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基础-SIP基础

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基础-SIP基础

概述

SIP（Session Initiation Protocol，会话初始协议）是一种用于建立、修改和终止多媒体会话的应用层协议，广泛应用于VoIP、视频会议、即时通讯等领域。它采用客户端-服务器模型，通过文本形式的消息进行通信，具有灵活、可扩展和与现有网络协议兼容的特点。本章将从SIP的基本概念、协议结构、核心组件和会话流程等方面，系统介绍SIP机制的基础知识。

知识要点

1. SIP基本概念

1.1 SIP的定义与作用

SIP是由IETF定义的一种信令协议，用于在IP网络中建立、修改和终止多媒体会话。它不负责传输媒体数据，而是通过信令控制会话的建立和管理，媒体数据通常通过RTP/RTCP协议传输。

SIP的主要作用包括：

  • 用户定位：确定通信对方的位置
  • 会话建立：协商会话参数，如媒体类型、编码格式等
  • 会话修改：更改会话参数，如增加媒体流、调整带宽等
  • 会话终止：结束已建立的会话

1.2 SIP与相关协议的关系

  • SDP（Session Description Protocol）：SIP消息体中携带SDP信息，用于描述会话的媒体类型、格式、传输地址等
  • RTP/RTCP：实时传输协议/实时传输控制协议，用于实际媒体数据的传输和质量控制
  • HTTP：SIP的设计借鉴了HTTP的请求-响应模型和文本格式
  • TCP/UDP：SIP消息通常通过UDP传输，也可使用TCP保证可靠性

1.3 SIP URL格式

SIP用户通过SIP URL标识，格式如下：

sip:user@host[:port]
  • user：用户名，可以是电话号码或邮箱地址
  • host：域名或IP地址
  • port：可选，SIP服务器端口，默认5060

示例：

  • sip:alice@example.com
  • sip:10086@192.168.1.1:5061

2. SIP协议结构

2.1 SIP消息类型

SIP消息分为两类：请求消息（Request）和响应消息（Response）。

请求消息：客户端向服务器发送的消息，常用方法包括：

方法作用
REGISTER用户注册，将用户地址与实际位置绑定
INVITE发起会话请求，邀请对方加入会话
ACK确认收到对方的最终响应
BYE终止会话
CANCEL取消未完成的请求
OPTIONS查询服务器能力

响应消息：服务器对请求的回复，包含状态码：

  • 1xx：临时响应，表示请求正在处理
  • 2xx：成功响应，表示请求已被接受
  • 3xx：重定向响应，指示客户端需要进一步操作
  • 4xx：客户端错误
  • 5xx：服务器错误
  • 6xx：全局错误

2.2 SIP消息格式

SIP消息由起始行、头域、空行和消息体组成：

起始行
头域1: 值1
头域2: 值2
...

消息体（可选）

示例：INVITE请求消息

INVITE sip:bob@example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP alicepc:5060;branch=z9hG4bK776asdhds
Max-Forwards: 70
To: Bob <sip:bob@example.com>
From: Alice <sip:alice@example.com>;tag=1928301774
Call-ID: a84b4c76e66710
CSeq: 314159 INVITE
Contact: <sip:alice@alicepc:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 142

v=0
o=alice 2890844526 2890844526 IN IP4 alicepc
 s=-
 c=IN IP4 alicepc
 t=0 0
 m=audio 49172 RTP/AVP 0
 a=rtpmap:0 PCMU/8000

关键头域说明：

  • Via：记录消息传输路径，用于响应消息的返回
  • To：请求的接收者
  • From：请求的发送者，包含一个唯一标签
  • Call-ID：标识一个会话，全局唯一
  • CSeq：命令序列，包含序列号和方法，用于排序请求
  • Contact：提供发送者的实际联系地址

3. SIP核心组件

3.1 用户代理（UA）

用户代理是SIP通信的端点，分为用户代理客户端（UAC）和用户代理服务器（UAS）：

  • UAC：发起SIP请求的客户端（如Alice的软电话）
  • UAS：接收并处理SIP请求的服务器（如Bob的软电话）

一个UA可以同时扮演UAC和UAS的角色，例如在通话过程中，发起方的UA既是INVITE请求的UAC，也是BYE请求的UAS。

3.2 代理服务器（Proxy Server）

代理服务器接收SIP请求并转发给其他服务器，相当于中间路由器，主要功能包括：

  • 请求路由：根据目标地址查找下一跳服务器
  • 认证授权：验证用户身份，控制访问权限
  • 负载均衡：将请求分发到不同的服务器

代理服务器分为有状态和无状态两种：

  • 有状态代理：保存请求和响应的状态信息，支持事务处理
  • 无状态代理：仅转发消息，不保存状态，处理效率高

3.3 注册服务器（Registrar）

注册服务器接收并处理REGISTER请求，维护用户地址与实际位置的映射关系（位置服务数据库）。当用户移动到新的位置时，通过REGISTER消息更新注册信息。

3.4 重定向服务器（Redirect Server）

重定向服务器接收请求后，返回3xx响应，指示客户端直接联系其他服务器。它不转发请求，仅提供路由信息，减轻网络负担。

4. SIP会话流程

4.1 注册流程

用户需要先向注册服务器注册，将其SIP URL与实际网络位置绑定：

  1. UA发送REGISTER请求到注册服务器
  2. 注册服务器验证用户身份
  3. 注册服务器更新位置服务数据库
  4. 返回200 OK响应

4.2 会话建立流程（INVITE流程）

以Alice呼叫Bob为例，SIP会话建立流程如下：

  1. Alice的UA（UAC）发送INVITE请求
  2. 代理服务器转发请求
  3. Bob的UA（UAS）返回180 Ringing（振铃）
  4. Bob接听后，返回200 OK
  5. Alice发送ACK确认
  6. 开始媒体传输（RTP）

4.3 会话终止流程

通话结束时，一方发送BYE请求终止会话：

  1. Alice发送BYE请求
  2. Bob返回200 OK响应
  3. 会话终止，媒体流停止

5. Java中的SIP编程基础

Java中可以通过JAIN-SIP（Java API for Integrated Networks - SIP）规范实现SIP协议通信。以下是一个简单的SIP客户端示例，用于发送INVITE请求：

import javax.sip.*;
import javax.sip.address.*;
import javax.sip.header.*;
import javax.sip.message.*;
import java.util.*;

public class SipClient implements SipListener {
    private SipFactory sipFactory;
    private SipStack sipStack;
    private SipProvider sipProvider;
    private AddressFactory addressFactory;
    private MessageFactory messageFactory;
    private HeaderFactory headerFactory;
    private ListeningPoint listeningPoint;

    public SipClient() throws Exception {
        // 初始化SIP工厂
        sipFactory = SipFactory.getInstance();
        sipFactory.setPathName("gov.nist");

        // 配置SIP栈
        Properties properties = new Properties();
        properties.setProperty("javax.sip.STACK_NAME", "SipClientStack");
        sipStack = sipFactory.createSipStack(properties);

        // 创建地址、消息和头工厂
        addressFactory = sipFactory.createAddressFactory();
        messageFactory = sipFactory.createMessageFactory();
        headerFactory = sipFactory.createHeaderFactory();

        // 创建监听点（UDP，端口5060）
        listeningPoint = sipStack.createListeningPoint("127.0.0.1", 5060, "udp");

        // 创建SIP提供者并注册监听器
        sipProvider = sipStack.createSipProvider(listeningPoint);
        sipProvider.addSipListener(this);
    }

    /**
     * 发送INVITE请求
     * @param toUri 目标SIP URI
     * @param fromUri 源SIP URI
     * @param contactUri 本地联系地址
     */
    public void sendInvite(String toUri, String fromUri, String contactUri) throws Exception {
        // 创建请求行
        URI requestUri = addressFactory.createURI(toUri);
        SipURI sipRequestUri = (SipURI) requestUri;

        // 创建From头
        Address fromAddress = addressFactory.createAddress(fromUri);
        FromHeader fromHeader = headerFactory.createFromHeader(fromAddress, "client-tag-12345");

        // 创建To头
        Address toAddress = addressFactory.createAddress(toUri);
        ToHeader toHeader = headerFactory.createToHeader(toAddress, null);

        // 创建Call-ID头
        CallIdHeader callIdHeader = sipProvider.getNewCallId();

        // 创建CSeq头
        CSeqHeader cSeqHeader = headerFactory.createCSeqHeader(1L, Request.INVITE);

        // 创建Via头
        ViaHeader viaHeader = headerFactory.createViaHeader(
            "127.0.0.1", 5060, "udp", "branch-z9hG4bK-12345");
        List<ViaHeader> viaHeaders = new ArrayList<>();
        viaHeaders.add(viaHeader);

        // 创建Max-Forwards头
        MaxForwardsHeader maxForwardsHeader = headerFactory.createMaxForwardsHeader(70);

        // 创建请求消息
        Request inviteRequest = messageFactory.createRequest(
            sipRequestUri, Request.INVITE, callIdHeader, cSeqHeader, fromHeader,
            toHeader, viaHeaders, maxForwardsHeader);

        // 添加Contact头
        Address contactAddress = addressFactory.createAddress(contactUri);
        ContactHeader contactHeader = headerFactory.createContactHeader(contactAddress);
        inviteRequest.addHeader(contactHeader);

        // 添加Content-Type头（SDP）
        ContentTypeHeader contentTypeHeader = headerFactory.createContentTypeHeader(
            "application", "sdp");
        inviteRequest.setContent(
            createSdpContent(), contentTypeHeader);

        // 发送请求
        ClientTransaction clientTransaction = sipProvider.getNewClientTransaction(inviteRequest);
        clientTransaction.sendRequest();
        System.out.println("INVITE请求已发送");
    }

    /**
     * 创建SDP内容
     */
    private String createSdpContent() {
        StringBuilder sdp = new StringBuilder();
        sdp.append("v=0\n");
        sdp.append("o=client 12345 67890 IN IP4 127.0.0.1\n");
        sdp.append("s=SIP Call\n");
        sdp.append("c=IN IP4 127.0.0.1\n");
        sdp.append("t=0 0\n");
        sdp.append("m=audio 49172 RTP/AVP 0\n");
        sdp.append("a=rtpmap:0 PCMU/8000\n");
        return sdp.toString();
    }

    // SIP事件处理方法（省略实现）
    @Override
    public void processRequest(RequestEvent requestEvent) {}

    @Override
    public void processResponse(ResponseEvent responseEvent) {
        Response response = responseEvent.getResponse();
        System.out.println("收到响应: " + response.getStatusCode());
    }

    @Override
    public void processTimeout(TimeoutEvent timeoutEvent) {}

    @Override
    public void processIOException(IOExceptionEvent exceptionEvent) {}

    @Override
    public void processTransactionTerminated(TransactionTerminatedEvent transactionTerminatedEvent) {}

    @Override
    public void processDialogTerminated(DialogTerminatedEvent dialogTerminatedEvent) {}

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        SipClient client = new SipClient();
        client.sendInvite(
            "sip:bob@127.0.0.1:5060",
            "sip:alice@127.0.0.1:5060",
            "sip:alice@127.0.0.1:5060");
    }
}

代码说明：

  • 使用JAIN-SIP API创建SIP栈、监听点和消息工厂
  • 构建INVITE请求，包含必要的头域和SDP媒体描述
  • 通过ClientTransaction发送请求
  • 实现SipListener接口处理响应和事件

知识扩展

设计思想

SIP的设计遵循以下核心思想：

  1. 简洁性：仅关注会话信令控制，媒体传输由其他协议处理
  2. 模块化：通过不同组件（UA、代理服务器、注册服务器等）实现不同功能
  3. 灵活性：支持多种网络环境和传输协议，易于扩展
  4. 用户中心：以用户为中心而非设备，支持移动性

避坑指南

1. 网络地址转换（NAT）问题

SIP消息中的Contact头域通常包含内网IP地址，导致外部网络无法访问。解决方案：

  • 使用STUN/TURN服务器获取公网地址
  • 配置NAT端口映射
  • 采用SIP ALG（应用层网关）设备

2. 消息重传与超时

UDP传输不可靠，SIP依赖重传机制保证可靠性：

  • 临时响应（1xx）不重传
  • 请求消息在未收到响应时会重传，重传间隔指数增长
  • 实现时需正确处理重传消息，避免重复处理

3. 状态码处理

正确理解和处理不同状态码：

  • 180 Ringing表示被叫振铃，而非通话建立
  • 486 Busy Here表示被叫忙
  • 401 Unauthorized需要重新发送带认证信息的请求

深度思考题

思考题1：SIP协议与HTTP协议有哪些异同点？

参考答案：

相同点：

  • 均为应用层协议，基于请求-响应模型
  • 均使用文本格式的消息
  • 均支持URI标识资源
  • 均使用头域传递附加信息

不同点：

  • 用途：SIP用于会话控制，HTTP用于数据传输
  • 状态性：HTTP通常是无状态的，SIP支持有状态会话
  • 连接性：HTTP基于TCP，SIP可使用UDP或TCP
  • 方法：HTTP方法（GET、POST等）与SIP方法（INVITE、BYE等）语义不同
  • 响应处理：SIP支持临时响应（1xx），HTTP无类似机制

思考题2：如何在Java中实现一个简单的SIP注册客户端？

参考答案： 实现SIP注册客户端需要以下步骤：

  1. 初始化SIP栈和必要的工厂类
  2. 创建REGISTER请求，包含To、From、Call-ID、CSeq等头域
  3. 添加认证信息（如果服务器要求）
  4. 发送请求并处理响应
  5. 定期刷新注册（注册有有效期）

关键代码示例：

public void sendRegister(String registrarUri, String fromUri, String contactUri) throws Exception {
    // 创建请求行
    URI requestUri = addressFactory.createURI(registrarUri);
    SipURI sipRequestUri = (SipURI) requestUri;

    // 创建From头
    Address fromAddress = addressFactory.createAddress(fromUri);
    FromHeader fromHeader = headerFactory.createFromHeader(fromAddress, "reg-tag-54321");

    // 创建To头
    Address toAddress = addressFactory.createAddress(fromUri); // To与From相同
    ToHeader toHeader = headerFactory.createToHeader(toAddress, null);

    // 创建Call-ID、CSeq、Via等头（与INVITE类似）
    // ...

    // 创建Expires头（注册有效期，单位秒）
    ExpiresHeader expiresHeader = headerFactory.createExpiresHeader(3600);

    // 创建REGISTER请求
    Request registerRequest = messageFactory.createRequest(
        sipRequestUri, Request.REGISTER, callIdHeader, cSeqHeader, fromHeader,
        toHeader, viaHeaders, maxForwardsHeader);

    registerRequest.addHeader(contactHeader);
    registerRequest.addHeader(expiresHeader);

    // 发送注册请求
    ClientTransaction clientTransaction = sipProvider.getNewClientTransaction(registerRequest);
    clientTransaction.sendRequest();
    System.out.println("REGISTER请求已发送");
}

定期刷新注册可通过定时器实现，在注册即将过期前重新发送REGISTER请求。

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