通信學(xué)論文-P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話.doc

通信學(xué)論文-P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)電話摘要由于P2P系統(tǒng)中沒(méi)有中央服務(wù)器并且網(wǎng)絡(luò)能夠自組織所以P2P系統(tǒng)具有高擴(kuò)展性，健壯性和容錯(cuò)性。這些特性是通過(guò)在P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)中定位感興趣的源的更高的延遲來(lái)獲得的。網(wǎng)絡(luò)電話可以看作是參與者自組P2P覆蓋網(wǎng)來(lái)定位其他參與者并與其他參與者交互的一種P2P結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。我們提出一種用于基于會(huì)話初始化協(xié)議（SIP）的IP電話系統(tǒng)的純P2P結(jié)構(gòu)。我們的P2PSIP結(jié)構(gòu)既支持基礎(chǔ)的用戶注冊(cè)和呼叫建立也支持離線消息發(fā)送、語(yǔ)音/視頻郵件和多方會(huì)議這樣的高級(jí)服務(wù)。此外，我們簡(jiǎn)要介紹了執(zhí)行情況。關(guān)鍵詞P2P，網(wǎng)絡(luò)電話，會(huì)話初始化協(xié)議（SIP）1引言現(xiàn)存的基于會(huì)話初始化協(xié)議（SIP1）的用戶/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)電話結(jié)構(gòu)為每個(gè)域使用一個(gè)注冊(cè)服務(wù)器。主要的系統(tǒng)消費(fèi)是由一個(gè)專用系統(tǒng)管理器造成的維護(hù)和配置。這意味著在一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)中迅速地建立系統(tǒng)（例如，緊急通訊或會(huì)議）是很困難的。另一方面，端到端（P2P）系統(tǒng)2因?yàn)闆](méi)有單點(diǎn)錯(cuò)誤，所以是可測(cè)量和可靠的。P2P系統(tǒng)對(duì)全局、災(zāi)難性失敗是強(qiáng)壯的，雖然單個(gè)的結(jié)點(diǎn)可能會(huì)失敗。我們提出一種使用SIP的P2P網(wǎng)絡(luò)電話結(jié)構(gòu)。P2P-SIP有兩個(gè)主要的目標(biāo)：（1）一個(gè)增加健壯性完全的分布式模型；（2）不改變現(xiàn)存的控制結(jié)構(gòu)（如DNS）進(jìn)行配置的能力。分析了許多可選的設(shè)計(jì)，提出使用Chord3作為基本的分布式hash表（DHT）的P2P-SIP端點(diǎn)。新的混合結(jié)構(gòu)既允許傳統(tǒng)的SIP電話也允許用戶在本地域沒(méi)有SIP服務(wù)器時(shí)在P2P網(wǎng)絡(luò)中查找。使用SIP在P2P-SIP中執(zhí)行各種DHT功能，例如端發(fā)現(xiàn)，用戶登記，結(jié)點(diǎn)故障發(fā)現(xiàn)，用戶定位以及通過(guò)用P2P代替DNS4用于SIP中的下一跳查找的呼叫建立。實(shí)現(xiàn)了一個(gè)P2P-SIP適配器，SIPPEER5，允許現(xiàn)有的或者新的SIP用戶代理不改變用戶代理就可以連接到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。例如，SIPPEER在同一臺(tái)主機(jī)上可以作為基于PC的SIP用戶代理并充當(dāng)它的輸出代理。SIPPEER也可以作為獨(dú)立的SIP用戶代理商，代理人或有命令行用戶界面的注冊(cè)服務(wù)器。模塊化的設(shè)計(jì)允許組件的重用和替換。例如，Chord可以替換為另一種DHT而不影響其他部分。開(kāi)放的結(jié)構(gòu)可以不影響現(xiàn)存的設(shè)計(jì)安裝新的服務(wù)。例如，一個(gè)新的語(yǔ)音郵件模塊可以添加到現(xiàn)存的結(jié)點(diǎn)上。除了P2P的擴(kuò)展性和可靠性，P2P-SIP還有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要維護(hù)或配置：這個(gè)系統(tǒng)是開(kāi)箱即用的，不需要任何冗余的服務(wù)器安裝（包括NAT和防火墻的配置）。我們的工作將TETF零配置網(wǎng)絡(luò)工作組6的目標(biāo)擴(kuò)展到多媒體通訊和協(xié)作系統(tǒng)。協(xié)同工作：不像Skype7之類的其他P2P系統(tǒng)，我們使用SIP與其他端點(diǎn)通訊。這可以很容易的與任何現(xiàn)存的SIP-PSTN網(wǎng)關(guān)的IP電話結(jié)構(gòu)或象Asterisk的基于服務(wù)器的IPPBX一起工作。這些優(yōu)點(diǎn)是增加資源查找延遲和安全的威脅來(lái)得到的。一個(gè)不使用集中的元件的用于認(rèn)證的可靠結(jié)構(gòu)不在這篇文章的討論范圍內(nèi)。2結(jié)構(gòu)框架我們改進(jìn)了分布式哈希表（DHT）的設(shè)計(jì)。一個(gè)極端是，這個(gè)分布式哈希表可以在服務(wù)器中用于服務(wù)器的領(lǐng)域同時(shí)仍然管理客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。另一個(gè)極端，所有的結(jié)點(diǎn)成為分布式哈希表的一部分。我們選擇如圖1所示的一種中間設(shè)計(jì)，具有高的容量（帶寬，CPU，內(nèi)存）和可用性（正常運(yùn)行時(shí)間，公共IP地址）的一些結(jié)點(diǎn)成為超級(jí)結(jié)點(diǎn)并組成分布式哈希表，而其他的普通結(jié)點(diǎn)與一個(gè)或更多的超級(jí)結(jié)點(diǎn)相連而不是成為分布式哈希表的一部分。圖1與DHT中超級(jí)結(jié)點(diǎn)相連的普通結(jié)點(diǎn)圖2P2P-SIP結(jié)點(diǎn)中的塊算法圖2給出了P2P-SIP結(jié)點(diǎn)中不同部件的算法。結(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和用戶用標(biāo)識(shí)符登記時(shí)，發(fā)現(xiàn)模塊被激活用于初始化網(wǎng)絡(luò)地址翻譯和防火墻探測(cè)8，點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和SIP注冊(cè)。組播SIP注冊(cè)、上一引導(dǎo)周期存儲(chǔ)的端地址和預(yù)配置的自舉地址被用來(lái)初始化結(jié)點(diǎn)集。用戶界面模塊記錄用戶的“朋友列表”并調(diào)用用戶定位模塊定位這些朋友。用戶定位模塊使用SIP模塊，或者，如果這個(gè)結(jié)點(diǎn)加入了DHT就使用DHT模塊。DHT模塊維護(hù)端信息（例如，Chord指針表）并執(zhí)行像發(fā)現(xiàn)、加入和離開(kāi)的一些DHT操作。SIP被用作是定位其他用戶或結(jié)點(diǎn)、加入DHT、注冊(cè)用戶、呼叫建立和即時(shí)消息的基礎(chǔ)協(xié)議。一旦用戶被定位，呼叫建立或即時(shí)消息就可以直接經(jīng)由SIP模塊發(fā)送到用戶的電話。SIPREGISTER更新和OPTIONS消息用于探測(cè)結(jié)點(diǎn)失敗。當(dāng)一個(gè)超級(jí)結(jié)點(diǎn)關(guān)閉或者失敗，注冊(cè)被發(fā)送到DHT中的其他適當(dāng)?shù)某?jí)結(jié)點(diǎn)。其他的SIP功能例如第三方呼叫控制和呼叫傳輸可以用相同的方法實(shí)現(xiàn)。媒介路徑（音頻設(shè)備，編解碼器和傳輸）獨(dú)立于P2P-SIP操作。一些分布式哈希表允許對(duì)多端點(diǎn)并行搜索，不像Chord中的順序搜索。在這種情況下超級(jí)結(jié)點(diǎn)可以擔(dān)當(dāng)背靠背用戶代理并向鄰居端點(diǎn)傳播SIP消息。然而，除非是像美國(guó)的911這種緊急呼叫路由的情況，應(yīng)該避免并行搜索以免網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生泛洪。在實(shí)際的實(shí)施中允許多種P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)（分布式哈希表）相互連接是非常有用的。我們的混合結(jié)構(gòu)允許P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)群和基于服務(wù)器的SIP結(jié)構(gòu)共存。有兩種方法：將一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有的用戶與所有其他網(wǎng)絡(luò)交互注冊(cè)或者在呼叫建立的過(guò)程中在其余的網(wǎng)絡(luò)中定位用戶。前一種方法工作在少量的已知的P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。后一種方法可以使用一個(gè)像DNS這樣的全局命名服務(wù)器或?qū)哟位腜2P-SIP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。第一種情況，每一個(gè)P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)用一個(gè)域名表示。這與基于服務(wù)器的SIP網(wǎng)絡(luò)是沒(méi)有區(qū)別的，域名在那個(gè)網(wǎng)絡(luò)中解析一個(gè)或多個(gè)自舉結(jié)點(diǎn)4。第二種情況，用P2P-SIP代替DNS來(lái)解析域名。例如，單獨(dú)的大的組織可以有本地P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)與全局（公共）P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)連接，如圖3所示。本地特定域的DHT有典型的服務(wù)結(jié)點(diǎn)，這些結(jié)點(diǎn)在全局DHT中也是可達(dá)的。例如，在全局DHT中映射到結(jié)點(diǎn)A和C。特定域DHT中的任何結(jié)點(diǎn)可以到達(dá)全局DHT，全局DHT中的任何結(jié)點(diǎn)可以經(jīng)由域中的典型服務(wù)結(jié)點(diǎn)到達(dá)特定域DHT。圖3混合系統(tǒng)舉例混合結(jié)構(gòu)允許用戶在她的提供者可用的情況下用她的提供者注冊(cè)，也可以用P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。呼叫建立在可以用DNS解析時(shí)被發(fā)送到SIP目的地，同樣也可以用P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。3設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)3.1命名結(jié)點(diǎn)和用戶標(biāo)識(shí)符是用SIP通用資源標(biāo)志符（URI）表示的。例如，如果一個(gè)結(jié)點(diǎn)在傳輸?shù)刂?8054上監(jiān)聽(tīng)SIP消息并且Chord的哈希函數(shù)給出的鍵值是17，結(jié)點(diǎn)的URI就是sip:17:8054。域中的一個(gè)不知道傳輸?shù)刂返慕Y(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符或鍵值（例如10）表示為sip:10。每一個(gè)局部的P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)用一個(gè)DNS域名表示，example.invalid用于沒(méi)有域的鍵，例如全局DHT中的鍵。這樣的結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符對(duì)于DHT的維護(hù)是有用的，例如，查詢另外一個(gè)結(jié)點(diǎn)的傳輸?shù)刂穪?lái)成為這個(gè)結(jié)點(diǎn)的指針表的入口。用戶標(biāo)識(shí)符可以由系統(tǒng)隨機(jī)分配，或由用戶選擇一個(gè)鑒定名（如,）或者用戶選擇她的有效email地址(如)。前兩種方法允許用戶選擇密碼，但是不清楚P2P結(jié)點(diǎn)怎樣從用戶那里得到密碼。我們使用最后一種方法，因?yàn)樗试S系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)密碼并email給用戶用作驗(yàn)證。前兩種方法，如果密碼由系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生并且SIPREGISTER請(qǐng)求消息的連接頭里有email地址，密碼可以發(fā)給用戶。3.2認(rèn)證當(dāng)一個(gè)用戶第一次登陸P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)時(shí)，我們需要驗(yàn)證用戶的標(biāo)識(shí)符是有效的并且確實(shí)屬于該用戶。沒(méi)有公共密鑰結(jié)構(gòu)（PKI），系統(tǒng)可以產(chǎn)生一個(gè)新的密碼并用email發(fā)送給用戶。這個(gè)密碼在后來(lái)的撥入當(dāng)中用于注冊(cè)驗(yàn)證?？梢允褂靡粋€(gè)可用的生存時(shí)間，比如一個(gè)月。當(dāng)用戶隨后再登陸時(shí)這些信息被刷新。3.3SIP消息SIPREGISTER消息被結(jié)點(diǎn)既用于用戶注冊(cè)也用于DHT的維護(hù)。用戶注冊(cè)消息類似于基于服務(wù)器的注冊(cè)，To頭表示用戶標(biāo)識(shí)符，Contact頭表示用戶的聯(lián)系位置。結(jié)點(diǎn)將SIPREGISTER消息用于兩種情況：查詢和更新。如果消息中有Contact頭，則是更新請(qǐng)求表示發(fā)送者想更新To頭中用戶標(biāo)識(shí)符的綁定；否則就是一個(gè)查詢請(qǐng)求，發(fā)送者請(qǐng)求獲得To頭中用戶標(biāo)識(shí)符的Contact信息；在一個(gè)P2P-SIP結(jié)點(diǎn)的Chord網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的Contact信息包括它自己的傳輸?shù)刂?，后繼結(jié)點(diǎn)地址和前導(dǎo)結(jié)點(diǎn)地址。3.4DHT發(fā)現(xiàn)和加入結(jié)點(diǎn)發(fā)送SIPREGISTER消息使用sip:5（SIPREGISTER組播IPv4地址）作為請(qǐng)求URI，To頭作為本地結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符來(lái)發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)中的其他P2P-SIP端點(diǎn)。也可以使用像服務(wù)定位協(xié)議（SLP）和預(yù)配置的自舉結(jié)點(diǎn)地址這樣的額外機(jī)制。結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)發(fā)現(xiàn)的端點(diǎn)地址列表用于以后的重新啟動(dòng)。一旦結(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)一個(gè)端點(diǎn)，它通過(guò)發(fā)送一個(gè)以To頭作為此結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符的SIPREGISTER查詢給那個(gè)端點(diǎn)加入DHT。成功的應(yīng)答包括現(xiàn)存的DHT中的此結(jié)點(diǎn)的后繼和前導(dǎo)，結(jié)點(diǎn)可以用來(lái)更新它的Chord數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)點(diǎn)一旦知道它在Chord環(huán)里的鄰居，就向它們（后繼和前導(dǎo)）發(fā)送SIPREGISTER更新，這樣就可以更新它們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Chord的穩(wěn)定性是通過(guò)周期性的發(fā)送SIPREGISTER消息更新后繼和前導(dǎo)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及查詢指針表入口以校驗(yàn)本地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3.5SIP消息路由Chord里的每個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)基于它在Chord環(huán)里的位置的鍵空間的一個(gè)子集負(fù)責(zé)。當(dāng)結(jié)點(diǎn)收到一個(gè)SIP請(qǐng)求，它提取出目標(biāo)鍵作為REGISTER請(qǐng)求的To頭URI和其他任何請(qǐng)求的請(qǐng)求URI。對(duì)REGISTER請(qǐng)求，如果目的鍵值屬于這個(gè)結(jié)點(diǎn)的鍵空間，則這個(gè)結(jié)點(diǎn)應(yīng)該是目的鍵的登記者。如果這個(gè)鍵的用戶記錄存在，則發(fā)送一個(gè)成功的應(yīng)答，否則就發(fā)送一個(gè)失敗的應(yīng)答。成功的應(yīng)答包含用戶的連接位置或結(jié)點(diǎn)聯(lián)系（本地傳輸?shù)刂?，后繼和前導(dǎo)地址）分別用于用戶或結(jié)點(diǎn)注冊(cè)。如果結(jié)點(diǎn)收到一個(gè)非REGISTER請(qǐng)求，它為目標(biāo)用戶提供代理或?qū)⒄?qǐng)求重定向到可用的用戶連接位置。如果目標(biāo)鍵值不屬于這個(gè)結(jié)點(diǎn)的鍵空間，則請(qǐng)求被代理到基于Chord算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的下一跳結(jié)點(diǎn)。3.6可靠性Chord通過(guò)存儲(chǔ)（N）個(gè)后繼地址以及在K（常量）個(gè)成功的后繼結(jié)點(diǎn)中復(fù)制鍵來(lái)提供結(jié)點(diǎn)失敗時(shí)的可靠性。在P2P-SIP中，結(jié)點(diǎn)更新應(yīng)答包含所有（N）后繼地址，并且用戶注冊(cè)信息被復(fù)制到K個(gè)后繼結(jié)點(diǎn)中。當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)有序地離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)注銷(xiāo)它的后繼和前導(dǎo)以便他們可以更新Chord數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并把所有的注冊(cè)轉(zhuǎn)移到它的后繼。當(dāng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)異常地失敗時(shí)，它的后繼和前導(dǎo)發(fā)現(xiàn)這個(gè)失敗并且更新他們的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。算法的穩(wěn)定性保證了信息能夠在一段時(shí)間內(nèi)傳播到Chord中的其他相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)。注冊(cè)信息由結(jié)點(diǎn)A傳到結(jié)點(diǎn)B，如果結(jié)點(diǎn)B信任結(jié)點(diǎn)A就可以鑒定結(jié)點(diǎn)A，否則結(jié)點(diǎn)B重新生成一個(gè)密碼并發(fā)送給用戶的email地址。一旦我們擁有一個(gè)P2P名譽(yù)系統(tǒng)，DHT中將只存在可信任的結(jié)點(diǎn)。如果注冊(cè)結(jié)點(diǎn)是惡意的則問(wèn)題仍然存在，而且可能造成拒絕服務(wù)攻擊（DoS）。存儲(chǔ)用戶注冊(cè)信息的P2P-SIP結(jié)點(diǎn)也代理到那個(gè)用戶的呼叫請(qǐng)求。一旦呼叫建立完成，呼叫路徑中就不再需要P2P-SIP結(jié)點(diǎn)。3.7現(xiàn)存SIP電話的適配器一個(gè)SIP用戶代理商可以將P2P-SIP結(jié)點(diǎn)當(dāng)作是輸出代理參與P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。用各種各樣的SIP用戶代理商，例如哥倫比亞大學(xué)的sipc、思科IPphone7960、PingtelIPphone、XtenNetwork的X-Liteclientv2.0和MicrosoftWindowsMessenger，測(cè)試了P2P-SIP適配器SIPPEER。一些電話不像SIP規(guī)范1中說(shuō)的輸出代理應(yīng)該被當(dāng)作預(yù)裝載的路由集那樣執(zhí)行輸出代理。實(shí)際上，如果輸出代理不記錄路由最初的INVITE請(qǐng)求，則后來(lái)的對(duì)話中的請(qǐng)求（例BYE）不應(yīng)該發(fā)送給代理。假定sipc用戶使用P2P-SIP邀請(qǐng)思科phone用戶。呼叫后，bob掛斷。思科phone發(fā)送BYE請(qǐng)求給輸出代理（P2P-SIP結(jié)點(diǎn)）但是請(qǐng)求URI包含alicepc2.examole:5060。因?yàn)檫@個(gè)URI可能沒(méi)有在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)，P2P-SIP結(jié)點(diǎn)可能不能代理請(qǐng)求，這將引起DHT查找失敗。在SIPPEER中通過(guò)在這種情況下代理請(qǐng)求到請(qǐng)求URI代替DHT查找來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。4結(jié)束語(yǔ)我們提出了純P2P結(jié)構(gòu)的SIP電話。除了與現(xiàn)存的SIP結(jié)構(gòu)的互操作性，這個(gè)結(jié)構(gòu)還提供了可靠性和P2P系統(tǒng)固有的擴(kuò)展性。今后還需要在像使用P2P的大規(guī)模應(yīng)用層組播會(huì)議這樣的高級(jí)服務(wù)方面以及像認(rèn)證和計(jì)費(fèi)之類的與PSTN協(xié)同工作的相關(guān)因素方面做更多的研究。參考文獻(xiàn)：1J.Rosenberg,H.Schulzrinne,G.Camarillo,A.R.Johnston,J.Peterson,R.Sparks,M.Handley,andE.Schooler.SIP:sessioninitiationprotocol.RFC3261,InternetEngineeringTaskForce,June2002.2/techreports/2002/HPL-2002-57.html.3I.Stoica,R.Morris,D.K