SIP及其在軟交換網絡和IMS中的應用

摘要　介紹了SIP（session initiation protocol）協議的特點、功能和結構等，從路由、網絡結構和典型呼叫流程方面研究分析SIP在軟交換網絡和IMS中的應用，最后對SIP的未來做出了展望。

1、SIP的技術特點和結構

　　SIP（session initiation protocol）是IETF（Internet Engineering Task Force，工程任務組）制定的多媒體通信協議。它是一個基于文本的應用層控制協議，獨立于底層協議，用于建立、修改和終止IP網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等協議配合，可支持和應用于語音、視頻、數據等多媒體業務，同時可以應用于presence（呈現）、instant message（即時消息，類似QQ）等特色業務。

1.1　SIP技術特點

　　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，易實現和調試，便于跟蹤和處理。
表1　SIP的請求和響應消息

　　從協議角度上看。易于擴展和伸縮的特性使SIP能夠支持許多新業務，對不支持業務信令的透明封裝，可以繼承多種已有的業務。

　　從網絡架構角度上看，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，網絡構成清晰簡單，從而將網絡設備的復雜性推向邊緣，簡化網絡核心部分。

　　SIP的這些優點。使其足以能夠在軟交換網絡中承擔起呼叫控制的責任。

1.2　IP多媒體通信協議棧結構

　　圖1是基于SIP的IP網絡多媒體通信系統的協議棧結構。從SIP在Internet協議棧中的位置，可以看出，SIP是應用層上的一個控制（信令）協議。IETF制定IP網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議。其中每一個協議完成一種功能，端系統和網絡服務器根據其提供的服務，只需實現相應的協議，不但有利于提高系統的模塊性、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多媒體通信協議棧 {{分頁}}

1.3　SIP網絡結構

　　如圖2所示，SIP網絡采用IP網絡常用的客戶機/服務器（C/S）結構，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系統網絡結構

　　SIP本身也是一個C/S協議。呼叫控制請求發出方稱為客戶，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負責發起SIP的呼叫請求，UAS負責對呼叫請求做出響應。

　　網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、路由等服務。PS提供路由功能，負責將SIP用戶請求和響應轉發到相應的下一跳。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）發出查詢請求。定位服務器本身不屬于SIP系統的范圍，是Internet的公共服務器。

2、SIP在軟交換中的應用

　　軟交換（softswitch）技術是實現新一代語音、通信以及多媒體和數據交換的核心技術，軟交換技術實現了控制/業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、業務控制和用戶管理等功能，而業務多媒體流的傳送由IP網絡完成[4]。SIP在軟交換網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、軟交換和應用網關之間、軟交換/應用服務器/應用網關和媒體服務器之間。

2.1　軟交換網絡中的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一般電話號碼的規則很容易地得出被叫軟交換機的地址[2]。如果domain只是簡單的IP地址，則可直接根據該地址將信令消息發至被叫軟交換機。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消息發送至被叫B。在軟交換網絡中，代理服務器A和代理服務器B的功能都由軟交換機實現。

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（實時傳輸協議）傳送音頻和視頻流，使用會話描述協議（SDP：session description protocol）進行媒體描述[5]。SDP規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商參數。一個SDP描述僅僅是能夠被系統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、聯系地址和時間等；二是會話媒體信息，包括媒體類型、傳送協議、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多媒體業務的子系統，它的顯著特點是：采用了SIP，通信與接入方式無關，可以提供多種媒體業務，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、業務與網絡分離，移動網與Internet業務融合。IMS順應了通信網絡融合發展的趨勢。 {{分頁}}

3.1　IMS系統基本結構

　　IMS網絡結構如圖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）、媒體網關控制實體（MGCF）和媒體網關（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、地址翻譯以及對業務協商進行服務轉換等，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提供到歸屬網絡的入口，將歸屬網絡的拓撲隱藏起來，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類似于現在移動網絡的HLR，它是IMS中所有與用戶和服務相關的數據的主要存儲器。存儲在HSS中的數據主要包括用戶身份、注冊信息、接入參數和服務觸發信息等。

圖5　IMS網絡結構

3.2　IMS呼叫流程

　　SIP信令消息從移動用戶發起，經UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移動通信系統）陸地無線接入網絡進入核心網，通過SGSN（serving GPRS supporting node，GPRS服務支持節點）和GGSN（gateway GPRS supporting node，GPRS網關支持節點）到達CSCF，經過處理后送往其他IMS網絡、MGCF/MGW網絡或外部IP網絡。在此過程中，SGSN和GGSN僅查看消息的目的IP地址，不分析消息的內容，起到路由器的作用。圖6示出移動用戶發起呼叫的信令流程示例，此處假設用戶位于訪問網絡。用戶發SIP invite請求，信息中包含初始SDP描述。消息經P-CSCF和I-CSCF轉發至S-CSCF。S-CSCF根據用戶文檔信息進行起始呼叫授權控制，包括SDP媒體請求的合法性，同時根據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

　　IETF的SIP工作組完成的SIP標準引導了目前網絡和通信領域一大熱點。隨著SIP擴展協議對SIP核心的逐漸完善和補充。SIP標準將會發揮越來越重要的作用。3GPP、PacketCable、網絡用具研究機構將SIP作為工作協議極大地促進了SIP標準的進一步發展，而多媒體會議、VoIP、多媒體分發等領域逐步采用SIP進行實現，標志著SIP已經成為一個應用范圍廣泛、逐步走向成熟的協議。在VoIP領域。SIP的出現動搖了H.323協議族的首席地位。SIP工作組將會繼續發揮其主導作用，促進SIP的更加完善和更廣泛的應用。我們相信，隨著SIP相關標準的進一步完善以及國內外對SIP應用研究的進一步深入，SIP將在下一代網絡協議族中發揮越來越大的作用。