基于SIP的VoIP在下一代網絡中的應用

2019-11-03 09:04:46

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供稿：網友

萬敏，萬曉榆　重慶郵電學院

　　摘要：如何在下一代網絡（NGN）中提供優質的Voip是下一代網絡多媒體通信業務的關鍵問題，從SIP電話協議棧，SIPMESSAGE和通信機制幾個方面來分析了基于SIP的VoIP特點，并探討了其在下一代網絡中的應用優勢。

　　關鍵詞：呼叫控制；請求；響應；可擴充性；可擴展性

0　引　言

　　實時IP呼叫和多媒體通信是下一代網絡（NGN）業務提供的重要方面。H．323和SIP（sessioninitiation PRotocol）都是實現VoIP和多媒體應用的通信協議。目前，包括我國在內的許多國家都采用H．323作為IP電話網關之間的協議，整個IP電話系統只是把IP網絡作為傳輸媒介，在用戶的接入上還是采用電路交換系統，把IP電話網關作為電路交換網和IP網絡的接口。但是，在下一代網絡中，由于IP產品和IP網關在電話網中的大規模使用和集成，使得端到端都必須采用IP協議來實現純IP的業務應用。基于純IP的SIP協議是用于創建、修改、終止IP網上的多媒體會議或呼叫的應用層控制協議，它借鑒了HTTP協議和SMTP協議，結構簡單并具有可擴充性和可擴展性。此外，SIP還提供良好的QoS支持，這對于NGN在IP網絡上實現VoIP和多媒體通信來講，SIP在全面滿足NGN特性要求的應用上具有獨特的優勢，將成為下一代網絡VoIP的重要解決方案。

1　SIP如何實現VoIP

　　SIP不是垂直型通信系統，不能獨立提供業務，它必須與其它協議共同使用來構建一個完整的多媒體體系結構，所以在構建下一代網絡的多媒體體系時，采用以下的協議組合提供多媒體業務。基于SIP的電話協議棧如圖1所示。圖1中，①網絡層：使用IPv4或IPv6（建議IPv6）；②傳輸層：使用TCP或UDP（建議UDP）；③應用層：包括以SIP為核心的多個協議。

　　·SIP協議用于傳送呼叫控制命令。在定義消　　息時只定義了消息的頭部，在消息體中采用了文本格式的會話描述協議SDP，用于在消息中傳送呼叫的媒體類型和格式等信息，加快了呼叫建立的速度。

　　·RTSP（realtime streaming protocol）控制發送“一點到多點”文本格式的多媒體數據流。

　　·RSVP（reservation protocal，資源預留協議）用于主機為特定應用數據流請求特定的QoS以及端點應用程序發送QoS請求為數據傳送的各個節點保留網絡資源（如帶寬，緩沖區大小等），大大增強了現有Internet網絡的QoS控制。

　　·RTP（real－time transport protocol，實時傳送協議）用于AMR（adaptive multi－rate）和AMR－WB（adaptive multi－rate wideband）編碼的語音信號的實時傳送，并提供QoS反饋。

　　·RTCP（real－time transportcontrolprotocol，實時控制協議）用于傳遞實時信號的質量參數，提供QoS監視機制，同時還可用于傳送用戶的信息，建立呼叫控制機制。

　　媒體封裝主要采用ITU－T的G系列和H系列建議，G系列用于語音壓縮，H系列用于視頻壓縮，提供視頻電話。SIP在協議棧中完成的功能是建立和終止多媒體通信：①用戶定位（user location）：確定通信使用的終端系統位置；②用戶可用性判定（user availablity）：確定被叫方是否愿意加入通信；③用戶能力判斷（user capability）：確定通信使用的媒體類型及參數；④會議建立（session setup）：在主、被叫之間建立約定的支持特定媒體流傳輸的連接；⑤會議管理（session management）：包括傳輸、終止會議，修改會議參數，調用業務。

　　從SIP電話協議結構可以看出，SIP基本的呼叫信令，用戶的定位注冊與整個IP電話系統的服務質量，業務派生，任務內容描述和會議控制都是相互獨立的。從這種模塊化的協議結構來看，基于SIP的VoIP得到了端到端的QoS支持，使用UDP無連接協議，在網絡負荷較重時又避免了在超時證實中導致的呼叫建立時延的增加。同時，SIP這種分布式的控制方式和TCP或UDP支持本地多播信令，對于擴展多媒體會議規模非常有益。在NGN中，采用SIP把呼叫傳輸和呼叫控制分開，實現了媒體與業務的分離，媒體和控制的分離，這樣用戶可以通過第三方控制機制定義新的業務而不必關心承載業務的網絡形式和終端類型，使網絡具備了可擴展性和快速部署新業務的能力，使網絡運營者更有競爭力。

2　SIPMESSAGE機制

　　SIP本身是一種分層協議，如圖2所示。由此可見，SIP采用C／S結構，通過MESSAGE機制來建立會話。因為SIP處理的是客戶端與服務器之間的請求和響應，所以SIP消息包括了請求消息和響應消息。二者都具有相同的消息格式：

　　在請求消息的起始行中，SIP定義了請求執行的操作。SIP提供了給用戶擴充的功能集，到目前為止的版本共定義了：邀請（INVITE）、證實（ACK）、選擇（OPTIONS）、再見（BYE）、取消（CANCEL）、登記（REGISTER）、信息（INFO）、分配（ALLOCATE）和更新（UPDATE）。為了加強可擴充性，SIP采用了和HTTP一樣的層次式的數字差錯代碼，在響應消息的狀態行中共定義了6類響應來表示指示請求執行的結果，每個響應代碼均用3位數表示，第1位數字指示響應的類別，后2位數字表示具體的響應。

SIP的頭部字段定義了：①From：指示請求的　發端；②To：指示請求的收端；③Call－ID：用于唯一標識一個特定的邀請或標識某一客戶的所有登記；④Cseq：表示命令序列號；⑤Via：指示請求經歷的路徑；⑥Contact：給出直接通信的地址；⑦Expires：給出消息內容超期的時間。

　　SIP消息體采用SDP定義，而SDP的傳送和媒體的協商則由RTSP，HTTP等來完成。SDP消息封裝如圖3所示。

　　SDP會話描述由文本行組成，每個文本行的格式均為＜類型＞＝＜值＞，包含了參與現存會話相關的必要信息。①會話信息：會話名和目的；會話激活的時間區段；構成會話的媒體；接收媒體所需地址、端口、格式等；會話所用的帶寬信息（任選）；會話負責人的聯系信息（任選）。②媒體信息：媒體類型（視頻／音頻等）；傳送協議（RTP／UDP／IP、H．323等）；媒體格式（H．261視頻／MPEG視頻等）；媒體地址和端口。③時間信息：會話的開始和結束時間。④加密信息：可選。

　　其中，用戶號碼用與E－mail地址類似的SIPURL來表示。

　　sip：用戶名：口令＠主機：端口；傳輸層協議參數；用戶類型參數；方法參數；生存期參數；服務器地址參數？頭部名＝頭部值＆頭部名＝頭部值

　　例如：sip：j．doe：secret＠big．com；transport＝tcp

　　從編碼結構來看，SIP消息具有豐富的可擴充性。由于SIP基于文本，使得代碼生成和語法解析都很簡單，而且便于協議的擴展和調試，提高了其用戶化程度。SIP允許舊的頭部字段和性能不用時將其去掉，從而保證了協議和編碼的簡潔清晰。SDP允許會話的開始結束時間可由多組時間段組成，而且可以包含重復時間，對NGN用戶來講，這種業務設置的靈活性是倍受歡迎的。同時SDP分單點發送和多點發送操作，增強了SIP對呼叫的控制能力。SIPURL可以嵌入到Web頁或其它超文本鏈路中，使NGN能夠實現click－to－call（用戶點擊鼠標來發出呼叫）的SIP擴充業務。

3　SIP基本呼叫過程

　　SIP兩個主要元素是用戶代理（user agent：UA）和網絡服務器。用戶代理即指SIP端系統，包括處理SIP請求的用戶代理客戶（user agent client：UAC）和處理SIP響應的用戶代理服務器（useragent server：UAS）。網絡服務器則有幾種類型：重定向服務器（redirect server），代理服務器（proxyserver），登記服務器（register server）。SIP的通信機制的核心是請求＜—＞響應。一個基本的SIP呼叫的過程可分為以下3部分。

　?。?）當UAC發出呼叫“邀請”，UAC在請求消息起始行中寫入INVITE，及被叫當前的SIPURL地址，在頭部字段To中寫入被叫的SIPURL地址，在Call－ID字段中生成唯一的呼叫標識，在From字段中寫入主叫用戶的SIPURL地址，在Via字段中寫入自己的主機名或者網絡地址，消息體內SDP寫明UAC／UAS所支持的媒體類型以及網絡地址和端口號（用于端系統間的媒體協商）。代理服務器收到請求消息后，將自己的地址壓入頭部字段Via棧中（路由中的代理服務器都作同樣的處理）。當消息到達被叫側的用戶代理服務器時，代理服務器向定位服務器發起查詢，查詢被叫當前的位置信息，如果被叫的位置信息未發生更新，請求消息則直接發給被叫；如果被叫位置發生了更新，代理服務器則繼續根據新的地址轉發請求消息，直到到達被叫UAS。

　?。?）被叫UAS收到請求消息后，回送響應。響應分為兩種類型：一類是中間響應，報告呼叫進展情況，如用戶空閑、正在振鈴等；一類是最終響應，包括成功響應和異常失敗響應。響應根據請求消息中的Via字段，原路返回主叫UAC。對于表示成功的響應，UAC使用“確認”（ACK）方法向被叫UAS發請求消息，被叫UAC收到確認消息后，主被叫間會話建立，雙方通過RTP協議互發信息。

　?。?）通信結束后，任何一方向對方發送“再見”（BYE）請求，請求終止會話，接收方回送成功響應，則會話結束。在通信過程中，任何一方如果想更改會話的狀態可以再次發起呼叫INVITE請求，使用相同的Call－ID，并在命令序列字段Cseq中對原有請求　　的Cseq加1，請求的接收方根據收到的頭部信息和消息體，與以前的進行對比，調整相應的狀態和媒體參數。

　　SIP采用自己的應用層可靠性機制來保證信令的可靠傳輸，縮短了呼叫建立的往返時延。SIP容錯性強，而且由于錯誤檢測能力的增強使包丟失回檢率也高于其它協議。SIP給代理服務器（proxyserver）定義了狀態和無狀態兩種工作模式。在無狀態模式下，中間服務器收到呼叫請求，執行相應操作后將請求前傳，不保留呼叫狀態。SIP包含足夠的狀態信息，可以確保響應信息的正確回傳；同時，SIP消息允許在UDP上傳送，而UDP是面向無連接的，這意味著在大話務量情況下SIP服務器可以采用基于UDP的無狀態工作模式，這樣就可以顯著地減少存儲器容量和計算量，同時提高了網絡的可擴展性。

　　由于對呼叫控制能力的增強，SIP通過用戶重定向（relocation）到多個點位（location）及多跳（multi－hop）搜索機制，達到快速的用戶定位，采用呼叫轉移或多點同時呼叫的方式實現了NGN中對個人移動業務很好的支持。

4　結論

　　SIP的設計思想借鑒了互聯網的標準和協議，結構簡單，利于擴展。SIP信令互通性提出的基于SIP的增強機制SIP－T協議解決了PSTN網絡信令在IP網絡上的協議轉換和傳輸問題，但SIP定義范圍比較有限等缺點還有待完善。我們同時也看到，在下一代網絡的終端與軟交換之間的通信應用SIP協議，即基于SIP的VoIP，可以得到端到端的QoS支持，有效的網絡控制管理以及靈活多樣的多媒體業務提供。國際上諸多大型通信公司對SIP的支持將推動NGN的發展。

參考文獻

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摘自　重慶郵電學院學報

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