（通信与信息系统专业论文）基于p2p的sip系统研究.pdf

中同科学技术人学硕。学位论文摘蔓 摘要 基于p 2 p 的s i p 系统( p 2 p s i p ) 将s i p 和f 2 p 结合起来，利用p 2 p 的优势 克服了s i p 系统集中式的系统结构带来的单点失效、性能瓶颈等问题，特别适合 应急通信、企业内部通信等场合的应用。利用p 2 p 网络实现s i p 用户的定位是 p 2 p s i p 系统的核心思想，自然也就成为p 2 p s i p 研究中的一项重点内容。同时， 网络中存在的大量的n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t o r ，网络地址转换) 打破了 s i p 和p 2 p 的端到端的特性，如何穿越这些n a t 也成为p 2 p s i p 研究中不可忽 视的方面。 本文的主要工作如下： ( i ) 提出了p 2 p s i p 系统中的一种s i p 用户查找与定位方法。 在p 2 p s i p 系统中，s i p 用户的定位是通过p 2 p 的资源查找算法实现的。p 2 p 网络有多种，其资源查找算法也不尽相同，目前的p 2 p - s i p 系统基本都采用c h o r d 协议。c h o r d 协议实现简单，能在较少的跳数内找到用户，但由于中间的一跳或 多跳可能是时延较大的链路，会造成较大的时延，因而并不是理想的方法。本文 利用底层网络的拓扑信息，将p 2 p 网络进行逻辑分层，考虑用户的会话规律， 即本地的会话业务量大这一特点，将本地用户划分在同一个逻辑子网内。定位用 户时首先在本地的子网内查找，失败后才进入整个覆盖网中查找，从而尽可能的 减少经过高延时链路的概率，减小定位用户的时间，进而大大缩短了平均会话建 立时延。 ( 2 ) 提出了一种p 2 p s i p 系统穿越n a t 的方案。 由于p 2 p 节点之间的信息交换是由s i p 消息完成的，所以针对n a t 穿越的 问题，只需要实现s i p 的n a t 穿越即可。本文在分析了当前几种主要的n a t 穿 越方法及其不足的基础上，提出了一种基于s t u n 和t u r n 的穿越方案。其基 本思想是根据n a t 的不同采用不同的方式实现s i p 信令的穿越，而媒体流的穿 越则通过对所有可用媒体地址进行连接检查来实现。方案不需要对n a t 作任何 改动，在应用层上实现了s i p 协议对所有n a t 的有效穿越，避免了单独使用其 它方法带来的缺陷。 本文首先介绍了s i p 协议和p 2 p 网络的基础知识，然后对p 2 p s i p 系统进行 了分析，在此基础上提出了一种基于p 2 p 的s i p 用户查找与定位的方法模拟该 方法的性能，并对相关参数进行了讨论。最后针对n a t 穿越问题，提出了一种 n a t 穿越方案，模拟分析表明，该方案可有效的穿越现有的n a t 关键词：会话初始化协议，对等网络，p 2 p s i p 系统，n a t 穿越 中困科学技术大学硕士学位沦文摘要 a b s t r a o t t h es i ps y s t e mb a s e do np 2 p ( p 2 p - s i ps y s t e m ) i n t e r g r a d e ss i p a n dp 2 ea n dt h e s i ps y s t m e sp r o b l e m ss u c ha ss i n g l e - p o i n tf a i l u r e ，p e r f o r m a n c eb o t t l e n e c kb e c a u s eo f i t sc e n t r a l i z e ds t r u c t u r ea r eo v e r c o m e db yt h ep 2 p t h ep 2 p s i ps y s t e mi se s p e c i a l l y s u i t a b l ef o rt h ee m e 唱e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，i n t e m a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n ds oo i l l o c a t i n gt h es i pu s e ru s i n gp 2 pi st h em o s ti m p o r tp a r to ft h ep 2 p - s i p r e s e a r c hb e c a u s ei ti st h ep 2 p - s i ps y s t e m sb a s i ci d e a a tt h es a m et i m e n a t t r a v e r s a lf o rp 2 p s i pc a n n tb ei g n o r e db e c a u s et h en a t si nt h en e t w o r kd e s t r o yt h e p e e r - t o - p e e rc h a r a c t e r i s t i c so f t h es i pa n dp 2 p t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) p r o p o s e dan e wm e t h o dt ol o c a t es i pu s e ri nt h ep 2 p - s i ps y s t e m i nt h ep 2 p - s i ps y s t e m ，l o c a t i n gt h es i pu s e ri sa c c o m p l i s h e db yt h ea l g o r i t h m f o rd i s c o v e r yr e s o u r c e so f t h ep 2 et h e r ea r em a n ya l g o r i t h m sf o rd i s c o v e r yr e s o u r c e s b e c a u s et h e r ea l em a n yd i f f e r e n tp 2 pm o d e l a tt h ep r e s e n t t h ea l g o r i t h ma d o p e db y p 2 p - s i pi sa l m o s tc h o r d c h o r di ss i m p l e a n dc a nb ei m p l e m e n t e de a s i l y i tc a nf i n d t h eu s e ra ts e v e r v a lh o p s ，b u tc h o r di sn o tai d e a lm e t h o db e c a u s ei t sr o u t i n gh o pc a n h a p p e nb e t w e e nt h en o d e sw i t hh i g hl i n kl a t e n c yw h i c hc a ni n c r e a s et h et i m eo f f i n d i n gu s e r i nt h i sp a p e r , p 2 po v e r l a yi sd i v i d e di n t od i f f e r e n tl o g i c a ll a y e r su s i n g l o w e rn e t w o r kt o p o l o g y a c c o r d i n gt ot h es e s s i o n p r a c t i c et h a tt h el o c a lu s e r o p e r a t i o ni sv e r yl a r g e ，t h el o c a lu s e r sc a nb ec l a s s i f i e di n t oas a m el o g i c a ls u b n e t w h e nl o c a t i n gt h es i pu s e r , f i r s tl o o k i n gu pt h eu s e ri nt h el o c a ls u b n e t , i fn o t ，t h e n i n t ot h eo v e r a l lp 2 po v e r l a y t h em o t i v eo ft h i sm e t h o di st od e c r e a s et h ep r o b a b i l i t y o ft h eh i g hl a t e n c yl i n k , a n dt h e nr e d u c et h et i m eo ff i n d i n gu s e r , a n dr e d u c et h e a v e r a g ee s t a b l i s hs e s s i o nt i m ea tl a s t ( 2 ) p r o p o s e dan e wm e t h o df o rn a tt r a v e r s a li nt h ep 2 p s i ps y s t e m i nt h i sp r o p o s e dm e t h o d ，i ti so n l yr e q u i r e dt oi m p l e m e n tt h en a tt r a v e r s a lf o r s i pb e c a u s et h en o d e si n f o r m a t i o ne x c h a n g eb ys i pm e s s a g e s ot h i sp a p e ra n a l y z e s s e v e r a lk i n d so fm e t h o do fn a tt r a v e r s a if o rs 1 只p r o p o s o sas o l u t i o nf o rn a t t m v e r s a lb a s e do ns t u na n dt u r nm e t h o d s n eb a s i ci d e ai st h a t 。f o rs i ps i g n a l i n g i tt a k e sd i f f e r e n tm e t h o d o l o g yt ot r a v e r s et h en a 丁b yt h en a tt y p e a n df o rt h e a s s o c i a t e dm e d i a , i tt r a v e r s e st h en a t b yt h ec o n n e c t i v i t yc h e c k st oa l lt h em e d i a a d d r e s s e sa v a i l a b l e t h i ss o l u t i o nc a nt r a v e r s ea l ln a t si nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rn o t c h a n g i n gt h ee x i s t i n gn a t , a n da v o i d st h ep i t f a l l so fu s i n ga n yo ft h eo t h e rm e t h o d s 中国科学技术人学硕士学位论文 精要 a l o n e i n t h i sp a p e r , t h es i pp r o t o c 0 1 p 2 ps y s t e ma n dt h ep 2 p - s i ps y s t e ma r c i n t r o d u c e df i r s t l y t h e nam e t h o d o l o g yo fs i pu s e rl o c a t i o nb a s e do np 2 p i sp r o p o s e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h em e t h o d o l o g yi ss i m u l a t e d ，a n dp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e dt o o a tl a s t , as o l u t i o nf o rn a tt r a v e r s a lb a s e do ns t u na n dt u r ni sp r o p o s e d t h e s i m u l a t i o ns h o wt h a ta l ln a t sc a nb et r a v e r s e du s i n gt h i ss o l u t i o n k e yw o r d ：s i p , p 2 p p 2 p - s i p , n a t 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所儆的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 壁已 耍 乒。1 年f 月3 l 中闻科学技术人学硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 传统s i p 系统分析 目前主要的通信网络有p s t n 、i p 网和移动网，它们都拥有自己各自独立的 网络，采用不同的组网技术，通过特有的接入手段向各自的用户群提供业务。虽 然在各网络的边界可以通过网关进行业务互通，但是各网丰富的业务属性及特征 还不能全部的互通和互操作。而且不同的网络有自己不同的通信设备，所以人们 可能拥有多个通信设备，要记忆多个号码，如手机号码、家里号码、办公室号码、 传真号码、e - m a i l 等等，这给用户造成了极大的不便。从方便用户考虑，我们希 望每个用户只有一个唯一的通信标识，用户可以选用任一网络的设备发送信息， 也可以随时利用当前最便利的设备接受自己的信息，即在一个唯一的通信标识下 实现各个通信网络的互通和互操作。 s i p 协议【1 1 ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话初始化协议) 是由i e t f 制定在 i n t e r n e t 节点间建立多媒体会话的控制信令。近年来受到i t 应用领域和电信界的 越来越多的重视。s i p 协议刚开始并不被看好，因为它的一些具有根本性和革命 性的观念与传统通信理念格格不入，共至背道而驰。但随着l p 网络的发展和普 及，i p 技术作为未来通信和网络技术的核心得到普遍的认同和广泛的实践。i p 技术屏蔽了底层技术的细节，能支持各种业务与应用，是促进未来网络融合的主 要技术。s i p 作为原始依赖i p 网络理念从i p 网络机理发展起来的通信技术和模 型，理所当然地成为未来网络的主要协议之一。特别是近年来又得到了包括 3 g p p 、3 g p p 2 移动标准以及n g n 等几乎所有国际标准组织的推崇和支持。之所 以s i p 得到如此的推崇和支持，是因为它有着迎合未来通信发展和人们需求的优 势： ( 1 ) 简单、高效，扩展性强。s i p 协议是基于文本的，易于读取和调试。 它可以被具体的应用程序扩展，有内置机制来创建附加应用的方法。s i p 消息的 消息体可以携带各种有效载荷( 如纯文本、媒体会话描述、x m l 等) ，使应用程 序开发者可以将s i p 作为多种通信业务的通用传输机制使用。 ( 2 ) 独立于底层网络。s i p 并不限定于某个特殊的传输协议，可以在任何 传送封包数据的协议( 如l p v 4 、a t m 、i p v 6 等) 之上操作。 ( 3 ) 业务支持丰富。s i p 具有支持人们利用一切媒体手段来交互协作通信 的能力。无论是语音、视频还是数据消息的通信，s i p 都能通过建立会话的机制 中闻科学技术犬学硕。卜学位论文第1 章绪论 予以融合支持。s i p 还可以用于互动性的应用，比如游戏应用。利用s i p 的端到 端特征，s i p 可以保证全球上的人们进行通信，这种通信甚至与其h j 户的端点设 备无关。这样一来，使用电话的人可以与使用p c 或p d a 的人们进行通信。尽 管这些用户的端点设备所支持的通信能力可能不同，有些能打电话，有些能进行 视频通信，有些可能只能发送短信。但是，由于所有的l p 端点都支持统一的端 到端的s i p 应用，所以人们可以共享可联网页面，同时可以实时共亨交互通信和 交换文件。s i p 创造了一个真正无障碍通信与合作的环境。 ( 4 ) 固有的对移动的支持。s i p 作为i p 网上的应用层的协议标准，固有的 继承了i p 网与地域位置无关性。s i p 会话的路由机制依赖于网络用户设备的动态 更新注册信息。所以，s i p 的会话请求不是针对端点设备，而是希望直接连通到 用户本人。s i p 的会话请求的目标用户，嘲络能够通过协议机制来寻找定位被请 求的用户。 ( 5 ) 实现真正的个人通信。用户可以利用网络侧的代理服务器一年3 6 5 天、 一天2 4 小时不停地代表用户处理多媒体会话通信。用户只需简单地设胃个人通 信的要求，系统就可以自动地组合“寻位”、“跟位”和请求过滤以及何时、何地和 由谁来响应的会话配置。这种配置还可控制时间并对重要的会话请求予以确保。 s i p 可使互联网用户、移动用户和同网用户的电话采用统一的通信机制来连接和 业务整合。用户可以根据业务应用的性质来设定其优选的通信方式：语音、即时 通信、电子邮件，还是其他依据会话而定的方式。例如，度假时的除了家里的电 话接入移动手机，其他的通信请求都直接接入语音信箱或电子邮件信箱。用户对 外可显示的信息，会话请求的处理可以根据用户在网的自然行为和相关的各种信 息来动态地调整。例如，用户将手机设定为“会议模式”来避免外来打搅正在进行 的会议。用户还可以根据其实际情况设定状态：离去、忙碌或暂时不便等。 正是由于有了这么多得天独厚的优势，s i p 应用得到了高速增长。但在增长 的同时，s i p 系统也反映出了一些不足： ( 1 ) 单点失效问题。s i p 按域划分户( 比如p u b l i c c o i n 就是。一个域) ，每 个域行一台s i p 服务器，用户连接本域的h f 务器。如果用，、所存域的服务器右机， 用户就不能使用s i p 服务。这就是所i w 的“单点失效”问题。 ( 2 ) 性能瓶颈。当某个域内的用户数目庞大时，单台服务器就会性能不足。 如果使用多台服务器，为维护服务器之间的一致性又会增加配置的复杂性和增大 性能损耗，性能提升十分有限。这就足所谓的“性能瓶颈”问题。 ( 3 ) 易于被封堵。由于存在中心的特定服务器，网络运营商和一些企业基 于利益或安全的考虑。可以通过限制用户与i m 服务器的连接方式来封堵服务。 ( 4 ) 可扩展性问题。由于公众运营的基于传统s i p 架构v o l p 或l m 系统的 中阳科学技术人学硕l 学位论文 第l 章绪论 用户一般不受地域性限制，一旦该应用具有某些极具吸引力的特点，从而导致用 户在短期内快速膨胀，且难以预测，此时由于初期服务器端的设计可能会导致难 以扩展且能力不足，难以平滑扩展，最终会大大影响服务质量和用户感受。 为了解决这些问题，就需要尽量少用甚至不用服务器，这就需要一个分布式 网络，p 2 p 正是理想的选择。 1 1 2 为何选择p 2 p p 2 p 技术也称对等网络结构( p e e r - t o p e e r ) ，是通过系统之间直接交换来共 享计算机资源和服务的一种应用模式【1 9 】。它在很大程度上颠覆了人们对互联网 的传统观念，打破了占据主导地位的客户端朋务器( c l i e n t s e r v e r ) 的互联网架构， 其最根本的思想就是网络中不存在中心节点( 或中心服务器) 每个节点( p e e r ) 既可以获取其它节点的资源或服务，l 一时又是资源或服务的提供者一般p 2 p 网络中每一个节点的权利和义务都是对等的，包括通讯、服务和资源消费。p 2 p 网络的特点主要体现在以下几个方面l2 0 j ： ( 1 ) 去中心化。p 2 p 网络中的资源和服务分散在所有节点上，信息的传输 和服务的实现都直接在节点之间进行，可以无需中间环节和服务器的介入，避免 了可能的瓶颈。去中心化是p 2 p 的基本特点，由此带来了其在可扩展性、健壮 性等方面的优势 ：( 2 ) 可扩展性。p 2 p 网络中，随着用户的加入，服务的需求也随之增加， 系统整体的资源和服务能力也在同步地扩充，因而始终能较容易地满足用户的需 要。对于纯p 2 p 系统，整个体系是全分布的不存在瓶颈。理论上其可扩展性 几乎可以认为是无限的。 ( 3 ) 健壮性p 2 p 网络具有耐攻击、高容错的优点。在p 2 p 网络中服务是 分散在各个节点之间进行的，部分节点或嘲络遭到破坏对其它部分的影响很小 通常，p 2 p 网络都是以自组织的方式建立起来的，并允许节点自由地加入和离开。 一些p 2 p 模型还能够根据网络带宽、节点数、负载等变化不断地做自适应式的 调整。 ( 4 ) 高性能。性能优势是p 2 p 被广泛关注的一个重要原因。p 2 p 网络可以 有效地利用互联网中散布的大量普通节点，将计算任务或存储资料分布到所有节 点上。利用其中闲置的计算能力或存储空间，达到高性能计算和海量存储的目的。 ( 5 ) 负载均衡。p 2 p 网络环境下由于每个节点既是服务器又是客户机，减 少了对传统c s 结构服务器计算能力、存储能力的要求，同时因为资源分布在多 个节点，更好的实现了整个网络的负载均衡。 这些优势正好可以为s i p 系统所利用，弥补s i p 系统的不足，因为s i p 系统 存在的不足主要就是由网络中的s i p 服务器带来的。将现有的c s 架构的s i p 应 中同科学技术人学硕仁学位论文第1 节绪论 用系统改造成基于p 2 p 模式的对等网络。取消现有的包括注册、代理和重定向 在内的各种s i p 服务器。利用p 2 p 实现_ h j 户的注册、查找定位和信令路由功能。 每个s i p 终端都是一个p e e r ，既作为服务器也作为客户端。可以解决的主要问题 包括【3 5 1 ： ( 1 ) 改善原s i p 网络的可靠性和可扩展性。即没有单点服务器故障或遭受 攻击导致网络整体瘫痪的危险。整体网络系统的能力与客户端的增长同步增长。 基本不存在瓶颈点。 ( 2 ) 适合企业自组s i p 通信系统。由于不需要配置和维护服务器。所以非 常适合企业自建基于s i p 的通信系统。它不会带来新的服务器配置和维护需求， 同时解决了企业使用公众s i p 通信系统的安全性问题。 ( 3 ) 降低对i n t e r n e t 连接的要求。由于不需要到中心服务器进行注册所 以局域网内没有i n t e m e t 连接的客户。可以自行局域组网，而且可以通过部分有 i n t e r n e t 连接的对等点实现广域p 2 p 组网。比如小区内有无线局域网服务，共有 1 0 0 个对等点自组网。其中i o 个点有i n t e m e t 连接，那么这1 0 0 个对等点就可以 与广域的对等点交换资源和信息了。 ( 4 ) 用户可以脱离集中服务器的控制。自由创建不同的p 2 p 应用层叠加网 络。在不同网络内可以自由命名和制定规则与策略。 ( 5 ) 免费与自由特性，既不需要向收费运营商缴费，也不需要承受免费公 共运营的客户端发送的广告。 1 1 3p 2 p - s i p 系统研究现状 p 2 p 是一种通用计算模式，而s i p 是一种基于文本的信令协议。从应用层来 看，基于p 2 p 和基于s i p 都可以开发出各种通信和会话类应用，如v o l p 、即时 通信、视频会议等。从重叠删络层来看，p 2 p 和s i p 同样耍解决用户注册、加入、 寻址、定位、路由功能。从承载通信层次来看，p 2 p 和s i p 均可以通过t c p i p 和u d p i p 来承载。基于以上许多共同点，业界开始研究如何将p 2 p 和s i p 结合 起来，互相利用各自优势，解决特定需求或独立网络架构的不足之处。 根据s i p 和p 2 p 组合应用的需求【3 8 l 【3 9 1 ，当前。构建基于p 2 p 的s i p 系统 ( p 2 p s i p 系统) 主要有两种方式：一是利用现存的p 2 p 协议代替s i p 系统中的 用户注册和查询，即s i p u s i n g - p 2 pb - 式；二是p 2 p 和s i p 业务部由s i p 消息来 承载，利用p 2 p 算法实现s i p 用户的j 丰册和查询，即p 2 p - o v e r s i p 方式。 第一种方式不对p 2 p 和s i p 协议作作何改动，s i p 协议层和p 2 p 层完全分离。 p 2 p 层作为服务提供层，埘上层麻| = j 屏蔽了内部实现细节，提供了系列麻_ h j 程 序接口( a p i ) ，供s i p 层调用实现位置服务，通常采用结构化d h t 的方式实现。 由f 现存的p 2 p 系统采用的是各自的私育协议，没有统- 的标准，将导致不同的 中同科学技术人学颅i 二学位论文 第l 章绪论 系统之间不能互连互通，因此不适合通信发展的需要。 第二剃- 方式放弃原来p 2 p 网络维护所使州的私有协议，将s i p 与p 2 p 完全融 合，终端之间的消息交互统一使用s i p 协议，p 2 p 对s i p 协议解析，获取用户注 册或节点注册的信息。当用户请求呼叫建立时，p 2 p 算法保证主叫发送s i p 请求 应该重定向到何处。与第一种方式相比使用标准的s i p 协议符合通信网络中的 设备兼容性和扩展性的要求，极大提高了s i p 在通信网络中的核心地位，也充分 体现了s i p 协议的易扩展性和在网络通信中的优越性。同时，避免了同时使用两 个协议栈，减少了实现的复杂度。因此，第二种方式赢得了研究者的青睐。 在第二种方式的p 2 p s i p 系统中，s i p 用户被看作是p 2 p 网络中的资源，通 过s i p 消息，利用p 2 p 的资源组织与奄找算法对s i p 用户进行注册和定位。p 2 p 的资源组织与查找算法有很多种，如c h o r d ”、c a n ( c o n t e n t - a d d r e s s a b l en e t w o r k 内容寻址网络) 、p a s t r y 2 2 1 等，目前的p 2 p s i p 系统中基本上都采用c h o r d ， 因为它简单、准确、稳定。通过对s i p 协议进行简单扩展来传输c h o r d 的信令， s i p 系统则通过c h o r d 算法代替了s i p 服务器来实现用户的注册和查询埘1 4 】用， 这就避免了s i p 协议规定的d n s 过程【2 ”。 1 2 本文所做的工作及意义 p 2 p s i p 系统的核心思想就是利用f 2 p 算法来实现s i p 用户的定位n a t 穿 越则是在当前的网络中不可回避的问题。 c h o r d 算法保证在0 ( i o g n ) 跳内找到用户，但这样的查找过程是在整个覆 盖网的节点间进行的，这就有可能在中间的一跳( 或几跳) 是在相距较远的高延 迟链路的节点间进行，这将极大的增加查找的时延，从而增加会话建立时延，影 响系统的性能( 对于1 0 0 0 0 0 0 个节点的网络可超过传统s i p 系统的6 倍【6 1 ) 针 对这一问题，本文提出了一种基于p 2 p 的s i p 用户定位方法。利用底层网络的拓 扑信息，将p 2 p 网络进行逻辑分层，考虑到用户的会话规律，即本地的会话业 务量大这一特点，将本地用户划分在同一个逻辑子网内定位用户时首先在本地 的子网内查找，失败后才进入整个覆盖网t t 查找，从而尽可能的减少经过高延时 链路的概率，进而极大的减小定位用广的时间，大大缩短了平均会话建立时延。 s i p 和p 2 p 协议都是端到端的协议，n a t ( n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t o r ，网络 地址转换) 【10 】的存在使得端到端的s i p 应用难以实现。针对这个问题，本文在分 析了当前几种主要的n a t 穿越方法及其不足的基础上，提出了一种基于s t u n 和t u r n 的穿越方案。它不需要对n a t 作任何改动，在应用层上实现了s i p 协 议对所有n a t 的有效穿越，避免了单独使用其它方法带来的缺陷。 中同科学技，r 大学硕卜学位论文 第l 聋绪论 1 3 论文结构 第一章说明了为什么要选择s i p 和p 2 p 协议，介绍了p 2 p s i p 系统的研究现 状，并给出了本文所做的工作及意义。 第二章对介绍了s i p 协议。首先给出了s i p 协议的定义和功能，然后介绍了 s i p 协议中定义的功能实体，s i p 消息类型及其格式，最后分析了用户注册和s i p 会话的协议操作过程。 第三章介绍了p 2 p 网络。在介绍什么是p 2 p 后，分析了四种p 2 p 网络的工 作原理及其特点，然后详细介绍了c h o r d 协议：在介绍了哈希函数的基础上，阐 述c h o r d 协议设计思想及采用c h o r d 协议在p 2 p 网络中进行资源搜索的过程， 并对节点的加入和退出过程及其算法作了描述，最后小结了c h o r d 的特点。 第四章对p 2 p s i p 系统进行了分析。介绍了两种p 2 p s i p 系统：s i p - u s i n g p 2 p 和p 2 p o v e r - s i p 。对他们的节点结构和各自的工作原理进行了说明，并简单总结 了各自的特点。 第五章阐述了提出的基于p 2 p 的s i p 用户查找与定位方法。首先对分层的思 想作了介绍，对s i p 协议进行了扩展以适应p 2 p ( c h o r d ) 算法的需要，然后阐 述了方法的算法流程，并在此基础上给出了s i p 用户注册和查找的详细过程，最 后对方法进行了模拟分析。 第六章在分析了n a t 穿越存在的问题及当前主要的几种n a t 穿越方案的基 础上，提出了一种基于s t u n 和t u r n 的s i p 协议的n a t 穿越方案，并对方案 的性能进行了模拟分析。 第七章对全文进行了总结，并提出了下一步努力的方向。 6 中同科学技术人学硕【。学位论文第2 章s i p 协议 第2 章s i p 协议 1 9 9 9 年，i e t f 发布了r f c 2 5 4 3 ，规定了s i p 的基本框架。2 0 0 2 年，r f c 3 2 6 1 取代r f c 2 5 4 3 ，成为s i p 的核心协议标准。随后协议不断的发展，众多的扩展被 i e l t 提出以增强s i p 的功能。到目前为i i ：，包括北电、爱立信、西门子以及中 兴，华为等众多通信公司以及3 g p p 、3 g p p 2 等国际标准化组织都已经实现了对 s i p 的支持。 2 1s i p 定义与功能 i n t e r n e t 有许多应用需要创建和管理会话，而这些会话的参与者的可能是移 动的，可能是多个名字设定的地址，可能以不同的媒体进行联系( 有时还是同时 的) 。这就有许多协议产生，他们支持不同的实时媒体会话，如音频、视频或文 本消息。s i p 能使i n t e r n e t 的端点( 称用户代理) 能够相互发现，并且协商他们 共有的会话描述，从而与这些协议一起工作。 s i p 是一个应用层控制协议，它能够建立、修改和终止诸如i n t e m c t 电话呼叫 的多媒体会话( 会议) 。它独立于底层协议，可工作于i p v 4 和i p v 6 ，传输层可采 用u d p 、t c p 或s c t p 。s i p 借鉴了简单邮件传输协议( s m t p ) 和超文本传输协议 ( h t t p ) 的优点，透明地支持名字映射和重定向服务，支持个人移动性。 s i p 支持建立和终止多媒体通信，主要提供以下功能： 1 用户定位：无论被呼叫方在哪里都确保呼叫达到被叫方 2 用户可用性：确定被叫是否愿意加入会话。 3 用户能力判断：确定通信使用的媒体类型和媒体参数。 4 会话建立：在主被叫间建立约定的特定媒体流传输的连接。 5 会话管理：包括传送和终止会话，修改会话参数，调用服务。 s i p 并不是一个垂直集成的通信系统，它更像是一个部件，应和其他协议一 起工作，提供一个完整的多媒体通信系统，如r t p 、r t c p 、m e g a c o 、s d p 等。 s i p 本身并不提供服务，它提供了一个基础用来实现不同的服务比如，s i p 可 以定位用户和传输一个封装好的对象到对方的当前位置。安全对于提供的服务来 说特别重要，s i p 提供了一套安全机制，包括防止拒绝服务( d o s ) ，认证服务( 用 户到用户，代理到用户) ，完整性保证，加密和隐私服务。 2 2s i p 功能实体 s i p 网络中存在不同的功能实体，以完成相应的功能，主要有两类功能实体： 中田科学技术人学顾l 一学位论文 第2 事s i p 协汉 s i p 用户代理和s i p 服务器。用户代理是呼叫的终端系统元素：s i p 服务器是处 理与呼叫相关信令的网络设备，主要包括代理服务器、重定向服务器注册服务 器和位置服务器。这些功能实体足一种逻辑上的概念，实际物理分布上，几种实 体可能集成在同+ 个设备中。 2 2 1 用户代理 用户代理( u a 。u s e r a g e n t ) ，是直接和用，、发生交互作用的功能实体，它能 够代理用户的所有请求和响应。从c s 角度讲，用户代理可分为u a c ( u r a g e n t c l i e n t ， 用户代理客户端) 和u a s ( u s e ra g e n ts e r v e r ，用户代理服务器端) u a c 指发起请求的用户代理，u a s 则是对发起的请求进行响应。注意，u a c 和 u a s 是相对事务而言的，由于一个呼叫中会存在多个事务，所以对于同一个实 体，在同一个呼叫中的不同阶段会充当不同的角色。例如，主叫用户发起呼叫时， 逻辑上完成u a c 的功能，充当的角色是u a c ：当呼叫结束时，若被叫用户发起 b y e ，此时主叫用户侧的代理所起的作用则是u a s 。 用户代理可以执行在不同的系统中伊j 如，可以是p c 机上的一个程序，也 可以运行在s i p 终端中。用户发起呼叫时，首先通过u a c 来完成自己所表达的 意愿，同样道理，u a s 会告诉被叫用户当前正有请求到达。 2 2 2 代理服务器 代理服务器( p r o x y ) 是将请求消息路由到u a s 以及将响应消息路由到u a c 的实体，即完成s i p 消息的转发。 代理服务器是一个逻辑功能实体。可以在有状态模式下工作，也可以在无状 态模式下工作。当以无状态模式工作时，代理服务器只是作为一个简单的消息转 发实体，它根据请求消息来做转发目的地和路由决策，然后把请求转发到下游的 某个实体；对于响应消息，则只简单地将其往上游方向转发。一旦消息转发完毕， 无状态代理服务器将丢弃所有与此消息相关的信息。有状态代理服务器会记录收 到的每个请求的信息，如事务状态，以及作为某一请求的处理结果而发送的任何 请求的信息。这些信息将影响它对后续的、与先前接收的某一请求相关的消息的 处理。有状态代理服务器可能选择“分叉”( f o r k ) 1 1 l 转发一个请求即将一个 请求向多个目的地路由。任何被转发到多个地点的请求都必须在有状态模式下处 理。有状态的代理服务器在请求处理过程中可在任何时候转到无状态工作模式 下，只要不禁止这种转换。 2 2 3 重定向服务器 重定向服务器是接受s i p 请求，并将被呼叫方的s i p 地址映射成零个( 如果 i i 国科学技术人学硕士学位论文 第2 章s i p 协议 没有可知地址) 或多个新地址并且将它们返同客户机的u a s 。它不发送任何s i p 请求，这是与代理服务器的本质区别。逻辑上，重定向服务器一般靠近被叫用户。 当重定向服务器接受用户的请求时，它只告诉请求方被叫的其它的连接地址，而 不像代理服务器那样代理用户的请求，功能上相当与d n s 功能。 重定向消息可以由用户终端发出，也可以由网络中的服务器发出。当用户当 前不想接受呼叫时，就可以通过发送重定向消息，告诉网络中的服务器将呼叫路 由到个人的语音信箱或其它通信地址，若不想受终端限制( 如果通过终端发送此 消息，必须保证终端在线) ，重定向消息可以由网络中的服务器发出。 2 2 4 注册服务器 注册服务器是接受r e g i s t e r 请求的服务器，其目的是根据用户在请求中 规定的联系信息更新位置数据库，以便其他用户可以找到该用户 用户进行注册时，一般服务器需要对用户进行鉴权认证，只有鉴权通过后才 认为该用户为网络中的合法用户 为了确保网络对用户终端的可控性，每个成功注册信息都有一定的生命期。 如果用户终端在生命期内对位置信息进行了更新，说明该位置信息当前仍有效： 如果在生命期终止时，用户都没有进行更新，注册服务器则认为当前的位置信息 对该用户已经无效。这就可以有效的避免用户由于异常情况( 如突然死机) 而不 能将位置信息注销掉的问题。 s i p 能够实现强大的业务，在一定程度上也取决于s i p 网络中注册功能的强 大。例如同一个用户可以将自己注册成多个地址( 同一个s i p 地址下的多个别名 地址) ，由此实现分叉功能。也允许用户将自己的地址主动注销，便于用户在不 同的场合使用不同地点的终端( 如上班的联系地址为办公电话，下班后的联系地 址为家庭电话) 。 另外，s i p 对移动的支持上，注册服务器起着相当大的作用 2 2 5 位置服务器 位置服务器存储用户的位置信息丰要功能是提供位置查询服务。从严格意义 上讲，它并不是s i p 网络中的功能实体，但以上提到的注册服务器、代理服务 器、重定向服务器等在实现位置服务时都需要与位置服务器相配合。它包含了一 张绑定了记录地址( a o r ，a d d r e s s - o f - r e c o r d ) 的表，被叫方可能有0 到多个记 录。绑定的记录一般通过r e g i s t e r 请求进行添加和删除。 9 中国科学技术大学硕l ：学位论文第2 带s i p 协议 2 3s i p 消息及其语法 s i p 协议是基于文本的协议。使用u t f 8 字符集 2 4 1 ，其消息分为两种：请求 ( r e q u e s t ) 和响应( r e s p o n s e ) 。请求是客户端到服务器端的消息，响应是服务 器端到客户端的应答。不管那种消息，都分为消息头和消息体( 可选) ，格式如 下所示： s i p 消息= 起始行 + 消息头部( 1 个或多个头部) c r l f f 消息体】 起始行= 请求行，状态行 其中“事”表示该消息头部可包含一个或多个，“ ”表示该参数为可选项。 起始行、每一个消息头部以及空行都必须使用回车换行字符( c r l f ) 来表示行终 结，即使消息中未包含消息体可选项空行也不能省略。 2 3 i 请求 s i p 请求消息的起始行为请求行( r e q u e s t - l i n e ) 。请求行的格式由方法名、 请求u r i 和协议版本组成，各部分之问均用一个空格字符进行分隔。请求行必须 用回车换行( c r l f ) 字符表示行终结，如下所示： r e q u e s t - l i n e = m e t h o dr e q u e s t u r is i p - v e r s i o nc r l f 在s i p 消息中共定义了6 中基本请求，分别是i n v i t e 、a c k 、o p t i o n s 、b y e 、 c a n c e l 和r e g i s t e r 。 i n v i t e - 主叫方发出的初始化信息表征主叫方的能力，邀请被叫参加会话。 a e k ：确认信息。当被叫方对主叫方的i n v “e 消息进行最终响应后，主叫方 发送a c k 表示已收到对方的最终响应。 0 p t i o n 用于查询网络中代理服务器和客户端的能力。 b y e ：表示终止会话。 c a n c e l ：取消一个正在进行的请求( 此时没有收到对方的最终响应) 。 r e g i s t e r ：用于发送注册请求信息本文将对其进行扩展以交换p 2 p 算法的 信息。 2 3 2 响应 当服务器接收到客户端发送的请求后，会产生一系列的响应以表示对该请求 的处理结果。s i p 响应和请求的区别在于住开始行中是否包含一个状态行。个 状态行由协议版本、状态码和与状态码相关的文本描述组成，各个部