图-1 电话通信

1、SIP是何物？

SIP(会话发起协议)属于IP应用层协议，用于在IP网上为用户提供会话应用。会话(Session)指两方或多方用户之间的语音、视频、及其他媒体形式的通信，具体可能是IP电话、会议、即时消息等等。

图-2 SIP会话连接

SIP是一个信令协议，它对应于传统电话网络中的呼叫信令协议(比如SS7 ISUP)。构建一个完整多媒体通信架构还需要结合其他一些协议，必要的有：RTP，用于媒体传输；RSVP，用于QOS保证等等。

图-3多媒体通信的多种协议

2、SIP基本功能

2.1 会话的发起与管理

图-4 创建会话

SIP主要用于创建、修改和终止一个会话。一个创建会话的简单的例子如上图-3所示，其建立逻辑结构流程如下：

• 发起方向目的方发送一个SIP请求消息(INVITE)，其中包含提议的会话参数的描述，请求在二者之间建立一个会话；
• 目的方返回一个SIP响应消息(200 OK)，其中包含接受的会话参数的描述，接受会话建立请求
• 发起方发送一个SIP请求消息(ACK)确认会话的建立。

一个会话建立后，如果对于会话进行修改，又该如何操作？下面一个修改会话的简单例子如图-4所示。

图-5 修改会话

对于会话的修改，其结构流程，如下所示：

• 会话中的任意一方可以发送一个SIP请求消息(reINVITE)，其中包含提议的新的会话参数，请求修改二者之间的会话；
• 另一方返回一个SIP响应消息(200 OK)，其中包含接受的新的会话参数，接受会话修改请求

既然会话可以创建和修改，那么又该如何实现一个会话的结束？其实现方式如下图-5所示。

图-6 结束会话

一个结束会话的逻辑结构流程如下所示：

• 会话中的任意一方可以发送一个SIP请求消息(BYE)，请求结束会话；
• 另一方返回一个SIP响应消息(200 OK)，接受会话结束请求

2.2 用户位置管理&轨迹

在城市中分布着很多移动信号基站，移动的SIP终端实时与最近的基站发生着数据交互，如图-6所示。

图-7 移动的用户

SIP要求终端定期向网络发送注册请求(REGGISTER),报告自己的当前位置。这样SIP服务器中始终存储了用户(终端)的当前地址。当用户被呼叫时，SIP服务器能够将SIP请求发送到用户的当前地址。

每一个基站都在记录出现在其信号范围内的手机用户信息，将一定范围内的基站所接收的信息集合起来，就能识别出一个手机用户在这个范围中的活动轨迹，如图-7所示.

图-8 SIP手机信令数据通过基站记录用户实时位置

每个人都有手机，所以数据有接近全样本的高覆盖率；每个人都随身携带手机，所以数据有直接反映空间位置的高精度；每天都在收集手机数据，所以数据有立等可取的高时效性。

3、实体 & 网络

SIP UA(User Agent，用户代理)是最基本的SIP实体，它通常就是用户终端。理想情况下，通过SIP UA就可以完成用户之间会话的建立。但是为了支持SIP的移动性，以及其他高级功能，比如运营商对呼叫的控制等等，会话发起及管理的信令过程不能直接在两个SIP UA之间完成，而是需要经过由若干SIP服务器构成的SIP信令网络。

图-9 网络路由的SIPs实体

这些SIP服务器可以分为两类：注册服务器和路由服务器。

• SIP注册服务器(registrar)的主要功能是接受SIP UA的注册请求，维护用户名-地址映射。
• 路由服务器的主要功能是将SIP消息路由到目标SIP UA。路由服务器有SIP重定向服务器(redirect server)和SIP代理服务器(proxy)两种。前者以重定向方式路由SIP请求消息，后者以代理方式路由SIP请求消息。

在重定向方式下(如图-10所示)，SIP重定向服务器收到了SIP请求消息，查询到目标SIP UA的当前地址后，通过SIP响应消息(302 Moved temporarily)返回给发起方SIP UA。之后的SIP消息交互与重定向服务器无关，发起方SIP UA直接向目标SIP UA的当前地址发送请求消息。

图-10 路由定向服务寻址

在代理方式下(如下图-11所示)，SIP代理服务器收到了SIP请求消息，查询到目标SIP UA的当前地址后，将SIP请求消息转发到目标SIP UA的当前地址。之后的SIP消息交互都要经过SIP代理服务器。这使得SIP代理服务器可以对会话进行控制，比如结束会话等等。

图-11 路由代理寻址

4 SIP的原子性

图-12 SIP的原子性

SIP所提供的功能是通过一些原子性的基本功能(比如注册(registration)，发起会话(Initiation)、会话结束等)组合而成的。每个原子性基本功能是通过一个SIP操作完成的SIP操作基于类似HTTP的请求/响应事务模型，每个操作的调用过程体现为一个所谓事务 – 包含一个SIP请求和一个或多个相应的SIP响应。其中SIP请求消息中的方法(Method)指示出调用的操作。

下表是在RFC 3261中定义的方法及其对应的SIP操作。

方法Method SIP操作

INVITE 会话邀请

ACK 确认会话邀请

CANCEL 取消会话邀请

BYE 结束会话

REGISTER 注册

OPTIONS 查询服务器能力

4.1 SIP协议组成

图-13 SIP协议

SIP是一个基于文本(text-based)的协议，使用 UTF-8 字符集。SIP消息与HTTP/1.1非常类似，同样可以包含消息体(message body)，通常是会话描述(session descriptions)，也可能是其他内容。

SIP 消息有两类：从客户机到服务器的请求消息(request)，从服务器到客户机的响应消息(response)。

除了第一行分别是请求行(Request-Line)和状态行(Status-Line)以外，SIP请求消息和SIP响应消息的剩下部分的组成基本类似，包括消息头域(message header)和消息体(message body)两部分(如上图-13所示)。

4.2 SIP消息请求

根据请求行中的方法(method)的不同，SIP请求消息有很多种，分别完成各种操作的调用，实现各种功能，下面进行简单的介绍。

• INVITE/reINVITE：INVITE 发起会话邀请。reINVITE(在一个已存在的对话中发送的INVITE称为reINVITE)修改已建立会话的参数。
• ACK：完成会话建立的3次握手 [INVITE-200-ACK],仅仅用于INVITE
• BYE ：结束会话。
• CANCEL：取消正在建立中会话(INVITE已发送，但尚未收到最终响应(final response))。
• UPDATE：更新会话参数。它被建议用于替代 re-INVITE，与 re-INVITE不同在于：它可以在初始INVITE未完成时发送，能用于在早对话(early dialog)中更新会话参数。

上面的4个请求用于会话建立与管理。

• REGISTER：登记UA当前的联系地址(contact)
• OPTIONS：查询服务器或对端UA的能力，具体包括支持的方法(method)，扩展(extensions)、编解码(codecs)等。
• PRACK：临时响应(Provisional Response)确认。用于确认收到了临时响应，例如 “183 Session Progress”，以支持临时响应的可靠传送。它不能应用于“100 Trying ”，只有101～199 临时响应需要可靠传送。如果没有收到 PRACK，响应消息将被重传。
• NOTIFY：事件通知，具体的事件包括、业务状态的改变(MWI，...)，用户状态的改变等等。
• SUBSCRIBE：订阅/取消(Expires=0)事件通知。
• PUBLISH：发布事件状态。PUBLISH 与 REGISTER 的相似之处在于：允许用户在另一个实体(状态管理实体/registrar)中创建、修改和移除自己的状态。对PUBLISH 请求的寻址与对于SUBSCRIBE 请求的寻址是一样的，PUBLISH 请求的Request-URI 中填入的是用户希望发布其事件状态的资源地址。

上面的3个请求构成SIP事件发布-订阅-通知机制

• INFO：用于传送 mid-call 信令信息，同一时刻只能有一个 INFO 事务存在。通常用于携带 PSTN 信令消息(作为 MIME 附件)，例如，ISDN UUI (用户到用户信息)。
• MESSAGE：针对即时消息 (IM)的扩展，用于传送即时消息。MESSAGE请求通过MIME附件中携带内容。MESSAGE 请求自身不发起 SIP 对话，在正常的用法中，每个即时消息都是单独存在的，非常类似 pager 消息。MESSAGE 请求可以在其他SIP请求发起的对话上下文中发送。
• REFER：指示接收者 (Request-URI所标识的) 应该使用请求中提供的信息联系第三方。典型应用：Call Transfer features 。Allowed outside an established dialogue。