（计算机应用技术专业论文）基于ns2的sip协议模拟仿真方法研究.pdf

at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y t h e s t u d y o fs i ps i m u l a t i o nm e t h o db a s e d o nn s 2 b yl if e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h a n gg u i r a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 蠢 - ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：琴虐 4 日期：砂勺譬，z ，j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 ： 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 。? 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年妙 学位论文作者签名： 季谚导师签名：础 签字日期：扣舌，心签字日期：沁宕。l i ，曩 皇 t ， 东北大学硕士学位论文摘要 基于n s 2 的s ip 协议模拟仿真方法研究 摘要 s i p 是由i e t f 提出的基于i p 网络的一种实时通信应用信令协议，是下一代网 络的核心协议之一，用来解决i p 网络上的信令控制，其最终目标是为所有因特网 成功的应用提供无所不在的接入，成为联系因特网和电信、多媒体的媒介。 在新技术的研究过程中，由于各种原因，实际网络系统的实现往往是代价较高 或是不现实的。在这种情况下，模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手 段之一。网络模拟有着周期小、成本低等特点，而且可以使研究者更容易利用他 人的研究成果，可以使研究者更专注于自己所研究的部分而不必为系统的其他部 分耗费过多的精力。 在此背景下，本文首先简单介绍了s i p 协议并对其模拟仿真方法进行了研究， 然后选择n s 2 作为模拟仿真平台，利用c + + 语言在n s 2 的编译层上实现了一组s i p 模块并建立了编译层和解释层之间的联系。 本文重点研究了s i p 模拟仿真方法并在n s 2 平台上实现s i p 分组头、u a a g e n t 、 p r o x y a g e n t 、r e d i r e c t a g e n t 、d n s a g e n t 、重传定时器以及s i p 应用程序，并建立 了它们与解释层之间的联系。设计的流程包括用户代理注册、代理服务器注册、 利用代理服务器的用户代理域间通信和域内通信、用户代理利用重定向服务器进 行重定向等。然后编写o t c l 脚本对s i p 模块进行了测试，结果证明，整个模块能 够较好的完成预期的设计功能。 最后，文末提出了设计的不足以及将来需要改进和研究的方向。 关键词：n s 2 ；s i p ；模拟仿真；用户代理；重定向服务器；代理服务器 一i i ， 一 东北大学硕士学位论文a b s t t h es t u d yo fs i ps i m u l a t i o nm e t h o db a s e do n n s 2 a b s t r a c t s i p , t h es e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，i sd e v e l o p e dw i t h i nt h ei e t fw o r k i n gg r o u p ， a n di sa ni n s t a n tc o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o ns i g n a l i n gp r o t o c o lb a s e do ni pn e t w o r k s s i pi st h ec o r ep r o t o c o lo f n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) a n di si n t e n d e dt od e a lw i t h t h es i g n a l i n gc o n t r o lo ni pn e t w o r k t h ef i n a lg o a lo fs i pi st o p r o v i d eu b i q u i t o u s i n t e m e ta c c e s sa n dt ob e c o m et h em e d i ac o n n e c t i n g i n t e m e t ， m u l t i m e d i aa n d i nt h ec o u r s eo ft h es t u d y i n gt h en e w t e c h n o l o g i e s ，i ti sh a r dt ob u i l dt h ea c t u a l n e t w o r k s y s t e m s o ，s i m u l a t i o ni so n eo ft h eb e s tw a y st ot e s t , e v a l u a t ea n dv e r i f yt h e n e t w o r ks y s t e mu n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e t h ec y c l eo fn e t w o r ks i m u l a t i o ni ss h o r t ，a n d t h ec o s to fs i m u l a t i o ni sl o w o t h e rr e s e a r c h e r sc a nt a k ea d v a n t a g eo ft h ee x i s t i n g r e s u l t sa n dc a np a ym o r ea t t e n t i o nt om e i ro w ns t u d i e s u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h et h e s i sa n a l y z e sas i ps y s t e ms c h e m es y s t e m i c a l l yb a s e d o ns o m ef o r e i 弘a n dd o m e s t i cr e f e r e n c e sa n de x i s t i n gn s 2c o m p o n e n t s t h es c h e m e w i l lm a k et h ed e v e l o p m e n to fas i ps y s t e me a s i e r t h ee m p h a s i so ft h et h e s i si st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs i pp a c k e th e a d e r , u a a g e n t ，p r o x y a g e n t ，r e d i r e c t a g e n t , d n s a g e n t ，r e t r a n s m i s s i o nt i m e ra n ds i p a p p l i c a t i o no nn s 2 t h ep r o c e s s e so fs i ps y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i si n c l u d et h e r e g i s t e r i n go fu aa n dp r o x ys e r v e r , t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu a su s i n gp r o x y s e r v e ri n s i d ead o m a i na n da m o n gd o m a i n s ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu a s u s i n gr e d i r e c ts e r v e r t h e nt h es y s t e mi st e s t e dw i t ho t c ls c r i p t s l a s t ，f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n sa r ep o i n t e do u ta tt h ee n d k e y w o r d s ：n s 2 ；s i p ；s i m u l a t i o n ；u a ( u s e ra g e n t ) ；r e d i r e c ts e r v e r ；p r o x ys e r v e r _ i i i _ t 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要ii a bs t r a c t ii i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 课题的发展状况2 1 3 本文工作5 1 4 论文的组织结构5 第2 章s 口协议概述7 2 1s i p 协议网络实体结构7 2 2s i p 协议基本功能8 2 3s i p 协议分层结构9 2 4s i p 协议的特点10 2 5s i p 协议的扩展1 1 2 6 本章小结1 1 第3 章n s 2 基本原理1 3 3 1 可扩展的命令语言t e l 1 3 3 1 1 基本命令格式一13 3 1 2 组合和替代1 3 3 1 3 数学运算1 4 3 1 4 流程控制1 4 3 1 5j 建程14 3 1 6 数组15 3 2 面向对象的t e l 15 3 2 1 类和对象15 一一 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 2 成员变量和成员函数的定义1 5 3 2 3 对象的初始化和销毁15 3 2 4 继承一l6 3 3 分裂对象模型和t c l c l 。1 6 3 3 1 分裂对象模型1 6 3 3 2o t c l 和c + + 之间的对象连接18 3 - 3 3t e l 类。19 3 4n s 的事件调度机制1 9 3 4 1 模拟和离散事件模拟1 9 3 4 2 事件2 1 3 5 节点2 1 3 5 1 分类器2 1 3 6 链路2 2 3 6 1t e l 中的s i m p l e l i n k 类和d u p l e x l i n k 类2 2 3 6 2c o n n e c t o r 类2 2 3 7 定时器2 3 3 8 分组头管理2 3 3 8 1 添加新分组头2 4 3 8 2 与分组相关的类2 4 3 9 代理。2 5 3 9 1u d p 2 5 3 9 2t c p 2 5 3 1 0 应用层2 5 3 1 0 1 运输层代理与应用程序通信过程2 5 3 11t r a c e 文件二2 6 3 1 2n s 2 仿真实现方法与过程。2 7 3 1 3 本章小结。2 7 第4 章s i p 协议模拟仿真方法设计2 9 4 1 设计方案2 9 4 1 1 方案一。2 9 一v 一 ， 东北大学硕士学位论文 目录 4 1 2 方案二。3 l 4 。2s i p 消息设计3 2 4 2 1 请求消息类型设计。3 2 4 2 2 响应消息类型设计3 3 4 3 消息头设计3 4 4 3 1 通用消息头t o 3 4 4 3 2 通用消息头f r o m 。3 4 4 3 3 通用消息头c a l l i d 3 4 4 3 4 通用消息头c s e q 。3 5 4 3 5 通用消息头c o n t a c t 3 5 4 3 6 通用消息头a 3 6 4 4s i p 流程设计3 6 4 4 1 用户代理注册3 6 4 4 2 代理服务器注册3 7 4 4 3d n s 查询：3 8 4 4 4 域内通信3 8 4 4 5 域间通信。3 9 4 4 6 重定向4 0 4 5 本章小结。4 1 第5 章s i p 协议模拟仿真方法实现4 3 5 1 分组头设计与实现。4 3 5 2a g e n t 的设计与实现4 4 5 2 1u a a g e n t 的设计与实现4 5 5 2 2p r o x y a g e n t 的设计与实现4 7 5 2 3r e d i r e c t a g e n t 的设计与实现一4 9 5 2 4d n s a g e n t 的设计与实现4 9 5 3 定时机制5 0 5 3 1u a a g e n t 的重传机制设计5 0 5 4 应用程序的设计5l v i 东北大学硕士学位论文 目录 5 5n s 2 修改与编译5 2 5 6 本章小结5 2 第6 章测试5 3 6 1 用户代理利用代理服务器进行通信测试5 3 6 2 用户代理利用重定向服务器进行重定向测试5 9 6 3 本章小结6 1 第7 章总结。6 3 7 1 论文工作总结。6 3 7 2 问题和展望6 3 参考文献。6 5 致谢6 7 一v i i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 【1 】是由i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ， 互联网工程任务组) 提出的一个基于口网络的一种实时通信应用信令协议，是下 一代网络( n g n ) 中的核心协议之一，用来解决p 网上的信令控制，其最终目标 是为所有因特网成功的应用提供无所不在的接入，成为联系因特网和电信、多媒 体的媒介。 s i p 工作在应用层，可以用来建立、修改和终止有多方参与的多媒体会话的进 程。s i p 是伴随着因特网的发展而兴起的，它广泛借鉴了其他各种已经存在的因特 网协议，如h t t p ( 超文本传输协议) 【2 】和s m t p ( 简单邮件传输协议) 【3 1 。可以 这么说，s i p 是基于因特网的两个最成功的服务w e b 和e - m a i l 进行设计的，采用 基于文本的编码格式，简单灵活，可扩展性强。s i p 固有的优势使其在面世后不久 就得到了广泛的应用。 现在，s i p 已经被3 g p p 工作组定义为第3 代移动通信系统的信令协议，以提 供口多媒体服务。它的发展经历了下面的几个阶段：( 1 ) 1 9 9 6 年首先由美国哥伦 比亚大学及贝尔实验室的因特网研究人员提出s i p 的概念，其主要应用是在因特 网上的各种文本应用，如电子邮件、文字聊天等。( 2 ) 1 9 9 9 年3 月，i e t f 的多方 多媒体会晤控制( m m u s i c ) 工作组提出r f c 2 5 4 3 建议，供各厂商和机构讨论。 ( 3 ) 2 0 0 0 年7 月，从m m u s i c 中分离并独立出来的s i p 工作组发表了s i p 草案。 ( 4 ) 2 0 0 2 年6 月，s i p 工作组发表r f c 3 2 6 1 建议，以取代r f c 2 5 4 3 。( 5 ) 现在， s i p 工作组发表的协议和草案超过3 0 个，除了核心协议以外，其他协议涵盖q o s 、 安全、消息头和方法扩展、与p s t n 等其他协议的互操作性、穿越防火墙和n a t 、 应用、多消息体、即时消息等多课题。( 6 ) 到目前为止，有3 g p p 、s i m p l e 、网 络控制等工作组决定采用s i p 作为工作协议。( 7 ) 目前，国内的设备供应商和网 络运营商对s i p 的研究开发和应用实施正在积极地进行，但s i p 的国家标准还在制 定之中，所以一些大的电信网络运营商正在根据企业自身的特点考虑制定企业用 的s i p 规范，以解决当前迫切的软交换互联互通的问题【4 l 。 n s 2 是面向对象的，离散事件驱动的网络仿真工具，源代码完全公开，功能非 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 常强大【5 1 。在学术界和教育界，有大量的技术人员正在使用或试图使用n s 2 ，这些 实践证明，n s 2 能够很好地仿真口网络系统，而s i p 协议是建立在i p 协议之上的， 因此可以通过借鉴口协议的实现，用仿真的方法来实现s i p 元素以及s i p 的基本 流程。 在新技术的研究过程中，由于各种原因，实际网络系统的实现往往是代价较高 或是不现实的。在这种情况下，模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手 段之一。网络模拟有着周期小、成本低等特点，而且可以使研究者更容易利用他 人的研究成果，可以使研究者更专注于自己所研究的部分而不必为系统的其他部 分耗费过多的精力。 在此背景下，本文首先简单介绍了s i p 协议并对其模拟仿真方法进行了研究， 然后选择n s 2 作为模拟仿真平台，利用c + + 语言在n s 2 的编译层上实现了一组s i p 模块并建立了编译层和解释层之间的联系。设计的结果将使用户模拟s i p 协议更 加方便快速，也利于s i p 模拟系统的测试与分析。 1 2 课题的发展状况 目前活跃在s i p 领域并且在某一方面取得重要进展的研究机构包括：( 1 ) 哥伦 比亚大学r t i 实验室，正在研究项目为互联网扩展多媒体体系结构( c o l u m b i a i n t e r n e te x t e n s i b l em u l t i m e d i a a r c h i t e c t u r e ，c i n e m a ) ；( 2 ) i p t e l 工作组的s e r ( s i p e x p r e s sr o u t e r ) 项目，用于开发s i p 应用；( 3 ) v o v i d a 的v o c a l ( v o v i d ao p e n c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o nl i b r a r y ) 项目；( 4 ) p u r p l e c o m 公司的r e s i p r o c a t e 项目， 实现s i p 的协议栈并开发s i p 应用；( 5 ) i b m 公司基于s i p 的信息设施基础化建 设；( 6 ) c i s c o 和d a t e c o n n e c t i o n 等公司的基于s i p 实现v o m 及其他高级应用项 目；( 7 ) 中国科学院沈阳计算机应用所、中国科学院计算所等单位的s i p 应用项 目；( 8 ) 北京大学计算机科学技术研究所s i p 研究小组，其目标是实现基于s i p 的安全、可控、可扩展的多媒体通信体系结构及应用等【4 】。 这些研究机构的研究范围包括：s i p 协议栈实现，基于s i p 的语音、视频及多 媒体、无线通信、分布式计算等应用、完善的s i p 体系结构，解决目前s i p 中存在 的安全、q o s 、互操作性等问题，s i p 在软交换及下一代网络体系结构中的应用等， 他们的研究同时也代表了s i p 领域的发展方向。i e t f 的s i p 工作组完成的s i p 标 准引导了目前网络和通信领域一大热点。 随着s i p 扩展协议对s i p 核心的逐渐完善和补充，s i p 标准将会发挥越来越重 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 要的作用。3 g p p 、便携线缆设备、网络用具研究机构将s i p 作为工作协议，极大 地促进了s i p 标准的进一步发展，而多媒体会议、v o 口、多媒体分发等领域逐步采 用s i p 进行实现，标志着s i p 已经成为一个应用范围广泛、逐步走上成熟的协议。 在v o 口领域，s i p 的出现动摇了h 3 2 3 协议族的首席地位。在s i p 领域的除了 上述研究重点之外，还包括使用s i p 的q o s 、安全性、成熟的体系结构框架、软 交换、n g n 等方面。 s i p 工作组将会继续发挥其主导作用，促进s i p 的更加完善和更广泛的应用。 目前，s i p 已经成为下一代网络中软交换的核心协议之一。随着s i p 相关标准的进 一步完善以及国内外对s i p 应用研究的进一步深入，s i p 将在下一代网络协议族中 发挥越来越重要的作用。 n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ，v e r s i o n2 ) 是一种面向对象的网络仿真器，本质上是 一个离散事件模拟器。由u cb e r k e l e y 开发而成。它本身有一个虚拟时钟，所有的 仿真都由离散事件驱动的。目前n s 2 可以用于仿真各种不同的口网，已经实现的 一些仿真有：网络传输协议，比如t c p 和u d p ；业务源流量产生器，比如f t p ， t e l n e t ，w e bc b r 和v b r ；路由队列管理机制，比如d r o p t a i l ，r e d 和c b q ；路 由算法，比如d i j k s t r a 等。n s 2 也为进行局域网的仿真而实现了多播以及一些m a c 子层协议。 在过去的几年中，n s 发生了实质性的演进。1 9 9 5 年，n s 的开发获得了d a r p a 的支持，通过v i n t 项目，由l b l 、x e r o x p a r c 、u c b 和u s c i s i 合作进行。目 前n s 的开发由d a r p a 的s a m a n 项目和n s f 的c o n s e r 项目支持。n s 具有 开放的结构和良好的可扩充性。n s 已经从其他研究者那里吸收了很丰富的模块， 包括从u c bd a e d e l u s 和c m um o n a r c h 计划以及s u n 微系统公司获得的无线代码。 r e a l 模拟器起先是为了研究分组交换数据网落中的流量控制和拥塞控制方 案的动态性。它提供给用户一种方法来描述这些网络并观察它们的行为。r e a l 模 拟器是使用c 语言编写的。 在此基础上，b a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a ll a b o r a t o r y 的网络研究组开发了n s 的第一个版本。n s 1 继承了r e a l 模拟器的工作，包括几种风格的t c p ( 包括 s a c k 、t a h o e 和r e n o ) 和路由器调度算法等，并形成了一个可扩展的容易配置和 编程的事件驱动模拟引擎。n s 1 所使用的模拟描述语言是工具命令语言t e l 的扩 展。一个模拟由一个t e l 程序来描述。通过n s 的命令，可以定义网络拓扑、配置 业务源和汇聚点、收集统计信息，并调用模拟执行命令。通过建立这样一个通用 一3 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 语言，n s 具有很强大的模拟配置描述能力。在n s 1 不断改进的基础上，u c b e r k e l e y 发布了n s 版本2 。 n s 2 相对n s 1 来说有三个重大的改变：( 1 ) n s 2 重定义了对象结构。n s 1 中复杂的对象被分解为简单的组件，分解后的对象具有更大的灵活性和可组合性。 ( 2 ) 使用m i t 的面向对象t e l ( o t c l ) 代替了作为模拟配置的接口。( 3 ) o t c l 解 释器的接口代码和主模拟器分离。n s 1 的几乎所有功能都已合并到n s 2 中，并 且今后只开发版本2 。除了流管理器外，n s 2 保持所有功能的后向兼容性，为n s 1 开发的t e l 脚本通常可以在n s 2 上直接运行。n s - 2 经历了不断改进，已经发布了 许多更新的版本。在这期间，世界各地很多研究者在n s 上开发出特定协议或功能 的模块。n s 不断地把这些研究者们的贡献的代码加入到n s 的发布包中【5 1 。 目前，n s 还在发展当中，还不是一个完善的产品。虽然n s 所包含的构件库 已经相当丰富，但是不可能包括所有特定用户所需要的模块。而且，软件中的b u g 还在不断的发现和改正。网络模拟是进行网络技术研究的一种基本手段。在新技 术的研究过程中，由于各种原因，实际网络系统的实现往往是代价较高或是不现 实的。在这种情况下，模拟就成了最佳可供选择的测试、评估和验证手段之一。 网络模拟有着周期小、成本低等特点，而且可以使研究者更容易利用他人的研究 成果，可以使研究者更专注于自己所研究的部分而不必为系统的其他部分耗费过 多的精力。n s 正是这样一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台， 研究人员使用它可以很容易地进行网络技术的开发，而且发展到今天，它所包含 的模块已经非常丰富，几乎涉及到了网络技术的所有方面。所以，n s 成为了目前 学术界广泛使用的一种网络模拟软件，在每年国内外发表的有关网络技术的学术 论文中，利用n s 给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被 学术界所普遍认可的。此外，n s 也可作为一种辅助教学的工具，以被广泛应用在 了网络技术的教学方面。 目前，官方发行的n s 2 版本中并没有包含s i p 模块，网络上有很多关于s i p 模拟方案，有些是利用其他的模拟软件进行模拟的，譬如o m n e t i h 【6 1 ；有些是在 n s 2 的o t c l 层直接进行模拟的，这样对于不熟悉n s 2 的用户来说比较难于理解与 操作；还有的则是从模块设计的方便性入手，只注重模拟的结果，没有考虑s i p 协议的完整性以及s i p 协议的扩展在n s 2 上的后续开发。 一4 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 本文工作 本文首先简单介绍了s i p 协议以及n s 2 的基本原理，提出了在n s 2 上设计一 组s i p 模块的必要性和现实意义。在此基础上，从分析s i p 协议入手，详细地研究 了s i p 协议的模拟仿真方法并利用n s 2 平台实现了一组s i p 模块，最后利用o t c l 脚本对s i p 模块进行了测试。 本文的重点是在n s 2 的编译层上实现s i p 分组头、u a a g e n t 、p r o x y a g e n t 、 r e ( i i r e c t a g e n t 计、d n s a g e n t 、重传定时器以及s i p 应用程序，并建立编译层与解 释层的联系。设计的流程包括用户代理的注册、代理服务器的注册、利用代理服 务器的用户代理域间通信和域内通信、用户代理利用重定向服务器进行重定向等。 然后，通过编写o t c l 脚本进行测试，测试的内容包括利用代理服务器的域内 通信和域间通信，用户代理利用重定向服务器进行重定向等，测试的结果通过 n a m 图和t r a c e 文件进行输出。通过分析n a m 图和t r a c e 文件证明了模块设计的 正确性，能够较好实现s i p 模块的基本功能。 最后，文末提出了设计的不足以及将来需要改进和研究的方向。 1 4 论文的组织结构 本文共分为7 章： 第l 章：绪论，阐述了本文的研究背景、意义和主要成果。 第2 章：简单介绍s i p 协议的基本原理、特点、功能和结构。 第3 章：阐述了n s 2 原理及其基本结构。 第4 章：研究了s i p 模拟仿真方法。 第5 章：利用c + + 语言在n s 2 平台上实现了一组s i p 模块。 第6 章：编写o t c l 脚本进行模拟测试。 第7 章：工作总结与展望。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章s i p 协议概述 第2 章s ip 协议概述 s i p 是i e t f 提出的在i p 网络上进行多媒体通信的应用层控制协议，由i e t f r f c 3 2 6 1 定义。利用s i p 可以实现会话的发起、建立和释放，并支持单播、组播 和移动性。s i p 不是会话描述协议，也不提供会议控制功能。s i p 应该和其他协议 协同工作以提供给用户完全的服纠7 】。s i p 还可以与s d p t 8 1 配合，动态调整和修改 会话属性。s i p 以其简单、灵活的特点越来越受到青睐，作为移动通信标准化组织 的3 g p p 已经决定在s i p 基础上建立第3 代移动通信系统，一个基本的s i p 网络如 图2 1 t 4 】所示： 图2 1s i p 网络的基本结构 f i g 2 1t h e b a s i cs t r u c t u r eo fs i pn e t w o r k 2 1sip 协议网络实体结构 s i p 采用客户机服务器( c s ) 的工作方式，因此s i p 网络包含两类组件：用 户代理( u s e r a g e n t ) 和网络服务器( n e t w o r ks e r v e r ) 。用户代理又分为用户代理 客户端( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，其中u a c 负责发起s i p 呼叫请求， u a s 负责对呼叫请求作出响应。网络服务器主要为用户代理提供注册、认证、鉴 权、路由等服务，分为代理服务器( p r o x ys e r v e r ) 、重定向服务器( r e d i r e c ts e r v e r ) 和注册服务器( r e g i s t e rs e r v e r ) 3 种。 代理服务器提供路由功能，负责将s i p 用户请求和响应转发到相应的下一跳。 代理服务器分为有状态( s t a t e f u l ) 和无状态的( s t a t e l e s s ) 两类。有状态的代理服 务器会纪录经其转发的呼叫状态信息，通常位于s i p 网络的边缘；而无状态的代 理服务器一旦将消息转发后就丢弃其状态信息，位于网络的核心，这是由于核心 一7 一 东北大学硕士学位论文第2 章s i p 协议概述 的代理服务器通常需要处理大量的s i p 呼叫，不保留呼叫状态可以大大提高系统 的处理能力。 重定向服务器则提供地址解析服务，其功能类似于d n s ，通常将s i p 呼叫的 目的地址映射成零个或多个新地址。注册服务器接收终端的登记请求，记录终端 的s i p 地址( s i pu r i ) 和口地址，注册服务器通常与代理服务器或重定向服务器 位于同一物理实体上。此外，在s i p 中还经常提到位置服务器( l o c a t i o ns e r v e r ) ， 位置服务器提供定位服务，帮助s i p 重定向服务器和代理服务器获得被叫方的可 能位置信息。 2 2sip 协议基本功能 ( 1 ) 用户定位 s i p 协议通过i n v i t e 请求、a c k 请求以及响应( 2 0 0 0 k ) ，可以确定哪个终 端系统参加通信，完成用户的定位。 ( 2 ) 会话能力协商 会话能力协商通过s i p 协议的o p t i o n 请求和6 0 6 应答消息交互对话的媒体编 码类型、参数、会话带宽要求以及组播和单播方式等会话属性进行协商，通过s i p 协议，再次进行一轮c a l l i d 不变的i n v i t e 邀请，s i p 交互可以在会话期间对正 在进行的会话的属性如媒体的编码类型和格式，会话占用带宽等作调整和修改。 ( 3 ) 呼叫参与者管理 基于s i p 协议，任何一个s i p 用户可以为自己或他人向被叫发起呼叫，任何一 个会话参与者或会话外s i p 用户( 会话控制者) 都可以在会话期间把一个或多个 其他用户加至一个正在进行的会话，任何一个会话成员或会话外s i p 用户( 会话 控制者) 都可以中止一个正在进行的会话。 ( 4 ) 呼叫建立 通过代理服务器完成振铃操作，通过消息的传递来完成主叫方和被叫方的连接 和参数的建立。 ( 5 ) 呼叫处理 呼叫处理通过s i p 协议的重定向功能对呼叫进行前传，通过含有c o n t a c t 头域 的b y e 请求消息进行呼叫转移，还可以通过组播呼叫或使用带有a l s o 头域的 i n v i t e 请求消息进行群呼。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章s i p 协议概述 2 3sip 协议分层结构 s i p 是一个分层结构的协议，这意味着它的行为根据一组平等独立的处理阶段 来表述，每个阶段之间是耦合的。协议分层描述是为了表达，从而允许功能的描 述可在一个部分跨越几个元素，它不指定任何方式的实现。当我们说某元素包含 某层，我们是指它顺从该层定义的规则集，但不是协议规定的每个元素都包含各 层，而且，由s i p 规定的元素是逻辑元素，不是物理元素，一个物理实现可以选 择作为不同的逻辑元素。s i p 协议将其协议定义为四层：语法和编码层、传输层、 事务层和事务用户层，如图2 2 所示【9 】。 i 事务用户层 ； 图2 2s 口协议分层结构 f i g 2 2t h eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r eo fs i pp r o t o c o l s i p 的最底层是语法和编码层，该层定义了s i p 协议使用的各种参数、消息的 结构、语法和格式。编码采用扩充的巴柯斯范式( b n f ) 来描述。 第二层是传输层，它定义了网络上一个客户机如何发送请求和接收响应以及一 个服务器如何接收请求和发送响应，所有的s i p 元素包含传输层，必须支持t c p 和u d p 作为传输协议。 第三层是事务层。事务层是s i p 的基本元素。一个事务由客户机事务发送给服 务器事务的请求( 使用传输层) ，以及对应该请求的从服务器事务发送回客户机的 所有响应组成。事务层处理应用层重传，匹配响应到请求，并处理应用层超时。 任何用户代理客户机( u a c ) 完成的任务使用一组事务产生。用户代理包含一个 事务层，有状态的代理也有事务层，无状态的代理不包含事务层。事务层具有客 户机组成部分和服务器组成部分，它被用于处理特定的请求。无状态的代理服务 器不含该层，而用户代理、有状态的代理服务器和注册服务器都建立在事务层之 上。 事务层之上的层称为事务用户( t u ) 。每个s i p 实体，除了无状态的代理，都 一9 一 东北大学硕士学位论文第2 章s i p 协议概述 是事务用户。当一个t u 希望发送请求时，它生成一个客户机事务实例，并且向它 传递请求和i p 地址、端口、和用来发送请求的传输机制。一个t u 能生成客户机 事务，也能够删除它。当客户机取消一个事务时，它请求服务器停止进一步的处 理，将状态恢复到事务初始化之前，并且生成特定的错误响应到该事务。这由 c a n c e l 请求完成，它构成自己的事务，但涉及要取消的事务。s i p 提供它自己 的可靠性机制，从而独立于分组层，并且只需无q o s 保证的数据报服务即可。 2 4sip 协议的特点 s i p 作为一种新的信令协议，在多媒体通信应用中，有着其突出的特点和优势， 具体表现在： s i p 的地址类似e m a i l ，每个用户可用结构化u r l 1 0 】( u n i f o r mr e s o u r c e l o c a t i o n s ) 标识，常见形式为s i p ：u s c r c o m m a n y c o m ，其中u s e r 可以为用户名和 电话号码。s i p 即可采用口网络中使用的u r l 地址形式，又包容通信网中广为使 用的e 1 6 4 号码，且可重用互联网中的d n s 技术进行地址解析。 s i p 沿用互联网协议的设计原则，采用简洁的请求响应模式和文本消