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IMS對SIP協議的要求及應用

摘要　IP多媒體核心子系統(IMS)近年來日益成為比較受認同的固定網絡和移動網絡融合的理想方案，而會話發起協議(SIP)是IMS的基本控制協議，它自身的特點使得它在固網和移動網絡向下一代網絡(NGN)邁進的過程中發揮日益突出的重要作用。文章就SIP在IMS中的基本應用、擴展應用做了具體的分析，并通過IMS中SIP信令典型流程闡述了SIP在IMS中的應用。關鍵詞　IP多媒體核心子系統　會話發起協議　下一代網絡　第三代移動通信合作伙伴項目 1、IMS和SIP協議簡單介紹　　IP多媒體核心子系統(IMS)是第三代移動通信合作伙伴項目(3GPP)提出的支持IP多媒體業務的子系統，它的顯著特點是采用了會話發起協議(SIP)，通信與接入方式無關，可以提供多種媒體業務，控制功能與承載能力分離、呼叫與會話分離、應用與服務分離、業務與網絡分離、移動網與互聯網業務融合。IMS順應了通信網絡融合發展的趨勢。　　SIP是基于因特網兩個最成功的服務Web和E-mAIl進行設計的。借鑒了Internet的標準和協議設計思想，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絡、提供多媒體業務提供了一種可以將簡單的應用結合到復雜的服務中去的方法。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協議類似，它采用的是一種模塊化結構，請求/應答模式，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基本協議和一系列針對移動業務的SIP擴展組成。SIP基本協議由因特網工程任務組(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作為會話控制協議來設計IMS。3GPP沒有定義一個新的SIP協議，而只是以某種方式使用IETF定義的SIP。因此，在公用移動網中的諸如低帶寬、漫游、安全需求、服務質量(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起發起請求。請求通過代理對講服務器在網絡中路由。此外，注冊對講服務器，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體系結構選擇了這個模型。　　在IMS中的用戶代理為用戶設備(UE)。IMS中的代理對講服務器和注冊對講服務器即為呼叫會話控制功能(CSCF)的網絡實體。有3種類型的CSCF： 1)服務CSCF(S-CSCF)，作為注冊對講服務器并且激活基于用戶數據的應用業務控制； 2)代理CSCF(P-CSCF)，是UE在IMS網絡中的第一個接觸點；SIP信令消息在P-CSCF和UE之間傳送； 3)查詢CSCF(I-CSCF)對于外部網絡是第一個接觸點，特別是對于外部的IMS網絡。　　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，在移動終端和網絡間的信令消息的交換必須最小化。所有發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　　因為終端應該是比較小的設備，有內存需求，有能量消耗和處理能力等，所以應該被最小化。 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絡來管理，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單獨設計。因此，所有的協議都必須支持IP版本6。 6)SIP出境代理對講服務器　　SIP出境代理對講服務器是用來支持漫游和非漫游情形的。SIP出境代理對講服務器既可以定位在歸屬網絡中，也可以定位在拜訪地網絡中。必須有一個全面的機制使得移動設備(UA)學習到SIP出境代理對講服務器的地址。 7)登記　　一個歸屬網絡必須保持一個或者多個SIP登記對講服務器。SIP登記對講服務器鑒別用戶，登記可以定位用戶的IP地址。一旦終端用戶被激活，UA將讀取它的配置數據。這個數據可以被存儲到SIM卡中或者存儲到任何其他形式的存儲設備中。配置數據包含了一個歸屬網絡的識別。設備從歸屬網絡域名中找到SIP登記地址。終端通過SIP出境代理對講服務器發送登記。為了支持登記搜尋，歸屬網絡必須包含一個或者多個SIP對講服務器。這些就是歸屬網絡的邊緣代理對講服務器。它們的使命就是作為連接歸屬網絡的第一個點來服務，并且在定位對講服務器的幫助下決定給某個特定用戶分配哪個SIP登記對講服務器。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。為了向會話和服務發送被認為標準的SIP請求，歸屬網絡中的SIP服務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，這樣鑒別就不會導致快速撥號延遲。用戶被分配到一個指定的服務代理。服務代理下載服務輪廓來觸發服務。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對于歸屬網絡和拜訪地網絡都是可達的。 8)撤消用戶注冊　　必須有一個程序使用戶從網絡中撤消注冊。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。歸屬網絡分配私有用戶身份，這個身份用來確定用戶在一個網絡中的唯一性。舉例來說，一個私有用戶身份被用來鑒定、授權、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為一個網絡接入標識符(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放私有用戶身份給SIP出站代理對講服務器和登記員。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統一資源標識(URI)。 10)SIP的路由 a)SIP出境代理對講服務器。3GPP體系結構包括一個SIP出境代理對講服務器，它一般被配置在拜訪地網絡中。這個出境代理對講服務器提供了諸如SIP消息壓縮和安全功能的本地服務。此外，出境對講服務器可以與媒體預約機制相配合來給媒體預約提供鑒定授權支持。所有發起會話建立企圖的移動終端必須經過出境代理對講服務器，這樣由出境代理對講服務器提供的服務才可以被發送到移動終端中去。 b)歸屬網絡中的SIP服務代理對講服務器。歸屬網絡中的服務代理對講服務器允許觸發定制的用戶服務，一般這樣的服務是在一個應用對講服務器執行的。所有的發起會話建立企圖的移動終端必須經過歸屬網絡中的服務代理對講服務器，這樣，代理對講服務器可以適當地觸發分配給用戶的SIP服務。這意味著需要某種源路由機制來確保經過這些代理對講服務器的正確性。拜訪地網絡可以應用特定的服務和策略來引入會話。因此，拜訪地網絡可以包含一個SIP入境代理對講服務器來終結會話。一般地，SIP入境代理對講服務器和SIP出境代理對講服務器是同一個SIP代理對講服務器。 11)SIP相關的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議。這是考慮到QoS控制和SIP的發展。 b)SIP和QoS資源分配的協調 i)Alerting之前的分配。在建立一個SIP會話時，對一個應用來說，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。然而也應該注意到，對于一個終端中的SIP應用，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商中。在建立一個SIP會話時，對一個終結性的應用來說，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、協商和資源分配的完成。 c)預防服務的偷竊。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防用戶超越了網絡中協商的限制。網絡必須防止未授權的用戶來使用沒有授權的資源。 d)無線資源授權。由于無線資源是非常昂貴的，所以網絡必須可以用一種方式來管理它們。網絡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，如果網絡不監督無線資源的使用的話，一個UA終端可以執行一個不受限制和不受控制的資源預約程序。 e)預防惡意使用。3GPP IMS必須預防移動設備惡意使用網絡。例如，一個惡意的UA將不能服從涉及到Record-Route頭域的程序。當發送了一個并發的請求時，UA可以旁路代理對講服務器，這個代理對講服務器在初始化處理期間插入一Record-Route頭。 f)預防拒絕服務。一個代理對講服務器接收到拒絕服務的攻擊的風險必須被最小化。例如，一個惡意的UA可以學習到一個SIP代理對講服務器的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對講服務器的攻擊。 {{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出境代理對講服務器之間和SIP出境代理對講服務器和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消息的傳輸層協議頭也必須進行壓縮。 1)SIP請求和發給P-CSCF的響應的壓縮和解壓　　SIP消息的壓縮是一個執行的選項。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State是否已在P-CSCF中被創建。　　對于SIP請求和從P-CSCF接收到的響應消息，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，修復機制將被執行，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則與UE相同。注冊期間交換字節碼將會預防會話建立時不必要的延遲。SIP請求和發給UE的響應也需要壓縮，同樣從UE接收到的響應也需要解壓，它們遵循和上述P-CSCF相同的規則進行。 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壓縮對網絡的最小影響　　特定的應用壓縮對現存的3GPP接入網絡的影響要最小化。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代理對講服務器。 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絡中的漫游，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，這依賴與拜訪地網絡的局方策略。 6)壓縮的可靠性　　壓縮機制應該是可靠的，并且能夠自動修復在解壓過程中產生的錯誤。 {{分頁}} 3.2　SIP私有頭 1)關聯URI(P-Associated-URI)：傳送移動終端注冊地址的所有關聯URI。它使用在對REGISTER請求的200 OK響應中。 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)拜訪網絡標識符(P-Visited-Network-ID)：傳送全局惟一的拜訪網絡的標識碼。通常，一個P-CSCF管轄的范圍需要一個網絡標識，網絡標識碼需要由網絡運營商統一進行分配。 4)接入網信息(P-Access-Network-Info)：傳送移動終端所使用的無線接入技術和網絡相關信息。 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、主叫方網絡標識符和被叫方網絡標識符。 3.3　安全　　IMS系統對移動終端的安全鑒權功能通過SIP的WWW-authenticate和Authorization頭部字段來實現的。UE向CSCF發送注冊或呼叫請求時，必須在REGISTER消息的Authorization頭部字段協議身份標識以及密碼等安全參數，當UE未攜帶安全參數時，CSCF將向UE發送401響應(未授權)且包括WWW-authenticate字段，WWW-authenticate字段用戶攜帶UE鑒權必備的安全參數(如鑒權方式)。 3.4　預處理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/應答機制以及相關SIP和SDP Precondition擴展。Precondition擴展的使用導致了特定的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　網絡發起的呼叫釋放　　在移動網中，有時會因為信號沒有覆蓋、電池斷電等原因而需要網絡釋放一個正在進行的呼叫。從網絡側送出一個BYE請求給UE就可以解決這個問題。但是這個不符合SIP原則，那就是代理對講服務器不允許發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擴展，例如，對WWW-authenticate頭部進行了參數擴展，定義了一個新的auth-param參數字段，用在對REGISTER請求的401(Unauthorized未授權)響應中，此字段又包括integrityOkey和cipher-key兩個具體參數等。　　對SIP協議中的消息體MIME類型增加了application/3gpp-ims+xml類型，即3GPP IP多媒體核心子系統可擴展語言體版本1，同時約定了此類型內容不允許發送到3GPP的網絡之外。 4、IMS中的SIP典型流程　　由公共電話交換網(PSTN)發起的往IP核心多媒體子系統到達第一個媒體網關控制功能(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關(MGW)的目的路徑，并用SS7 IAM消息發起一個到T信令網關(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SS7消息，壓縮成IP包送給MGCF。　　步驟3　與H.248交互作用　　MGCF發起了一個H.248命令來獲知中繼和IP端口。　　步驟4　INVITE(PSTN-O到S-S)
　　MGCF發起了一個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，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PRACK請求。　　步驟9　H.248交互　　MGCF發起一個H.248命令來修改連接參數，指示MGW預留會話所需的資源。　　步驟10　預留資源　　MGW預留會話所需的資源。　　步驟11　COMET(PSTN-O到S-S) 　　當資源預定完成以后，MGCF發送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COMET請求。　　步驟13　180 Ringing(S-S到PSTN-O) 　　目的終端點可以隨意地發信號。如果是這樣，它則用一個180 Ringing臨時響應來發信號給呼叫發起方。這個響應被送到每個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180Ringing臨時響應。　　步驟15　200 OK(S-S到PSTN-O) 　　目的終端點用一個200 OK來響應PRACK請求。　　步驟16　IP-ACM 　　如果信號已經發送，MGCF將接著向前發一個IP-ACM地址全消息給T-SGW。　　步驟17　ACM 　　如果信號已經發送，T-SGW將會繼續向前發送一個SS7 ACM消息。　　步驟18　200 OK(S-S到PSTN-O) 　　當呼叫發起方響應時，S-S過程將會發送一個最終的響應200 OK給MGCF來終結。　　步驟19　IP-ANM 　　MGCF繼續向前發送一個IP-ANM應答消息給T-SGW。　　步驟20　ANM 　　T-SGW繼續向前發送一個ANM地址全消息給PSTN。　　步驟21　H.248交互　　MGCF發起一個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。

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