基于SIP協(xié)議的IP電話系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)介紹

網(wǎng)絡(luò)IP電話不僅具有成本低廉、網(wǎng)絡(luò)資源利用率高等諸多優(yōu)點，而且還可以進一步集成多媒體信息（包括語音、圖像、數(shù)據(jù)等），以實現(xiàn)交互式的實時通信等，具有很大的發(fā)展?jié)摿�，且有逐漸取代傳統(tǒng)PSTN電話的趨勢，成為NGN（Next General Network）中語音信息傳輸?shù)闹饕�形式�?/p>

目前構(gòu)建IP電話系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的信令協(xié)議主要有H.323協(xié)議和SIP協(xié)議，二者完全平行，互不兼容。H.323協(xié)議是為多媒體會議系統(tǒng)而提出的。該協(xié)議采用傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)繁瑣的信令概念，非常龐大，無論從實現(xiàn)技術(shù)手段，還是使用和管理方法上都十分復(fù)雜。而SIP協(xié)議則是以現(xiàn)有的Internet協(xié)議為基礎(chǔ)來構(gòu)架IP電話業(yè)務(wù)網(wǎng)的應(yīng)用層協(xié)議。它將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，支持單播、多播通信、名稱映射和重定向業(yè)務(wù)，還支持類似呼叫轉(zhuǎn)發(fā)、呼叫拒絕等電信業(yè)務(wù)的實現(xiàn)以及支持用戶移動性。與H.323相比，SIP更適用于智能用戶終端，使用更加靈活，掌握更加容易。鑒于此，本文提出了一種客戶機－服務(wù)器模式的符合SIP協(xié)議規(guī)范的IP電話系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)方案。

該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）它采用IP－IP通信模式；

（2）電話終端設(shè)備直接與用戶機USB接口相連，可方便地實現(xiàn)與被叫者的文本、語音等數(shù)據(jù)的可靠傳輸；

（3）系統(tǒng)包含完整的用戶數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通話管理控制系統(tǒng)；

（4）提供較高的QoS。

該系統(tǒng)充分利用SIP協(xié)議，提供了諸多增值服務(wù)，使得系統(tǒng)除具備普通電話的功能和業(yè)務(wù)外，還可以提供自主設(shè)置留言、來電過濾、跟蹤呼叫等多種功能，適用于大中型企業(yè)集團或單位內(nèi)部使用。

1、 SIP協(xié)議概述

總體來說，SIP協(xié)議支持多媒體通信中以下幾個方面的功能：

(1)用戶定位：確定通信中終端的位置；

(2)用戶可用性：確定被叫方是否愿意參與通信；

(3)性能協(xié)商：確定通信中所用媒體及媒體參數(shù)；

(4)會話建立：呼叫雙方會話參數(shù)的建立；

(5)會話管理：包括會話轉(zhuǎn)移和中止、會話參數(shù)變更、調(diào)用新業(yè)務(wù)等內(nèi)容。

SIP協(xié)議是一個客戶服務(wù)器協(xié)議，用于發(fā)起和管理用戶間的會話。SIP終端系統(tǒng)稱為用戶代理，即UA（User Agent），含用戶代理客戶機UAC(User Agent C1ient)和用戶代理服務(wù)器UAS(User Agent sever)兩部分。中間單元稱為代理服務(wù)器。它的消息分為兩大類：從客戶端到服務(wù)器的請求(Request)和從服務(wù)器到客戶端的響應(yīng)(Response)。無論請求消息還是響應(yīng)消息都是由起始行(Start-Line)、消息頭部(Message—Header)和可選的消息體(Message—Body)構(gòu)成。

請求消息按請求行（起始行）可分為：

(1)Register：用于登記聯(lián)系信息；

(2)Invite：用于邀請用戶加入會話；

(3)ACK：用于對請求成功后作出的確認(rèn)；

(4)Cancel：用于取消未完成的請求；

(5)Bye：會話結(jié)束；

(6)0pions：用于詢問服務(wù)器的性能。

響應(yīng)消息按狀態(tài)行（起始行）中的狀態(tài)碼（3位），可分為：

(1)1XX：暫時響應(yīng)；

(2)2XX：成功響應(yīng)；

(3)3XX：重定向響應(yīng)；

(4)4XX：客戶端出錯；

(5)5XX：服務(wù)器出錯；

(6)6XX：全局故障。

SIP協(xié)議支持3種呼叫方式：用戶代理客戶機（UAC）向?qū)Ψ接脩舸�理服�?wù)器（UAS）直接呼叫；由代理服務(wù)器代表用戶代理向客戶服務(wù)器發(fā)起代理呼叫（圖1）；由用戶代理客戶機在重定向服務(wù)器的輔助下進行重定向呼叫（圖2）。呼叫方式2需要代理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)用戶的呼叫信令，因而加大了信息處理量。為了有效地將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的壓力推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，呼叫信令3只指明目的地的方向，不保留每一呼叫狀態(tài)，從而為組建大規(guī)模的IP網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

2、 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文給出的符合SIP協(xié)議規(guī)范的IP電話系統(tǒng)設(shè)計方案，采用客戶機－服務(wù)器模式，主要由基于USB接口的IP電話終端設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)終端(內(nèi)含SIP用戶代理)、局域網(wǎng)（或Internet網(wǎng)絡(luò)）、SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。整個系統(tǒng)布局分為若干域，每個子公司或部門為一個域，每個域內(nèi)有多個終端用戶，并由一服務(wù)器管理控制。

2.1 系統(tǒng)基本工作流程

（1）用戶注冊

用戶開機上線后，通過用戶代理客戶機自動向其所在域的服務(wù)器端發(fā)送注冊信息；該服務(wù)器的SIP注冊服務(wù)模塊接收注冊信息后，要先對客戶端進行身份驗證，確認(rèn)其合法后再對該用戶的狀態(tài)信息、IP地址信息等進行更新。

（2）會話建立

在本系統(tǒng)設(shè)計方案中采用代理呼叫和重定向呼叫相結(jié)合的方式進行會話建立。即同一域內(nèi)客戶之間采用代理呼叫方式，域之間采用重定向呼叫方式。

假設(shè)1域的用戶A準(zhǔn)備要與用戶B建立一次通話時，A首先通過其用戶代理客戶機將呼叫請求傳至其所在域的代理服務(wù)器1，服務(wù)器1首先判斷B是否也屬于該服務(wù)器所管理的域。

①

如果B和A同屬1域，則通過該域服務(wù)器進一步查找B的有關(guān)信息，進行精確定位，服務(wù)器1判定B是否為可接通狀態(tài)，如可以則將A的呼叫請求直接轉(zhuǎn)發(fā)給B，否則向A返回拒絕信息。

②

如果B不在1域，而在其它域（如2域），則代理服務(wù)器1將請求信息轉(zhuǎn)發(fā)至2域的重定向服務(wù)器2，重定向服務(wù)器2對B進行精確定位，并判定B是否為可接通狀態(tài)，如可接通則將B的精確地址信息傳送給代理服務(wù)器1，代理服務(wù)器1將A的呼叫請求傳送給B；否則向代理服務(wù)器1返回不可接通信息，代理服務(wù)器1再向A返回拒絕信息。

（3）通話過程

如果A和B之間的通信鏈路建立成功，則他們之間直接進行通信直至?xí)�話結(jié)束，通話結(jié)束時向代理服務(wù)器發(fā)送會話結(jié)束請求。

2.2 服務(wù)器端設(shè)計

本系統(tǒng)中每個域都由一服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和控制，其相當(dāng)于該域中的智能集線器，即網(wǎng)守（Gatekeeper）。每個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要分四個功能模塊：代理服務(wù)模塊、重定向模塊、注冊服務(wù)模塊和增值業(yè)務(wù)模塊。

(1) SIP代理服務(wù)模塊(SIP proxy)

SIP代理服務(wù)模塊接收到UAC呼叫請求后，通過對呼叫ID的解析確定被叫方所在域，然后將請求轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳服務(wù)器或UAS。

(2) SIP重定向服務(wù)模塊(SIP redirect module)

SIP重定向模塊收到請求，完成地址解析，將被叫方的地址信息返回給呼叫方，讓呼叫方直接向下一跳發(fā)送請求。

(3) SIP注冊服務(wù)模塊(SIP register module)

SIP注冊服務(wù)模塊用于為新用戶分配ID號，以及用戶登陸注冊后地址等信息的更新，同時提供定位服務(wù)。

(4)SIP增值業(yè)務(wù)模塊（SIP value-added module）

由于服務(wù)器端除具備SIP協(xié)議中網(wǎng)守的功能外，還負(fù)責(zé)管理IP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。它利用IP系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供的所有會話詳細(xì)記錄、客戶注冊信息等開放的接口，為用戶提供多種SIP增值業(yè)務(wù)服務(wù)，諸如計費管理、話單查詢、用戶留言、來電過濾以及跟蹤呼叫等。

系統(tǒng)的運行、使用以及增值業(yè)務(wù)等功能模塊基本是以客戶注冊和會話詳細(xì)記錄等表為中心進行的。此外還有許多其它重要數(shù)據(jù)表，如用戶IP地址表，用戶費用表、級別權(quán)限表、業(yè)務(wù)表等。

2.3 客戶端設(shè)計

客戶端主要分兩個模塊：用戶代理模塊和語音模塊。

（1）SIP用戶代理模塊（UA）又分為用戶代理客戶機(UAC)模塊和用戶代理服務(wù)器（UAS）模塊。其中UAC向其它客戶或服務(wù)器發(fā)起呼叫，UAS負(fù)責(zé)響應(yīng)其它客戶或服務(wù)器的呼叫。

（2）語音模塊包括音頻數(shù)據(jù)的采集/播放、A/D轉(zhuǎn)換、編/解碼、收/發(fā)等子模塊。其中數(shù)據(jù)采集/播放和A/D互轉(zhuǎn)模塊由數(shù)字電話機終端設(shè)備實現(xiàn)。本系統(tǒng)的終端設(shè)備為一特別設(shè)計的一款基于USB接口的數(shù)字電話機。它采用以MCU為控制中心的體系結(jié)構(gòu)，具有撥號、語音采集播放和A/D互轉(zhuǎn)等功能。其中語音采樣速率為8kHz，樣本精度為8bit。

數(shù)據(jù)編/解碼模塊、收/發(fā)模塊都由客戶端上層應(yīng)用軟件實現(xiàn)。這樣不僅可以減小下位機的負(fù)載，降低設(shè)備成本，并且可以在不需改變系統(tǒng)硬件設(shè)備的條件下，完成整個IP電話系統(tǒng)的配置更改或系統(tǒng)擴展。

在選擇話音編碼方式時，綜合考慮帶寬、編碼遲延、應(yīng)用需求等因素采用CCITT推薦的G.723編碼技術(shù)。

2.4 系統(tǒng)協(xié)議結(jié)構(gòu)

由于SIP不是垂直通信系統(tǒng)，不能獨立提供業(yè)務(wù)，它必須與其他協(xié)議共同使用來建立一個完整的多媒體體系結(jié)構(gòu)。本設(shè)計方案采用的協(xié)議結(jié)構(gòu)如下：

在應(yīng)用層，SIP協(xié)議主要用于會話建立、管理和性能協(xié)商等，由于SIP協(xié)議本身提供了可靠的確認(rèn)機制，故在傳輸層選用UDP協(xié)議來支持信令的傳輸。

實時流協(xié)議（RTSP）用于控制“一點到多點”的多媒體數(shù)據(jù)流。

為了保證較高的系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量QoS，系統(tǒng)采用了資源預(yù)留協(xié)議(RSVP)

和實時傳輸控制協(xié)議（RTCP）。前者規(guī)定了IP網(wǎng)絡(luò)的資源保護技術(shù)，可將資源預(yù)留給一個（或多個）給定的會話，并且該會話優(yōu)先于任何試圖參與雙方之間的其它媒介交換；后者用來檢測并潛在地解決發(fā)送問題，從而監(jiān)控會話質(zhì)量和檢測網(wǎng)絡(luò)問題達到對QoS的監(jiān)控。

實時傳輸協(xié)議（RTP）用于完成端到端的話音數(shù)據(jù)的實時傳輸業(yè)務(wù)。由于基于SIP協(xié)議的IP電話系統(tǒng)得到了端到端的QoS支持后，使用UDP協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，可以避免在超時連接時導(dǎo)致呼叫建立時延的增加。因此本方案在傳輸層選用UDP來傳送語音信息。這里可以將RTP看作是在UDP協(xié)議上運行應(yīng)用服務(wù)，構(gòu)成支持實時數(shù)據(jù)傳遞所需的傳輸功能的不同部分。在RTP報頭中包含有效負(fù)載格式、序列號、時間戳以及傳送監(jiān)視等信息。由于RTP數(shù)據(jù)單元是用UDP分組來承載,為了盡量減少時延,話音凈荷通常都很短。IP、UDP和RTP報頭都按最小長度計算。在此方式中將多路話音插入話音數(shù)據(jù)段中,有助于提高傳輸效率。

2.5 系統(tǒng)安全機制

本設(shè)計方案重點對服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)語音數(shù)據(jù)傳輸兩個環(huán)節(jié)的安全問題做了考慮。它通過代理更新機制、身份鑒定和授權(quán)機制可有效提高服務(wù)器端的數(shù)據(jù)安全性。系統(tǒng)嚴(yán)格限定UA對服務(wù)器的操作指令權(quán)限，并對用戶身份鑒定，給不同的用戶以不同的權(quán)限。

根據(jù)需要，本系統(tǒng)可以對會話參與者之間傳送的語音數(shù)據(jù)進行加密。在客戶終端的語音發(fā)送和接受模塊嵌入數(shù)據(jù)加密算法，這樣即使數(shù)據(jù)被截獲，也能有效避免泄密。

3、 小結(jié)

本文提出的基于SIP協(xié)議的IP電話系統(tǒng)設(shè)計具有投資小、成本低、方便實用，可靠性強、安全性好等優(yōu)點。該系統(tǒng)建立在通用的計算機網(wǎng)絡(luò)上，可在局域網(wǎng)或Internet上使用，對用戶無特殊要求；另外還可擴展成融文本、視頻會議于一體的網(wǎng)絡(luò)交互式多媒體系統(tǒng)；由于終端較多地借助了PC資源，所以系統(tǒng)具備了較高的智能性；系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，管理模塊集中化，不僅降低了成本，而且更便于系統(tǒng)的操作和維護。由于該系統(tǒng)秉承了TCP／UDP協(xié)議族的簡單性，絕大多數(shù)功能通過軟件實現(xiàn)，進行簡單的改進，即可以滿足不同的應(yīng)用和需要。

作者：sanandi 來源：賽迪網(wǎng)技術(shù)社區(qū)