SIP及其在软交换网络和IMS中的应用

摘要　介绍了SIP（session initiation protocol）协议的特点、功能和结构等，从路由、网络结构和典型呼叫流程方面研究分析SIP在软交换网络和IMS中的应用，最后对SIP的未来做出了展望。

1、SIP的技术特点和结构

　　SIP（session initiation protocol）是IETF（Internet Engineering Task Force，工程任务组）制定的多媒体通信协议。它是一个基于文本的应用层控制协议，独立于底层协议，用于建立、修改和终止IP网上的双方或多方的多媒体会话[1]。SIP最早由是由MMUSIC IETF工作组在1995年研究的，由IETF组织在1999年提议成为的一个标准，主要借鉴了Web的HTTP和SMTP两个协议。SIP支持代理、重定向、登记定位用户等功能，支持用户移动，与RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS等协议配合，可支持和应用于语音、视频、数据等多媒体业务，同时可以应用于presence（呈现）、instant message（即时消息，类似QQ）等特色业务。

1.1　SIP技术特点

　　SIP的最大亮点在于简单，它只包括7个主要请求，6类响应（如表1所示），成功建立一个基本呼叫只需要两个请求消息和一个响应消息；基于文本格式，易实现和调试，便于跟踪和处理。
表1　SIP的请求和响应消息

　　从协议角度上看。易于扩展和伸缩的特性使SIP能够支持许多新业务，对不支持业务信令的透明封装，可以继承多种已有的业务。

　　从网络架构角度上看，分布式体系结构赋予系统极好的灵活性和高可靠性，终端智能化，网络构成清晰简单，从而将网络设备的复杂性推向边缘，简化网络核心部分。

　　SIP的这些优点。使其足以能够在软交换网络中承担起呼叫控制的责任。

1.2　IP多媒体通信协议栈结构

　　图1是基于SIP的IP网络多媒体通信系统的协议栈结构。从SIP在Internet协议栈中的位置，可以看出，SIP是应用层上的一个控制（信令）协议。IETF制定IP网络多媒体通信标准的一个重要原则是最大限度地重用已有的协议。其中每一个协议完成一种功能，端系统和网络服务器根据其提供的服务，只需实现相应的协议，不但有利于提高系统的模块性、灵活性、简易性和可扩展性，而且可简化互操作性问题[2]。

图1　IP多媒体通信协议栈 {{分页}}

1.3　SIP网络结构

　　如图2所示，SIP网络采用IP网络常用的客户机/服务器（C/S）结构，定义了若干种不同的服务器和用户代理，通过与服务器之间的请求和响应完成呼叫和传送层的控制。

图2　SIP系统网络结构

　　SIP本身也是一个C/S协议。呼叫控制请求发出方称为客户，请求接受和处理方称为服务器，分别称为用户代理客户（UAC：user agent client）和用户代理服务器（UAS：user agent server）[3]。其中，UAC负责发起SIP的呼叫请求，UAS负责对呼叫请求做出响应。

　　网络服务器有代理服务器（PS：proxy server）、重定位服务器（RS：redirect server），主要为用户代理提供注册、认证、鉴权、路由等服务。PS提供路由功能，负责将SIP用户请求和响应转发到相应的下一跳。RS提供地址解析服务，将SIP呼叫的目的地址映射成0个或多个新地址。PS和RS在确定下一跳服务器时都有可能向定位服务器（LS：location server）发出查询请求。定位服务器本身不属于SIP系统的范围，是Internet的公共服务器。

2、SIP在软交换中的应用

　　软交换（softswitch）技术是实现新一代语音、通信以及多媒体和数据交换的核心技术，软交换技术实现了控制/业务与承载分离的思想。软交换机作为控制实体，完成呼叫接续、业务控制和用户管理等功能，而业务多媒体流的传送由IP网络完成[4]。SIP在软交换网络中可以应用的场景非常广泛：软交换和软交换之间、软交换和SIP终端之间、软交换和应用服务器之间、软交换和应用网关之间、软交换/应用服务器/应用网关和媒体服务器之间。

2.1　软交换网络中的SIP地址和路由

　　SIP URI（uniform resource identifiers）地址为SIP：user@domain形式。如果user是E.164号码，也就是说，为SIP终端分配一个类似PSTN的号码，则主叫软交换机可以根据一般电话号码的规则很容易地得出被叫软交换机的地址[2]。如果domain只是简单的IP地址，则可直接根据该地址将信令消息发至被叫软交换机。对于一般的SIP URI地址，建议利用DNS系统，解析该地址得到该域中SIP代理服务器地址，信令到达该服务器后，再查询该域中的位置登记服务器，即可定位到被叫用户当前所在地址。 {{分页}}

　　图3给出了上述SIP消息选路过程。主叫A接入A域的代理服务器A后，代理服务器A查询DNS，得到B域的代理服务器B的地址。最后由代理服务器B将invite消息发送至被叫B。在软交换网络中，代理服务器A和代理服务器B的功能都由软交换机实现。

图3　SIP消息选路

2.2　SIP事务操作实例

　　图4是SIP呼叫建立和释放流程。一般情况下，SIP使用RTP（实时传输协议）传送音频和视频流，使用会话描述协议（SDP：session description protocol）进行媒体描述[5]。SDP规定了对描述会话的必要信息，怎样进行编码，它不包括任何传输机制，也不包括任何种类的协商参数。一个SDP描述仅仅是能够被系统用于在一个多媒体会话中加入大量信息。SDP描述包括两个部分：一是会话总体信息，包括会话名、联系地址和时间等；二是会话媒体信息，包括媒体类型、传送协议、编码格式和传送地址等。它们分别称为会话级描述和媒体级描述。

图4　SIP建立和拆除呼叫实例

3、SIP在IMS中的应用

　　IP多媒体核心子系统IMS（IP multimedia subsystem）是第3代移动通信合作伙伴项目3GPP（3rd Generation Partnership Project）提出的支持IP多媒体业务的子系统，它的显著特点是：采用了SIP，通信与接入方式无关，可以提供多种媒体业务，控制功能与承载能力分离、呼叫与会话分离、应用与服务分离、业务与网络分离，移动网与Internet业务融合。IMS顺应了通信网络融合发展的趋势。 {{分页}}

3.1　IMS系统基本结构

　　IMS网络结构如图5所示，它的主要功能实体包括呼叫/会话功能实体（CSCF：call session control function）、原籍用户服务器（HSS：home subscriber server）、媒体网关控制实体（MGCF）和媒体网关（MGW）等[6]。其中最重要的实体是CSCF和HSS。CSCF主要负责对多媒体会话进行处理，其功能包括多媒体会话控制、地址翻译以及对业务协商进行服务转换等，相当于SIP服务器。CSCF分为代理CSCF（P-CSCF：proxy-CSCF）、查询CSCF（I-CSCF：interrogating-CSCF）和服务CSCF（S-CSCF：serving-CSCF）。P-CSCF是IMS系统中用户的第一个接触点，所有的SIP信令都必须通过P-CSCF。I-CSCF提供到归属网络的入口，将归属网络的拓扑隐藏起来，并可通过归属用户服务器HSS灵活选择S-CSCF，并将SIP信令路由到S-CSCF。S-CSCF是IMS的核心，它位于归属网络，提供UE会话控制和注册服务。在SIP会话中他是SIP的代理服务器。HSS类似于现在移动网络的HLR，它是IMS中所有与用户和服务相关的数据的主要存储器。存储在HSS中的数据主要包括用户身份、注册信息、接入参数和服务触发信息等。

图5　IMS网络结构

3.2　IMS呼叫流程

　　SIP信令消息从移动用户发起，经UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移动通信系统）陆地无线接入网络进入核心网，通过SGSN（serving GPRS supporting node，GPRS服务支持节点）和GGSN（gateway GPRS supporting node，GPRS网关支持节点）到达CSCF，经过处理后送往其他IMS网络、MGCF/MGW网络或外部IP网络。在此过程中，SGSN和GGSN仅查看消息的目的IP地址，不分析消息的内容，起到路由器的作用。图6示出移动用户发起呼叫的信令流程示例，此处假设用户位于访问网络。用户发SIP invite请求，信息中包含初始SDP描述。消息经P-CSCF和I-CSCF转发至S-CSCF。S-CSCF根据用户文档信息进行起始呼叫授权控制，包括SDP媒体请求的合法性，同时根据to字段确定被叫方的位置，并利用DNS服务解析地址，将请求送往目的地。 {{分页}}

图6　IMS呼叫流程示例 <, /o:p>

4、展望与总结

　　IETF的SIP工作组完成的SIP标准引导了目前网络和通信领域一大热点。随着SIP扩展协议对SIP核心的逐渐完善和补充。SIP标准将会发挥越来越重要的作用。3GPP、PacketCable、网络用具研究机构将SIP作为工作协议极大地促进了SIP标准的进一步发展，而多媒体会议、VoIP、多媒体分发等领域逐步采用SIP进行实现，标志着SIP已经成为一个应用范围广泛、逐步走向成熟的协议。在VoIP领域。SIP的出现动摇了H.323协议族的首席地位。SIP工作组将会继续发挥其主导作用，促进SIP的更加完善和更广泛的应用。我们相信，随着SIP相关标准的进一步完善以及国内外对SIP应用研究的进一步深入，SIP将在下一代网络协议族中发挥越来越大的作用。