一種基于Go 語(yǔ)言的SIP 協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧楊凡

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

會(huì)話初始協(xié)議（Session Initialization Protocol，SIP）是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（Internet Engineering Task Force，IETF）制定的多媒體通信協(xié)議，具有結(jié)構(gòu)靈活、易于實(shí)現(xiàn)、便于擴(kuò)展等特點(diǎn)[1]。利用SIP 協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)用戶定位，檢查終端用戶的位置，用于通信。此外，還可以檢查用戶參與會(huì)話的意愿程度，在呼叫方和被叫方同時(shí)建立會(huì)話參數(shù)，實(shí)現(xiàn)會(huì)話管理，包括會(huì)話的傳輸和終止、修改會(huì)話參數(shù)以及請(qǐng)求服務(wù)。

目前主流的開(kāi)源SIP 協(xié)議棧均采用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，隨著版本不斷迭代，其功能越來(lái)越強(qiáng)大，同時(shí)也存在一定不便之處，如功能、結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，初學(xué)者的學(xué)習(xí)成本增加。同時(shí)，由于C 語(yǔ)言在各平臺(tái)版本庫(kù)之間存在差別，針對(duì)每個(gè)平臺(tái)需要進(jìn)行獨(dú)立的交叉編譯。文章基于Go 語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可以快速部署實(shí)現(xiàn)的SIP協(xié)議棧，由于采用原生Go語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不采用任何C 語(yǔ)言的庫(kù)，跨平臺(tái)部署時(shí)僅需修改幾行配置文件即可，無(wú)須安裝各種編譯器和庫(kù)文件。

1 SIP 協(xié)議

1.1 SIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

SIP 是一種應(yīng)用層協(xié)議，它獨(dú)立于傳輸層和物理層，可以通過(guò)不同的傳輸協(xié)議進(jìn)行傳輸，如用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）、傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）以及安全傳輸層（Transport Layer Security，TLS）協(xié)議。其中，UDP 是目前最常用的協(xié)議。

SIP 協(xié)議采用松耦合的分層關(guān)系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 SIP 協(xié)議棧層級(jí)結(jié)構(gòu)

SIP 協(xié)議棧最底層是語(yǔ)法編碼層，該層的編碼方式是增強(qiáng)型的巴克斯范式（Augmented Backus-Naur Form，ABNF）。第2 層是傳輸層，它定義了客戶端與服務(wù)端之間的請(qǐng)求與響應(yīng)。第3 層是事務(wù)層，主要完成會(huì)話事務(wù)的管理。事務(wù)層采用有限狀態(tài)機(jī)機(jī)制，包括客戶端事務(wù)和服務(wù)端事務(wù)，一個(gè)事務(wù)由客戶端事務(wù)發(fā)送給服務(wù)端事務(wù)的請(qǐng)求和服務(wù)端事務(wù)發(fā)送對(duì)應(yīng)該請(qǐng)求的響應(yīng)組成。SIP 協(xié)議棧的最上層是事務(wù)用戶層，除了無(wú)狀態(tài)的代理，每個(gè)SIP 實(shí)體都是事務(wù)用戶。當(dāng)一個(gè)事務(wù)用戶希望發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，就創(chuàng)建一個(gè)客服端事務(wù)實(shí)例用于發(fā)送此請(qǐng)求。

1.2 SIP 消息

SIP 消息是基于文本的消息，采用UTF-8 字符集。SIP 將消息分為請(qǐng)求和響應(yīng)2 種類(lèi)型，請(qǐng)求消息和響應(yīng)消息都采用RFC2822 規(guī)定的通用消息格式，包括起始行、一個(gè)或多個(gè)消息頭、一個(gè)空行以及一個(gè)可選消息體。SIP 消息的起始行分為請(qǐng)求行（Request-Line）和狀態(tài)行（Status-Line）。其中，請(qǐng)求行是請(qǐng)求消息的起始行，狀態(tài)行是響應(yīng)消息的起始行。請(qǐng)求消息包含請(qǐng)求行、消息頭、空行以及消息體，響應(yīng)消息包括狀態(tài)行、消息頭、空行以及消息體。RFC3261 規(guī)定的6 種請(qǐng)求消息如表1 所示。

表1 SIP 請(qǐng)求消息

SIP 響應(yīng)消息的第一行由狀態(tài)碼構(gòu)成，表示服務(wù)端的響應(yīng)狀態(tài)。RFC3261 規(guī)定了nXX（n從1 到6）的狀態(tài)碼定義，XX 用于對(duì)響應(yīng)狀態(tài)的進(jìn)一步描述。相關(guān)的響應(yīng)狀態(tài)編碼及其含義如表2 所示。

表2 SIP 響應(yīng)消息類(lèi)型

2 協(xié)議棧模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)對(duì)SIP 層級(jí)結(jié)構(gòu)和消息結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合工程實(shí)際需求，按照邏輯功能將SIP 協(xié)議棧分為不同的模塊，如圖2 所示。

圖2 SIP 協(xié)議棧模塊劃分

2.1 傳輸模塊

傳輸模塊邏輯上處于SIP 協(xié)議棧的最底層，主要實(shí)現(xiàn)信令傳輸和媒體傳輸。傳輸模塊能夠收發(fā)SIP信令和實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議（Real Time Transport Protocol，RTP）流媒體數(shù)據(jù)，保證SIP 消息的完整性和正確的消息順序，根據(jù)消息類(lèi)型進(jìn)行分發(fā)及錯(cuò)誤處理[2]。

傳輸模塊將編解碼模塊組包后的有效請(qǐng)求載荷通過(guò)特定端口進(jìn)行發(fā)送，并接收相應(yīng)的響應(yīng)消息，提取有效載荷后交由編解碼模塊進(jìn)行解析。SIP 消息的傳輸流程如圖3 所示。

圖3 消息傳輸流程

SIP 可以采用UDP、TCP 以及TLS 等傳輸協(xié)議作為傳輸承載。文章設(shè)計(jì)的SIP 協(xié)議棧采用UDP 作為傳輸協(xié)議，Go 語(yǔ)言原生提供net 包實(shí)現(xiàn)UDP 通信。以主叫方為例，上層用戶接口調(diào)用模塊發(fā)起一次呼叫時(shí)，即客戶端向服務(wù)端發(fā)送“Invite”消息前，程序使用net 包下的Dial 函數(shù)發(fā)起與SIP 服務(wù)端的連接，收到連接響應(yīng)后，調(diào)用net 包中的“Listen Packet”創(chuàng)建一個(gè)UDP 服務(wù)，并提取返回結(jié)果中的UDP 服務(wù)端口值，將其作為Invite 消息中“media.port”參數(shù)的值，然后通過(guò)建立的UDP 通道發(fā)送該消息。服務(wù)端用于RTP 傳輸?shù)腢DP 服務(wù)端口的創(chuàng)建與之類(lèi)似。UDP 傳輸建立的相關(guān)流程如圖4 所示。

圖4 UDP 傳輸?shù)湫土鞒?/p>

圖4 中，①和②分別是SIP 協(xié)議棧作為客戶端與服務(wù)端進(jìn)行RTP 傳輸協(xié)商并分配端口等待被叫端接聽(tīng)后進(jìn)行RTP 流媒體傳輸?shù)倪^(guò)程。

2.2 編解碼模擬

編解碼模塊提供針對(duì)SIP消息的解析與編碼能力。SIP 協(xié)議類(lèi)似于超文本傳輸協(xié)議（Hypertext Transfer Protocol，HTTP）協(xié)議，都是按行解析。SIP 消息的第一行標(biāo)識(shí)該消息的類(lèi)型、消息目的地及協(xié)議版本。從第二行開(kāi)始，每一行的格式為“字段名：空格 字段值”（冒號(hào)后固定有一個(gè)或多個(gè)空格）[3]。

根據(jù)以上分析，為了驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套多級(jí)流水線的文本消息處理流程。第1 級(jí)以空行為分割符，將消息分割為消息頭（Message Header）和消息體（Message Body）。第2 級(jí)解析消息頭與消息體中的回車(chē)換行符，以此標(biāo)志作為分割符，將消息分割為多條字段。第3 級(jí)以“：”作為分割符，獲取字段名稱(chēng)。第4 級(jí)以“：”“@”等標(biāo)志作為分割符，過(guò)濾出字段的參數(shù)值。4 級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的解碼模型如圖5 所示。

圖5 4 級(jí)流水線結(jié)構(gòu)的解碼模型

針對(duì)SIP（包含SDP 和RTP）的編碼可以看作解析的逆向過(guò)程，編碼模塊根據(jù)接收消息的內(nèi)容，結(jié)合當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，按照SIP 消息的標(biāo)準(zhǔn)生成消息頭和消息體，組合成相應(yīng)的載荷。文章設(shè)計(jì)的協(xié)議棧支持INVITE、BYE、RING 以及ACK 等多種消息的生成和解析，其消息編解碼模塊根據(jù)消息頭判斷消息類(lèi)型，同時(shí)采用多級(jí)流水的模式進(jìn)行解析。

實(shí)現(xiàn)上述編解碼時(shí)，接收消息為16 進(jìn)制的數(shù)組，此時(shí)使用Go 語(yǔ)言原生包“bytes”中的“splite”函數(shù)，利用“0x0d，0x0a”作為分割關(guān)鍵數(shù)組，將收到的消息進(jìn)行分割，分割后的消息為一段包含關(guān)鍵字的字符串。此外，分割后第一段為消息類(lèi)型或“Status Line”的值。獲取到接收消息的類(lèi)型后，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)對(duì)相關(guān)消息進(jìn)行解析，獲取消息中“Call-ID”“From”“To”等關(guān)鍵參數(shù)的值進(jìn)行處理存儲(chǔ)。

消息編碼利用SIP 協(xié)議文本性質(zhì)的特點(diǎn)，采用關(guān)鍵字填充模式進(jìn)行消息組包，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵字的填充來(lái)生成消息載荷。SIP 消息組包的典型編程實(shí)現(xiàn)如圖6所示。

圖6 SIP 消息組包的編碼實(shí)現(xiàn)

2.3 數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)處理模塊接收編解碼模塊解析的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行處理，以供編解碼模塊生成響應(yīng)消息時(shí)使用。數(shù)據(jù)處理器根據(jù)編解碼模塊解析出的消息類(lèi)型，調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)對(duì)對(duì)方支持的媒體格式和本協(xié)議棧支持的媒體格式進(jìn)行對(duì)比處理，選擇其中的交集作為對(duì)端通信的媒體格式。

SIP 消息通過(guò)文本形式進(jìn)行信息交互，收發(fā)雙方每次交付都會(huì)產(chǎn)生大量參數(shù)，其中大部分參數(shù)在整個(gè)會(huì)話過(guò)程中都要使用。在支持多線程的情況下，相關(guān)參數(shù)的存儲(chǔ)量大幅增加，這就要求協(xié)議棧能夠?qū)崟r(shí)創(chuàng)建一個(gè)存儲(chǔ)空間來(lái)存儲(chǔ)上述數(shù)據(jù)，同時(shí)相關(guān)函數(shù)可以方便地對(duì)其訪問(wèn)[4]。

結(jié)合Go 語(yǔ)言的特點(diǎn)，會(huì)話中的數(shù)據(jù)采用結(jié)構(gòu)體的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)HashMap 的形式，采用一次會(huì)話中的唯一值“Call-ID”作為鍵值進(jìn)行檢索。會(huì)話開(kāi)始時(shí)創(chuàng)建一條索引關(guān)系，會(huì)話結(jié)束或者會(huì)話中止時(shí)則刪除。中間可采用指針形式對(duì)索引中的值進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊除了存儲(chǔ)一次會(huì)話中的SIP 參數(shù)信息，還存儲(chǔ)一次SIP 會(huì)話中的會(huì)話狀態(tài)信息。狀態(tài)信息采用SIP 消息中的“Status Code”作為主要參數(shù)，同時(shí)加入部分自定義狀態(tài)。例如，協(xié)議棧作為客服端發(fā)送INVITE 消息后，則將狀態(tài)設(shè)置為“Wait-100”，同時(shí)設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，開(kāi)始等待“100 Trying”（INVITE消息的響應(yīng)消息）。

數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)采用HashMap 的形式實(shí)現(xiàn)，Go 語(yǔ)言提供了“sync.map”庫(kù)用作并發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)效率高且線程安全的map。map 采用“Call ID”作為鍵值，索引內(nèi)容以結(jié)構(gòu)體的形式存在。存儲(chǔ)呼叫信息的結(jié)構(gòu)體如圖7 所示。

圖7 存儲(chǔ)呼叫信息的結(jié)構(gòu)體

存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體采用值類(lèi)型的形式進(jìn)行更新，每收到一條消息，就執(zhí)行一次判斷。如果當(dāng)前消息不是“BYE”，就提取“Call-ID”值，并同步更新上述的“sync.map”列表；如果收到的消息為“BYE”消息，就形成相應(yīng)的log，并刪除當(dāng)前消息“Call-ID”對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體。

2.4 有限狀態(tài)機(jī)

有限狀態(tài)機(jī)是整個(gè)協(xié)議棧的控制核心，該模塊提供對(duì)協(xié)議棧運(yùn)行的總體調(diào)度能力[5]。該模塊通過(guò)存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的“Status”作為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的狀態(tài)值，通過(guò)一次會(huì)話中的唯一鍵值“Call ID”作為索引，獲取每次消息的“Status Code”或關(guān)鍵字（如BYE、ACK 等）作為狀態(tài)變換的更新。典型的有限狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 有限狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)

有限狀態(tài)機(jī)的初始狀態(tài)為WAITING，若無(wú)主叫請(qǐng)求或收到被叫請(qǐng)求，則保持此狀態(tài)。此時(shí)根據(jù)主動(dòng)發(fā)出會(huì)話請(qǐng)求和收到會(huì)話請(qǐng)求，狀態(tài)機(jī)會(huì)有2 種狀態(tài)走向。

若由SIP 協(xié)議棧發(fā)起會(huì)話，則狀態(tài)機(jī)由WAITING轉(zhuǎn)為INVITE，并開(kāi)啟一個(gè)定時(shí)器。若在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到響應(yīng)消息，則重新跳轉(zhuǎn)至WAITING 狀態(tài)，并拋出一個(gè)異常記錄；若在一定時(shí)間內(nèi)收到“100 Trying”回復(fù)，則進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，等待被叫方回復(fù)“180 Ring”響應(yīng)消息；若收到“180 Ring”消息后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為RINGING 狀態(tài)并等待200 OK 消息，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)為ACK 狀態(tài)并向?qū)Χ税l(fā)送“ACK”響應(yīng)，同時(shí)打開(kāi)會(huì)話并啟動(dòng)RTP 多媒體傳輸；若收不到相應(yīng)的響應(yīng)，則重新轉(zhuǎn)到WAITING 狀態(tài)，重新等待會(huì)話開(kāi)始。

若協(xié)議棧收到會(huì)話請(qǐng)求時(shí)，狀態(tài)機(jī)由WAITING轉(zhuǎn)為RINGING。此時(shí)協(xié)議棧開(kāi)啟定時(shí)機(jī)制，等待用戶接收或中止該請(qǐng)求。若目標(biāo)用戶接受請(qǐng)求，則將狀態(tài)機(jī)置為OK 狀態(tài)，回復(fù)“200 OK”響應(yīng)，等待對(duì)方最終請(qǐng)求為ACK 后，狀態(tài)機(jī)由OK 狀態(tài)轉(zhuǎn)換為ACK，開(kāi)啟會(huì)話和RTP 媒體傳輸；若用戶放棄該請(qǐng)求，則將狀態(tài)重置為WAITING 狀態(tài)，等待新的呼叫。

終止會(huì)話時(shí)，請(qǐng)求方或響應(yīng)方發(fā)送BYE 請(qǐng)求，等待200 OK 消息，此時(shí)將狀態(tài)機(jī)由ACK 置為BYE狀態(tài)。當(dāng)一方接受BYE 請(qǐng)求后，狀態(tài)機(jī)重新復(fù)位到WAITING 狀態(tài)，同時(shí)發(fā)送200 OK 響應(yīng)并釋放會(huì)話，此時(shí)一個(gè)會(huì)話結(jié)束。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用端到端的形式模擬一次SIP 呼叫與語(yǔ)音通話過(guò)程，利用虛擬機(jī)搭建服務(wù)端與客戶端。服務(wù)端系統(tǒng)采用Linphone，客戶端采用文章設(shè)計(jì)的協(xié)議棧系統(tǒng)，讀取已經(jīng)生成的WAV 文件作為傳輸話音。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易部署結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)易部署結(jié)構(gòu)

圖9 中，主叫端為基于SIP 協(xié)議棧開(kāi)發(fā)的SIP 客戶端軟件，其IP 地址為“192.168.46.147”，分配的主叫號(hào)碼為“22222222222”；被叫端采用Linphone軟件，其IP 地址為“192.168.46.142”，分配的被叫號(hào)碼為“11111111111”。實(shí)驗(yàn)中SIP 信令抓包結(jié)果如圖10 所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)中SIP 信令抓包結(jié)果

由圖10 可知，基于SIP 協(xié)議棧開(kāi)發(fā)的SIP 客戶端成功發(fā)起并處理了一次呼叫的全部信令流程。本次呼叫中傳輸?shù)腞TP 數(shù)據(jù)流如圖11 所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)中傳輸?shù)腞TP 數(shù)據(jù)流

4 結(jié) 論

文章基于Go 語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種輕型的SIP協(xié)議棧，在跨平臺(tái)部署時(shí)無(wú)須安裝各種編譯器和庫(kù)文件，應(yīng)用簡(jiǎn)單便捷。通過(guò)在目標(biāo)主機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該協(xié)議棧具備主動(dòng)發(fā)起呼叫并處理相關(guān)RTP 媒體流的能力，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。