陳志輝，王 俊，丁 銳，袁 靜

(中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

會話初始協議 SIP(Session Initiation Protocol)［1］是IETF提出的應用層會話控制協議，用于建立、修改和終結實時多媒體會話。具有可擴展性、靈活性、互操作性、可重用性、簡單高效等特點。SIP是下一代網絡NGN的核心協議，在互聯網以及固定、移動IP 網絡得到了成功應用［2－4］。

無線自組網(Wireless Ad hoc networks)不依賴固定基礎設施，具有無中心、自組織、多跳路由、動態拓撲等特點，網絡抗毀性和靈活性較強，尤其適合災難救助、偏遠地區、緊急突發、作戰戰場等場合，具有廣泛的用途和前景。

隨著無線自組網發展，其網絡IP化、無線傳輸帶寬增加、質量保障能力提高，使其具備了提供實時多媒體業務的能力，無線自組網提供實時多媒體業務成為重要的應用需求。SIP已經在互聯網、固定IP網絡、移動IP網絡(有固定基礎設施)得到了成功應用，在更靈活、有著廣泛用途的無線自組網中推廣應用成為SIP應用需求。兩個方面的需求，促使進行SIP協議(下一代網絡NGN提供多媒體業務的核心協議)應用到無線自組網的研究。IP是無線自組網和SIP結合的基本條件，無線傳輸帶寬增加、質量保障能力提高是結合的重要保障，提供實時多媒體業務是結合的目標。

無線自組網極易受到天氣、地形、電磁干擾、節點移動等方面的影響，導致有時網絡很不可靠，甚至網絡不可用。最初針對固定IP網絡設計的SIP協議，雖然在移動IP網絡應用中進行了許多改進。同時作為應用層協議，SIP也設計了較完整的可靠性機制，如應答確認機制、重傳機制、超時機制等，并支持低層不可靠傳輸，但仍然難以適應無線自組網的網絡不可用情況。SIP協議如何成功地延伸應用到無線自組網，提供多媒體業務支持，發揮其統一融合能力，簡化應用系統、增強終端智能，進一步促進無線自組網的靈活性、易部署性、易用性，成為當前急需的、重要的研究內容。

文中分析標準SIP協議在無線自組網中應用存在的問題，設計了新的可靠性機制、引用并運用已有的可靠性機制，形成完整的可靠性解決方案，提高了SIP協議在無線自組網中的適應性。

1 SIP協議可靠性機制

SIP主要的可靠性機制有:

(1)周期性重注冊機制

終端注冊主要是通知服務器終端當前的位置信息，服務器記錄、更新位置信息，確保終端位置信息的正確性。終端周期性重注冊，確保了終端位置信息的有效性，服務器可以根據注冊是否超時，判斷終端位置信息是否失效。

(2)請求應答

SIP中的所有請求消息都要求應答，使請求方可以確定接收方成功收到該請求。

(3)確認機制

對重要的應答消息，請求方發送 ACKPRACK［5］進行確認。如 INVITE請求的響應 200 OK，需要請求方使用ACK進行確認。如果請求方沒有進行確認，應答方重復發送響應。

(4)重傳機制

請求發送后，如果規定的時間內沒有收到響應消息，請求方會重發請求多次。

(5)超時機制

在重新發送請求或響應后，一直沒有得到正確的響應或確認，一定時間后，重發方終止會話。

(6)臨時可靠響應機制［6］

一般情況下，臨時響應都是不太重要的。但現在的很多臨時響應非常重要，如支持資源預留的183響應就非常重要，直接決定會話是否繼續建立。

2 無線自組網SIP協議可靠性問題

2.1 無線自組織網的可靠性

無線自組織網的可靠性比較低，通常在96%［7］左右，遠遠低于有線網絡的可靠性。特別是戰場等復雜電磁環境下，無線自組織網的可靠性將進一步降低，有時甚至達到不可用的程度。

2.2 SIP存在的問題

宏觀上SIP可以分成非會話、會話建立中、會話建立三個狀態。其中標準SIP在會話建立中、會話建立后兩個狀態的可靠性機制還不完善，在無線自組網等可靠性降低到一定較低程度時(不可用時)，存在如下問題:

(1)撥號后長時間無響應

主叫發出INVITE，收到100臨時響應后、收到180響應前發生網絡不可用。主叫將一直停留在Proceeding狀態，沒有超時處理機制。

(2)長時間單邊振鈴

在被叫收到INVITE發出180響應后、主叫收到180響應前發生網絡不可用。被叫將長時間單邊振鈴。

(3)振鈴后接續不成功

主叫收到180響應后，發生網絡不可用，主被叫繼續振鈴，被叫摘機后，會話不能建立成功。

(4)終端長時間無業務數據無提示

會話建立成功后通信期間，發生網絡不可用，主被叫長時間無業務數據后，且沒有任何提示。

(5)服務器資源泄漏

會話建立成功后，發生網絡不可用，主被叫在沒有收到業務數據后，可以在用戶的干預下結束會話，并釋放本地資源。但服務器不能收到任何結束會話的信令，將一直保留此會話申請的資源，造成資源泄漏。

3 SIP可靠性機制改進設計

3.1 SIP 問題分析

(1)撥號后長時間無響應

圖1是RFC3261中INVITE client transaction狀態圖。進入狀態Proceeding后，只有收到200以上的響應才能進入下一個狀態。如果沒有收到任何消息，將長時間停留在Proceeding狀態，缺少一個無任何響應超時進入下一個狀態的機制。

圖1 INVITE客戶端事務Fig.1 INVITE client transaction

(2)長時間單邊振鈴

標準SIP協議的振鈴指示消息180響應，沒有任何確認措施。被叫發送180響應后，開始振鈴，無法知道主叫方是否接收到180響應。這種機制上的缺陷導致主叫、被叫振鈴不同步情況。因此應當將180作為重要的臨時響應，進行確認，確保主被叫同步。

(3)振鈴后接續不成功

標準SIP采用單次發送180響應消息機制，被叫發出180響應后、主叫收到180響應后，雙方開始振鈴。如果振鈴期間發生網絡不可用的異常，主被叫無法感知異常，錯誤地繼續振鈴，導致用戶摘機時無法接通。因此，需要監控振鈴期間的網絡可用情況，一旦網絡不可用，振鈴將停止，避免振鈴正常卻不能接通的情況。

(4)終端長時間無業務數據無提示

通信過程中發生網絡不可用，終端收不到業務數據。由于缺少會話保持功能，將不能發現網絡不可用，無法給出提示。因此，在終端上需要增加會話保持機制。

會話保持是控制面的功能，其探測時間通常比較長(幾十秒級)，可以結合數據面業務數據的實時性，及時(幾十毫秒級)發現異常，并在控制面通過確認機制進行確認。

(5)服務器資源泄漏

服務器資源泄漏主要是服務器在會話建立、撤銷過程中，都是出于被動的位置，缺少主動監控措施，對會話的有效性進行鑒別，因此需要增加會話保持功能。

由于會話保持探測時間通常比較長，導致資源泄漏時間長，可以在資源緊缺的時候，啟動主動巡查機制，減少資源泄漏的時間。

3.2 SIP可靠性改進措施

針對標準SIP協議存在的問題和分析，設計了以下幾種改進措施:

(1)增加Proceeding超時機制

在RFC3261中INVITE client transaction狀態機(見圖1)的基礎上，新設計Proceeding狀態超時機制，如圖2中虛線所示。

圖2 新INVITE客戶端事務Fig.2 New INVITE client transaction

Proceeding狀態超時機制工作過程:①在收到100響應進入Proceeding狀態后，啟動超時定時器;②如果收到180響應，復位超時定時器，并使用振鈴提示用戶;③如果主叫在超時時間內沒有收到180響應，將超時退出Proceeding狀態，(如果已經振鈴，即收到過180響應，但在后續180響應沒有收到，就先停止振鈴)并使用語音提示用戶掛機。

建議超時時間是重復發送180響應間隔(見重復發送180機制)的倍數(如2倍)。重復發送180響應間隔建議值為2T1(T1是往返估計時延，缺省值是500 ms)，即Proceeding超時時間建議為4T1(缺省值是2 s)。

(2)對180臨時響應進行確認機制

將180作為重要的臨時響應，并對其采用可靠臨時響應機制，主叫在收到180機可靠性臨時響應指示時，應該使用PRACK進行確認。主叫收到180后進行振鈴，被叫在接收到PRACK后才振鈴。如果PRACK丟失，180響應將重傳。

(3)重復發送180機制

從振鈴到用戶摘機的時間相對比較長，幾秒到幾十秒，這段時間網絡的可用狀態可能發生變化。采用單次發送180響應提示已經不能適應，可以以一定間隔重復發送180(建議間隔使用2T1，缺省值是1 s)，主叫據此可判斷網絡是否正常，同時主叫對180響應進行確認(發送PRACK)，被叫可據此判斷網絡是否正常。

被叫停止發送和主叫停止檢測180響應:①被叫在用戶摘機后，發送200 OK響應，被叫停止發送180響應;②主叫在接收到被叫的200 OK響應后，停止檢測180響應;③如果被叫用戶一直沒有摘機的話，主叫可以用戶主動掛機或proceeding超時后，停止檢測180響應;④被叫在主叫掛機或INVITE事務超時后，停止發送180響應。

(4)選用Session Timer會話保持機制［4］

Session Timer會話保持機制是RFC4028定義的，標準建議有狀態工作模式時，使用Session Timer功能進行會話保持。基本原理是通過在UAC和UAS之間協商會話刷新的發起者和刷新周期。發起者使用re－INVITE或UPDATE進行刷新，接收者進行響應。如果長時間連續沒有刷新請求或響應，表明網絡出現異常，雙方可以終止會話，釋放資源。

在標準SIP協議中，會話保持機制是可選機制(只有在有狀態服務器使用該機制)。在無線自組網中，傳輸資源有限，資源管理是有效運行的基礎，會話保持機制將作為資源釋放最重要的監控觸發措施。建議將會話保持機制作為無線自組網SIP協議的必選機制。

(5)實時感知確認機制

Session Timer會話保持的周期通常不能太短，導致難以即時發現問題。在明確知道數據傳輸特征的情況下，如RTP數據包的間隔、靜音數據包的間隔等特征。可以借助實時RTP數據包接收情況，及時發現網絡異常，并啟動類似會話刷新的動作進行確認，解決Session Timer會話保持機制實時性差的缺陷。

(6)緊急巡查機制

可以在SIP服務器使用的資源緊缺到一定門限時，啟動緊急巡查機制(發送 UPDATE、re－INVITE)，對連續多次巡查沒有響應的會話，服務器主動終止，釋放資源。

3.3 測試驗證

將3.2節提出的可靠性機制實現后，分別部署在1臺SIP服務器和2臺終端上，連接到有線局域網上(由于這些機制的改進是針對網路不可用的，可以在有線網絡進行模擬)，其中SIP服務器、終端設計成可以手動控制部分消息的發送、轉發，以便準確配合模擬網路斷開等操作。設置Proceeding超時時間為2 s(4T1，其中T1使用缺省值500 ms)，180重復發送時間間隔是1 s(2T1)。Session Timer超時時間1 800 s，采用終端發起刷新方式。

緊急巡查采用動態參數，根據資源占用率的不同采用不同的參數，原則上是資源使用率越高時，巡查時間越短，最短可達500 ms(T1)。在無線自組織網絡環境進行了初步的測試和驗證，改進前后試驗結果如表1所示。

表1 測試結果Table 1 Test result

測試結果表明，提出的可靠性改進機制解決了會話建立、會話過程中，網絡不可用引起的主叫撥號后長時間無響應、長時間單邊振鈴、振鈴后接續不成功、服務器資源泄漏等問題，能正確發現異常，進行相應的處理并提示用戶。但發現問題的及時性較差，借助實時感知確認機制，終端可以及時發現異常并處理。在呼叫保持能力的測試過程中，由于網絡不可用將引起資源不能正常釋放，只能通過Session Timer超時釋放，及時性很差，大大降低了呼叫保持能力。通過緊急巡查機制，可以確保呼叫資源出現緊缺時，及時確認會話有效性，并釋放無效會話的資源，確保呼叫保持能力。

總的說來，改進后的SIP可靠性機制，將異常發現和處理控制在秒級，并及時給用戶正確的提示，大大提升了用戶的體驗。

4 結語

文中針對標準SIP協議在無線自組網不可用時引起的問題進行了總結和分析，設計了新的可靠性機制，擴展了原SIP協議中可靠性機制的應用范圍，形成了無線組網下SIP協議較完整的可靠性機制。并經過初步測試驗證，改進后的SIP協議能較好的適應無線自組網網絡可靠性差、甚至不可用等情況。基本達到了將SIP協議延伸應用到無線自組網，在無線自組網中提供多媒體業務的預期目標。

受無線自組網具體特性、用戶體驗要求、帶寬占用、閃斷干擾等因素影響，各種可靠性機制的參數值的確定方法比較復雜，它們相互制約，難以統一。可靠性機制參數值的確定優化有待進行深入研究完善。

［1］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H，CAMARILLO G，et al.RFC3261 － 2002，SIP:Session Initiation Protocol［S］.［s.l.］:IETF，2005.

［2］黃育平，黃威.SIP協議在軟交換中應用的研究［J］.通信技術，2012，45(07):45 －47.HUANG Yu －ping，HUANG Wei.Study on Applications of SIP Protocol in Soft Exchange［J］.Communications Technology，2012，45(07):45 －47.

［3］汪陳伍，李廣華.HSIP:下一代無線網絡理想的選擇［J］.2009，42(07):218 －219，228.WANG Chen－wu，LI Guang－hua.HSIP:Ideal Choice for Next－ Generation Wireless Network［J］.2009，42(07):218 －219，228.

［4］孫旭輝，龍昭華，蔣貴全.基于SIP的VoWLAN的移動性研究［J］.2009，42(04):178 －179，182.SUN Xu－hui，LONG Zhao－hua，JIANG Gui－quan.Mobility of VoWLAN based on SIP［J］.2009，42(04):178 －179，182.

［5］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H.RFC3262 － 2002，Reliability of Provisional Responses in Session Initiation Protocol(SIP)［S］.［s.l.］:IETF，2002.

［6］DONOVAN S，ROSENBERG J.RFC4028 －2005，Session Timers in the Session Initiation Protocol(SIP)［S］.［s.l.］:IETF，2005.

［7］馬睿，朱建沖，楊美玲.基于抗毀性的軍事通信網可靠性和節點重要性分析［J］.兵工自動化，2012，31(10):44－47.MA Rui，ZHU Jian － chong，YANG Meiling.Analysis on Reliability and Nodal Importance of Military Communication Network based on Invulnerability［J］.Ordnance Industry Automation，2012，31(10):44 －47.