SIP及其在軟交換網(wǎng)絡和IMS中的應用

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

1、SIP的技術(shù)特點和結(jié)構(gòu)

　　SIP（session initiation protocol）是IETF（Internet Engineering Task Force，工程任務組）制定的多媒體通信協(xié)議。它是一個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年提議成為的一個標準，主要借鑒了Web的HTTP和SMTP兩個協(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，與RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS等協(xié)議配合，可支持和應用于語音、視頻、數(shù)據(jù)等多媒體業(yè)務，同時可以應用于presence（呈現(xiàn)）、instant message（即時消息，類似QQ）等特色業(yè)務。

1.1　SIP技術(shù)特點

　　SIP的最大亮點在于簡單，它只包括7個主要請求，6類響應（如表1所示），成功建立一個基本呼叫只需要兩個請求消息和一個響應消息；基于文本格式，易實現(xiàn)和調(diào)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，對不支持業(yè)務信令的透明封裝，可以繼承多種已有的業(yè)務。

　　從網(wǎng)絡架構(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)絡構(gòu)成清晰簡單，從而將網(wǎng)絡設備的復雜性推向邊緣，簡化網(wǎng)絡核心部分。

　　SIP的這些優(yōu)點。使其足以能夠在軟交換網(wǎng)絡中承擔起呼叫控制的責任。

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是應用層上的一個控制（信令）協(xié)議。IETF制定IP網(wǎng)絡多媒體通信標準的一個重要原則是最大限度地重用已有的協(xié)議。其中每一個協(xié)議完成一種功能，端系統(tǒng)和網(wǎng)絡服務器根據(jù)其提供的服務，只需實現(xiàn)相應的協(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)絡結(jié)構(gòu)

　　如圖2所示，SIP網(wǎng)絡采用IP網(wǎng)絡常用的客戶機/服務器（C/S）結(jié)構(gòu)，定義了若干種不同的服務器和用戶代理，通過與服務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(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

　　SIP本身也是一個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器，分別稱為用戶代理客戶（UAC：user agent client）和用戶代理服務器（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)絡服務器有代理服務器（PS：proxy server）、重定位服務器（RS：redirect server），主要為用戶代理提供注冊、認證、鑒權(quán)、路由等服務。PS提供路由功能，負責將SIP用戶請求和響應轉(zhuǎn)發(fā)到相應的下一跳。RS提供地址解析服務，將SIP呼叫的目的地址映射成0個或多個新地址。PS和RS在確定下一跳服務器時都有可能向定位服務器（LS：location server）發(fā)出查詢請求。定位服務器本身不屬于SIP系統(tǒng)的范圍，是Internet的公共服務器。

2、SIP在軟交換中的應用

　　軟交換（softswitch）技術(shù)是實現(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)實現(xiàn)了控制/業(yè)務與承載分離的思想。軟交換機作為控制實體，完成呼叫接續(xù)、業(yè)務控制和用戶管理等功能，而業(yè)務多媒體流的傳送由IP網(wǎng)絡完成[4]。SIP在軟交換網(wǎng)絡中可以應用的場景非常廣泛：軟交換和軟交換之間、軟交換和SIP終端之間、軟交換和應用服務器之間、軟交換和應用網(wǎng)關(guān)之間、軟交換/應用服務器/應用網(wǎng)關(guān)和媒體服務器之間。

2.1　軟交換網(wǎng)絡中的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，為SIP終端分配一個類似PSTN的號碼，則主叫軟交換機可以根據(jù)一般電話號碼的規(guī)則很容易地得出被叫軟交換機的地址[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。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代理服務器地址，信令到達該服務器后，再查詢該域中的位置登記服務器，即可定位到被叫用戶當前所在地址。 {{分頁}}

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

圖3　SIP消息選路

2.2　SIP事務操作實例

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

圖4　SIP建立和拆除呼叫實例

3、SIP在IMS中的應用

　　IP多媒體核心子系統(tǒng)IMS（IP multimedia subsystem）是第3代移動通信合作伙伴項目3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出的支持IP多媒體業(yè)務的子系統(tǒng)，它的顯著特點是：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，控制功能與承載能力分離、呼叫與會話分離、應用與服務分離、業(yè)務與網(wǎng)絡分離，移動網(wǎng)與Internet業(yè)務融合。IMS順應了通信網(wǎng)絡融合發(fā)展的趨勢。 {{分頁}}

3.1　IMS系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　IMS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示，它的主要功能實體包括呼叫/會話功能實體（CSCF：call session control function）、原籍用戶服務器（HSS：home subscriber server）、媒體網(wǎng)關(guān)控制實體（MGCF）和媒體網(wǎng)關(guān)（MGW）等[6]。其中最重要的實體是CSCF和HSS。CSCF主要負責對多媒體會話進行處理，其功能包括多媒體會話控制、地址翻譯以及對業(yè)務協(xié)商進行服務轉(zhuǎn)換等，相當于SIP服務器。CSCF分為代理CSCF（P-CSCF：proxy-CSCF）、查詢CSCF（I-CSCF：interrogating-CSCF）和服務CSCF（S-CSCF：serving-CSCF）。P-CSCF是IMS系統(tǒng)中用戶的第一個接觸點，所有的SIP信令都必須通過P-CSCF。I-CSCF提供到歸屬網(wǎng)絡的入口，將歸屬網(wǎng)絡的拓撲隱藏起來，并可通過歸屬用戶服務器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，提供UE會話控制和注冊服務。在SIP會話中他是SIP的代理服務器。HSS類似于現(xiàn)在移動網(wǎng)絡的HLR，它是IMS中所有與用戶和服務相關(guān)的數(shù)據(jù)的主要存儲器。存儲在HSS中的數(shù)據(jù)主要包括用戶身份、注冊信息、接入?yún)?shù)和服務觸發(fā)信息等。

圖5　IMS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

3.2　IMS呼叫流程

　　SIP信令消息從移動用戶發(fā)起，經(jīng)UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動通信系統(tǒng)）陸地無線接入網(wǎng)絡進入核心網(wǎng)，通過SGSN（serving GPRS supporting node，GPRS服務支持節(jié)點）和GGSN（gateway GPRS supporting node，GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）到達CSCF，經(jīng)過處理后送往其他IMS網(wǎng)絡、MGCF/MGW網(wǎng)絡或外部IP網(wǎng)絡。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示出移動用戶發(fā)起呼叫的信令流程示例，此處假設用戶位于訪問網(wǎng)絡。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)用戶文檔信息進行起始呼叫授權(quán)控制，包括SDP媒體請求的合法性，同時根據(jù)to字段確定被叫方的位置，并利用DNS服務解析地址，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標準引導了目前網(wǎng)絡和通信領(lǐng)域一大熱點。隨著SIP擴展協(xié)議對SIP核心的逐漸完善和補充。SIP標準將會發(fā)揮越來越重要的作用。3GPP、PacketCable、網(wǎng)絡用具研究機構(gòu)將SIP作為工作協(xié)議極大地促進了SIP標準的進一步發(fā)展，而多媒體會議、VoIP、多媒體分發(fā)等領(lǐng)域逐步采用SIP進行實現(xiàn)，標志著SIP已經(jīng)成為一個應用范圍廣泛、逐步走向成熟的協(xié)議。在VoIP領(lǐng)域。SIP的出現(xiàn)動搖了H.323協(xié)議族的首席地位。SIP工作組將會繼續(xù)發(fā)揮其主導作用，促進SIP的更加完善和更廣泛的應用。我們相信，隨著SIP相關(guān)標準的進一步完善以及國內(nèi)外對SIP應用研究的進一步深入，SIP將在下一代網(wǎng)絡協(xié)議族中發(fā)揮越來越大的作用。