SIP協(xié)議與視頻通信分析

1、SIP協(xié)議與視頻通信關(guān)鍵字：SIP視頻通信H.323 摘要：文章簡(jiǎn)要概述現(xiàn)有視頻通信技術(shù)，包括H.320與H.323應(yīng)用。然后介紹IETF可以用于視頻通信的協(xié)議：SIP。在SIP介紹中首先描述SIP協(xié)議的歷史，然后描述SIP的組成部件。明確部件后舉例說明了一個(gè)SIP呼叫建立的流程。在第四部分通過與H.323協(xié)議族比較來說明SIP用于視頻通信的優(yōu)劣。最后指出SIP協(xié)議用于視頻通信的前景。 引言 溝通是人類生存的基本需求，通信已成為現(xiàn)代生活中必不可少的內(nèi)容。在任何時(shí)間，任何地點(diǎn)與人和人通信是電信發(fā)展的目標(biāo)。通信技術(shù)發(fā)展到今天，電話網(wǎng)幾乎覆蓋全球。語音通信(電話)似乎已基本達(dá)到上述目標(biāo)。但是隨著技術(shù)

2、的發(fā)展，人們已不滿足僅僅語音通信。大規(guī)模視頻通信已成為下一階段信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。雖然電視會(huì)議已出現(xiàn)二十多年，當(dāng)前不但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)而且有成熟的產(chǎn)品；但是由于種種原因一直沒有得到象電話那樣的普遍應(yīng)用。視頻通信似乎一直是一座未被足量開采的金礦。隨著傳輸技術(shù)的發(fā)展，帶寬資源已不是瓶頸；隨著一場(chǎng)SARS的肆虐，視頻通信又成為熱點(diǎn)。隨著SIP協(xié)議的出現(xiàn)，視頻通信在技術(shù)上又有了新的發(fā)展動(dòng)力。 視頻通信協(xié)議概述 基于H.320的視頻應(yīng)用 傳統(tǒng)會(huì)議電視利用以電話網(wǎng)2M或者1.544M直聯(lián)數(shù)字線路連接終端會(huì)議電視設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻、視頻和數(shù)據(jù)信息的傳送。通過使用多點(diǎn)控制器，可以在一塊控制板具備所有主會(huì)場(chǎng)的操作切換功能

3、。最初會(huì)議電視廠家以各自專用的壓縮和通信算法進(jìn)行生產(chǎn)，各個(gè)會(huì)議電視廠家產(chǎn)品無法互聯(lián)互通。 隨著ITU-T推出H.320協(xié)議，上述問題得到很大程度的解決。H.320是同步電路交換網(wǎng)(如ISDN)上現(xiàn)頻傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。電路交換網(wǎng)適用于實(shí)時(shí)應(yīng)用，如長時(shí)間和具有確定延遲的音頻和視頻信號(hào)傳遞。電路的建立依賴于帶外信令、集中的路由控制和昂貴的交換設(shè)備。使用H.320協(xié)議，電話網(wǎng)上中商用會(huì)議電視的理想電路是384 kbps。使用384kbps的電路可以以合理的成本提供高質(zhì)量的音頻和視頻信號(hào)。采用2M或者1.544M的中繼直連當(dāng)然很容易滿足上述帶寬要求，但是作等于建立專網(wǎng)，價(jià)格將令用戶難以承受。 由于電話網(wǎng)絡(luò)中繼

4、價(jià)格不斷下降以及大量既成事實(shí)的基于H.320的電視會(huì)議應(yīng)用，雖然H.320通信成本相對(duì)于現(xiàn)有的其它方式稍顯昂貴，但其市場(chǎng)仍將在未來數(shù)年里繼續(xù)成長盡管其成長是緩慢的。 基于H.323協(xié)議的視頻應(yīng)用 H.323是國際電信聯(lián)盟制定的局域網(wǎng)上的多媒體通信系列標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議專門為不提供服務(wù)質(zhì)量(QOS)保證的局域網(wǎng)技術(shù)制定，例如運(yùn)行于以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)(Token Ring)上的TCPIP和IPX。盡管H.323協(xié)議特別為局域網(wǎng)制定，只要帶寬時(shí)延滿足要求同樣可以應(yīng)用在更大范圍例如城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。1997年5月，國際電信聯(lián)盟第15研究小組重新定義了H.323，它成為在“不保證服務(wù)質(zhì)量的分組交換網(wǎng)上

5、傳遞信息的多媒體通信系統(tǒng)”的標(biāo)準(zhǔn)。 H.323是在H.320的基礎(chǔ)上建立起來。增加了的一些功能是由分組交換網(wǎng)絡(luò)代替電路交換網(wǎng)絡(luò)所帶來的，另一些功能則是由壓縮算法和信令技術(shù)的發(fā)展帶來的。H.323協(xié)議在規(guī)定了與H.320相同的視音頻壓縮算法的同時(shí)又補(bǔ)充了一些新的算法。 H.323是一個(gè)龐大的協(xié)議族，主要定義的四個(gè)部分：終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守和多點(diǎn)控制單元： l終端：在基于IP的網(wǎng)絡(luò)上是一個(gè)客戶端點(diǎn)。它需要支持下面3項(xiàng)功能：支持信令和控制；支持實(shí)時(shí)通信；支持編碼，即傳前壓縮，收后進(jìn)行解壓縮。 l網(wǎng)關(guān)：提供在包交換網(wǎng)絡(luò)和電路交換網(wǎng)絡(luò)(SCN，Switch Circuit Network)之間的一個(gè)連接。

6、l網(wǎng)守：在H.323系統(tǒng)中是可選的，但如果出現(xiàn)，它們就具有某些強(qiáng)制性的功能，網(wǎng)守完成地址翻譯、接納控制、帶寬控制、域管理4個(gè)必須功能。網(wǎng)守還支持呼叫控制信令、呼叫鑒權(quán)、帶寬管理和呼叫管理4個(gè)可選的功能。 l多點(diǎn)控制單元(MCU)：多點(diǎn)控制單元支持3個(gè)以上的端用戶進(jìn)行會(huì)話。典型的MCU包括一個(gè)多點(diǎn)控制器(MC)和若干個(gè)(也可以沒有)多點(diǎn)處理器(MP)。MC提供控制功能，如終端之間的協(xié)商。MP完成會(huì)話中的媒體流的處理，如話音的混合、話音視頻的交換。 H.323是一個(gè)復(fù)雜而龐大的協(xié)議族，現(xiàn)階段是視頻應(yīng)用的主流技術(shù)。然而由于其過于復(fù)雜，現(xiàn)在正受到基于SIP協(xié)議視頻應(yīng)用的挑戰(zhàn)。 SIP協(xié)議簡(jiǎn)介 SIP概

7、述 SIP (Session Initiation Protocal)稱為會(huì)話初始協(xié)議，是由IETF(Internet Engineering Task Force)組織于1999年提出的一個(gè)在基于IP網(wǎng)絡(luò)中，特別是在Internet這樣一種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊應(yīng)用的一種信令協(xié)議。而所謂的會(huì)話(Session)，就是指用戶之間的數(shù)據(jù)交換。在基于SIP協(xié)議的應(yīng)用中，每一個(gè)會(huì)話可以是各種不同類型的內(nèi)容，可以是普通的文本數(shù)據(jù)，也可以是經(jīng)過數(shù)字化處理的音頻、視頻數(shù)據(jù)，還可以是諸如游戲等應(yīng)用的數(shù)據(jù)，應(yīng)用具有巨大的靈活性。 作為一個(gè)IETF提出的標(biāo)準(zhǔn)，SIP協(xié)議在很大程度上借鑒了其他各種廣泛存在

8、的Internet協(xié)議，如HTTP(超文本傳輸協(xié)議)、SMTP(簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議)等，和這些協(xié)議一樣SIP也采用的基于文本的編碼方式，這也是SIP協(xié)議同視頻通訊領(lǐng)域其他現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)相比最大的特點(diǎn)之一。 SIP協(xié)議的提出和發(fā)展，是伴隨著Internet的發(fā)展而發(fā)展的，到目前為止它走過了一下幾個(gè)階段： n1996年首先出現(xiàn)了SIP的概念，這時(shí)SIP的主要應(yīng)用是針對(duì)Internet上的各種文本應(yīng)用，如電子郵件、文字聊天等； n1999年3月，ITEF的多方多媒體會(huì)話控制(MMUSIC)工作組提出了RFC2543建議，供各廠商和機(jī)構(gòu)討論； n1999年9月，SIP工作組從MMUSIC中分離并獨(dú)立出來，成立

9、了SIP工作組，并與2000年7月發(fā)表了SIP的草案； n2002年6月，ITEF的SIP工作組又發(fā)表了RFC3261建議，以取代RFC2543。 由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以及相關(guān)多媒體技術(shù)的不足，在SIP協(xié)議首次提出的時(shí)候，僅僅針對(duì)各種文本應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，并通過和IETF中IP電話工作組(IPTEL)、IP網(wǎng)中電話選路(TRIP)工作組等兄弟工作組配合工作，在SIP協(xié)議中大大加強(qiáng)了對(duì)多媒體通訊的支持。 由于Internet的飛速發(fā)展，在最近的兩年時(shí)間內(nèi)，SIP已經(jīng)開始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織)，IMTE等各種標(biāo)準(zhǔn)化組織所接受，并在這些組織中成立了與SIP相關(guān)的工

10、作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員，在多年發(fā)展H323應(yīng)用的基礎(chǔ)上，針對(duì)SIP應(yīng)用在視頻領(lǐng)域的特點(diǎn)，提出了SIP的應(yīng)用指導(dǎo)，并推出了相應(yīng)的SIP協(xié)議棧，使得ITU的成員實(shí)現(xiàn)了這兩種協(xié)議之間的互通性。 SIP系統(tǒng)基本組成 按邏輯功能區(qū)分，SIP系統(tǒng)由4種元素組成：用戶代理，SIP代理服務(wù)器，重定向服務(wù)器以及SIP注冊(cè)服務(wù)器。 lSIP用戶代理：又稱為SIP終端，是SIP系統(tǒng)中的最終用戶，在RFC3261中將它們定義為一個(gè)應(yīng)用。根據(jù)它們?cè)跁?huì)話中扮演的角色的不同，又可分為用戶代理客戶機(jī)(UAC)和用戶代理服務(wù)器(UAS)兩種。其中前者用于發(fā)起呼叫請(qǐng)求，后者用于響應(yīng)呼叫請(qǐng)求。 lSIP代理服

11、務(wù)器(SIP Proxy Server)：是一個(gè)中間元素，它既是一個(gè)客戶機(jī)又是一個(gè)服務(wù)器，具有解析名字的能力，能夠代理前面的用戶向下一跳服務(wù)器發(fā)出呼叫請(qǐng)求。然后服務(wù)器決定下一跳的地址。 l重定向服務(wù)器(Redirect Server)：是一個(gè)規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務(wù)器，在獲得了下一跳的地址后，立刻告訴前面的用戶，讓該用戶直接向下一跳地址發(fā)出請(qǐng)求而自己則退出對(duì)這個(gè)呼叫的控制。 lSIP注冊(cè)服務(wù)器(SIP Register Server)：用來完成對(duì)UAS的登錄，在SIP系統(tǒng)的網(wǎng)元中，所有UAS都要在某個(gè)登錄服務(wù)器中登錄，以便UAC通過服務(wù)器能找到它們。 下面是一個(gè)SIP呼叫建立過程的示意圖： 圖

12、1 SIP呼叫建立過程 1)SIP用戶代理向SIP代理服務(wù)器發(fā)送呼叫建立請(qǐng)求(INVITE)；2)SIP代理服務(wù)器向重定向服務(wù)器發(fā)送呼叫建立請(qǐng)求； 3)重定向服務(wù)器返回重定向消息； 4)SIP代理服務(wù)器向重定向服務(wù)器指定的SIP代理服務(wù)器發(fā)送呼叫建立請(qǐng)求； 5)被請(qǐng)求的SIP代理服務(wù)器使用非SIP協(xié)議例如域名查詢或者LDAP等到定位服務(wù)器查詢被叫位置； 6)定位服務(wù)器返回被叫位置(被叫SIP代理服務(wù)器)； 7)被請(qǐng)求的SIP代理服務(wù)器向被叫SIP代理服務(wù)器發(fā)送呼叫建立請(qǐng)求； 被叫SIP代理服務(wù)器向SIP用戶代理(被叫)發(fā)呼叫建立請(qǐng)求(被叫振鈴或顯示)； 9)被叫用戶代理向被叫SIP用戶代理服務(wù)

13、器發(fā)同意或拒絕； 10)被叫用戶代理服務(wù)器向主叫代理服務(wù)器所請(qǐng)求的代理服務(wù)器發(fā)同意或拒絕； 11)主叫代理服務(wù)器所請(qǐng)求的代理服務(wù)器向主教代理服務(wù)器發(fā)同意或拒絕； 12)主叫代理服務(wù)器向主叫SIP用戶代理指示被叫是否同意呼叫請(qǐng)求。 呼叫建立后雙方根據(jù)協(xié)商得到的媒體和壓縮算法等信息相互通訊。呼叫拆除過程類似于建立過程，在這里不再描述。 SIP用于視頻通信的優(yōu)勢(shì)與問題 由于SIP協(xié)議與H.323協(xié)議族都基于分組交換網(wǎng)絡(luò)，而當(dāng)前分組交換網(wǎng)上最成熟的視頻通信系統(tǒng)都基于H.323協(xié)議族。所以使用SIP協(xié)議的視頻通信系統(tǒng)不可避免地需要和H.323系統(tǒng)比較來得到優(yōu)勢(shì)與不足。雖然SIP協(xié)議和H.323協(xié)議族并不

14、是誰替代誰的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，但是通過比較得到的優(yōu)勢(shì)和不足可以幫助我們?cè)诓煌臈l件下作出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。 l協(xié)議功能模塊比較 SIP協(xié)議功能模塊中用戶代理等價(jià)于一個(gè)H.323的終端(或者分組交換網(wǎng)絡(luò)側(cè)的網(wǎng)關(guān))，SIP服務(wù)器則等價(jià)于H.323的網(wǎng)守。另外，SIP類似H.323中的RAS和Q.931協(xié)議，而SDP則相當(dāng)于H.245。在IETF的SIP體系結(jié)構(gòu)中，媒體流的承載采用了RTP協(xié)議，這是和H.323一樣的。所以，H.323與IETF的SIP主要的不同在于呼叫信令和控制是如何實(shí)現(xiàn)的。 l基本呼叫的建立和拆除 H.323第二版的呼叫建立是基于可靠的傳輸協(xié)議-TCP協(xié)議，所以呼叫建立需要兩個(gè)連接階段：TC

15、P連接建立和呼叫連接建立。而在H.323第三版，支持TCP和UDP，因此簡(jiǎn)化了呼叫建立過程。SIP的呼叫建立類似H.323第三版的處理過程，使用INVITE信息包。呼叫拆除的過程與呼叫建立相反，主叫和被叫都能拆線，H.323協(xié)議采用RELEASE COMPLETE，SIP協(xié)議采用BYE。 l呼叫控制業(yè)務(wù) SIP和H.323都支持呼叫保持、呼叫轉(zhuǎn)移、呼叫前轉(zhuǎn)、呼叫等待、電話會(huì)議和其他補(bǔ)充業(yè)務(wù)。以呼叫保持為例：H.323定義了近點(diǎn)呼叫保持和遠(yuǎn)點(diǎn)呼叫保持兩種保持業(yè)務(wù)的場(chǎng)景。網(wǎng)守僅僅透明地傳送SS-HOLD。而SIP實(shí)現(xiàn)同樣的功能，只要向需要呼叫保持的一方發(fā)送一個(gè)更改了SDP描述的INCVITE命令即

16、可。更改的SDP描述段僅將媒體發(fā)送的目的地址變?yōu)榭?，而其他的?nèi)容不變。收到該用戶的UA，讓呼叫保持，直到有新的INVITE到來為止。 lSIP的第三方控制 第三方控制是指不參與會(huì)話的第三者具有建立呼叫的能力，這個(gè)業(yè)務(wù)特征目前只有SIP具有。H.323也在進(jìn)行試圖添加同樣的業(yè)務(wù)功能的工作。第三方控制有很多應(yīng)用場(chǎng)合，包括秘書為經(jīng)理撥號(hào)、電話營銷的自動(dòng)撥號(hào)、參加者呼叫轉(zhuǎn)移和呼叫中心業(yè)務(wù)。 第三方控制是SIP值得很好利用的業(yè)務(wù)特征。由于SIP的這一特性，ITU-T和IETF在實(shí)現(xiàn)PINT(IN和因特網(wǎng)互通)業(yè)務(wù)時(shí)都采用了SIP協(xié)議。 l能力交換 能力交換的就是彼此交流各自對(duì)媒體流的處理能

17、力，確定雙方共有的能力，從而確保多媒體信號(hào)被雙方接受。H.323采用H.245協(xié)議進(jìn)行能力交換。終端的所有能力都描述在一組Capability Descriptor結(jié)構(gòu)中，它們的每個(gè)項(xiàng)是一個(gè)Simultaneous Capabilities結(jié)構(gòu)和一個(gè)Capability Decriptor Number。借助這種結(jié)構(gòu)，每個(gè)終端能力的精確信息被表示在相關(guān)的緊縮結(jié)構(gòu)中。 SIP使用SDP來進(jìn)行能力交換，主叫方使用一個(gè)OPTION需求去找出被叫，當(dāng)前，SIP還不如H.245有完整靈活的協(xié)商能力，因?yàn)槭苤朴赟DP的表達(dá)方式，例如SIP不支持不對(duì)稱能力交換(只收或只發(fā))以及聲頻和視頻編碼的并發(fā)能力。 l

18、服務(wù)質(zhì)量 服務(wù)質(zhì)量包含很多不同方面的指標(biāo)，一個(gè)和多媒體流相關(guān)的QOS參數(shù)包括帶寬、最大時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)和包丟失率。另外，還有呼叫建立時(shí)延影響感覺的QOS，它在很大程度上依賴于信令協(xié)議。呼叫時(shí)延也依賴所用的承載信令信息的傳輸協(xié)議，尤其是在信令信息丟失需要重傳的時(shí)候。所以，對(duì)于媒體流，我們首先考慮信令協(xié)議對(duì)QOS的支持，然后再考察呼叫建立時(shí)延，因?yàn)楹艚薪r(shí)延受錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤糾正機(jī)制的影響。 l媒體流的QOS支持 在H.323中，網(wǎng)守提供一組豐富的控制和管理功能，包括地址翻譯、接納控制、帶寬控制和地域管理；網(wǎng)守中還提供呼叫控制信令、呼叫簽權(quán)、帶寬管理和呼叫管理等選擇功能。SIP它自身不支持管理和控制

19、功能，而是依賴于別的協(xié)議。 近年來，新的分級(jí)服務(wù)體系結(jié)構(gòu)開始引人注目，H.323第三版能提供某些基于QOS協(xié)商參數(shù)(位流速、時(shí)延、抖動(dòng))的分級(jí)服務(wù)，在呼叫初始化時(shí)，終端可以申請(qǐng)擔(dān)保的服務(wù)、受控服務(wù)和無指明服務(wù)的一種，SIP和H.323老版本均不支持類似的服務(wù)。 l呼叫建立時(shí)延 H.323第一版在呼叫建立時(shí)延時(shí)很大。第二版大大改進(jìn)，而第三版則更好。SIP在呼叫建立時(shí)非常類似于H.323第三版，然而，如果UDP呼叫建立失敗，則H.323第三版要好于SIP，H.323第三版幾乎同時(shí)建立一個(gè)UDP的連接和一個(gè)TCP連接，它提供一個(gè)有效的機(jī)制，如果UDP連接成功則關(guān)閉TCP連接；否則，立刻啟用TCP。S

20、IP是順序地操作UDP和TCP，如果UDP失敗，則會(huì)增加呼叫建立時(shí)延。 l環(huán)路檢測(cè) 為防止環(huán)路，H.323定義PathValue域來指出信令信息在丟棄前可達(dá)到的最大數(shù)目。問題是定義一個(gè)適用的值很關(guān)鍵。此外網(wǎng)絡(luò)變化后，這個(gè)值也要相應(yīng)改。 SIP采用了via頭字段，檢查其內(nèi)容，如果新端點(diǎn)已出現(xiàn)在via列表中，則表示有環(huán)路了。SIP的方法好于H.323。 l互操作性 版本之間的互操作性： H.323的完整的后向兼容性使所有的不同H.323版本都能實(shí)現(xiàn)無縫集成。 在SIP方面，新版本可能使某些舊功能不再被實(shí)現(xiàn)。 與其他信令協(xié)議的互操作性： 要支持傳統(tǒng)的電信業(yè)務(wù)，VOIP信令協(xié)議必須支持ISDN和七號(hào)信

21、令，Q.931接口用于User-Network接口(UNI)和ISUP用于Network-Network(NNI)，然而，由于H.323的呼叫建立只是七號(hào)信令I(lǐng)SUP的一個(gè)子集，所以H.323只能部分地轉(zhuǎn)換七號(hào)信令的信息。H.32X系列定義了其他互操作協(xié)議，如H.320用于ISDN和B-ISDN，H.324用于GSTN。 SIP協(xié)議目前的版本不提供No.7信令的翻譯，但有不少Internet的協(xié)議草案在進(jìn)行這方面的工作。而且隨著軟交換概念的提出和發(fā)展，SIP受到重視，SIP有可能作為軟交換設(shè)備之間的信令協(xié)議，成為各種信令互操作的紐帶。 l實(shí)現(xiàn)的難易性 H.323信令信息是符合ASN.1PER的二進(jìn)制編碼。需要特殊的編解碼器。 SIP信息是基于文本的，采用ISO10646以UTF-8編碼?；谖谋镜木幋a很容易用Java，Tcl和Perl等語言來實(shí)現(xiàn)，調(diào)試方便。 SIP協(xié)議在視頻通信中的應(yīng)用 SIP協(xié)議是一個(gè)建立會(huì)話的協(xié)議