SIP协议信令的跟踪及开发
SIP协议信令的跟踪及开发
VoIP 电话不仅具有成本低廉、网络资源利用率高等诸多优点，而且还可以进一步集成多媒体信息（包括语音、图像、数据等），以实现交互式的实时通信等，具有很大的发展潜力，且有逐渐取代传统PSTN 电话的趋势，成为NGN（Next General Network）中语音信息传输的主要形式。
SIP 协议是一个基于应用层的客户服务器协议，用于发起和管理用户间的会话。SIP 终端系统称为用户代理，即UA（User Agent），含用户代理客户机UAC(User Agent C1ient)和用户代理服务器UAS(User Agent sever)两部分。中间单元称为代理服务器(proxy)。它的消息分为两大类：从客户端到服务器的请求(Request)和从服务器到客户端的响应(Response)。无论请求消息还是响应消息都是由起始行、消息头部和可选的消息体构成.
目前构建IP 电话系统结构的信令协议主要有H.323 协议和SIP 协议，二者完全平行，互不兼容。H.323 协议是为多媒体会议系统而提出的。该协议采用传统电信网络繁琐的信令概念，非常庞大，无论从实现技术手段，还是使用和管理方法上都十分复杂。而SIP 协议则是以现有的Internet 协议为基础来构架IP 电话业务网的应用层协议。它将网络设备的复杂性推向网络边缘，支持单播、多播通信、名称映射和重定向业务，还支持类似呼叫转发、呼叫拒绝等电信业务的实现以及支持用户移动性。与H.323 相比，SIP 更适用于智能用户终端，使用更加灵活，掌握更加容易。基于SIP的软交换系统不仅能提供基本语音业务，还能提供视频、消息、游戏等各种数据业务，其简单、灵活、高效、开放等特点成为下一代网络研究的主要方向。 SIP的一个重要特点是它不定义会话类型而只定义应该如何管理会话，这种灵活性就使SIP应用于各种应用和服务，如交互式游戏、音乐和视频点播以及视频Web会议。 20191110225034
关键字： SIP协议 IP电话 软交换
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.1.1 软交换概念 1
1.1.2 软交换体系结构 2
1.1.3 软交换的功能 2
1.2 基于软交换的VOIP 3
1.2.1 当前VoIP网络 4
1.2.2 软交换网络的VoIP实现 5
1.2.3 优势分析 6
第2章 技术简介 8
2.1 SIP信息介绍 8
2.1.1 SIP消息结构 8
2.1.2 SIP消息类型 8
2.2 SIP协议简介 11
2.2.1 SIP协议发展 11
2.2.2 SIP协议概述 12
2.2.3 SIP协议的组成 12
2.3 SIP协议系统组成 13
第3章 SIP会话实验系统 15
3.1 实验系统组成部件 15
3.1.1 软交换系统 15
3.1.2 VOIP网关 16
3.1.3 IP网络电话机 16
3.1.4 IP软电话 17
3.1.5 操作维护台 17
3.1.6 监视台 17
3.2 系统功能 17
3.2.1 基本呼叫功能 17
3.2.2 补充业务 18
3.3 维护管理功能 18
第4章 SIP信令跟踪 19
4.1 SIP协议跟踪分析 19
4.1.1 SIP协议跟踪INVITE 19
4.1.2 SIP协议跟踪 180 Ringing 21
4.1.3 SIP信令协议跟踪 200 OK 22
4.1.4 SIP信令协议跟踪 ACK 23
4.1.5 SIP信令协议跟踪 BYE 25
4.1.6 SIP信令协议跟踪 200 OK 26
第5章 SIP基本消息流程 27
5.1 SIP终端注册原理 27
5.2 SIP会话构成 28
5.3 SIP呼叫流程 28
5.3.1 注册流程 28
5.3.2 注销流程 29
5.3.3 基本呼叫建立过程 30
5.3.4 会话更改流程 31
5.3.5 正常呼叫释放过程 32
5.3.6 被叫忙呼叫释放 33
5.3.7 被叫无应答流程一 34
5.3.8 被叫无应答流程二 35
5.3.9 遇忙呼叫前转 36
5.4 IP电话和模拟电话会话流程 37
致谢 38
参考文献 38
附录 39
1.1课题背景
软交换即软交换控制设备，是网络的核心控制设备。用来控制呼叫处理、适配接入协议、提供业务接口、进行互联互通、应用支持等功能。软交换将呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过软件实现呼叫控制功能，从而完成呼叫传输和呼叫控制的分离，使控制、交换和软件编程分离【1】。
1.1.1软交换概念
软交换的概念最早起源于美国。当时在企业网络环境下，用户采用基于以太网的电话，通过一套基于PC服务器的呼叫控制软件（Call Manager、Call Server），实现PBX功能（IP PBX）。对于这样一套设备，系统不需单独铺设网络，而只通过与局域网共享就可实现管理与维护的统一，综合成本远低于传统的PBX。由于企业网环境对设备的可靠性、计费和管理要求不高，主要用于满足通信需求，设备门槛低，许多设备商都可提供此类解决方案，因此IP PBX应用获得了巨大成功。受到IP PBX成功的启发，为了提高网络综合运营效益，网络的发展更加趋于合理、开放，更好的服务于用户。业界提出了这样一种思想：将传统的交换设备部件化，分为呼叫控制与媒体处理，二者之间采用标准协议（MGCP、H248）且主要使用纯软件进行处理，于是，Soft Switch（软交换）技术应运而生。
随着信息化进程的不断推进，人们已越来越不满足于现有GSM网络以窄带方式提供的单一语音服务，提供宽带化、智能化、个人化移动多媒体服务的需求日益剧增。下一代网络泛指一个以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务融合全新的网络。3G不是现有移动网和IP网的简单叠加，也不是单项节点技术和网络技术的结合，而是整个网络框架的变革，是一种整体方案。软交换Soft Switch正是构建在以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合方案。基于软交换技术和IP技术构建出分层开放的体系架构全新的网络平台，在3G中占有极为重要位置。
目前，我国已完成并颁布了《软交换设备总体技术要求》(YDC003-2001),明确规范了软交换在网络中的位置，功能要求、业务要求、操作维护和网管要求、协议和接口要求，计费要求和性能指标，并规定了与IP电话及智能网的互通要求等。特别值得一提的是，不仅固网如此，移动软交换设备技术要求和设备规范的送审稿也于近日完成，主要针对软交换技术在移动网络中的移动性管理和鉴权等方面特征进行了相应的扩展。不难看出，在分组交换日益普遍的情况下，软交换技术无论在固网还是移动网络的发展和融合当中，作为网络的核心技术，发挥着重要的粘合作用【2】。
软交换是一种正在发展的概念，包含许多功能。其核心是一个采用标准化协议和应用编程接口（API）的开放体系结构。这就为第三方开发新应用和新业务敞开了大门。软交换体系结构的其它重要特性还包括应用分离（de-coupling of applications）、呼叫控制和承载控制。
1.1.2软交换体系结构
软交换提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、宽带管理、信令、安全性和呼叫记录等功能。软交换将网络资源与能力封装取来，通过标准开放的业务接口与应用层相连，使得网络上可以快速方便地提供新业务。
软交换的体系结构分为以下部分：
（1)业务平台：生成新业务并提供功能。
（2)信令网关：由IP承载，而传统的七号信令网关设备则是基于电路交换的。
（3)媒体网关：负责媒体流的转换处理功能。按其位置和处理媒体流的不同方式分为中继网关、接入网关、多媒体网关、无线网关等。
（4)IP终端：主要指的是SIP终端和H.323终端。例如IP电话，PC等。
（5)其他支撑：例如分布式数据库、策略服务器、AAA服务器（Policy Server）等
1.1.3软交换的功能
软交换是一种功能实体，为下一代网络NGN提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心【3】。
（1) 媒体网关接入功能——可以连接各种媒体网关。如PSTN(公众交换电话网)/ISDN（综合业务数字网）网关，IP(Internet 协议)中继媒体网关，ATM(异步传递模式)网关，用户媒体网关、数据媒体网关、无线媒体网关等。媒体网关可完成H.248协议功能，可直接与H.323终端和SIP(会议起始协议)客户端终端连接，提供相应业务
（2) 呼叫控制功能——完成基本呼叫的建立，维持和释放的控制功能，如呼叫处理，连接控制、智能呼叫触发和资源控制等。
（3) 业务提供功能——可提供PSTN/ISDN交换机的全部业务。包括基本业务和补充业务，并可与现有智能网配合提供现有智能网所提供的业务。
（4) 互连互通功能——软交换具有支持各种协议的特点，可同时支持H.323协议及SIP协议。H.323协议是ITU-T(国际电信联盟——电信)制订的标准，该协议采用了ISDN的设计思想，使用Q.931协议完成呼叫的建立，释放，具有电信网可管理和可集中的特征，该标准使用较广泛，较成熟。SIP协议是IETF(Internet 工程任务组)制订的标准，具有简单，可扩展以及和现有Internet应用紧密的特点。以上两种标准均可完成呼叫建立，释放，补充业务及能力交换等功能。此外，软交换在技术上也可以支持多种信令协议接口(例如 H.248,H.323,SIP,SCTP,ISUP+,INAP+,RADIUS,SNMP等)、实现PSTN和IP/ATM网间的信令和不同网关的互操作。
图1.1 基于软交换技术的网络结构图
1.2基于软交换的VOIP
VoIP（Voice over Internet Protocol）简而言之就是将模拟信号（Voice）数字化，以数据封包（Data Packet）的形式在IP网络(IP Network）上做实时传递。VoIP最大的优势是能广泛地采用Internet和全球IP互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。VoIP可以在IP网络上便宜的传送语音、传真、视频、和数据等业务，如统一消息业务、虚拟电话、虚拟语音/传真邮箱、查号业务、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储转发等。VoIP的基本原理是：通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理，然后把这些语音数据按 TCP/IP 标准进行打包，经过 IP 网络把数据包送至接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。 IP 电话的核心与关键设备是 IP 网关，它把各地区电话区号映射为相应的地区网关 IP 地址。这些信息存放在一个数据库中，数据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。 在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的 IP 地址，并将此 IP 地址加入 IP 数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延， IP 数据包经 Internet 到达目的地的网关。在一些 Internet 尚未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通信业务【4】。
随着软交换网络逐步走向实际应用，基于软交换的VoIP成为NGN提供业务的最大亮点。与目前的VoIP不同，基于软交换的VoIP不仅能提供基本语音业务，还能提供其所不能提供的新型增值业务，如视频、即时消息、游戏和各种数据业务。
1.2.1当前VoIP网络
目前VoIP组网技术主要有两大协议标准，遵循H.323标准、遵循SIP(SessionInitiationProtocol)协议，这二者是完全平行的。
SIP是由IETF制定的面向Internet会议和电话的信令协议。具有简单、扩展性好以及和现有的Internet应用紧密结合的特点，适于开发新型的、与互联网结合的语音应用。但SIP协议是一个正在发展和研究中的协议，目前大多数应用尚处于原型阶段。该协议单独应用的范围较窄，一般需与其他协议协同使用，只是作为完整解决方案的一小部分。相比而言，H.323则是由ITU-T提出的，采用了ISDN的设计思想，Q.931协议完成呼叫的建立和释放，具有电信网可管理性和集中的特征，发展比较成熟，应用也比较广泛。目前国内VoIP网络系统主要是基于H.323协议的。
H.323协议的VoIP网络由终端设备(Terminal)、网关(Gateway)、网守(Gatekeeper)和管理服务器等主要模块组成。
1、基于软交换技术的VoIP网络
软交换(Softswitch)技术正是在VoIP基础产生的。其主要思想来源于分解网关概念，将呼叫控制与接入/传送功能相分离，即将VoIP网关分解为媒体网关(MG)、信令网关(SG)、媒体网关控制器(MGC)，其中媒体网关控制器是软交换的前身。
由媒体网关实现媒体流的转换功能；媒体网关控制器(MGC)/软交换提供各种业务的基本呼叫控制功能；信令网关负责网络的信令处理，实现异构网络不同信令之间转换；各部件之间通过相应的标准协议进行通信。另外，软交换技术的主要设计思想还借鉴了传统智能网的“呼叫与控制相分离”的方式。使得整个网络的业务提供变得更加灵活和开放。
2．软交换技术网络结构
基于软交换技术的网络结构是以软交换设备为核心，能够实现业务与控制、接入与承载彼此分离，各功能部件之间采用标准协议进行互通的体系结构。通过优化网络结构实现网络的融合和业务的融合，使得分组交换网络能够继承原有电路交换网中丰富的业务功能，同时可以在全网范围内快速提供原有网络难以提供的新型业务。
软交换网络结构可分成接入层、传输层、控制层和业务层四个层面。
接入层主要实现异构网络到核心传送网以及异构网络之间的互联互通，集中业务数据量并将其通过路由选择传送到目的地。其中，媒体网关是使用不同协议的网络(如PSTN网和IP网)间的接口；信令网关对电话信令消息进行转换，使其能在分组网上传输。
传输层完成业务数据和控制层与接入层控制信息的集中承载传输。
控制层决定呼叫的建立、接续和交换，将呼叫控制与媒体业务相分离，理解上层生成的业务请求，通知下层网络单元如何处理业务流。
业务/应用层：业务层主要指面向用户提供各种应用和服务的设备。采用开放、综合的业务接入平台，为下一代网络提供各种增值业务、多媒体业务和第三方业务，还具有相应的业务生成和维护环境。业务层可能包括应用服务器、AAA服务器、业务控制点(SCP)、策略服务器、第三方服务器。
其中软交换设备是软交换网络体系的核心设备，位于网络控制层，软交换是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接和部分业务功能。软交换作为一个开放的功能实体，采用标准的开放协议与外部实体实现通信。
媒体网关与软交换之间的接口用于软交换对媒体网关进行承载控制和资源管理。接口采用H.248协议，可考虑采用媒体网关控制协议MGCP和Internet设备控制协议(IPDC)。信令网关与软交换之间的接口完成软交换和信令网关之间信令信息的传递，接口采用信令控制协议(SCTP)。软交换与网管中心之间的接口实现对软交换的管理，采用简单网络管理协议(SNMP)。软交换与智能网SCP之间的接口提供对现有智能网业务的支持，接口使用智能网应用协议INAP。软交换与应用服务器间的接口提供对第三方应用和各种增值业务的支持功能，可采用SIP协议或软交换提供的API。软交换与策略服务器间的接口实现对网络设备的工作进行动态调整，可使用COPS协议。软交换间的接口主要实现不同软交换设备之间的交互，采用SIP-T或ITU-T最新推出的BICC协议。
1.2.2软交换网络的VoIP实现
网络环境中有几个基本部件：软交换、中继网关、媒体网关、信令网关以及各类接入网关，还有网管服务器、策略服务器等。
软交换的功能类似于现行电路交换传送系统间的交换/长途网，但长途交换机用软交换系统和一组中继/媒体网关的组合所取代，见图5。中继/媒体网关自身是由软交换技术利用主/被叫协议控制，这个协议是与来自某个具有指定源/目的的RTP/UDP/IP流的电路交换机的一个指定时隙相关的MGCP/IPDC协议。另外，软交换技术作为呼叫处理的组成部分，其标识要被用来终结该呼叫的最有可能的出口网关，并利用这个信息来命令中继网关执行所指定的功能，即软交换技术能够通过选择一个最小代价的路由来完成每次呼叫，以使所选择的出口网关最接近目的电话。于是，就完成了原有通过电路交换网执行的呼叫处理操作功能。
接入网关既可以终结ISDN的PRI，也可以终结来自企业PBX的CAS信令。这种接入网关能够被软交换以基于分组电话协议的多种方式进行控制；对于基于H.323协议的网关，软交换使用H.323协议与之实现互通和控制；如果接入网关隧道PRI(Q.931)或CAS信令返回到软交换，则软交换使用MGCP/IPDC协议以更好的方式控制接入网关【5】。
软交换技术通过SIP协议接到电缆网络上，以支持企业的IPPBX及IP电话。并通过TCP/IP协议接入SCP，也可通过TCP/SCCP协议接入到SS7网络上，使与PSTN及当前的VoIP网络无缝互连成为可能。
基于软交换技术网络体系的VoIP通信实现的基本工作过程如下：当主叫用户摘机后，中继/媒体网关检测到该事件并报告给软交换设备；软交换设备查询主叫用户数据，进行身份鉴权；若是有权用户，软交换设备向媒体网关发送拨号计划，要求网关向主叫用户发送拨号音；软交换设备收到网关送来的被叫号码后，进行被叫号码分析、黑白名单分析等，找到被叫所属的软交换设备地址，并将呼叫请求转发到被叫软交换设备；软交换设备控制主、被叫网关选择空闲的媒体资源，完成编码格式及媒体连接地址等的协商；呼叫中，软交换设备可以控制媒体资源服务器提供交互语音响应(IVR，InteractiveVoiceResponse)功能，以完成诸如二次拨号、通知音播放、监听等多种业务；若呼叫过程涉及多方成员参与，软交换设备可提供多方呼叫控制功能，包括多方呼叫的特殊逻辑关系，呼叫成员的加入、退出、隔离、旁听，以及混音过程的控制等；呼叫过程中，软交换设备控制网关向用户发送振铃音、回铃音、忙音等音频信号；用户挂机后，中继/媒体网关检测该事件并报告给软交换设备，软交换设备控制各网关及终端设备进行资源的释放。
在上述通信过程中，AAA服务器进行认证和授权，网管服务器进行网络管理，媒体服务器提供各种资源，如语音资源、传真资源、语音识别资源等，应用服务器则完成用户所需业务的提供和管理。
1.2.3优势分析
与基于H.323协议的VoIP网络相比，基于软交换的VoIP应用网络结构由于采用了分层的网络结构，具有全面的开放性，在综合接入能力、互通兼容能力、业务提供能力、网络管理能力、鉴权认证和计费等方面都有明显的优势。
在综合接入方面：软交换网络结构由于网络采用分层模型，各设备功能相对单一。软交换完成协议处理、呼叫控制、资源管理、业务实现等功能，中继/媒体网关在软交换的控制下完成媒体流转换及相关控制功能。这样，软交换通过控制各种类型的网关设备，实现综合接入。而基于H.323的体系结构还不是一个开放的体系结构，它可以通过网关设备实现与PSTN的简单语音互通，但在其上增加其他接入方式较困难。
在网络互通兼容方面：基于软交换的VoIP应用网络结构采用分层的开放的网络架构，各层之间以及各设备之间都通过标准的协议通信，只要遵守约定的规则和协议，不同厂商的设备都可以很容易的接入网络，并实现彼此的互通，从而灵活有效地实现网络的扩展和升级。而H.323是一系列协议的集合，本身比较复杂，各厂商对其理解又存在着很大差异，导致所制造产品的H.323协议兼容性一直存在问题。
业务提供方面：在基于软交换网络结构中，软交换技术的业务生成独立于网络，新业务通过应用服务器完成。运营商根据自身的实际情况，既可以自己开发、也可以委托产品制造商第三方开发商灵活定制所需的业务；另外，也可以继续沿用原有的传统智能业务。由于软交换系统提供统一的业务生成平台，业务一旦生成，即为全网所共享。而采用H.323，其业务生成基本上都是在网关上进行的，某些情况下也需要网守的支持。而网守、网关都是相对封闭的实体，由于不同制造商的业务提供方式不尽相同，加之采用内部协议而未提供标准的开放接口，这样不仅使得运营商各自提供业务的能力有限，更导致了全网的新业务统一变得相当困难。
在网络管理方面：H.323采用基于SNMP的网络管理，无实时性，对人工干预的依赖性较大，难以对大型网络作出有效、及时的反应。而在基于软交换网络中，软交换技术提供COPS协议接口，接受策略服务器的管理和调节，实现基于策略的网络管理功能，进行集中、实时、智能化的策略管理服务，完成了由传统的静态网管向动态网管的飞跃。同时，软交换也能支持基于SNMP的传统网络管理。
鉴权认证和计费方面：在软交换网络中，软交换控制设备通过RADIUS协议与AAA服务器交互，实现集中用户鉴权、认证、计费。接入设备只需完成简单的接入功能，无需支持太多的协议。而在H.323网络中，用户鉴权、认证是在网守中实现的，网关通过RAS与网守交互，完成用户认证、计费，过程比较复杂。
软交换技术的出现一方面造就了网络的融合，另一方面软交换采用了开放式应用程序接口，方便了第三方应用的开发和新业务的引进。随着软交换网络向着组网更加灵活、信息传送更加高效、业务生成更加多样的方向不断发展，我们有理由相信，VoIP也必将在软交换网络中得到成功应用。
VoIP 电话不仅具有成本低廉、网络资源利用率高等诸多优点，而且还可以进一步集成多媒体信息（包括语音、图像、数据等），以实现交互式的实时通信等，具有很大的发展潜力，且有逐渐取代传统PSTN 电话的趋势，成为NGN（Next General Network）中语音信息传输的主要形式。
SIP 协议是一个基于应用层的客户服务器协议，用于发起和管理用户间的会话。SIP 终端系统称为用户代理，即UA（User Agent），含用户代理客户机UAC(User Agent C1ient)和用户代理服务器UAS(User Agent sever)两部分。中间单元称为代理服务器(proxy)。它的消息分为两大类：从客户端到服务器的请求(Request)和从服务器到客户端的响应(Response)。无论请求消息还是响应消息都是由起始行、消息头部和可选的消息体构成.
目前构建IP 电话系统结构的信令协议主要有H.323 协议和SIP 协议，二者完全平行，互不兼容。H.323 协议是为多媒体会议系统而提出的。该协议采用传统电信网络繁琐的信令概念，非常庞大，无论从实现技术手段，还是使用和管理方法上都十分复杂。而SIP 协议则是以现有的Internet 协议为基础来构架IP 电话业务网的应用层协议。它将网络设备的复杂性推向网络边缘，支持单播、多播通信、名称映射和重定向业务，还支持类似呼叫转发、呼叫拒绝等电信业务的实现以及支持用户移动性。与H.323 相比，SIP 更适用于智能用户终端，使用更加灵活，掌握更加容易。基于SIP的软交换系统不仅能提供基本语音业务，还能提供视频、消息、游戏等各种数据业务，其简单、灵活、高效、开放等特点成为下一代网络研究的主要方向。 SIP的一个重要特点是它不定义会话类型而只定义应该如何管理会话，这种灵活性就使SIP应用于各种应用和服务，如交互式游戏、音乐和视频点播以及视频Web会议。 20191110225034
关键字： SIP协议 IP电话 软交换
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.1.1 软交换概念 1
1.1.2 软交换体系结构 2
1.1.3 软交换的功能 2
1.2 基于软交换的VOIP 3
1.2.1 当前VoIP网络 4
1.2.2 软交换网络的VoIP实现 5
1.2.3 优势分析 6
第2章 技术简介 8
2.1 SIP信息介绍 8
2.1.1 SIP消息结构 8
2.1.2 SIP消息类型 8
2.2 SIP协议简介 11
2.2.1 SIP协议发展 11
2.2.2 SIP协议概述 12
2.2.3 SIP协议的组成 12
2.3 SIP协议系统组成 13
第3章 SIP会话实验系统 15
3.1 实验系统组成部件 15
3.1.1 软交换系统 15
3.1.2 VOIP网关 16
3.1.3 IP网络电话机 16
3.1.4 IP软电话 17
3.1.5 操作维护台 17
3.1.6 监视台 17
3.2 系统功能 17
3.2.1 基本呼叫功能 17
3.2.2 补充业务 18
3.3 维护管理功能 18
第4章 SIP信令跟踪 19
4.1 SIP协议跟踪分析 19
4.1.1 SIP协议跟踪INVITE 19
4.1.2 SIP协议跟踪 180 Ringing 21
4.1.3 SIP信令协议跟踪 200 OK 22
4.1.4 SIP信令协议跟踪 ACK 23
4.1.5 SIP信令协议跟踪 BYE 25
4.1.6 SIP信令协议跟踪 200 OK 26
第5章 SIP基本消息流程 27
5.1 SIP终端注册原理 27
5.2 SIP会话构成 28
5.3 SIP呼叫流程 28
5.3.1 注册流程 28
5.3.2 注销流程 29
5.3.3 基本呼叫建立过程 30
5.3.4 会话更改流程 31
5.3.5 正常呼叫释放过程 32
5.3.6 被叫忙呼叫释放 33
5.3.7 被叫无应答流程一 34
5.3.8 被叫无应答流程二 35
5.3.9 遇忙呼叫前转 36
5.4 IP电话和模拟电话会话流程 37
致谢 38
参考文献 38
附录 39
1.1课题背景
软交换即软交换控制设备，是网络的核心控制设备。用来控制呼叫处理、适配接入协议、提供业务接口、进行互联互通、应用支持等功能。软交换将呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过软件实现呼叫控制功能，从而完成呼叫传输和呼叫控制的分离，使控制、交换和软件编程分离【1】。
1.1.1软交换概念
软交换的概念最早起源于美国。当时在企业网络环境下，用户采用基于以太网的电话，通过一套基于PC服务器的呼叫控制软件（Call Manager、Call Server），实现PBX功能（IP PBX）。对于这样一套设备，系统不需单独铺设网络，而只通过与局域网共享就可实现管理与维护的统一，综合成本远低于传统的PBX。由于企业网环境对设备的可靠性、计费和管理要求不高，主要用于满足通信需求，设备门槛低，许多设备商都可提供此类解决方案，因此IP PBX应用获得了巨大成功。受到IP PBX成功的启发，为了提高网络综合运营效益，网络的发展更加趋于合理、开放，更好的服务于用户。业界提出了这样一种思想：将传统的交换设备部件化，分为呼叫控制与媒体处理，二者之间采用标准协议（MGCP、H248）且主要使用纯软件进行处理，于是，Soft Switch（软交换）技术应运而生。
随着信息化进程的不断推进，人们已越来越不满足于现有GSM网络以窄带方式提供的单一语音服务，提供宽带化、智能化、个人化移动多媒体服务的需求日益剧增。下一代网络泛指一个以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务融合全新的网络。3G不是现有移动网和IP网的简单叠加，也不是单项节点技术和网络技术的结合，而是整个网络框架的变革，是一种整体方案。软交换Soft Switch正是构建在以IP为中心，可以支持语音、数据和多媒体业务的融合方案。基于软交换技术和IP技术构建出分层开放的体系架构全新的网络平台，在3G中占有极为重要位置。
目前，我国已完成并颁布了《软交换设备总体技术要求》(YDC003-2001),明确规范了软交换在网络中的位置，功能要求、业务要求、操作维护和网管要求、协议和接口要求，计费要求和性能指标，并规定了与IP电话及智能网的互通要求等。特别值得一提的是，不仅固网如此，移动软交换设备技术要求和设备规范的送审稿也于近日完成，主要针对软交换技术在移动网络中的移动性管理和鉴权等方面特征进行了相应的扩展。不难看出，在分组交换日益普遍的情况下，软交换技术无论在固网还是移动网络的发展和融合当中，作为网络的核心技术，发挥着重要的粘合作用【2】。
软交换是一种正在发展的概念，包含许多功能。其核心是一个采用标准化协议和应用编程接口（API）的开放体系结构。这就为第三方开发新应用和新业务敞开了大门。软交换体系结构的其它重要特性还包括应用分离（de-coupling of applications）、呼叫控制和承载控制。
1.1.2软交换体系结构
软交换提供连接控制、翻译和选路、网关管理、呼叫控制、宽带管理、信令、安全性和呼叫记录等功能。软交换将网络资源与能力封装取来，通过标准开放的业务接口与应用层相连，使得网络上可以快速方便地提供新业务。
软交换的体系结构分为以下部分：
（1)业务平台：生成新业务并提供功能。
（2)信令网关：由IP承载，而传统的七号信令网关设备则是基于电路交换的。
（3)媒体网关：负责媒体流的转换处理功能。按其位置和处理媒体流的不同方式分为中继网关、接入网关、多媒体网关、无线网关等。
（4)IP终端：主要指的是SIP终端和H.323终端。例如IP电话，PC等。
（5)其他支撑：例如分布式数据库、策略服务器、AAA服务器（Policy Server）等
1.1.3软交换的功能
软交换是一种功能实体，为下一代网络NGN提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心【3】。
（1) 媒体网关接入功能——可以连接各种媒体网关。如PSTN(公众交换电话网)/ISDN（综合业务数字网）网关，IP(Internet 协议)中继媒体网关，ATM(异步传递模式)网关，用户媒体网关、数据媒体网关、无线媒体网关等。媒体网关可完成H.248协议功能，可直接与H.323终端和SIP(会议起始协议)客户端终端连接，提供相应业务
（2) 呼叫控制功能——完成基本呼叫的建立，维持和释放的控制功能，如呼叫处理，连接控制、智能呼叫触发和资源控制等。
（3) 业务提供功能——可提供PSTN/ISDN交换机的全部业务。包括基本业务和补充业务，并可与现有智能网配合提供现有智能网所提供的业务。
（4) 互连互通功能——软交换具有支持各种协议的特点，可同时支持H.323协议及SIP协议。H.323协议是ITU-T(国际电信联盟——电信)制订的标准，该协议采用了ISDN的设计思想，使用Q.931协议完成呼叫的建立，释放，具有电信网可管理和可集中的特征，该标准使用较广泛，较成熟。SIP协议是IETF(Internet 工程任务组)制订的标准，具有简单，可扩展以及和现有Internet应用紧密的特点。以上两种标准均可完成呼叫建立，释放，补充业务及能力交换等功能。此外，软交换在技术上也可以支持多种信令协议接口(例如 H.248,H.323,SIP,SCTP,ISUP+,INAP+,RADIUS,SNMP等)、实现PSTN和IP/ATM网间的信令和不同网关的互操作。
图1.1 基于软交换技术的网络结构图
1.2基于软交换的VOIP
VoIP（Voice over Internet Protocol）简而言之就是将模拟信号（Voice）数字化，以数据封包（Data Packet）的形式在IP网络(IP Network）上做实时传递。VoIP最大的优势是能广泛地采用Internet和全球IP互连的环境，提供比传统业务更多、更好的服务。VoIP可以在IP网络上便宜的传送语音、传真、视频、和数据等业务，如统一消息业务、虚拟电话、虚拟语音/传真邮箱、查号业务、Internet呼叫中心、Internet呼叫管理、电视会议、电子商务、传真存储转发和各种信息的存储转发等。VoIP的基本原理是：通过语音的压缩算法对语音数据编码进行压缩处理，然后把这些语音数据按 TCP/IP 标准进行打包，经过 IP 网络把数据包送至接收地，再把这些语音数据包串起来，经过解压处理后，恢复成原来的语音信号，从而达到由互联网传送语音的目的。 IP 电话的核心与关键设备是 IP 网关，它把各地区电话区号映射为相应的地区网关 IP 地址。这些信息存放在一个数据库中，数据接续处理软件将完成呼叫处理、数字语音打包、路由管理等功能。 在用户拨打长途电话时，网关根据电话区号数据库资料，确定相应网关的 IP 地址，并将此 IP 地址加入 IP 数据包中，同时选择最佳路由，以减少传输时延， IP 数据包经 Internet 到达目的地的网关。在一些 Internet 尚未延伸到或暂时未设立网关的地区，可设置路由，由最近的网关通过长途电话网转接，实现通信业务【4】。
随着软交换网络逐步走向实际应用，基于软交换的VoIP成为NGN提供业务的最大亮点。与目前的VoIP不同，基于软交换的VoIP不仅能提供基本语音业务，还能提供其所不能提供的新型增值业务，如视频、即时消息、游戏和各种数据业务。
1.2.1当前VoIP网络
目前VoIP组网技术主要有两大协议标准，遵循H.323标准、遵循SIP(SessionInitiationProtocol)协议，这二者是完全平行的。
SIP是由IETF制定的面向Internet会议和电话的信令协议。具有简单、扩展性好以及和现有的Internet应用紧密结合的特点，适于开发新型的、与互联网结合的语音应用。但SIP协议是一个正在发展和研究中的协议，目前大多数应用尚处于原型阶段。该协议单独应用的范围较窄，一般需与其他协议协同使用，只是作为完整解决方案的一小部分。相比而言，H.323则是由ITU-T提出的，采用了ISDN的设计思想，Q.931协议完成呼叫的建立和释放，具有电信网可管理性和集中的特征，发展比较成熟，应用也比较广泛。目前国内VoIP网络系统主要是基于H.323协议的。
H.323协议的VoIP网络由终端设备(Terminal)、网关(Gateway)、网守(Gatekeeper)和管理服务器等主要模块组成。
1、基于软交换技术的VoIP网络
软交换(Softswitch)技术正是在VoIP基础产生的。其主要思想来源于分解网关概念，将呼叫控制与接入/传送功能相分离，即将VoIP网关分解为媒体网关(MG)、信令网关(SG)、媒体网关控制器(MGC)，其中媒体网关控制器是软交换的前身。
由媒体网关实现媒体流的转换功能；媒体网关控制器(MGC)/软交换提供各种业务的基本呼叫控制功能；信令网关负责网络的信令处理，实现异构网络不同信令之间转换；各部件之间通过相应的标准协议进行通信。另外，软交换技术的主要设计思想还借鉴了传统智能网的“呼叫与控制相分离”的方式。使得整个网络的业务提供变得更加灵活和开放。
2．软交换技术网络结构
基于软交换技术的网络结构是以软交换设备为核心，能够实现业务与控制、接入与承载彼此分离，各功能部件之间采用标准协议进行互通的体系结构。通过优化网络结构实现网络的融合和业务的融合，使得分组交换网络能够继承原有电路交换网中丰富的业务功能，同时可以在全网范围内快速提供原有网络难以提供的新型业务。
软交换网络结构可分成接入层、传输层、控制层和业务层四个层面。
接入层主要实现异构网络到核心传送网以及异构网络之间的互联互通，集中业务数据量并将其通过路由选择传送到目的地。其中，媒体网关是使用不同协议的网络(如PSTN网和IP网)间的接口；信令网关对电话信令消息进行转换，使其能在分组网上传输。
传输层完成业务数据和控制层与接入层控制信息的集中承载传输。
控制层决定呼叫的建立、接续和交换，将呼叫控制与媒体业务相分离，理解上层生成的业务请求，通知下层网络单元如何处理业务流。
业务/应用层：业务层主要指面向用户提供各种应用和服务的设备。采用开放、综合的业务接入平台，为下一代网络提供各种增值业务、多媒体业务和第三方业务，还具有相应的业务生成和维护环境。业务层可能包括应用服务器、AAA服务器、业务控制点(SCP)、策略服务器、第三方服务器。
其中软交换设备是软交换网络体系的核心设备，位于网络控制层，软交换是多种逻辑功能实体的集合，提供综合业务的呼叫控制、连接和部分业务功能。软交换作为一个开放的功能实体，采用标准的开放协议与外部实体实现通信。
媒体网关与软交换之间的接口用于软交换对媒体网关进行承载控制和资源管理。接口采用H.248协议，可考虑采用媒体网关控制协议MGCP和Internet设备控制协议(IPDC)。信令网关与软交换之间的接口完成软交换和信令网关之间信令信息的传递，接口采用信令控制协议(SCTP)。软交换与网管中心之间的接口实现对软交换的管理，采用简单网络管理协议(SNMP)。软交换与智能网SCP之间的接口提供对现有智能网业务的支持，接口使用智能网应用协议INAP。软交换与应用服务器间的接口提供对第三方应用和各种增值业务的支持功能，可采用SIP协议或软交换提供的API。软交换与策略服务器间的接口实现对网络设备的工作进行动态调整，可使用COPS协议。软交换间的接口主要实现不同软交换设备之间的交互，采用SIP-T或ITU-T最新推出的BICC协议。
1.2.2软交换网络的VoIP实现
网络环境中有几个基本部件：软交换、中继网关、媒体网关、信令网关以及各类接入网关，还有网管服务器、策略服务器等。
软交换的功能类似于现行电路交换传送系统间的交换/长途网，但长途交换机用软交换系统和一组中继/媒体网关的组合所取代，见图5。中继/媒体网关自身是由软交换技术利用主/被叫协议控制，这个协议是与来自某个具有指定源/目的的RTP/UDP/IP流的电路交换机的一个指定时隙相关的MGCP/IPDC协议。另外，软交换技术作为呼叫处理的组成部分，其标识要被用来终结该呼叫的最有可能的出口网关，并利用这个信息来命令中继网关执行所指定的功能，即软交换技术能够通过选择一个最小代价的路由来完成每次呼叫，以使所选择的出口网关最接近目的电话。于是，就完成了原有通过电路交换网执行的呼叫处理操作功能。
接入网关既可以终结ISDN的PRI，也可以终结来自企业PBX的CAS信令。这种接入网关能够被软交换以基于分组电话协议的多种方式进行控制；对于基于H.323协议的网关，软交换使用H.323协议与之实现互通和控制；如果接入网关隧道PRI(Q.931)或CAS信令返回到软交换，则软交换使用MGCP/IPDC协议以更好的方式控制接入网关【5】。
软交换技术通过SIP协议接到电缆网络上，以支持企业的IPPBX及IP电话。并通过TCP/IP协议接入SCP，也可通过TCP/SCCP协议接入到SS7网络上，使与PSTN及当前的VoIP网络无缝互连成为可能。
基于软交换技术网络体系的VoIP通信实现的基本工作过程如下：当主叫用户摘机后，中继/媒体网关检测到该事件并报告给软交换设备；软交换设备查询主叫用户数据，进行身份鉴权；若是有权用户，软交换设备向媒体网关发送拨号计划，要求网关向主叫用户发送拨号音；软交换设备收到网关送来的被叫号码后，进行被叫号码分析、黑白名单分析等，找到被叫所属的软交换设备地址，并将呼叫请求转发到被叫软交换设备；软交换设备控制主、被叫网关选择空闲的媒体资源，完成编码格式及媒体连接地址等的协商；呼叫中，软交换设备可以控制媒体资源服务器提供交互语音响应(IVR，InteractiveVoiceResponse)功能，以完成诸如二次拨号、通知音播放、监听等多种业务；若呼叫过程涉及多方成员参与，软交换设备可提供多方呼叫控制功能，包括多方呼叫的特殊逻辑关系，呼叫成员的加入、退出、隔离、旁听，以及混音过程的控制等；呼叫过程中，软交换设备控制网关向用户发送振铃音、回铃音、忙音等音频信号；用户挂机后，中继/媒体网关检测该事件并报告给软交换设备，软交换设备控制各网关及终端设备进行资源的释放。
在上述通信过程中，AAA服务器进行认证和授权，网管服务器进行网络管理，媒体服务器提供各种资源，如语音资源、传真资源、语音识别资源等，应用服务器则完成用户所需业务的提供和管理。
1.2.3优势分析
与基于H.323协议的VoIP网络相比，基于软交换的VoIP应用网络结构由于采用了分层的网络结构，具有全面的开放性，在综合接入能力、互通兼容能力、业务提供能力、网络管理能力、鉴权认证和计费等方面都有明显的优势。
在综合接入方面：软交换网络结构由于网络采用分层模型，各设备功能相对单一。软交换完成协议处理、呼叫控制、资源管理、业务实现等功能，中继/媒体网关在软交换的控制下完成媒体流转换及相关控制功能。这样，软交换通过控制各种类型的网关设备，实现综合接入。而基于H.323的体系结构还不是一个开放的体系结构，它可以通过网关设备实现与PSTN的简单语音互通，但在其上增加其他接入方式较困难。
在网络互通兼容方面：基于软交换的VoIP应用网络结构采用分层的开放的网络架构，各层之间以及各设备之间都通过标准的协议通信，只要遵守约定的规则和协议，不同厂商的设备都可以很容易的接入网络，并实现彼此的互通，从而灵活有效地实现网络的扩展和升级。而H.323是一系列协议的集合，本身比较复杂，各厂商对其理解又存在着很大差异，导致所制造产品的H.323协议兼容性一直存在问题。
业务提供方面：在基于软交换网络结构中，软交换技术的业务生成独立于网络，新业务通过应用服务器完成。运营商根据自身的实际情况，既可以自己开发、也可以委托产品制造商第三方开发商灵活定制所需的业务；另外，也可以继续沿用原有的传统智能业务。由于软交换系统提供统一的业务生成平台，业务一旦生成，即为全网所共享。而采用H.323，其业务生成基本上都是在网关上进行的，某些情况下也需要网守的支持。而网守、网关都是相对封闭的实体，由于不同制造商的业务提供方式不尽相同，加之采用内部协议而未提供标准的开放接口，这样不仅使得运营商各自提供业务的能力有限，更导致了全网的新业务统一变得相当困难。
在网络管理方面：H.323采用基于SNMP的网络管理，无实时性，对人工干预的依赖性较大，难以对大型网络作出有效、及时的反应。而在基于软交换网络中，软交换技术提供COPS协议接口，接受策略服务器的管理和调节，实现基于策略的网络管理功能，进行集中、实时、智能化的策略管理服务，完成了由传统的静态网管向动态网管的飞跃。同时，软交换也能支持基于SNMP的传统网络管理。
鉴权认证和计费方面：在软交换网络中，软交换控制设备通过RADIUS协议与AAA服务器交互，实现集中用户鉴权、认证、计费。接入设备只需完成简单的接入功能，无需支持太多的协议。而在H.323网络中，用户鉴权、认证是在网守中实现的，网关通过RAS与网守交互，完成用户认证、计费，过程比较复杂。
软交换技术的出现一方面造就了网络的融合，另一方面软交换采用了开放式应用程序接口，方便了第三方应用的开发和新业务的引进。随着软交换网络向着组网更加灵活、信息传送更加高效、业务生成更加多样的方向不断发展，我们有理由相信，VoIP也必将在软交换网络中得到成功应用。
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