CRLF）表示消息頭的結束，其后面是包含真正消息內容的消息體（message body）。

　　SIP的請求消息以請求行開始。請求行包括請求方法（method）、請求地址（Request-URI）和SIP版本號。圖中的SP表示空格，而CRLF表示回車換行。目前SIP定義的請求方法有六種：REGISTER、INVITE、ACK、CANCEL、BYE和OPTION。其中REGISTER用于注冊和注銷地址綁定信息；INVITE用于發起呼叫；ACK用于確認建立呼叫；CANCEL用于取消呼叫；BYE用于終止對話；OPTIONS用于能力查詢。請求地址是一個SIP URI（也可能是其它URI，比如tel），標識了請求的目標地址。在RFC 3261中，要求SIP的版本號必須設置為“SIP/2.0”。

　　SIP的響應消息以狀態行開始。狀態行包括SIP版本（SIP Version）、狀態碼（Status-Code）、原因描述（Reason-Phrase）組成。SIP版本與請求消息中的相同。原因描述指對響應狀態的文字描述，以方便人們閱讀。狀態碼由三位數字組成，表示響應的結果。目前，RFC 3261中定義的狀態碼從1xx ~ 6xx，1xx是臨時響應（又叫中間響應），而其它的是最終響應。

　　· 1xx指請求已經收到正在處理中；

　　· 2xx是成功響應，指請求已被成功處理；

　　· 3xx是重定向響應，指示呼叫重新向指定的實體發起；

　　· 4xx是客戶出錯響應，指請求消息語法有誤或此服務器無法處理；

　　· 5xx是服務器出錯響應，指服務器無法處理一個合法的請求消息；

　　· 6xx是全局出錯響應，指請求無法被任何服務器處理。

　　上述的臨時響應指當接收方已經收到請求，但要花一段時間處理，為了防止請求方定時器超時，就用此消息通知請求方。對請求的處理結果仍以最終響應的方式返回給請求方。

　　SIP的頭部域在語法和語義上都與HTTP的頭部非常相似，其格式如下：

　　header =“header-name” ：header-value *（，header-value） SIP的頭部域由頭部名字和頭部值組成，兩者以冒號“：”分割。允許一個頭部有多個頭部值，多個值之間以逗號“，”分割。SIP在RFC 3261中共定義了44種消息頭部。比較重要的頭部域有：呼叫標識域Call_ID，聯系地址域Contact，請求者域From，接收者域To，路由頭部域Route，路由記錄頭部域Record-Route，經過實體記錄域Via，消息體類型域Content-Type，消息體長度域Content-Length等。

　　下面給出了一個請求消息和一個響應消息的示例。兩個消息表示的是alice@atlanta.com向bob@biloxi.com發送的INVITE請求消息，和對方返回的成功響應。從兩個消息可以看出To和From頭部存放的是用戶的邏輯地址，而Contact頭部存放的是用戶的聯系地址。

4 基本工作過程

　　SIP IP電話系統定義了注冊/注銷、呼叫、重定向、能力查詢四種工作過程。

4.1 注冊/注銷過程

　　SIP為用戶定義了注冊和注銷過程，其目的是可以動態建立用戶的邏輯地址和其當前聯系地址之間的對應關系，以方實現呼叫路由和對用戶移動性的支持。邏輯地址和聯系地址的分離也方便了用戶，它不論在何處、使用何種設備，都可以通過唯一的邏輯地址進行通信。

　　注冊/注銷過程是通過REGISTER消息和200成功響應來實現的。在注冊/注銷時，用戶將其邏輯地址和當前聯系地址通過REGISTER消息發送給其注冊服務器，注冊服務器對該請求消息進行處理，并以200成功響應消息通知用戶注冊/注銷成功。

4.2 呼叫過程

　　SIP IP電話系統中的呼叫是通過INVITE邀請請求、成功響應和ACK確認請求的三次握手來實現的。即當主叫用戶代理要發起呼叫時，它構造一個INVITE消息，并發送給被叫。被叫收到邀請后決定接受該呼叫，就回送一個成功響應（狀態碼為200）。主叫方收到成功響應后，向對方發送ACK請求。被叫收到ACK請求后，呼叫成功建立。

　　呼叫的終止通過BYE請求消息來實現。當參與呼叫的任一方要終止呼叫時，它就構造一個BYE請求消息，并發送給對方。對方收到BYE請求后，釋放與此呼叫相關的資源，回送一個成功響應，表示呼叫已經終止。

　　當主被叫雙方已建立呼叫，如果任一方想要修改當前的通信參數（通信類型、編碼等），可以通過發送一個對話內的INVITE請求消息（稱為re-INVITE）來實現。

4.3 重定向過程

　　當重定向服務器（其功能可包含在代理服務器和用戶終端中）收到主叫用戶代理的INVITE邀請消息，它通過查找定位服務器發現該呼叫應該被重新定向（重定向的原因有多種，如用戶位置改變、實現負荷分擔等等），就構造一個重定向響應消息（狀態碼為3xx），將新的目標地址回送給主叫用戶代理。主叫用戶代理收到重定向響應消息后，將逐一向新的目標地址發送INVITE邀請，直至收到成功響應并建立呼叫。如果嘗試了所有的新目標而無法建立呼叫，則本次呼叫失敗。

4.4 能力查詢過程

　　SIP IP電話系統還提供了一種讓用戶在不打擾對方用戶的情況下查詢對方通信能力的手段?？刹樵兊膬热莅ǎ簩Ψ街С值恼埱蠓椒ǎ╩ethods）、支持的內容類型、支持的擴展項、支持的編碼等等。

　　能力查詢通過OPTION請求消息來實現。當用戶代理想要查詢對方的能力時，它構造一個OPTION請求消息，發送給對方。對方收到該請求消息后，將自己支持的能力通過響應消息回送給查詢者。如果此時自己可以接收呼叫，就發送成功響應（狀態碼為200），如果此時自己忙，就發送自身忙響應（狀態碼為486）。因此，能力查詢過程也可以用于查詢對方的忙閑狀態，看是否能夠接受呼叫。

5 結束語

SIP協議是由IETF的SIP工作組制定的IP多媒體通信系統控制協議，它具有簡單、開放、擴展性好等特點，可以被用于構建IP電話系統。SIP IP電話系統充分利用了因特網的已有協議，使用RTP/RTCP來傳輸媒體信息，使用DNS來進行地址翻譯，使用SDP來對會話進行描述。在這些協議的支持下，SIP IP電話系統可以完成注冊、注銷、呼叫、重定向和能力查詢等工作過程。以實現對基本呼叫路由和用戶移動性的支持。

參考文獻

[1] IETF. RFC 3261: Session Initiation Protocol. June 2002

[2] ITU-T Recommendation H.323 (Version 4), Packet-Based Multimedia Communications Systems, November, 2000

[3] IETF. RFC 2543: Session Initiation Protocol. March 1999

[4] IETF RFC 2327: Session Description Protocol, April 1998

[5] IETF RFC 2326: Real Time Streaming Protocol, April 1998

[6] IETF RFC 2960: Stream Control Transmission Protocol, October 2000

[7] IETF RFC 2246: Transport Layer Security, January 1999.

----《中國數據通信》