基于SIP協(xié)議的3G網(wǎng)絡(luò )中的應用

會(huì )話(huà)起始協(xié)議SIP是3G的IP多媒體子系統中提供多媒體業(yè)務(wù)的核心技術(shù)。文章首先介紹了SIP的基本工作原理，然后對3GPPUMTSR5定義的IMS進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，最后詳細闡述了SIP在IMS提供服務(wù)的過(guò)程及對漫游用戶(hù)的處理。

會(huì )話(huà)起始協(xié)議(sessioniniTIationprotocol)是由IETF定義的一個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現實(shí)時(shí)通信應用的一種信令控制協(xié)議。 3GPP定義了IP多媒體子系統(IPMultimedia Subsystem：IMS)的網(wǎng)絡(luò )架構，并基于SIP來(lái)承載各種多媒體業(yè)務(wù)(VoIP，流媒體，網(wǎng)絡(luò )游戲等)。

一、SIP協(xié)議簡(jiǎn)介

會(huì )話(huà)起始協(xié)議SIP(SessionInitiationProtocol)被描述用來(lái)生成，修改和終結一個(gè)或多個(gè)參與者之間的會(huì )話(huà)，是由IETF于 1999年提出的一個(gè)基于IP網(wǎng)絡(luò )中實(shí)現實(shí)時(shí)通信應用的一種信令控制協(xié)議。它打破了傳統電信業(yè)務(wù)的傳輸模式，采用基于因特網(wǎng)的準則，將蜂窩系統與因特網(wǎng)應用融合在一起提供基于IP的多媒體業(yè)務(wù)，具有開(kāi)放性，可擴展性，安全性的特點(diǎn)。3GPP

已將SIP作為第三代移動(dòng)通信系統多媒體域的控制協(xié)議。

經(jīng)常出現這種情況，一個(gè)用戶(hù)在多個(gè)位置之間移動(dòng)，如一個(gè)公司職員，可能處在公司，家里或是咖啡廳等位置。為了給用戶(hù)提供方便的移動(dòng)性，SIP使用統一資源定位符URI(UniformResourceIdentifier)來(lái)表示用戶(hù)。通常由一個(gè)域名加上用戶(hù)名組成，例如SIP：John@ eastcom.com，類(lèi)似于電子郵件地址。SIP URI只是用來(lái)唯一標示用戶(hù)的邏輯標記符，用戶(hù)注冊時(shí)它將與用戶(hù)的IP地址綁定并記錄到定位服務(wù)器。

在SIP中，系統采用了因特網(wǎng)常用的客戶(hù)機/服務(wù)器結構，由用戶(hù)代理和服務(wù)器兩大部分組成。其中用戶(hù)代理又分為用戶(hù)代理客戶(hù)(UAC： UserAgentClient)和用戶(hù)代理服務(wù)器(UAS：UserAgent Server)兩種。UAC用來(lái)發(fā)起會(huì )話(huà)請求，UAS用來(lái)接受并響應會(huì )話(huà)請求。這兩者只是邏輯上的功能，實(shí)際上網(wǎng)絡(luò )終端應同時(shí)具備這兩種功能，既能發(fā)起會(huì )話(huà)，又能接受、相應會(huì )話(huà)。服務(wù)器分為代理服務(wù)器(Proxy Server)、重定向服務(wù)器(Redirected Server)和注冊服務(wù)器(Registrar)。

圖1 SIP的網(wǎng)絡(luò )體系結構

圖1描述了SIP的基本網(wǎng)絡(luò )體系結構。用戶(hù)接入網(wǎng)絡(luò )后首先要向注冊服務(wù)器注冊，注冊信息寫(xiě)入定位服務(wù)器中(定向服務(wù)器不屬于SIP網(wǎng)元，只是一個(gè)數據庫)。當用戶(hù)代理客戶(hù)UAC要發(fā)起呼叫時(shí)，它一般將呼叫請求消息發(fā)送給本域的出向代理服務(wù)器。媒體描述信息以SDP (SessionDescriptionProtocol)的形式在SIP消息體中被封裝并發(fā)送出去。代理服務(wù)器檢查被叫地址，將請求轉發(fā)(可能經(jīng)過(guò)多個(gè)中間代理服務(wù)器的轉發(fā))，直至到達被叫域的代理服務(wù)器。被叫域的代理服務(wù)器通過(guò)查詢(xún)定位服務(wù)器確定被叫的確切位置，然后將請求轉發(fā)給被叫用戶(hù)代理服務(wù)器 UAS。被叫UAS收到請求后，生成響應消息。響應消息將按照請求消息經(jīng)過(guò)的路徑，原路返回到主叫UAC。主叫UAC根據響應消息的內容選擇是建立呼叫、重新發(fā)起呼叫或取消該呼叫。如果被叫沒(méi)有在歸屬地，主叫將通過(guò)重定位服務(wù)器重新定位被叫的位置，然后發(fā)起請求。

SIP有兩種類(lèi)型的消息：

(1)請求：從客戶(hù)機發(fā)到服務(wù)器的消息。SIP核心規范定義了6種SIP請求：

INVITE—邀請用戶(hù)加入呼叫。

BYE—終止兩個(gè)用戶(hù)之間的呼叫。

OPTIONS—請求關(guān)于服務(wù)器能力的信息。

ACK—確認客戶(hù)機已經(jīng)收到對INVITE的最終響應。

REGISTER—提供地址解析的映射，讓服務(wù)器知道其他用戶(hù)的位置。

INFO—用于會(huì )話(huà)中信令。

(2)應答：從服務(wù)器發(fā)到客戶(hù)機的消息，當服務(wù)器收到請求時(shí)，它就發(fā)出一個(gè)或多個(gè)應答。每個(gè)應答都有一個(gè)代表事務(wù)狀態(tài)的狀態(tài)碼(100-699的整數)。下面是常用的幾種應答及它們的狀態(tài)碼：

trying(100)—正在嘗試

ringing(180)—正在振鈴

sessionprogress(183)—會(huì )話(huà)進(jìn)行

OK(200)—好

二、3GPP R5中IMS的基本結構

根據3GPP的定義，3G網(wǎng)絡(luò )被劃分為3個(gè)域：電路交換域、分組交換域、IP多媒體域(如圖2)。

圖2 3GPP R5基本結構

電路交換域與現有的2G網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似，采用電路交換技術(shù)提供話(huà)音業(yè)務(wù)。分組交換域是2.5G網(wǎng)絡(luò )中引入的，主要網(wǎng)元設備有SGSN (ServiceGPRSSwitchNode)和GGSN(Gateway GPRS Switch Node)。它們負責向終端提供IP連接，用戶(hù)通過(guò)該域進(jìn)入因特網(wǎng)，用戶(hù)可以由此發(fā)送郵件，瀏覽網(wǎng)頁(yè)。它并沒(méi)有在IP之上定義任何特殊的體系結構，它主要是一種接入技術(shù)。IP多媒體域(即IMS，IP MulTImedia Subsystem)是3GPP制定的UMTS R5版本中引入的，采用SIP作為主要的信令協(xié)議，使得移動(dòng)運營(yíng)商可以為用戶(hù)提供端到端的全IP的多媒體業(yè)務(wù)。

IMS由呼叫狀態(tài)控制功能CSCF(CallSessionControlFunction)、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能MGCF(Media Gateway Control Function)、媒體網(wǎng)關(guān)MGW(Media Gateway)、歸屬地用戶(hù)服務(wù)器H

SS(Home Subscriber Server)等功能實(shí)體組成。CSCF的種類(lèi)包括P-CSCF(Proxy-CACF，代理CSCF)、I-CSCF(Interrogating CSCF，查詢(xún)CSCF)和S-CSCF(Serving CSCF，服務(wù)CSCF)，本質(zhì)上它們都是SIP服務(wù)器，處理SIP信令。

●P-CSCF是UE聯(lián)系IMS的第一步，是UE在被訪(fǎng)問(wèn)域(漫游時(shí))首先要訪(fǎng)問(wèn)的點(diǎn)，進(jìn)出的SIP消息都要通過(guò)P-CSCF。P-CSCF相當于SIP協(xié)議定義的邊界代理服務(wù)器。

●I-CSCF的功能是提供到歸屬網(wǎng)絡(luò )的入口，將歸屬網(wǎng)絡(luò )的拓撲圖對其它網(wǎng)絡(luò )隱藏起來(lái)，并通過(guò)HSS為特定用戶(hù)找出相應的S-CSCF。它是用戶(hù)終端漫游或者外來(lái)任務(wù)進(jìn)入本地服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò )中的聯(lián)系點(diǎn)。當I-CSCF接到一個(gè)請求時(shí)，它將把請求路由到相應的S-CSCF。

●S-CSCF給用戶(hù)提供服務(wù)。當終端注冊時(shí)，它同本地域的S-CSCF聯(lián)系，本地S-CSCF向用戶(hù)提供用戶(hù)預定的服務(wù)。這樣的好處是用戶(hù)即使漫游到不支持某項業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò )也能像在本地一樣得到需要的服務(wù)。

HSS(HomeSubscriberServer)相當于2G網(wǎng)絡(luò )中的HLR，存儲了與一個(gè)單獨用戶(hù)相關(guān)的S-CSCF和相應的用戶(hù)簡(jiǎn)介。因此它知道用戶(hù)現在的位置和用戶(hù)指定的服務(wù)。CSCF可以向HSS詢(xún)問(wèn)以獲得這些信息。HSS和CSCF之間交互用的是Cx接口，它不是IETF制定的，當也是基于 IP的。

三、用戶(hù)SIP注冊

用戶(hù)在發(fā)起一次會(huì )話(huà)之前必須先完成SIP服務(wù)注冊。UE(UserEquipment)將告訴HSS它現在的位置，HSS更新相應用戶(hù)的信息;注冊前要進(jìn)行驗證，HSS根據用戶(hù)信息和操作限制檢查該用戶(hù)是否可以注冊;在服務(wù)注冊中，本地域還要為UE選擇一個(gè)S-CSCF，并把用戶(hù)信息發(fā)往S- CSCF。這個(gè)過(guò)程是在應用層完成的，所以注冊前要建立信令鏈路。因此，首先要建立UE到SGSN和SGSN到GGSN的鏈路。這條鏈路建立以后，用戶(hù)就可以注冊了。

如圖3，描述了一個(gè)用戶(hù)在3G網(wǎng)絡(luò )中注冊的全部過(guò)程。注冊之后，系統會(huì )給用戶(hù)分配一個(gè)S-CSCF，由這個(gè)S-CSCF來(lái)負責向用戶(hù)提供服務(wù)。首先，用戶(hù)從UE發(fā)送一個(gè)注冊請求給所在地P- CSCF。P-CSCF是UE和網(wǎng)絡(luò )之間的聯(lián)系點(diǎn)。P-CSCF向用戶(hù)歸屬地I-CSCF轉發(fā)該注冊請求。歸屬地I- CSCF向HSS咨詢(xún)，I-CSCF根據從HSS得來(lái)的有關(guān)該用戶(hù)的信息給用戶(hù)選擇一個(gè)S-CSCF。因此，原來(lái)的注冊請求就可以交由這個(gè)S-CSCF處理。一旦收到請求，S-CSCF就從HSS下載用戶(hù)的信息，該信息告訴S-CSCF用戶(hù)預定了哪些服務(wù)。最終，它發(fā)出一個(gè)約定的應答信號。

圖3 用戶(hù)注冊的信令流

四、在漫游用戶(hù)間的會(huì )話(huà)

一旦UE注冊到一個(gè)S-CSCF，語(yǔ)音和多媒體呼叫就可以建立了。兩用戶(hù)之間建立鏈路的過(guò)程實(shí)際上就是穿越各個(gè)CSCF的過(guò)程?？偟膩?lái)說(shuō)是按照“主叫用戶(hù) ◇主叫所在地P-CSCF◇主叫歸屬地S-CSCF◇被叫歸屬地S-CSCF ◇被叫所在地P-CSCF ◇被叫用戶(hù)”的路線(xiàn)。

用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)地的SIPCSCF服務(wù)器是不會(huì )處理用戶(hù)業(yè)務(wù)的，它只起到了接入網(wǎng)絡(luò )、轉發(fā)信息的作用，給用戶(hù)提供業(yè)務(wù)服務(wù)以及用戶(hù)接入其他網(wǎng)絡(luò )(例如PSTN) 都要依靠歸屬地的S-CSCF。用戶(hù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )時(shí)首先到訪(fǎng)問(wèn)地的P-CSCF登記，告訴P-CSCF自己的歸屬地在哪里，就猶如外地人口到來(lái)先到訪(fǎng)問(wèn)地公安局登記領(lǐng)取暫住證，并登記自己是誰(shuí)，戶(hù)口所在地等信息。接著(zhù)通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)地P-CSCF告訴歸屬地的S-CSCF自己的位置并更新HSS中的位置信息。當用戶(hù)發(fā)出會(huì )話(huà)請求時(shí)，訪(fǎng)問(wèn)地P-CSCF將請求發(fā)往用戶(hù)歸屬地交由S-CSCF處理，同樣的，當有發(fā)往用戶(hù)的會(huì )話(huà)請求時(shí)，請求先到達歸屬地，歸屬地找到用戶(hù)的位置后再通過(guò)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)地P-CSCF與用戶(hù)取得聯(lián)系，建立鏈路。

如圖4所示是最普通的兩個(gè)漫游用戶(hù)的會(huì )話(huà)建立過(guò)程。一個(gè)完整的IMS呼叫分為會(huì )話(huà)邀請、資源預留、會(huì )話(huà)提供、會(huì )話(huà)連接、會(huì )話(huà)終止五個(gè)階段。

呼叫的過(guò)程如下：

(1)會(huì )話(huà)邀請

A向P-CSCF發(fā)送一個(gè)INVITE請求消息。該消息中有B和A的SIPURI。P-CSCF注意到A不屬于本地用戶(hù)并向A的歸屬地轉發(fā)該 INVITE 消息并返回100trying臨時(shí)應答A(表示已經(jīng)發(fā)送A的請求，正在嘗試建立鏈路，A需要等待)。A的本地域I-CSCF向HSS查詢(xún)，并向A注冊時(shí)分配的S-CSCF轉發(fā)INVITE并返回100trying給外地P-CSCF。S-CSCF收到請求后將INVITE轉發(fā)給被叫B的本地域并返回 100trying給I-CSCF。同樣，B歸屬地的I-CSCF

接到請求后向HSS查詢(xún)并將請求轉發(fā)到B的歸屬地S-CSCF，該S-CSCF發(fā)現B正處在外地網(wǎng)絡(luò )中，于是將INVITE轉發(fā)到B目前所在地的P-CSCF，接著(zhù)P-CSCF將請求最后傳給B。

(2)資源預留

B接受了這個(gè)會(huì )話(huà)請求，但此時(shí)他不回鈴通知A，他返回183sessionprocess應答表示他接受該會(huì )話(huà)，同時(shí)要求A對此表示確定，這個(gè)應答通過(guò)各個(gè)CSCF傳給A。同時(shí)B激活一個(gè)GPRSPDP上下文，它被用來(lái)通過(guò)IMS的IP接入點(diǎn)來(lái)建立語(yǔ)音通道。

A收到183應答后，同樣激活一個(gè)PDP上下文并通過(guò)CSCF建立的通道發(fā)送一個(gè)COMET消息給B，該消息含有A的語(yǔ)音通道的地址細節，并起確認作用。

(3)會(huì )話(huà)提供和會(huì )話(huà)連接

當接到COMET，B知道傳送語(yǔ)音的IP通道和服務(wù)質(zhì)量參數已經(jīng)被雙方預留，并且知道了語(yǔ)音通道的地址，因此B返回200OK確認消息。該消息包含了B的語(yǔ)音通道的地址細節。

A接到確認后，給B一個(gè)180振鈴信息，B聽(tīng)到振鈴即給A一個(gè)200OK消息，最后A給B發(fā)送ACK確認信息，到此通信鏈路建立完成，接下來(lái)A和B可以進(jìn)行通話(huà)了。

(4)會(huì )話(huà)終止

為了終止會(huì )話(huà)，A發(fā)送一個(gè)BYE消息給B。同時(shí)A撤銷(xiāo)他的PDP上下文。

B接到BYE消息后，它會(huì )撤消自己的PDP上下文，并返回一個(gè)200OK應答給A是房改呼叫使用的所有CSCF。

五、結束語(yǔ)

SIP協(xié)議是一個(gè)簡(jiǎn)單、靈活的協(xié)議，具有很強的包容性，在保持其核心協(xié)議簡(jiǎn)捷的基礎上建立了強大的擴充機制，所以利用SIP技術(shù)可以很容易的實(shí)現大量應用。我們可以毫無(wú)疑問(wèn)，基于SIP的3GIMS將會(huì )給廣大用戶(hù)帶來(lái)更快捷、更豐富、更靈活的通信體驗。