SIP及其在軟交換網(wǎng)絡(luò )和IMS中的應用

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

1、SIP的技術(shù)特點(diǎn)和結構

　　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)基于文本的應用層控制協(xié)議，獨立于底層協(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(huà)[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)標準，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(hù)等功能，支持用戶(hù)移動(dòng)，與RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS等協(xié)議配合，可支持和應用于語(yǔ)音、視頻、數據等多媒體業(yè)務(wù)，同時(shí)可以應用于presence（呈現）、instant message（即時(shí)消息，類(lèi)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(jiǎn)單，它只包括7個(gè)主要請求，6類(lèi)響應（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)響應消息；基于文本格式，易實(shí)現和調試，便于跟蹤和處理。
表1　SIP的請求和響應消息

　　從協(xié)議角度上看。易于擴展和伸縮的特性使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 )架構角度上看，分布式體系結構賦予系統極好的靈活性和高可靠性，終端智能化，網(wǎng)絡(luò )構成清晰簡(jiǎn)單，從而將網(wǎng)絡(luò )設備的復雜性推向邊緣，簡(jiǎn)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 )中承擔起呼叫控制的責任。

1.2　IP多媒體通信協(xié)議棧結構

　　圖1是基于SIP的IP網(wǎng)絡(luò )多媒體通信系統的協(xié)議棧結構。從SIP在Internet協(xié)議棧中的位置，可以看出，SIP是應用層上的一個(gè)控制（信令）協(xié)議。IETF制定IP網(wǎng)絡(luò )多媒體通信標準的一個(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，端系統和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器根據其提供的服務(wù)，只需實(shí)現相應的協(xié)議，不但有利于提高系統的模塊性、靈活性、簡(jiǎn)易性和可擴展性，而且可簡(jiǎn)化互操作性問(wèn)題[2]。

圖1　IP多媒體通信協(xié)議棧 {{分頁(yè)}}

1.3　SIP網(wǎng)絡(luò )結構

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

圖2　SIP系統網(wǎng)絡(luò )結構

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

　　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(hù)代理提供注冊、認證、鑒權、路由等服務(wù)。PS提供路由功能，負責將SIP用戶(hù)請求和響應轉發(fā)到相應的下一跳。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(xún)請求。定位服務(wù)器本身不屬于SIP系統的范圍，是Internet的公共服務(wù)器。

2、SIP在軟交換中的應用

　　軟交換（softswitch）技術(shù)是實(shí)現新一代語(yǔ)音、通信以及多媒體和數據交換的核心技術(shù)，軟交換技術(shù)實(shí)現了控制/業(yè)務(wù)與承載分離的思想。軟交換機作為控制實(shí)體，完成呼叫接續、業(yè)務(wù)控制和用戶(hù)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 )中可以應用的場(chǎng)景非常廣泛：軟交換和軟交換之間、軟交換和SIP終端之間、軟交換和應用服務(wù)器之間、軟交換和應用網(wǎng)關(guān)之間、軟交換/應用服務(wù)器/應用網(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號碼，也就是說(shuō)，為SIP終端分配一個(gè)類(lèi)似PSTN的號碼，則主叫軟交換機可以根據一般電話(huà)號碼的規則很容易地得出被叫軟交換機的地址[2]。如果domain只是簡(jiǎn)單的IP地址，則可直接根據該地址將信令消息發(fā)至被叫軟交換機。對于一般的SIP URI地址，建議利用DNS系統，解析該地址得到該域中SIP代理服務(wù)器地址，信令到達該服務(wù)器后，再查詢(xún)該域中的位置登記服務(wù)器，即可定位到被叫用戶(hù)當前所在地址。 {{分頁(yè)}}

　　圖3給出了上述SIP消息選路過(guò)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(xún)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實(shí)現。

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(huà)描述協(xié)議（SDP：session description protocol）進(jìn)行媒體描述[5]。SDP規定了對描述會(huì )話(huà)的必要信息，怎樣進(jìn)行編碼，它不包括任何傳輸機制，也不包括任何種類(lèi)的協(xié)商參數。一個(gè)SDP描述僅僅是能夠被系統用于在一個(gè)多媒體會(huì )話(huà)中加入大量信息。SDP描述包括兩個(gè)部分：一是會(huì )話(huà)總體信息，包括會(huì )話(huà)名、聯(lián)系地址和時(shí)間等；二是會(huì )話(huà)媒體信息，包括媒體類(lèi)型、傳送協(xié)議、編碼格式和傳送地址等。它們分別稱(chēng)為會(huì )話(huà)級描述和媒體級描述。

圖4　SIP建立和拆除呼叫實(shí)例

3、SIP在IMS中的應用

　　IP多媒體核心子系統IMS（IP multimedia subsystem）是第3代移動(dòng)通信合作伙伴項目3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統，它的顯著(zhù)特點(diǎn)是：采用了SIP，通信與接入方式無(wú)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(huà)分離、應用與服務(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順應了通信網(wǎng)絡(luò )融合發(fā)展的趨勢。 {{分頁(yè)}}

3.1　IMS系統基本結構

　　IMS網(wǎng)絡(luò )結構如圖5所示，它的主要功能實(shí)體包括呼叫/會(huì )話(huà)功能實(shí)體（CSCF：call session control function）、原籍用戶(hù)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主要負責對多媒體會(huì )話(huà)進(jìn)行處理，其功能包括多媒體會(huì )話(huà)控制、地址翻譯以及對業(yè)務(wù)協(xié)商進(jìn)行服務(wù)轉換等，相當于SIP服務(wù)器。CSCF分為代理CSCF（P-CSCF：proxy-CSCF）、查詢(xún)CSCF（I-CSCF：interrogating-CSCF）和服務(wù)CSCF（S-CSCF：serving-CSCF）。P-CSCF是IMS系統中用戶(hù)的第一個(gè)接觸點(diǎn)，所有的SIP信令都必須通過(guò)P-CSCF。I-CSCF提供到歸屬網(wǎng)絡(luò )的入口，將歸屬網(wǎng)絡(luò )的拓撲隱藏起來(lái)，并可通過(guò)歸屬用戶(hù)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(huà)控制和注冊服務(wù)。在SIP會(huì )話(huà)中他是SIP的代理服務(wù)器。HSS類(lèi)似于現在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的HLR，它是IMS中所有與用戶(hù)和服務(wù)相關(guān)的數據的主要存儲器。存儲在HSS中的數據主要包括用戶(hù)身份、注冊信息、接入參數和服務(wù)觸發(fā)信息等。

圖5　IMS網(wǎng)絡(luò )結構

3.2　IMS呼叫流程

　　SIP信令消息從移動(dòng)用戶(hù)發(fā)起，經(jīng)UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動(dòng)通信系統）陸地無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入核心網(wǎng)，通過(guò)SGSN（serving GPRS supporting node，GPRS服務(wù)支持節點(diǎn)）和GGSN（gateway GPRS supporting node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)）到達CSCF，經(jīng)過(guò)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(guò)程中，SGSN和GGSN僅查看消息的目的IP地址，不分析消息的內容，起到路由器的作用。圖6示出移動(dòng)用戶(hù)發(fā)起呼叫的信令流程示例，此處假設用戶(hù)位于訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )。用戶(hù)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轉發(fā)至S-CSCF。S-CSCF根據用戶(hù)文檔信息進(jìn)行起始呼叫授權控制，包括SDP媒體請求的合法性，同時(shí)根據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(yè)}}

圖6　IMS呼叫流程示例 <, /o:p>

4、展望與總結

　　IETF的SIP工作組完成的SIP標準引導了目前網(wǎng)絡(luò )和通信領(lǐng)域一大熱點(diǎn)。隨著(zhù)SIP擴展協(xié)議對SIP核心的逐漸完善和補充。SIP標準將會(huì )發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。3GPP、PacketCable、網(wǎng)絡(luò )用具研究機構將SIP作為工作協(xié)議極大地促進(jìn)了SIP標準的進(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，標志著(zhù)SIP已經(jīng)成為一個(gè)應用范圍廣泛、逐步走向成熟的協(xié)議。在VoIP領(lǐng)域。SIP的出現動(dòng)搖了H.323協(xié)議族的首席地位。SIP工作組將會(huì )繼續發(fā)揮其主導作用，促進(jìn)SIP的更加完善和更廣泛的應用。我們相信，隨著(zhù)SIP相關(guān)標準的進(jìn)一步完善以及國內外對SIP應用研究的進(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(lái)越大的作用。