SIP协议在VoIP中的应用(三)

一、什么是SIP协议

　　SIP协议又名会话发起协议，它是一个基于文本的应用层控制协议，用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。SIP协议是应VoIP语音电话的产生而产生的，SIP协议的作用如下：

用户定位：确定参加通信的终端用户的位置，定位方式是SIP URL。
用户通信能力协商：确定通信的媒体类型和参数，封装SDP信息。
用户意愿交互：确定被叫是否乐意参加某个通信。
建立呼叫：包括向被叫“振铃”，确定主叫和被叫的呼叫参数。
呼叫处理和控制：包括呼叫重定向、呼叫转移、终止呼叫等等。

　　SIP协议可以应用于IP网中实现基本的语音通信增值业务，也是IMS通信网络的核心协议。SIP协议与其它相关协议的关系图如下：

　　SIP协议主要是为VoIP服务的，VoIP的通话模式有PC2PC、PC2PHONE、PHONR2PHONE、PHONE2PC四种，要实现VOIP语音电话，需要信令协议、媒体传输协议、其它支撑协议等三类协议的支持。以下是IP电话的协议族，其中H323、SIP、RTSP属于信令协议，RSVP、RTCP、RTP属于媒体传输协议。

二、SIP网络基本架构

　　要充分理解SIP协议的作用和功能，先看看如下SIP网络的分布式架构，图中可以看到SIP协议穿梭于不同的服务器之间。

UserAgent：是一个软终端或者是一个支持SIP协议的电话，对接收到的行为进行代理，发送到SIP网络中。它包含UserAgentClients和UserAgentServer两个实体，前者用于发起SIP事务请求，将动作转换为invite消息(比如拨号)，后者用于接收SIP事务请求，将invite消息转换为动作(比电话振铃)。
ProxyServer：用于转发SIP消息。
LocationServer：是一个数据库，用于存放终端用户当前的位置信息，向RedirectServer或者ProxyServer提供被叫用户位置信息。
RedirectServer：将用户新的位置信息返回给呼叫方，呼叫方可根据新的位置重新发起呼叫。
RegisterServer：提供注册请求，完成用户地址的注册、用户鉴权。

三、SIP协议地址

　　SIP网络采用了英特网的URL，支持IP地址和PSTN地址。一般的地址格式为：name@domain。举例：

姓名@域名：sip:name@wcom.com
昵称<sip:姓名@域名>：sip:nicename<sip:name@zs.com>
电话号码@电话运营商域名：sip:+1-613-555-1212@wcom.com;user=phone

四、SIP协议的消息结构

　　SIP协议的消息类型主要有以下几种：

SIP请求消息：

INVITE：发起会话请求。
ACK：对INVITE请求的响应消息的确认。
BYE：结束会话。
CANCEL：取消尚未完成的请求。
REGISTER：注册。
OPTIONS：查询服务器的能力。
INFO：用于传送 mid-call 信令信息，同一时刻只能有一个 INFO 事务存在。
PRACK：临时响应（Provisional Response）确认。用于确认收到了临时响应。
NOTIFY：事件通知，具体的事件包括、业务状态的改变、用户状态的改变等等。
SUBSCRIBE：订阅/取消(Expires=0）事件通知。
PUBLISH：发布事件状态。
MESSAGE：针对即时消息 (IM)的扩展，用于传送即时消息。
REFER：指示接收者 (Request-URI所标识的) 应该使用请求中提供的信息联系第三方。

SIP响应消息：响应消息是对请求的回应，类型有如下几种：

1xx：提供信息性消息。
2xx：报告请求成功。
3xx：报告重定向。
4xx：表示请求错误。
5xx：通知服务器错误。
6xx：报告一般错误。

　　SIP中常用的响应状态码：100(试呼叫)、180(振铃)、181(呼叫前转)、182(排队)、183(可靠性临时响应)。

　　SIP请求消息的结构如下：

Session Initiation Protocol (INVITE)   //表示一个SIP协议请求，消息类型为INVITE
    Request-Line: INVITE sip:1052@10.20.14.18:57106;ob SIP/2.0 //请求行：包含了请求方式、请求地址、协议版本
    Message Header   //消息头
        Via: SIP/2.0/UDP 10.20.14.15;rport;branch=z9hG4bK16Ft7BFNa3D8c  //标识请求路径，防止环路
        Max-Forwards: 70   //到达目的经过的中转站的最大值，网络每经过一跳都会自减一，如果值为0，则终止请求
        From: "90005_018076175750" <sip:90005_018076175750@10.20.14.15>;tag=87e0c69U7DS6m   //发起方地址
        To: <sip:1052@10.20.14.18:57106;ob>  //接收方地址
        Call-ID: 10e221cd-de61-123b-0f8b-f4b5200b7502  //标识一个INVITE
        [Generated Call-ID: 10e221cd-de61-123b-0f8b-f4b5200b7502]  
        CSeq: 59641416 INVITE  //用于匹配请求和响应消息
        Contact: <sip:mod_sofia@10.20.14.15:5060>    //给出后续直接通信的地址，给出后可以不用via里的地址
        User-Agent: FreeSWITCH-mod_sofia/1.10.7-release+git~20220830T085235Z~cda9d15f48~64bit   //包含发出请求的用户信息
        Allow: INVITE, ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS, MESSAGE, INFO, UPDATE, REGISTER, REFER, NOTIFY, PUBLISH, SUBSCRIBE   //标识代理服务器支持的请求类型
        Supported: timer, path, replaces
        Allow-Events: talk, hold, conference, presence, as-feature-event, dialog, line-seize, call-info, sla, include-session-description, presence.winfo, message-summary, refer 
        Content-Type: application/sdp  //消息体类型
        Content-Disposition: session 
        Content-Length: 420            //消息体长度
        X-FS-Support: update_display,send_info    
        Remote-Party-ID: "90005_018076175750" <sip:90005_018076175750@10.20.14.15>;party=calling;screen=yes;privacy=off
    Message Body   //消息体
        Session Description Protocol  //表示是一个sdp协议文本，下面是sdp协议内容
            Session Description Protocol Version (v): 0
            Owner/Creator, Session Id (o): FreeSWITCH 1668365019 1668365020 IN IP4 10.20.14.15
            Session Name (s): FreeSWITCH
            Connection Information (c): IN IP4 10.20.14.15
            Time Description, active time (t): 0 0
            Media Description, name and address (m): audio 25398 RTP/AVP 9 0 8 101
            Media Attribute (a): rtpmap:9 G722/8000
            Media Attribute (a): rtpmap:0 PCMU/8000
            Media Attribute (a): rtpmap:8 PCMA/8000
            Media Attribute (a): rtpmap:101 telephone-event/8000
            Media Attribute (a): fmtp:101 0-15
            Media Attribute (a): ptime:20
            Media Description, name and address (m): video 16624 RTP/AVP 102
            Bandwidth Information (b): AS:3072
            Media Attribute (a): rtpmap:102 VP8/90000
            Media Attribute (a): rtcp-fb:102 ccm fir
            Media Attribute (a): rtcp-fb:102 ccm tmmbr
            Media Attribute (a): rtcp-fb:102 nack
            Media Attribute (a): rtcp-fb:102 nack pli
            [Generated Call-ID: 10e221cd-de61-123b-0f8b-f4b5200b7502]

　　SIP响应消息的结构如下：

Session Initiation Protocol (200)   //表示一个SIP协议响应，响应类型是200
    Status-Line: SIP/2.0 200 OK     //请求行：包含了请求方式、请求地址、协议版本
    Message Header
        Via: SIP/2.0/UDP 10.2.1.166:5060;branch=z9hG4bK218159826
        From: <sip:90005_018076175750@10.2.1.166>;tag=1739940613
        To: <sip:96138_952138@10.20.14.15:5080>;tag=raXecm9vtQ87B
        Call-ID: 4179317446@10.2.1.166
        [Generated Call-ID: 4179317446@10.2.1.166]
        CSeq: 20 INVITE
        Contact: <sip:96138_952138@10.20.14.15:5080;transport=udp>
        User-Agent: FreeSWITCH-mod_sofia/1.10.7-release+git~20220830T085235Z~cda9d15f48~64bit
        Accept: application/sdp
        Allow: INVITE, ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS, MESSAGE, INFO, UPDATE, REGISTER, REFER, NOTIFY
        Supported: timer, path, replaces
        Allow-Events: talk, hold, conference, refer
        Content-Type: application/sdp
        Content-Disposition: session
        Content-Length: 218
        Remote-Party-ID: "96138_952138" <sip:96138_952138@10.20.14.15>;party=calling;privacy=off;screen=no
    Message Body     //消息体，内容为空

五、SIP协议建立呼叫流程

　　1、用户注册：注册就是SIP客户端主动告诉软交换设备SIP客户端自己的地址，当有其他用户想要呼叫自己的时候能够顺利通知到自己。用户每次开机都需要向服务器注册，当SIP客户端的地址发生改变后也需要重新注册。注册信息必须定时刷新。

用户开机首次发起注册：此时没有鉴权信息，服务器鉴权失败将返回401错误码。
再次注册：客户端输入鉴权信息，再次发起REGISTER请求，服务器鉴权成功后返回200状态码，并返回注册成功的消息。

　　2、通话建立：通话方式有普通方式和TLS连接方式，这相当于http和https的关系。

终端A创建INVITE请求：该请求携带sdp协议内容到达网关服务器，网关会返回100 Trying的响应来告知终端A网关正在尝试连接被呼叫终端B。
网关向终端B转发INVITE请求：请求到达终端B后会返回100 Trying的响应来告诉网关它已经接收到消息，正在进行处理，随后又向网关发送180 Ringing的请求表示它已经在"振铃"了。
网关向终端A转发180Ringing请求：通知终端A被叫端B正在振铃，同时A在收到信息后播放回铃音。
终端B在用户接听后向网关发送200 OK消息：此消息将携带sdp协议内容，网关在收到该消息后转发给终端A。
终端A发送ACK请求：终端A在收到B的200OK消息后，向网关发送ACK请求，网关转发到终端B，B在收到ACK请求后，开始建立RTP(媒体传输)连接，通话正式开始。
客户端挂机：任何一个终端主动挂机，都会向网关发送Bye请求，网关转发给对端。
挂机确认：对端在收到Bye请求后响应200OK消息，表示挂机正常。

六、TLS安全传输协议

　　TLS（Transport Layer Security Protocol），即安全传输层协议，用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性，从而保证安全和可靠的传输。

TLS连接在TCP链路建立之后、SIP会话开始之前建立。建立TLS连接之后，通信双方后续的数据传输就是在安全的通道中传输。

　　SIP会话结束的时候，可以释放或保留TLS连接，如果连接被保留，称为TLS长连接，在配置TLS加密的时候需要选择是否保留长连接。由于每次连接建立过程会比较消耗CPU性能，因此，一般一对多的通信采用TLS短连接，固定两点之间的连接，建议使用TLS长连接，如SIP中继。

七、RTP、SRTP媒体传输协议与媒体协商

　　在前面的SIP通话建立过程中看到，SIP会话建立后，两个通话终端之间就可以开始传输RTP媒体流，媒体流的传输同样有普通方式(RTP)和加密传输方式传输(SRTP)，双方通信时采用RTP协议还是采用SRTP协议，由通信双方协商确定。只有两端同时支持SRTP加密时，才能传输SRTP媒体流。

　　SRTP使用AES算法对数据流进行加密，为了数据流的完整性和正确性，防止黑客破坏、伪造或重传过去的数据，SRTP还提供了消息认证、完整性保护和重放保护。

　　双方协商媒体传输的过程称为媒体协商，媒体协商通过一种叫做SDP会话描述协议的协议来约束，是在SIP发起会话的时候进行的，前面提到在创建INVITE请求时就携带了SDP信息，SDP消息的示例如下：

      v=0
      o=jdoe 2890844526 2890842807 IN IP4 10.47.16.5
      s=SDP Seminar
      i=A Seminar on the session description protocol
      u=http://www.example.com/seminars/sdp.pdf
      e=j.doe@example.com (Jane Doe)
      c=IN IP4 161.44.17.12/127
      t=2873397496 2873404696
      m=aideo 49170 RTP/AVP 0  //传输的媒体
      m=aideo 51372 RTP/SAVP 0
      a=crypto:1 AES_CM_128_HMAC_SHA1_80  //加密算法
      inline:d0RmdmcmVCspeEc3QGZiNWpVLFJhQX1cfHAwJSoj|2^20|1:32  //密钥信息
      a=orient: portrait