SIP协议在软交换中应用的研究

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1、引言
　　SIP（Session Initiation Protoca1）称为会话初始协议，是用于在IP网络中建立、修改和终止多媒体会话的一种应用层控制协议。SIP是由IETF组织于1999年提出的一个在基于IP网络中，特别是在Internet结构的网络环境中，实现实时通信应用的一种信令协议。1999年3月，ITEF的多方多媒体会话控制（MMUSIC）工作组提出了RFC2543建议，之后，SIP在互操作性和新特性等方面得到了进一步的增强，因而2002年6月，ITEF的SIP工作组又发表了RFC3261建议，以取代RFC2543。作为一个IETF提出的标准，SIP协议在很大程度上借鉴了其他各种广泛存在的Internet协议，如HTTP（超文本传输协议）、SMTP(简单邮件传输协议)等，和这些协议一样，SIP也采用基于文本的编码方式，协议简单，具有更好的功能扩展性。目前，SIP协议已被广泛应用于基于软交换的网络中进行基本的呼叫控制，而且3GPP R5版本也选择SIP作为3G移动通信多媒体域的信令协议。因此，SIP协议的应用具有很重要的研究意义。
2、SIP协议分析
　　2.1　SIP协议的强大功能
　　SIP协议不但具备简单、开放、兼容和可扩展的特点。而且还考虑了对传统电话网的各种业务的支持。目前，SIP协议在软交换网络中，已经能够很好地提供基本话音业务、传真业务、各类补充业务等。
　　由于SIP协议是应用层的控制协议，只负责呼叫控制并携带SDP消息体来进行媒体协商，与具体的媒体类型没有关系，媒体的具体参数可以由SDP协商完成。因此，SIP协议具有很强的多媒体通信能力，能够方便地实现视频通信等业务。
　　SIP协议的动态注册机制，使用户移动变得十分方便。除了能在移动通信网络中实现基于IP的移动话音和多媒体通信业务，还能为固定软交换网络用户提供游牧性的业务。游牧业务是指当用户漫游到异地，也可以随时接入到网络中，实现其在归属地所能得到的服务。游牧用户可以改变网络接入点，但是当用户改变网络接入点时。正在进行的会话或通信会终止，即不具有会话的持续性，也不进行切换。
　　由此可以看出，采用SIP协议进行呼叫控制的软交换网络与传统的PSTN网络相比，最令人瞩目的功能就是对视频多媒体业务和游牧业务的支持。
　　2.2　SIP协议的优点
　　（1）与媒体无关的会话控制可以使SIP支持丰富的多媒体通信。
　　（2）SIP地址与终端位置的无关性使SIP用户天生具有移动性。
　　（3）协议简单，易于扩展，使SIP协议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。
　　（4）使用SIP智能终端可以将网络设备的复杂性推向边缘，简化网络核心部分。
　　SIP协议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。
3、SIP协议在软交换网络中的应用场景
　　SIP协议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（包括转接软交换）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。
4、SIP协议在软交换网络中的应用
　　4.1　基本应用
　　SIP协议在软交换网络中最基本的应用，就是控制主被叫双方建立各种会话，包括基本语音通信、视频通信、传真。
　　（1）视频通信业务
　　该业务除了可以建立点对点视频通信外，如果终端支持，还可以进行通话过程中的媒体格式切换。例如，两个用户正在进行视频通信，通话过程中，通话的任何一方通过发送re-Invite请求都可以修改正在进行通话的媒体格式，进行媒体格式的切换。
　　（2）传真业务
　　由于传真机不支持网口，所以SIP协议的应用主要体现在软交换之间。G.711透传方式传真的建立流程同G.711语音通话的建立流程一致；T.38格式的传真，ITU-T也对SDP的描述进行了详细规定。因此，SIP协议能够支持传真业务。
　　以上两种应用，都是在修改一个已经处于确认状态的对话。但有些时候，虽然Invite建立的对话还没有进入确认状态（没有收到最终响应），也有可能需要修改会话中的某些部分，此时用re-Invite消息就无法来完成会话的更改，因为Invite请求无法作用于本次对话。例如，使用“早媒体”（Early Media）播放语音通知的情况，媒体通道在Invite消息得到最终响应之前已经建立，真正的会话时需要采用新的媒体通道。在这种情况下，SIP协议还规定了一种使用Update消息来修改会话的方式。Update消息可以由对话中的任意一方发送，不影响对话状态就能更改会话参数。
　　由此可见，SIP协议支持与媒体无关的会话控制，可以使SIP协议更加灵活的支持各种媒体格式的会话控制。
　　4.2　游牧性的应用
　　SIP的注册机制使SIP用户地址和终端位置没有关联性，因此具有游牧性。当用户游牧到异地，首先要接入到游牧地网络，通过游牧地网络进行注册，并到归属地网络进行身份认证，其业务属性也保存在归属地。如果用户呼出，需要保证呼叫能够通过游牧地的软交换进行接续。同时，注册过程也可以使归属地的软交换能够联系到用户，能够进行呼叫的接续。
　　虽然SIP协议天生支持用户移动性，但是游牧业务的实现跟网络组织结构有密切的关系。
　　（1）在网络接入侧：根据软交换网络组网要求，终端要接入到软交换网络中，首先需要接入到软交换网络边缘汇聚设备——SAC（业务接入控制设备）。用户游牧时，还要求能够通过游牧地SAC接入到游牧地软交换，并且注册、通话等过程都不能旁路掉游牧地软交换。因此，游牧地设备（包括SAC、软交换）需要记录下用户名、IP地址以及对应的其他网络信息（如果能够获得），并将相关的地址信息改为自身的IP地址，再将消息前转。
　　（2）核心网络部分：通过路由机制以保证各级软交换之间的可联系性，使用户在游牧地也可以经过游牧地软交换、归属地软交换完成注册过程；通过路由机制保证响应消息以及后续的呼叫请求消息可以按照要求的路由转发。
　　（3）归属地：用户注册应该由归属地来进行认证，除了方便用户信息管理之外，还能够保证归属地软交换能够联系到用户。用户的业务属性也应该存在于归属地，使归属地能够知晓用户使用的业务。
　　由此可见，要实现游牧业务，除了网络配合之外，还需要具备专门的路由机制保证注册流程是可监管的、合理、合法的。
　　4.3　SIP在软交换中采用的路由机制
　　（1）采用静态路由表的路由机制。这种情况下，SAC、各级软交换都配置了静态路由表。各级设备可以根据用户号码等信息按照预设的静态路由表进行选路，继承了目前电路域的选路方式，适用于目前PSTN网络的这种基于E.164编号方式。
　　●注册
　　路由：UE—SAC—游牧地SS（注）—归属地SS
　　注：如果用户没有游牧，则不经过该软交换
　　流程说明：用户向所在地SAC发起注册请求之后，SAC/以及各级软交换通过判断Request-URI中的E.164号码，根据静态路由表依次将请求转发给归属地SS，进行注册认证。
　　●发起呼叫
　　路由：UE—SAC—游牧地SS（注）—归属地SS—被叫侧SS……
　　注：如果用户没有游牧，则不经过该软交换
　　流程说明：用户向所在地SAC发起呼叫建立请求之后，SAC、各级软交换首先将呼叫路由到该用户的归属地软交换；归属地软交换通过判断Request-URI，根据静态路由表将呼叫请求转发到被叫侧归属地软交换，被叫侧归属地软交换根据被叫用户的注册信息，将呼叫接续到被叫终端。
　　●用户作为被叫
　　路由：……主叫侧SS—被叫侧归属地SS—游牧地SS—SAC—UE
　　流程说明：呼叫建立请求被依次路由到被叫用户归属地软交换之后，归属地软交换根据用户的注册位置，根据静态路由表依次将呼叫请求转发到被叫用户。
　　（2）采用SIP的路由机制
　　这种情况采用基于数据库查询的方式，使用户号码可以不再作为路由选择的关键，根据域名等信息进行选路。目前3GPP的IMS支持的就是这种方式。首先对路由字段进行说明：
　　●Route。Route头字段用在请求消息中表示一个预设的路由地址列表，使该请求可以按照地址列表中的路由访问其他代理。
　　●Record-Route。Record-Route用于请求消息中，也是一个路由列表。如果某代理服务器希望后续请求消息能够经过自己，而且这些后续的请求消息属于由当前请求创建的一个对话，那么即使请求中已经出现了Route头字段，代理服务器也必须在请求消息中插入一个Record-Route头字段值。
　　●Path。该字段的用法同Record-Route头字段，但是只能用于用户向注册服务器发送的Register请求。如果某代理服务器希望发往用户的任何后续请求仍能经过自己，就可以在Register请求中插入一个Path字段并赋值为自身的URI。用户的归属网络将来根据该字段的值向用户发送呼叫建立请求。
　　●Service-Route。服务器可以使用Service-Route头字段来通知用户取得服务的路由。如果某注册服务器希望将自己的路由通知给用户，就在Register请求的2XX响应中使用该字段，注册服务器清楚网络架构的情况下，还可以在Service-Route头字段填写一个地址列表。用户可以修改该字段的值作为发起非注册请求的Route的预置路由表的值。
　　●Via。请求消息路由途中每个网元将自身地址填写到Via字段中，响应消息可以根据Via字段的值按顺序回送到请求发起方。
　　●Contact。Contact头字段值中包含的URI是用来接收请求的地址，注册请求中可以用于注册请求中注册当前地址信息。
　　——注册
　　路由：UE—SAC—游牧地SS（注）—归属地SS
　　注：如果用户没有游牧，则不经过该软交换
　　流程说明：用户发起注册请求，SAC以及各级软交换判断Request-URI，并进行地址解析，将请求转发给归属地SS，同时每级设备在转发该请求时都加上一个Path字段以及Via字段，填写自身的地址。
　　后向响应消息可以根据Via字段，保证按照原路返回。同时，归属地软交换要在后向消息中添加一个值为自身地址的Service-Route字段。
　　——发起呼叫
　　路由：UE—SAC—游牧地SS（注）—归属地SS—被叫侧SS……
　　注：如果用户没有游牧，则不经过该软交换
　　流程说明：用户发起呼叫建立请求之后，根据注册过程的Path，Service-Route字段的值。预置一个Route路由表，将请求路由到归属地SS：归属地软交换根据被叫URI进行地址解析，将请求转发到被叫SS。途径的所有各级软交换都可以在请求中加上Record-Route字段。
　　——作为被叫
　　路由：……主叫侧SS—被叫归属地SS—游牧地SS（注）—SAC—UE
　　注：如果用户没有游牧，则不经过该软交换
　　流程说明：当归属地软交换收到呼叫建立请求，发现自己的地址位于Route路由表内，就可以知道这是该用户作为被叫的情况，直接根据注册过程中的Path字段的值将呼叫请求路由到被叫用户。途径的所有各级软交换都在请求中加上Record-Route字段。
　　4.4　SIP协议的可扩展性
　　SIP协议的设计思想非常先进，由于基于文本的编码方式简单易懂，因此具有很强的扩充性。SIP消息的基本组成部分包括消息类型（也称SIP方法）、消息头字段、消息体都可以被不断扩展。对于那些新出现的业务需求，可以通过扩展一些SIP方法以及相关的头字段实现一些功能。对于那些已有的其他信令消息如果难以扩展或者扩展后用处不是特别大，就可以考虑采用扩展消息体的方式，对这种不支持的业务信令进行透明封装。
　　（1）消息类型的扩展
　　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。定义新类型的工作很简单，只需定义一个新的字符串即可。除了RFC3261规定的6个基本的消息之外，还扩展了以下7种可以用于软交换网络中的消息：
　　●Prack：用于临时性响应的可靠传输，能够对一些重要的临时性响应提供一种保障机制。
　　●Subscribe和Notify：用于事件的定制和通知。目前，Tispan研究对很多补充业务进行支持，都是基于定制和通知机制，使用户能够进行补充业务的申请、定制。
　　●Options：用作询问服务器的能力，可以用作导通检验。
　　●Info：用作携带带外信息，例如携带重叠发码方式下后续地址消息的内容。
　　●Update：用于更新未建立的会话的参数。
　　●Refer：用于会话转移，可以广泛应用于多种业务，例如呼叫转移、会议等。
　　●Message：用于在即时消息（IM）中携带内容。
　　（2）消息头字段的扩展
　　SIP消息包含了一系列头字段。对消息进行必要的描述，可以根据需要增加新的头字段以支持新的特性。可以结合新扩展的消息类型定义新的头字段，也可以对原有消息类型中的内容进行补充。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。
　　例如，为了支持IMS的移动性，IETF就扩展了一系列的字段用于移动性支持，其中P-Associated-URI，P-Charging-Function-Address，P-Charging-Vector等字段也可以用于软交换网络中传送用户标识以及计费信息等内容。
　　（3）消息体的扩展
　　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。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、图像等各种内容。
　　目前比较成熟的应用SIP-I消息可以用于解决SIP协议对于传统PSTN业务继承的薄弱，可以封装ISUP信令，来继承许多原有PSTN网络的业务。尤其是PSTN-SIP-PSTN桥接的情况下，如果两侧ISUP信令如转换成SIP消息，到另一侧再转换回ISUP消息。难免造成信息丢失，或者需要对于SIP协议作大量的扩展，实现起来相当复杂。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，就可以方便而不失真地传递信令内容。
　　4.5　终端智能化
　　SIP终端是一种智能终端，能够支持许多复杂的功能，使许多业务能够边缘化，例如遇忙前转业务，传统交换机都是通过交换设备识别用户忙闲状态。而SIP终端自身就可以发送响应消息通知软交换用户的忙闲状态，因此软交换可以直接根据用户响应再进行呼叫前转，实际上就简化了交换机的处理要求。
5、结束语
　　综合以上分析可以看出，SIP协议在软交换网络中的应用范围非常广泛。但是现在SIP对许多传统业务的支持能力还是有限，所以对SIP协议的研究也是任重而道远。由于SIP易于扩展的特性，不同厂家的实现难免有许多自己的发挥，也加大了SIP协议互通的难度。但是无论如何，SIP的诸多优点还是有目共睹的，SIP在软交换网络中的应用必然越来越广泛。