软交换中的关键技术：SIP

恋々风

软交换(Softswitch)技术是实现新一代话音通信及多媒体和数据交互的核心技术。软交换技术体现了控制/业务与承载分离的思想，作为控制实体的软交换机，完成呼叫接续、业务控制和用户管理等功能，而业务媒体流的传送由IP基础网络完成。在整个软交换体系中，完成接续、控制功能的信令协议起到核心作用，决定了业务提供能力的强弱。IETF制订的新一代会话控制协议SIP（Session Initiation Protocol），具有简单、开放、灵活、可扩展等多方面明显优点，成为下一代网络软交换体系的重要技术。

一、SIP的基本内容
    SIP协议是IETF制订的会话控制协议，负责建立和管理两个或多个用户间的会话连接，它主要用于对等模式（Peer to Peer）的实时业务，如VoIP、视频会议等应用，其功能类似于当前VoIP主要采用的信令协议H.323。SIP充分借鉴了HTTP、SMTP（简单邮件传送协议）这两个互联网上最成功的应用层协议，其编码是文本方式的，继承了互联网协议简单、开放、灵活的特点。
    1．SIP体系的组成部件
    SIP协议虽然主要为IP网络设计的，但它并不关心承载网络，也可以在ATM、帧中继等承载网中工作，它是应用层协议，可以运行于TCP、UDP、SCTP等各种传输层协议之上。
    SIP用户是通过类似于e-mail地址的URL标识的，例如：sip:myname@mycompany.com，通过这种方式可以用一个统一名字标识不同的终端和通信方式，为网络服务和用户使用提供充分的灵活性。
    SIP体系结构中，包括以下几个主要部件：
    用户代理(User Agent)分为两个部分：客户端(User Agent Client)，负责发起呼叫；用户代理服务器（User Agent Server），负责接受呼叫并做出响应。二者组成用户代理存在于用户终端中。
    代理服务器（Proxy Server），负责接收用户代理发来的请求，根据网络策略将请求发给相应的服务器，并根据收到的应答对用户做出响应。它可以根据需要对收到的消息改写后再发出。
    重定向服务器（Redirect Server），在需要时，将用户新的位置返回给呼叫方。呼叫方可根据得到的新位置重新呼叫。
    注册服务器(Registar)：接收用户端的注册请求，完成用户地址的注册。
    以上几种Server可共存于一个设备，也可以分布在不同的物理实体中。SIP服务器完全是纯App实现，可以根据需要运行于各种工作站或专用设备中。
    UAC、UAS、Proxy Server、Redirect Server都是根据在一个具体呼叫事件中各物理实体所扮演的不同角色，而这样的角色不是固定不变的。一个用户终端在会话建立时扮演UAS，而在主动发起拆除连接时，则扮演UAC。一个服务器在正常呼叫时作为Proxy Server，而如果其所管理的用户移动到了别处，或者网络对被呼叫地址有特别策略，则它将扮演Redirect Server，告知呼叫发起者该用户新的位置。
    除了以上部件，网络还需要提供位置目录服务，以便在呼叫接续过程中定位被叫方（服务器或用户端）的具体位置。这部分协议不是SIP协议的范畴，可选用LDAP（轻量目录访问协议）等。
    理论上，SIP呼叫可以只有双方的用户代理参与，而不需要网络服务器。设置服务器，主要是服务提供者运营的需要。运营商通过服务器可以实现用户认证、管理和计费等功能，并根据策略对用户呼叫进行有效的控制。同时可以引入一系列应用服务器，提供丰富的智能业务。
    SIP的组网很灵活，没有一定之规。在网络服务器的分工方面：位于网络核心的服务器，处理大量请求，负责重定向等工作，是无状态的，它个别地处理每个消息，而不必跟踪纪录一个会话的全过程；网络边缘的服务器，处理局部有限数量的用户呼叫，是有状态的，负责对每个会话进行管理和计费，需要跟踪一个会话的全过程。这样的协调工作，既保证了对用户和会话的可管理性，又使网络核心负担减轻，实现可伸缩性，基本可以接入无限量用户。SIP网络具有很强的重路由能力，具有很好的弹性和健壮性。
    2．SIP的消息格式
    SIP消息用于会话连接的建立及修改。SIP的消息格式与HTTP协议的格式很相像。SIP消息分为REQUEST和RESPONSE两类，REQUEST消息有6个基本类型，包括：INVITE（发起呼叫）、ACK(对应答做出回应)、BYE（拆除连接）、CANCLE(中途取消)、OPTIONS（查询对方的能力）、REGISTER(注册)，SIP协议的制订者还在根据需要定义新的类型。RESPONSE消息有多种编码，指示会话接受方所做出的具体响应。
    SIP消息包括三个部分：
    起始行，位于消息的最开始，包含消息的类型和协议版本等基本内容。
    消息头，描述消息的属性，类似于HTTP消息头的语法和语义，其中某些是完全照搬。格式为:，在一个消息中，头可以有多行。
    消息体，消息体主要是对消息所要建立的会话的描述。典型的消息体为SDP（会话描述协议）格式，用来对所要建立的会话进行描述，例如建立一个多媒体会话的消息体中包含音频、视频编码及取样频率等信息的描述。消息体的类型采用MIME（多目的互联网邮件扩展）所定义的代码进行标识，如SDP的类型标识为application/SDP。除了SDP，消息体也可以是其他各种类型的文本或二进制数据。
    以下是一个请求消息的例子：
    消息 描述
    INVITE sip:bob@acme.com SIP/2.0 向sip:bob@acme.com发起呼叫，协议版本号
    Via: SIP/2.0/UDP alice_ws.radvision.com 通过proxy: alice_ws.radvision.com
    From: Alice A.  发起呼叫的用户标识
    To: Bob B.  所要呼叫的用户，
    Call-ID:2388990012@alice_ws.radvision.com  对这一呼叫的唯一标识
    CSeq: 1  命令的序列号，标识一个事件
    Subject: Lunch today.  呼叫的名字或属性
    Content-Type: application/SDP  消息体的类型
    Content-Length: 182  消息体的字节长度
    一个空白行标识消息头结束，消息体开始
    v=0 SDP协议版本号
    o=Alice 53655765 2353687637 IN IP4 128.3.4.5  会话建立者和会话的标识，会话版本，地址的协议类型，地址
    s=Call from Alice. 会话的名字
    c=IN IP4 alice_ws.radvision.com 连接的信息
    M=audio 3456 RTP/AVP 0 3 4 5 对媒体流的描述：类型、端口，呼叫者希翼收发的格式
    通过以上的例子，可以对SIP协议有一个基本认识。其它类型的REQUEST消息及响应消息，这里不一一描述。
    除了在建立会话时进行各种消息交互外，SIP终端还可以在会话过程中，发出消息改变或添加会话的某些属性。例如，用户在进行语音通话的过程中，想增加视频通信，他可以在不中断通话的情况下，发送新的INVITE消息，打开双方的视频媒体，使通话变成可视电话。这为用户的使用带来很大的灵活性。

二、SIP的技术特点
    如前面所说，下一代网络的一个重要目标是建立一个可管理的融合、高效、可不断扩展的业务平台。SIP作为应用层信令协议正很好地满足这一系列要求。
    SIP具有很强的包容性，它可以建立如音频、视频、多方通话等各种会话，也可以被用来传送即时消息和文件，这得益于它对HTTP等协议的吸取借鉴。这使运营商能通过统一的业务平台提供综合业务，实现网络的融合。SIP在灵活、方便提供业务方面具有多方面优点：
    1．协议的可扩充性
    SIP协议处于不断丰富的过程之中。SIP的设计者在保持其核心协议简洁的同时，为其建立了强大的扩充机制。协议扩充主要是在消息上做文章，消息的三个基本部分：消息类型、消息头、消息体都可以被不断扩充。SIP基于文本的方式，使各种扩充工作变得十分简便。
    （1）消息类型的扩充
    前面先容了6种基本消息类型。SIP工作组在增加新的功能时，更愿意定义新的消息类型，而不是修补原有类型，以保持每种类型目的单纯，语义清晰。定义新的类型的工作很简单，只需定义一个新的字符串即可，现已有几个新的类型被定义。
    一个被广泛接受的新的类型是INFO消息。INFO消息被用来在会话参加者之间传递各种信息。INFO消息可以用来传送通话中随机产生的各种信号，也可以被用来在会话双方间传递即时消息。
    还有新提出的REFER消息被用来实现呼叫转移的功能。以及COMET消息用来检验能够用于会话的资源，使用户代理能够根据资源的可用性情况，决定是否接受一个呼叫。
    （2）消息头的扩充
    SIP消息包含了一系列消息头，对消息进行必要的描述，现在有35种标准的头。同样，可以根据需要增加新的头以支撑新的特性，可以结合新的类型定义新的头，也可以对原有类型中的内容进行补充。
    例如，上述为支撑呼叫转移新增的REFFER类型消息，新增两个消息头referred-by用来指示发起转移的一方，reffer-to用来指示会话被转移到的一方。
    这些新增的头在IETF被标准化通过后，就成为正式协议标准的一部分。
    （3）消息体的扩充
    如前所述，SIP的消息体可以通过MIME定义的代码进行标识，携带各种类型的数据内容。一个例子是：在新一代网络中，会出现两个PSTN网络通过IP网络互联，IP网络提供一个仿真的中继线，这时在IP网上采用IP电话信令如SIP。两侧PSTN交互的传统电话信令（如ISUP）如果要转换成SIP相应内容，到另一侧再转换回来，难免造成信息丢失。针对这一问题，增加了一个用application/isup标识的消息体，将原始ISUP信令内容打包，原封不动地通过SIP消息携带到对端交换机，就可以方便而不失真地传递信令内容。
    通过采用MIME方式，SIP消息体可以根据需要任意扩展，携带音频、图像乃至JAVA小程序等各种内容。
    可见，强大的扩充机制，使SIP的能力能够不断增强，与时俱进。同时也应看到，由于SIP修改扩充容易，厂家开发难免有自由发挥的地方。如何保证各厂家设备功能兼容、互联互通，将成为SIP全面取得商业成功道路上面临的最关键的挑战之一。这需要标准组织及各方面协调统一，避免协议无节制地蔓延出各种分支。
    2．开放的业务生成环境
    传统电话的增值业务是靠智能网来实现的，业务开发复杂、周期长，严重依赖电信设备厂商。面对用户需求日趋多变和个性化，运营商需要能方便地生成各种新的业务，以满足需求、扩大收益。
    SIP网络的业务提供主要由Proxy Server完成，生成一个业务就是设计一个业务逻辑从而对一个特定的消息流进行控制，或对消息请求做出相应的响应。这可以通过任何通用的程序语言编程来实现。IETF起草定义了几种业务生成机制，其思路与Web服务器的方法十分接近。
    IETF将业务提供者分为可信任和不可信任两类。对于不可信任者，如终端用户，提供了CPL（Call Processing Language）语言，用以处理INVITE消息。通过CPL的程序，可以决定一个请求是否被拒绝、转移或转发。这里的终端用户可以是第三方提供的应用服务器，第三方业务提供者可以通过一个特服号提供一系列增值业务。使用者可以通过图形工具完成CPL程序的设计，由于可能面向缺乏经验的使用者，CPL有严格的机制避免带来安全和性能问题。
    IETF还为信任用户，如服务器的管理员，提供了两种业务生成的途径：SIP-CGI和SIP Servlet。SIP-CGI类似于互联网站普遍使用的HTTP-CGI，它独立于编程语言，为复杂的程序处理提供了一个开放的接口。管理者可以使用任何程序语言实现复杂的处理程序运行于服务器，在呼叫过程中SIP-CGI作为程序调用及其信息输入输出的接口，从而在呼叫过程中插入复杂的控制逻辑，对呼叫流程进行控制。这使提供高度个性化和智能化的业务变得十分方便。SIP Servlet是用JAVA语言实现的，类似WEB服务器常用的JAVA Servlet，可以在有消息进入的时候被调用，指示SIP服务器如何处理并响应消息。
    这些灵活、开放的机制，使业务提供者能使用通用的编程语言方便开发各种智能业务，而不必考虑服务器本身的实现。这与传统电话的智能网系统的私有编程方法和复杂的接口协议形成鲜明对比。业务开发者可以随时根据需要，在任何局部范围内开发、提供新的个性化业务，其好处不言而喻。
    基于强大的业务生成手段和灵活的消息格式，SIP可以提供传统电话各种业务，如呼叫转移、遇忙转移、话务的排队和分发、800号等各种智能业务；还可以提供话音与互联网互联（PINT）的业务，如点击拨号、语音邮件等；还可以提供特色业务，如即时消息、Presence（根据用户所处的地点和状态决定具体通信方式）等各种新兴而实用的业务。
    3．对移动性的支撑
    SIP协议天然具有对移动性的支撑。SIP的动态注册机制，使用户端移动变得十分方便。用户端在接入SIP网络时，首先向当地注册服务器发出注册请求，将自己的SIP URL和IP地址告知注册服务器。如果注册服务器不是用户的属主，注册服务器根据用户注册的URL找到并通知其属主：自己现在为用户服务。此后，对该用户的呼叫先到达用户的原属主服务器，再由其重定向到现在为用户服务的服务器上，从而有效实现对移动用户的支撑。如果在会话进行中用户移动到新的位置，则可以通过re-INVITE重新建立新的会话，来实现切换。
    SIP协议为实现固定和移动业务的无缝融合创造了条件。3GPP R5版本已经选择SIP作为3G移动通信多媒体域的信令协议，来实现基于IP的移动话音和多媒体通信。

三、SIP的应用和发展情况
    SIP已得到电信运营商和设备制造商的广泛重视，老牌及新兴的电信设备厂商的软交换产品都纷纷支撑SIP协议。著名电信运营商如AT&T、Level3、Worldcom等也都已采用SIP提供业务。
    近年来，长途IP电话在我国得到迅猛发展，由于管理体制及技术成熟度等原因，信令都是采用H.323。然而，目前的IP电话还只是作为传统长话的有益补充，各种增值业务开展较少。随着技术和市场的发展，我国已有多家运营商开展了下一代网络的实验，试验基于IP的完全等效于PSTN的IP市话业务。当新一代IP电话业务真正成为传统电话的竞争者的时候，快速提供个性化业务将是其重要竞争手段，SIP在这方面正具有特有的优势。可想而知，SIP的应用将随着下一代网络的广泛开展而不断成熟、快速发展。