IMS對SIP協(xié)議的要求及應(yīng)用

摘要　IP多媒體核心子系統(tǒng)(IMS)近年來日益成為比較受認同的固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)融合的理想方案，而會話發(fā)起協(xié)議(SIP)是IMS的基本控制協(xié)議，它自身的特點使得它在固網(wǎng)和移動網(wǎng)絡(luò)向下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN)邁進的過程中發(fā)揮日益突出的重要作用。文章就SIP在IMS中的基本應(yīng)用、擴展應(yīng)用做了具體的分析，并通過IMS中SIP信令典型流程闡述了SIP在IMS中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞　IP多媒體核心子系統(tǒng)　會話發(fā)起協(xié)議　下一代網(wǎng)絡(luò)　第三代移動通信合作伙伴項目

1、IMS和SIP協(xié)議簡單介紹

　　IP多媒體核心子系統(tǒng)(IMS)是第三代移動通信合作伙伴項目(3GPP)提出的支持IP多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，它的顯著特點是采用了會話發(fā)起協(xié)議(SIP)，通信與接入方式無關(guān)，可以提供多種媒體業(yè)務(wù)，控制功能與承載能力分離、呼叫與會話分離、應(yīng)用與服務(wù)分離、業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)分離、移動網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)融合。IMS順應(yīng)了通信網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的趨勢。

　　SIP是基于因特網(wǎng)兩個最成功的服務(wù)Web和E-mail進行設(shè)計的。借鑒了Internet的標準和協(xié)議設(shè)計思想，堅持簡潔、開放和可擴展、可重用性的原則，為組建多媒體通信網(wǎng)絡(luò)、提供多媒體業(yè)務(wù)提供了一種可以將簡單的應(yīng)用結(jié)合到復(fù)雜的服務(wù)中去的方法。SIP通過一種便捷的方式來建立和控制各種類型的點到點媒體會話。和Internet協(xié)議類似，它采用的是一種模塊化結(jié)構(gòu)，請求/應(yīng)答模式，基于文本方式，因此使用非常簡單靈活，升級、擴展方便。SIP由SIP基本協(xié)議和一系列針對移動業(yè)務(wù)的SIP擴展組成。SIP基本協(xié)議由因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)請求說明文檔(RFC)3261定義，SIP擴展則由一系列RFC文檔組成，主要包括RFC 3455、RFC 3311、RFC 3262、RFC 3325等20多個文檔。

2、IMS中的SIP協(xié)議

　　由于SIP的靈活性，使得3GPP在R5中采用了SIP作為會話控制協(xié)議來設(shè)計IMS。3GPP沒有定義一個新的SIP協(xié)議，而只是以某種方式使用IETF定義的SIP。因此，在公用移動網(wǎng)中的諸如低帶寬、漫游、安全需求、服務(wù)質(zhì)量(QoS)和計費管制等特定需求，對SIP也都會有特定要求。

　　SIP模型中，為建立起一個會話，用戶代理客戶端向用戶代理服務(wù)起發(fā)起請求。請求通過代理服務(wù)器在網(wǎng)絡(luò)中路由。此外，注冊服務(wù)器，因為要提供用戶代理的位置信息，因而需要將SIP地址映射成IP地址。3GPP的IMS體系結(jié)構(gòu)選擇了這個模型。

　　在IMS中的用戶代理為用戶設(shè)備(UE)。IMS中的代理服務(wù)器和注冊服務(wù)器即為呼叫會話控制功能(CSCF)的網(wǎng)絡(luò)實體。有3種類型的CSCF：

1)服務(wù)CSCF(S-CSCF)，作為注冊服務(wù)器并且激活基于用戶數(shù)據(jù)的應(yīng)用業(yè)務(wù)控制；

2)代理CSCF(P-CSCF)，是UE在IMS網(wǎng)絡(luò)中的第一個接觸點；SIP信令消息在P-CSCF和UE之間傳送；

3)查詢CSCF(I-CSCF)對于外部網(wǎng)絡(luò)是第一個接觸點，特別是對于外部的IMS網(wǎng)絡(luò)。

　　在IMS中SIP需要解決的問題包括：

1)有效地使用無線接口

　　無線接口是稀有資源。正因如此，在移動終端和網(wǎng)絡(luò)間的信令消息的交換必須最小化。所有發(fā)展的機制必須使無線接口的利用最有效。 {{分頁}}

2)終端支持的最小化

　　因為終端應(yīng)該是比較小的設(shè)備，有內(nèi)存需求，有能量消耗和處理能力等，所以應(yīng)該被最小化。

3)漫游和非漫游

　　所有的需求都會遇到漫游與非漫游情形。兩種情形下的信令過程是不會有重大改變的。

4)終端移動性管理

　　由于終端移動性由接入網(wǎng)絡(luò)來管理，因此，在SIP中不需要支持終端移動性管理。

5)IPv6

　　3GPP IMS是為使用IP版本6單獨設(shè)計。因此，所有的協(xié)議都必須支持IP版本6。

6)SIP出境代理服務(wù)器

　　SIP出境代理服務(wù)器是用來支持漫游和非漫游情形的。SIP出境代理服務(wù)器既可以定位在歸屬網(wǎng)絡(luò)中，也可以定位在拜訪地網(wǎng)絡(luò)中。必須有一個全面的機制使得移動設(shè)備(UA)學(xué)習(xí)到SIP出境代理服務(wù)器的地址。

7)登記

　　一個歸屬網(wǎng)絡(luò)必須保持一個或者多個SIP登記服務(wù)器。SIP登記服務(wù)器鑒別用戶，登記可以定位用戶的IP地址。一旦終端用戶被激活，UA將讀取它的配置數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)可以被存儲到SIM卡中或者存儲到任何其他形式的存儲設(shè)備中。配置數(shù)據(jù)包含了一個歸屬網(wǎng)絡(luò)的識別。設(shè)備從歸屬網(wǎng)絡(luò)域名中找到SIP登記地址。終端通過SIP出境代理服務(wù)器發(fā)送登記。為了支持登記搜尋，歸屬網(wǎng)絡(luò)必須包含一個或者多個SIP服務(wù)器。這些就是歸屬網(wǎng)絡(luò)的邊緣代理服務(wù)器。它們的使命就是作為連接歸屬網(wǎng)絡(luò)的第一個點來服務(wù)，并且在定位服務(wù)器的幫助下決定給某個特定用戶分配哪個SIP登記服務(wù)器。不管UA是否漫游，登記程序都是相同的。

a)登記是必須的。用戶在接收到任何會話邀請前必須登記到IMS。此外，用戶在開始會話前也要登記。為了向會話和服務(wù)發(fā)送被認為標準的SIP請求，歸屬網(wǎng)絡(luò)中的SIP服務(wù)代理需要知道何時和哪個終端用戶是合法的。用戶可以被早點鑒別，這樣鑒別就不會導(dǎo)致快速撥號延遲。用戶被分配到一個指定的服務(wù)代理。服務(wù)代理下載服務(wù)輪廓來觸發(fā)服務(wù)。因此，3GPP委托UA在開始會話之前登記。

b)有效登記。由于稀少的無線接口資源，每個登記必須要有效，這樣才能確保UA對于歸屬網(wǎng)絡(luò)和拜訪地網(wǎng)絡(luò)都是可達的。

8)撤消用戶注冊

　　必須有一個程序使用戶從網(wǎng)絡(luò)中撤消注冊。這個程序可以被使用。如當用戶使終端不活動，一個帶有中止時間為0的REGISTER將滿足此需求。 {{分頁}}

9)用戶的識別

a)私有用戶識別。為了使用3GPP IMS，用戶將被分配到一個私有用戶身份。歸屬網(wǎng)絡(luò)分配私有用戶身份，這個身份用來確定用戶在一個網(wǎng)絡(luò)中的唯一性。舉例來說，一個私有用戶身份被用來鑒定、授權(quán)、管理(即AAA)。私有用戶身份沒有用來安排SIP消息的路由。私有身份的形式表現(xiàn)為一個網(wǎng)絡(luò)接入標識符(NAI)，在RFC2486中有定義。

b)注冊用的私有用戶ID。UA必須在注冊的時候發(fā)放私有用戶身份給SIP出站代理服務(wù)器和登記員。私有用戶身份作為在移動用戶登記期間的基本證明。公共用戶身份為了使用3GPP IMS，一個用戶被分配到一個或多個公共用戶身份。當用戶請求與其他用戶通信時，用戶將使用公共用戶身份。一個用戶可以有不同的外形，每一個都包含了不同的公共用戶身份。公共用戶身份的格式采用的SIP統(tǒng)一資源標識(URI)。

10)SIP的路由

a)SIP出境代理服務(wù)器。3GPP體系結(jié)構(gòu)包括一個SIP出境代理服務(wù)器，它一般被配置在拜訪地網(wǎng)絡(luò)中。這個出境代理服務(wù)器提供了諸如SIP消息壓縮和安全功能的本地服務(wù)。此外，出境服務(wù)器可以與媒體預(yù)約機制相配合來給媒體預(yù)約提供鑒定授權(quán)支持。所有發(fā)起會話建立企圖的移動終端必須經(jīng)過出境代理服務(wù)器，這樣由出境代理服務(wù)器提供的服務(wù)才可以被發(fā)送到移動終端中去。

b)歸屬網(wǎng)絡(luò)中的SIP服務(wù)代理服務(wù)器。歸屬網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)代理服務(wù)器允許觸發(fā)定制的用戶服務(wù)，一般這樣的服務(wù)是在一個應(yīng)用服務(wù)器執(zhí)行的。所有的發(fā)起會話建立企圖的移動終端必須經(jīng)過歸屬網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)代理服務(wù)器，這樣，代理服務(wù)器可以適當?shù)赜|發(fā)分配給用戶的SIP服務(wù)。這意味著需要某種源路由機制來確保經(jīng)過這些代理服務(wù)器的正確性。拜訪地網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用特定的服務(wù)和策略來引入會話。因此，拜訪地網(wǎng)絡(luò)可以包含一個SIP入境代理服務(wù)器來終結(jié)會話。一般地，SIP入境代理服務(wù)器和SIP出境代理服務(wù)器是同一個SIP代理服務(wù)器。

11)SIP相關(guān)的QoS需要

a)QoS信令與SIP的獨立性

　　QoS信令和資源分配方案的選擇必須獨立于選擇的會話控制協(xié)議。這是考慮到QoS控制和SIP的發(fā)展。

b)SIP和QoS資源分配的協(xié)調(diào)

i)Alerting之前的分配。在建立一個SIP會話時，對一個應(yīng)用來說，請求傳送建立所需的資源必須在目的用戶被通知以前被成功分配。然而也應(yīng)該注意到，對于一個終端中的SIP應(yīng)用，在無線資源建立前通知用戶也是可能的。

ii)目的用戶加入到載體協(xié)商中。在建立一個SIP會話時，對一個終結(jié)性的應(yīng)用來說，允許目的用戶加入進來決定哪個載體將被建立。然而，沒有用戶干涉而建立SIP會話也必須是可能的。

iii)成功地確立載體。必須包括任何必須的端到端的QoS信令、協(xié)商和資源分配的完成。

c)預(yù)防服務(wù)的偷竊。典型的，如果用戶分配到QoS資源，必須有一個允許控制機制來預(yù)防用戶超越了網(wǎng)絡(luò)中協(xié)商的限制。網(wǎng)絡(luò)必須防止未授權(quán)的用戶來使用沒有授權(quán)的資源。

d)無線資源授權(quán)。由于無線資源是非常昂貴的，所以網(wǎng)絡(luò)必須可以用一種方式來管理它們。網(wǎng)絡(luò)必須可以識別誰在使用這些資源并且批準他們的使用。例如，如果網(wǎng)絡(luò)不監(jiān)督無線資源的使用的話，一個UA終端可以執(zhí)行一個不受限制和不受控制的資源預(yù)約程序。

e)預(yù)防惡意使用。3GPP IMS必須預(yù)防移動設(shè)備惡意使用網(wǎng)絡(luò)。例如，一個惡意的UA將不能服從涉及到Record-Route頭域的程序。當發(fā)送了一個并發(fā)的請求時，UA可以旁路代理服務(wù)器，這個代理服務(wù)器在初始化處理期間插入一Record-Route頭。

f)預(yù)防拒絕服務(wù)。一個代理服務(wù)器接收到拒絕服務(wù)的攻擊的風(fēng)險必須被最小化。例如，一個惡意的UA可以學(xué)習(xí)到一個SIP代理服務(wù)器的IP地址和端口號(例如，在Record-Route頭的值)并且建立一個針對這個代理服務(wù)器的攻擊。 {{分頁}}

3、IMS中的SIP擴展

3.1　SIP壓縮

　　會話建立時間可能由于通過一個受限帶寬信道傳送SIP消息所需的時間而被延長。因此，必須有一個機制，通過壓縮UA和SIP出境代理服務(wù)器之間和SIP出境代理服務(wù)器和UA之間的SIP消息來有效地通過無線接口傳送SIP信令包。對IP和傳送這些SIP消息的傳輸層協(xié)議頭也必須進行壓縮。

1)SIP請求和發(fā)給P-CSCF的響應(yīng)的壓縮和解壓

　　SIP消息的壓縮是一個執(zhí)行的選項。然而壓縮是被強烈推薦的。由于壓縮支持是強制性的，所以UE可以發(fā)送甚至是第一個就被壓縮的消息。信令壓縮(SigComp)提供了一套機制來讓UE知道狀態(tài)State是否已在P-CSCF中被創(chuàng)建。

　　對于SIP請求和從P-CSCF接收到的響應(yīng)消息，UE也必須對它們進行解壓操作。如果UE探測到在P-CSCF的解壓失敗，修復(fù)機制將被執(zhí)行，同時，還可以改變算法。

　　SIP在P-CSCF的壓縮過程所遵循的壓縮規(guī)則與UE相同。注冊期間交換字節(jié)碼將會預(yù)防會話建立時不必要的延遲。SIP請求和發(fā)給UE的響應(yīng)也需要壓縮，同樣從UE接收到的響應(yīng)也需要解壓，它們遵循和上述P-CSCF相同的規(guī)則進行。

2)壓縮運算獨立

　　所選擇的解決方法必須可以允許能在不能壓縮的運算法則上實行。

3)SIP壓縮的可擴展性

　　所選擇的解決結(jié)果必須有可擴展性，當它們可利用時，以反向兼容的方式來推動新的和改良的壓縮運算的合并。

4)SIP壓縮對網(wǎng)絡(luò)的最小影響

　　特定的應(yīng)用壓縮對現(xiàn)存的3GPP接入網(wǎng)絡(luò)的影響要最小化。另一方面，壓縮機制必須獨立于接入，比如壓縮必須定義在UA和出境SIP代理服務(wù)器。

5)SIP壓縮的可選性

　　讓SIP信令壓縮的使用具有可選性是必須的。為了方便移動終端在使用壓縮的網(wǎng)絡(luò)中的漫游，移動終端必須始終支持SIP信令壓縮。如果壓縮不被支持，通信可以不用壓縮而繼續(xù)，這依賴與拜訪地網(wǎng)絡(luò)的局方策略。

6)壓縮的可靠性

　　壓縮機制應(yīng)該是可靠的，并且能夠自動修復(fù)在解壓過程中產(chǎn)生的錯誤。 {{分頁}}

3.2　SIP私有頭

1)關(guān)聯(lián)URI(P-Associated-URI)：傳送移動終端注冊地址的所有關(guān)聯(lián)URI。它使用在對REGISTER請求的200 OK響應(yīng)中。

2)被叫方標識符(P-Called-Party-ID)：傳送被叫身份標識。當一個移動終端需要注冊多個URI時，通過P-Called-Party-ID可以識別真實的被叫URI。

3)拜訪網(wǎng)絡(luò)標識符(P-Visited-Network-ID)：傳送全局惟一的拜訪網(wǎng)絡(luò)的標識碼。通常，一個P-CSCF管轄的范圍需要一個網(wǎng)絡(luò)標識，網(wǎng)絡(luò)標識碼需要由網(wǎng)絡(luò)運營商統(tǒng)一進行分配。

4)接入網(wǎng)信息(P-Access-Network-Info)：傳送移動終端所使用的無線接入技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)信息。

5)計費地址(P-Charging-Function-Address)：IMS中有兩類計費功能實體計費采集功能(CCF)和事件計費功能(ECF)。該消息頭部字段用于指示所使用的計費功能實體地址信息。通過該頭部字段，IMS可以實現(xiàn)計費信息冗余保存機制。

6)計費矢量(P-Charging-Vector)：傳送IMS中的計費信息，例如計費采集點標識、IP地址、主叫方網(wǎng)絡(luò)標識符和被叫方網(wǎng)絡(luò)標識符。

3.3　安全

　　IMS系統(tǒng)對移動終端的安全鑒權(quán)功能通過SIP的WWW-authenticate和Authorization頭部字段來實現(xiàn)的。UE向CSCF發(fā)送注冊或呼叫請求時，必須在REGISTER消息的Authorization頭部字段協(xié)議身份標識以及密碼等安全參數(shù)，當UE未攜帶安全參數(shù)時，CSCF將向UE發(fā)送401響應(yīng)(未授權(quán))且包括WWW-authenticate字段，WWW-authenticate字段用戶攜帶UE鑒權(quán)必備的安全參數(shù)(如鑒權(quán)方式)。

3.4　預(yù)處理Precondition

　　在IMS中，所有必需資源的可用性是建立會話的前提。因此引入了基于SDP提供/應(yīng)答機制以及相關(guān)SIP和SDP Precondition擴展。Precondition擴展的使用導(dǎo)致了特定的SIP呼叫流程。IMS通過使用位于GGSN和P-CSCF之間的Go接口，完成對媒體資源的策略控制。

3.5　網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的呼叫釋放

　　在移動網(wǎng)中，有時會因為信號沒有覆蓋、電池斷電等原因而需要網(wǎng)絡(luò)釋放一個正在進行的呼叫。從網(wǎng)絡(luò)側(cè)送出一個BYE請求給UE就可以解決這個問題。但是這個不符合SIP原則，那就是代理服務(wù)器不允許發(fā)BYE消息。但是，由于缺乏更好的解決方法，因而IETF接受了3GPP的需求和此解決方案。

　　對SIP的一些頭部進行了參數(shù)擴展，例如，對WWW-authenticate頭部進行了參數(shù)擴展，定義了一個新的auth-param參數(shù)字段，用在對REGISTER請求的401(Unauthorized未授權(quán))響應(yīng)中，此字段又包括integrityOkey和cipher-key兩個具體參數(shù)等。

　　對SIP協(xié)議中的消息體MIME類型增加了“application/3gpp-ims+xml”類型，即3GPP IP多媒體核心子系統(tǒng)可擴展語言體版本1，同時約定了此類型內(nèi)容不允許發(fā)送到3GPP的網(wǎng)絡(luò)之外。

4、IMS中的SIP典型流程

　　由公共電話交換網(wǎng)(PSTN)發(fā)起的往IP核心多媒體子系統(tǒng)到達第一個媒體網(wǎng)關(guān)控制功能(MGCF)的步驟如下：

　　步驟1　SS7 7號信令初始地址消息(IAM)

　　PSTN建立一個到達媒體網(wǎng)關(guān)(MGW)的目的路徑，并用SS7 IAM消息發(fā)起一個到T信令網(wǎng)關(guān)(T-SGW)的信令。給出中繼身份和目的的信息。

　　步驟2　IP IAM

　　T-SGW接續(xù)SS7消息，壓縮成IP包送給MGCF。

　　步驟3　與H.248交互作用

　　MGCF發(fā)起了一個H.248命令來獲知中繼和IP端口。

　　MGCF發(fā)起了一個INVITE請求，包括一個初始的SDP，就象每個特有的S-CSCF到S-CSCF過程一樣。

　　步驟5　100 Trying(S-S到PSTN-O)

　　MGCF收到一個100 Trying臨時響應(yīng)，和S-CSCF到S-CSCF過程指定的一樣。

　　步驟6　183 Session Process(S-S到PSTN-O)

　　在每一個S-CSCF到S-CSCF過程，媒體流的目的性能將被在183 Session Process臨時響應(yīng)中的信道上被返回。

　　步驟7　PRACK(PSTN-O<, /SPAN>到S-S)

　　MGCF決定這個會話的最終媒體流形式，并且把這個信息包含在PRACK請求中，發(fā)送到每個S-CSCF到S-CSCF過程的目的地。

　　步驟8　200 OK(S-S到PSTN-O)

　　目的地用一個200 OK來響應(yīng)PRACK請求。

　　步驟9　H.248交互

　　MGCF發(fā)起一個H.248命令來修改連接參數(shù)，指示MGW預(yù)留會話所需的資源。

　　步驟10　預(yù)留資源

　　MGW預(yù)留會話所需的資源。

　　步驟11　COMET(PSTN-O到S-S)

　　當資源預(yù)定完成以后，MGCF發(fā)送COMET請求到每個S-CSCF到S-CSCF過程的終端點。SDP將指出資源預(yù)留成功。

　　步驟12　200 OK(S-S到PSTN-O)

　　目的終端點用一個200 OK響應(yīng)COMET請求。

　　步驟13　180 Ringing(S-S到PSTN-O)

　　目的終端點可以隨意地發(fā)信號。如果是這樣，它則用一個180 Ringing臨時響應(yīng)來發(fā)信號給呼叫發(fā)起方。這個響應(yīng)被送到每個S-CSCF到S-CSCF過程的MGCF。

　　步驟14　PRACK(PSTN-O到S-S)

　　MGCF用一個PRACK請求來響應(yīng)180Ringing臨時響應(yīng)。

　　步驟15　200 OK(S-S到PSTN-O)

　　目的終端點用一個200 OK來響應(yīng)PRACK請求。

　　步驟16　IP-ACM

　　如果信號已經(jīng)發(fā)送，MGCF將接著向前發(fā)一個IP-ACM地址全消息給T-SGW。

　　步驟17　ACM

　　如果信號已經(jīng)發(fā)送，T-SGW將會繼續(xù)向前發(fā)送一個SS7 ACM消息。

　　步驟18　200 OK(S-S到PSTN-O)

　　當呼叫發(fā)起方響應(yīng)時，S-S過程將會發(fā)送一個最終的響應(yīng)200 OK給MGCF來終結(jié)。

　　步驟19　IP-ANM

　　MGCF繼續(xù)向前發(fā)送一個IP-ANM應(yīng)答消息給T-SGW。

　　步驟20　ANM

　　T-SGW繼續(xù)向前發(fā)送一個ANM地址全消息給PSTN。

　　步驟21　H.248交互

　　MGCF發(fā)起一個H.248命令來改變MGW的連接使它變成雙向的。

　　步驟22　ACK(PSTN-O到S-S)

　　MGCF用ACK請求確認200 OK最終響應(yīng)。

5、結(jié)束語

　　雖然目前IMS體系架構(gòu)只能支持移動業(yè)務(wù)的接入，暫還不能支持固定接入方式，但是IMS的提出順應(yīng)了通信網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展的趨勢。現(xiàn)在已有ETSI/TISPAN(針對固網(wǎng)應(yīng)用)、ITU-TFGNGN等多家標準實體參與進來。由通信發(fā)展的三大趨勢(信息組織方式IP化、信息傳輸方式無線化、信息內(nèi)容多媒體化)可以預(yù)見，在這種發(fā)展趨勢帶動下，H.323和SIP將會在以后相當一段時間內(nèi)并存，且由于SIP和IP方式更具親和性，隨著SIP的互操作功能的逐步完善，SIP將最終可能成為一個全局性協(xié)議。