SIP及其在軟交換網(wǎng)絡(luò)和IMS中的應(yīng)用

摘要　介紹了SIP（session initiation protocol）協(xié)議的特點(diǎn)、功能和結(jié)構(gòu)等，從路由、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和典型呼叫流程方面研究分析SIP在軟交換網(wǎng)絡(luò)和IMS中的應(yīng)用，最后對SIP的未來做出了展望。

1、SIP的技術(shù)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)

　　SIP（session initiation protocol）是IETF（Internet Engineering Task Force，工程任務(wù)組）制定的多媒體通信協(xié)議。它是一個(gè)基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，獨(dú)立于底層協(xié)議，用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方的多媒體會(huì)話[1]。SIP最早由是由MMUSIC IETF工作組在1995年研究的，由IETF組織在1999年提議成為的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，主要借鑒了Web的HTTP和SMTP兩個(gè)協(xié)議。SIP支持代理、重定向、登記定位用戶等功能，支持用戶移動(dòng)，與RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS等協(xié)議配合，可支持和應(yīng)用于語音、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務(wù)，同時(shí)可以應(yīng)用于presence（呈現(xiàn)）、instant message（即時(shí)消息，類似QQ）等特色業(yè)務(wù)。

1.1　SIP技術(shù)特點(diǎn)

　　SIP的最大亮點(diǎn)在于簡單，它只包括7個(gè)主要請求，6類響應(yīng)（如表1所示），成功建立一個(gè)基本呼叫只需要兩個(gè)請求消息和一個(gè)響應(yīng)消息；基于文本格式，易實(shí)現(xiàn)和調(diào)試，便于跟蹤和處理。
表1　SIP的請求和響應(yīng)消息

　　從協(xié)議角度上看。易于擴(kuò)展和伸縮的特性使SIP能夠支持許多新業(yè)務(wù)，對不支持業(yè)務(wù)信令的透明封裝，可以繼承多種已有的業(yè)務(wù)。

　　從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)角度上看，分布式體系結(jié)構(gòu)賦予系統(tǒng)極好的靈活性和高可靠性，終端智能化，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成清晰簡單，從而將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向邊緣，簡化網(wǎng)絡(luò)核心部分。

　　SIP的這些優(yōu)點(diǎn)。使其足以能夠在軟交換網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)起呼叫控制的責(zé)任。

1.2　IP多媒體通信協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

　　圖1是基于SIP的IP網(wǎng)絡(luò)多媒體通信系統(tǒng)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。從SIP在Internet協(xié)議棧中的位置，可以看出，SIP是應(yīng)用層上的一個(gè)控制（信令）協(xié)議。IETF制定IP網(wǎng)絡(luò)多媒體通信標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要原則是最大限度地重用已有的協(xié)議。其中每一個(gè)協(xié)議完成一種功能，端系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器根據(jù)其提供的服務(wù)，只需實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的協(xié)議，不但有利于提高系統(tǒng)的模塊性、靈活性、簡易性和可擴(kuò)展性，而且可簡化互操作性問題[2]。

圖1　IP多媒體通信協(xié)議棧 {{分頁}}

1.3　SIP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，SIP網(wǎng)絡(luò)采用IP網(wǎng)絡(luò)常用的客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）結(jié)構(gòu)，定義了若干種不同的服務(wù)器和用戶代理，通過與服務(wù)器之間的請求和響應(yīng)完成呼叫和傳送層的控制。

圖2　SIP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　SIP本身也是一個(gè)C/S協(xié)議。呼叫控制請求發(fā)出方稱為客戶，請求接受和處理方稱為服務(wù)器，分別稱為用戶代理客戶（UAC：user agent client）和用戶代理服務(wù)器（UAS：user agent server）[3]。其中，UAC負(fù)責(zé)發(fā)起SIP的呼叫請求，UAS負(fù)責(zé)對呼叫請求做出響應(yīng)。

　　網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器有代理服務(wù)器（PS：proxy server）、重定位服務(wù)器（RS：redirect server），主要為用戶代理提供注冊、認(rèn)證、鑒權(quán)、路由等服務(wù)。PS提供路由功能，負(fù)責(zé)將SIP用戶請求和響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的下一跳。RS提供地址解析服務(wù)，將SIP呼叫的目的地址映射成0個(gè)或多個(gè)新地址。PS和RS在確定下一跳服務(wù)器時(shí)都有可能向定位服務(wù)器（LS：location server）發(fā)出查詢請求。定位服務(wù)器本身不屬于SIP系統(tǒng)的范圍，是Internet的公共服務(wù)器。

2、SIP在軟交換中的應(yīng)用

　　軟交換（softswitch）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)新一代語音、通信以及多媒體和數(shù)據(jù)交換的核心技術(shù)，軟交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制/業(yè)務(wù)與承載分離的思想。軟交換機(jī)作為控制實(shí)體，完成呼叫接續(xù)、業(yè)務(wù)控制和用戶管理等功能，而業(yè)務(wù)多媒體流的傳送由IP網(wǎng)絡(luò)完成[4]。SIP在軟交換網(wǎng)絡(luò)中可以應(yīng)用的場景非常廣泛：軟交換和軟交換之間、軟交換和SIP終端之間、軟交換和應(yīng)用服務(wù)器之間、軟交換和應(yīng)用網(wǎng)關(guān)之間、軟交換/應(yīng)用服務(wù)器/應(yīng)用網(wǎng)關(guān)和媒體服務(wù)器之間。

2.1　軟交換網(wǎng)絡(luò)中的SIP地址和路由

　　SIP URI（uniform resource identifiers）地址為SIP：user@domain形式。如果user是E.164號(hào)碼，也就是說，為SIP終端分配一個(gè)類似PSTN的號(hào)碼，則主叫軟交換機(jī)可以根據(jù)一般電話號(hào)碼的規(guī)則很容易地得出被叫軟交換機(jī)的地址[2]。如果domain只是簡單的IP地址，則可直接根據(jù)該地址將信令消息發(fā)至被叫軟交換機(jī)。對于一般的SIP URI地址，建議利用DNS系統(tǒng)，解析該地址得到該域中SIP代理服務(wù)器地址，信令到達(dá)該服務(wù)器后，再查詢該域中的位置登記服務(wù)器，即可定位到被叫用戶當(dāng)前所在地址。 {{分頁}}

　　圖3給出了上述SIP消息選路過程。主叫A接入A域的代理服務(wù)器A后，代理服務(wù)器A查詢DNS，得到B域的代理服務(wù)器B的地址。最后由代理服務(wù)器B將invite消息發(fā)送至被叫B。在軟交換網(wǎng)絡(luò)中，代理服務(wù)器A和代理服務(wù)器B的功能都由軟交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。

圖3　SIP消息選路

2.2　SIP事務(wù)操作實(shí)例

　　圖4是SIP呼叫建立和釋放流程。一般情況下，SIP使用RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）傳送音頻和視頻流，使用會(huì)話描述協(xié)議（SDP：session description protocol）進(jìn)行媒體描述[5]。SDP規(guī)定了對描述會(huì)話的必要信息，怎樣進(jìn)行編碼，它不包括任何傳輸機(jī)制，也不包括任何種類的協(xié)商參數(shù)。一個(gè)SDP描述僅僅是能夠被系統(tǒng)用于在一個(gè)多媒體會(huì)話中加入大量信息。SDP描述包括兩個(gè)部分：一是會(huì)話總體信息，包括會(huì)話名、聯(lián)系地址和時(shí)間等；二是會(huì)話媒體信息，包括媒體類型、傳送協(xié)議、編碼格式和傳送地址等。它們分別稱為會(huì)話級(jí)描述和媒體級(jí)描述。

圖4　SIP建立和拆除呼叫實(shí)例

3、SIP在IMS中的應(yīng)用

　　IP多媒體核心子系統(tǒng)IMS（IP multimedia subsystem）是第3代移動(dòng)通信合作伙伴項(xiàng)目3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，它的顯著特點(diǎn)是：采用了SIP，通信與接入方式無關(guān)，可以提供多種媒體業(yè)務(wù)，控制功能與承載能力分離、呼叫與會(huì)話分離、應(yīng)用與服務(wù)分離、業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離，移動(dòng)網(wǎng)與Internet業(yè)務(wù)融合。IMS順應(yīng)了通信網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的趨勢。 {{分頁}}

3.1　IMS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　IMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的主要功能實(shí)體包括呼叫/會(huì)話功能實(shí)體（CSCF：call session control function）、原籍用戶服務(wù)器（HSS：home subscriber server）、媒體網(wǎng)關(guān)控制實(shí)體（MGCF）和媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）等[6]。其中最重要的實(shí)體是CSCF和HSS。CSCF主要負(fù)責(zé)對多媒體會(huì)話進(jìn)行處理，其功能包括多媒體會(huì)話控制、地址翻譯以及對業(yè)務(wù)協(xié)商進(jìn)行服務(wù)轉(zhuǎn)換等，相當(dāng)于SIP服務(wù)器。CSCF分為代理CSCF（P-CSCF：proxy-CSCF）、查詢CSCF（I-CSCF：interrogating-CSCF）和服務(wù)CSCF（S-CSCF：serving-CSCF）。P-CSCF是IMS系統(tǒng)中用戶的第一個(gè)接觸點(diǎn)，所有的SIP信令都必須通過P-CSCF。I-CSCF提供到歸屬網(wǎng)絡(luò)的入口，將歸屬網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潆[藏起來，并可通過歸屬用戶服務(wù)器HSS靈活選擇S-CSCF，并將SIP信令路由到S-CSCF。S-CSCF是IMS的核心，它位于歸屬網(wǎng)絡(luò)，提供UE會(huì)話控制和注冊服務(wù)。在SIP會(huì)話中他是SIP的代理服務(wù)器。HSS類似于現(xiàn)在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的HLR，它是IMS中所有與用戶和服務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)的主要存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)在HSS中的數(shù)據(jù)主要包括用戶身份、注冊信息、接入?yún)?shù)和服務(wù)觸發(fā)信息等。

圖5　IMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2　IMS呼叫流程

　　SIP信令消息從移動(dòng)用戶發(fā)起，經(jīng)UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動(dòng)通信系統(tǒng)）陸地無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入核心網(wǎng)，通過SGSN（serving GPRS supporting node，GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)）和GGSN（gateway GPRS supporting node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)）到達(dá)CSCF，經(jīng)過處理后送往其他IMS網(wǎng)絡(luò)、MGCF/MGW網(wǎng)絡(luò)或外部IP網(wǎng)絡(luò)。在此過程中，SGSN和GGSN僅查看消息的目的IP地址，不分析消息的內(nèi)容，起到路由器的作用。圖6示出移動(dòng)用戶發(fā)起呼叫的信令流程示例，此處假設(shè)用戶位于訪問網(wǎng)絡(luò)。用戶發(fā)SIP invite請求，信息中包含初始SDP描述。消息經(jīng)P-CSCF和I-CSCF轉(zhuǎn)發(fā)至S-CSCF。S-CSCF根據(jù)用戶文檔信息進(jìn)行起始呼叫授權(quán)控制，包括SDP媒體請求的合法性，同時(shí)根據(jù)to字段確定被叫方的位置，并利用DNS服務(wù)解析地址，將請求送往目的地。 {{分頁}}

圖6　IMS呼叫流程示例 <, /o:p>

4、展望與總結(jié)

　　IETF的SIP工作組完成的SIP標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)了目前網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域一大熱點(diǎn)。隨著SIP擴(kuò)展協(xié)議對SIP核心的逐漸完善和補(bǔ)充。SIP標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)發(fā)揮越來越重要的作用。3GPP、PacketCable、網(wǎng)絡(luò)用具研究機(jī)構(gòu)將SIP作為工作協(xié)議極大地促進(jìn)了SIP標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步發(fā)展，而多媒體會(huì)議、VoIP、多媒體分發(fā)等領(lǐng)域逐步采用SIP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著SIP已經(jīng)成為一個(gè)應(yīng)用范圍廣泛、逐步走向成熟的協(xié)議。在VoIP領(lǐng)域。SIP的出現(xiàn)動(dòng)搖了H.323協(xié)議族的首席地位。SIP工作組將會(huì)繼續(xù)發(fā)揮其主導(dǎo)作用，促進(jìn)SIP的更加完善和更廣泛的應(yīng)用。我們相信，隨著SIP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善以及國內(nèi)外對SIP應(yīng)用研究的進(jìn)一步深入，SIP將在下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族中發(fā)揮越來越大的作用。