IMS網絡的SIP協議棧研究

【摘要】首先介紹了IMS網絡的體系結構及SIP協議，然后針對有限狀態機提出了一種基于IMS網絡的SIP信令協議棧，從而有效完成多媒體通信。

【關鍵詞】IMS網絡SIP協議多媒體通信

一、引言

隨著通信技術的發展及人們對通信要求的提高，當今的通信業務集音頻、數據信息、視頻于一體。同時，Internet及IP網絡的發展也為各種通信業務提供了基礎。

SIP是IETF指定的用于實現多媒體回話控制的協議，該協議具有實現簡單、擴展性強的特點，并且具有強大的多媒體會話和業務擴展能力以及用戶查找和定位能力。由于SIP可以和現有的Internet協議緊密聯系，從而獲得了廣泛應用，并且SIP已被3GPP組織作為R5/R6多媒體子系統（IMS）的呼叫控制協議。本文將對IMS網絡和SIP協議進行介紹，并提出一種基于IMS網絡的SIP信令協議棧。

二、IMS網絡結構及SIP協議

IMS是3GPP在R5版本中提出的支持IP多媒體業務的子系統。IMS以SIP為核心呼叫控制協議，為移動終端提供多媒體呼叫控制業務，具有應用服務器層、會話控制層、傳輸與終端層三層結構，包括CSCF、HSS、MGCF和MGW等實體。

IMS中最重要的實體是CSCF和HSS，CSCF負責處理多媒體會話業務，相當于SIP服務器，包括代理CSCF（P-CSCF）、查詢CSCF（I-CSCF）和服務CSCF（S-CSCF）。HSS（歸屬用戶服務器）是IMS中所有與用戶和服務相關的數據主存儲器，存儲了用戶身份、注冊信息、接入參數和服務觸發信息等。

SIP是IETF制定基于ASCII碼的面向IP電話和多媒體會議的應用層控制協議，用于建立、修改和終止多媒體會話，使參與會話的成員可以通過多播方式、單播連網或二者結合的方式進行通信。

典型SIP協議中有客戶機和服務器之分，客戶機是為了向服務器發送請求而與服務器建立連接的應用程序，User Agent和Proxy中含有客戶機；服務器是用來向來自客戶機的請求提供服務并處理應答的應用程序。SIP協議具有四層結構，最底層是語法和編碼層，第二層是傳輸層，第三層是事物層，最頂層是事物用戶層（TU層）。

三、基于IMS網絡的SIP信令協議棧

在SIP協議中，用戶代理客戶端通過向代理服務器發送在網絡中的路由請求即可以建立起一個會話過程。因為注冊服務器需要提供用戶代理的位置信息，所以需要將SIP地址映射轉換為IP地址。IMS中的呼叫會話控制功能（CSCF）的網絡實體是代理服務器和注冊服務器，CSCF即是控制實現實時多媒體業務的多媒體服務器。IMS包括三種呼叫會話控制功能：代理CSCF（P-CSCF）、問訊CSCF（I-CSCF）、服務CSCF（S-CSCF）。CSCF通過SIP協議來實現上述控制控制功能，其中P-CSCF為移動用戶接入IMS提供的SIP代理服務器，I-CSCF是運營網絡的入口代理服務器，同時可以對其它網絡隱藏其歸屬網絡的拓撲圖，S-CSCF是SIP的注冊服務器，執行用戶的會話控制服務。因此，IMS網絡可以在CSCF的基礎上利用SIP協議經過注冊過程和會話過程來實現多媒體通信的目的。

本節通過引入有限狀態機進行修改和二次開發，實現了一個穩定高效的SIP協議棧，通過提供SIP操作的基本數據結構和應用程序編程接口（API），如用于表示SIP中各類對象的數據結構、對消息和消息體進行解析的API以及實現四類有限狀態機的API。該協議棧主要包括4個模塊：狀態機模塊、解析器模塊、工具模塊、上層封裝接口模塊，其結構圖如圖1所示。

3.2解析器模塊

解析器模塊主要完成對SIP消息的語法解析，它的作用是將收到的SIP消息從文本解析為SIP消息結構體（sip_t），處理完后將待發送的sip_t結構還原成SIP文本消息后在發送。SIP消息的解析過程為：對收到的消息解析起始行，若是SIP請求則解析SIP請求方法、請求URI和SIP版本，若非SIP請求則解析SIP版本、狀態碼和原因短語；然后依次進行解析SIP頭域、解析SIP消息體并保存各項參數完成解析過程。

3.3工具模塊

工具模塊主要提供完善的SDP協商機制和對話管理的API。本協議棧中的SDP協商工具使用從SDP offer去構建SDP answer的方法，通過分析invit請求中消息體SDP部分的媒體參數描述來構造對于invit請求的響應消息中的SDP消息部分。在對話中，可以動態創建新的事務來開始端點之間的SIP通信過程，幫助管理UA的消息排序和UA之間正確的路由。本協議棧的對話管理工具主要是創建對話并對對話消息進行管理。

3.4上層封裝接口模塊

上層封裝接口模塊根據MVC模式中的Model層的調用方式提供面向Model層的簡便易用的操作協議棧接口。上層封裝接口模塊在eXosip封裝SIP協議調用接口的基礎上進一步封裝，供Model層調用，從而使用簡單的幾行代碼就可以實現一個音視頻的呼叫。

四、結束語

SIP協議可以創建、管理和終結IMS網絡中各種類型的多媒體業務，從而使各種類型的客戶端通過SIP都可以建立高質量的端到端通信。本文提出一種SIP協議棧，實現了SIP軟終端，可以在IMS網絡下實現具備基于SIP的視頻和音頻通信功能。

參考文獻

[1]孫建勇.基于SIP協議的軟終端的研究與實現[D].北京郵電大學，2004.

[2]陳朝鵬. SIP協議在IMS系統中的應用[J].中國科技信息，2006（2）.

[3]徐曉宇，張惠民. SIP會話協議在第三代移動網絡中關鍵問題研究[J].數據通信，2004（2）.

[4]季光獻.一種新的面向IMS網絡的SIP協議棧[J].電信科學，2012（4）.

[5]石蕊，劉永莉. SIP協議及其在IMS中的應用探討[J].信息通信，2008（1）.