SIP協議與視頻通信分析

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

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業(yè)發(fā)展方向。雖然電視會議已出現二十多年，當前不但統一的標準而且有成熟的產品；但是由于種種原因一直沒有得到象電話那樣的普遍應用。視頻通信似乎一直是一座未被足量開采的金礦。隨著傳輸技術的發(fā)展，帶寬資源已不是瓶頸；隨著一場SARS的肆虐，視頻通信又成為熱點。隨著SIP協議的出現，視頻通信在技術上又有了新的發(fā)展動力。 視頻通信協議概述 基于H.320的視頻應用 傳統會議電視利用以電話網2M或者1.544M直聯數字線路連接終端會議電視設備進行實時音頻、視頻和數據信息的傳送。通過使用多點控制器，可以在一塊控制板具備所有主會場的操作切換功能

3、。最初會議電視廠家以各自專用的壓縮和通信算法進行生產，各個會議電視廠家產品無法互聯互通。 隨著ITU-T推出H.320協議，上述問題得到很大程度的解決。H.320是同步電路交換網(如ISDN)上現頻傳輸的標準。電路交換網適用于實時應用，如長時間和具有確定延遲的音頻和視頻信號傳遞。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備。使用H.320協議，電話網上中商用會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量的音頻和視頻信號。采用2M或者1.544M的中繼直連當然很容易滿足上述帶寬要求，但是作等于建立專網，價格將令用戶難以承受。 由于電話網絡中繼

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

5、傳遞信息的多媒體通信系統”的標準。 H.323是在H.320的基礎上建立起來。增加了的一些功能是由分組交換網絡代替電路交換網絡所帶來的，另一些功能則是由壓縮算法和信令技術的發(fā)展帶來的。H.323協議在規(guī)定了與H.320相同的視音頻壓縮算法的同時又補充了一些新的算法。 H.323是一個龐大的協議族，主要定義的四個部分：終端、網關、網守和多點控制單元： l終端：在基于IP的網絡上是一個客戶端點。它需要支持下面3項功能：支持信令和控制；支持實時通信；支持編碼，即傳前壓縮，收后進行解壓縮。 l網關：提供在包交換網絡和電路交換網絡(SCN，Switch Circuit Network)之間的一個連接。

6、l網守：在H.323系統中是可選的，但如果出現，它們就具有某些強制性的功能，網守完成地址翻譯、接納控制、帶寬控制、域管理4個必須功能。網守還支持呼叫控制信令、呼叫鑒權、帶寬管理和呼叫管理4個可選的功能。 l多點控制單元(MCU)：多點控制單元支持3個以上的端用戶進行會話。典型的MCU包括一個多點控制器(MC)和若干個(也可以沒有)多點處理器(MP)。MC提供控制功能，如終端之間的協商。MP完成會話中的媒體流的處理，如話音的混合、話音視頻的交換。 H.323是一個復雜而龐大的協議族，現階段是視頻應用的主流技術。然而由于其過于復雜，現在正受到基于SIP協議視頻應用的挑戰(zhàn)。 SIP協議簡介 SIP概

7、述 SIP (Session Initiation Protocal)稱為會話初始協議，是由IETF(Internet Engineering Task Force)組織于1999年提出的一個在基于IP網絡中，特別是在Internet這樣一種結構的網絡環(huán)境中，實現實時通訊應用的一種信令協議。而所謂的會話(Session)，就是指用戶之間的數據交換。在基于SIP協議的應用中，每一個會話可以是各種不同類型的內容，可以是普通的文本數據，也可以是經過數字化處理的音頻、視頻數據，還可以是諸如游戲等應用的數據，應用具有巨大的靈活性。 作為一個IETF提出的標準，SIP協議在很大程度上借鑒了其他各種廣泛存在

8、的Internet協議，如HTTP(超文本傳輸協議)、SMTP(簡單郵件傳輸協議)等，和這些協議一樣SIP也采用的基于文本的編碼方式，這也是SIP協議同視頻通訊領域其他現有標準相比最大的特點之一。 SIP協議的提出和發(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階段： n1996年首先出現了SIP的概念，這時SIP的主要應用是針對Internet上的各種文本應用，如電子郵件、文字聊天等； n1999年3月，ITEF的多方多媒體會話控制(MMUSIC)工作組提出了RFC2543建議，供各廠商和機構討論； n1999年9月，SIP工作組從MMUSIC中分離并獨立出來，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。 由于網絡環(huán)境以及相關多媒體技術的不足，在SIP協議首次提出的時候，僅僅針對各種文本應用，隨著技術的發(fā)展，并通過和IETF中IP電話工作組(IPTEL)、IP網中電話選路(TRIP)工作組等兄弟工作組配合工作，在SIP協議中大大加強了對多媒體通訊的支持。 由于Internet的飛速發(fā)展，在最近的兩年時間內，SIP已經開始被ITU-T SG16、ETSI TIPON(歐洲標準化組織)，IMTE等各種標準化組織所接受，并在這些組織中成立了與SIP相關的工

10、作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員，在多年發(fā)展H323應用的基礎上，針對SIP應用在視頻領域的特點，提出了SIP的應用指導，并推出了相應的SIP協議棧，使得ITU的成員實現了這兩種協議之間的互通性。 SIP系統基本組成 按邏輯功能區(qū)分，SIP系統由4種元素組成：用戶代理，SIP代理服務器，重定向服務器以及SIP注冊服務器。 lSIP用戶代理：又稱為SIP終端，是SIP系統中的最終用戶，在RFC3261中將它們定義為一個應用。根據它們在會話中扮演的角色的不同，又可分為用戶代理客戶機(UAC)和用戶代理服務器(UAS)兩種。其中前者用于發(fā)起呼叫請求，后者用于響應呼叫請求。 lSIP代理服

11、務器(SIP Proxy Server)：是一個中間元素，它既是一個客戶機又是一個服務器，具有解析名字的能力，能夠代理前面的用戶向下一跳服務器發(fā)出呼叫請求。然后服務器決定下一跳的地址。 l重定向服務器(Redirect Server)：是一個規(guī)劃SIP呼叫路徑的服務器，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)出請求而自己則退出對這個呼叫的控制。 lSIP注冊服務器(SIP Register Server)：用來完成對UAS的登錄，在SIP系統的網元中，所有UAS都要在某個登錄服務器中登錄，以便UAC通過服務器能找到它們。 下面是一個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代理服務器發(fā)送呼叫建立請求(INVITE)；2)SIP代理服務器向重定向服務器發(fā)送呼叫建立請求； 3)重定向服務器返回重定向消息； 4)SIP代理服務器向重定向服務器指定的SIP代理服務器發(fā)送呼叫建立請求； 5)被請求的SIP代理服務器使用非SIP協議例如域名查詢或者LDAP等到定位服務器查詢被叫位置； 6)定位服務器返回被叫位置(被叫SIP代理服務器)； 7)被請求的SIP代理服務器向被叫SIP代理服務器發(fā)送呼叫建立請求； 被叫SIP代理服務器向SIP用戶代理(被叫)發(fā)呼叫建立請求(被叫振鈴或顯示)； 9)被叫用戶代理向被叫SIP用戶代理服務

13、器發(fā)同意或拒絕； 10)被叫用戶代理服務器向主叫代理服務器所請求的代理服務器發(fā)同意或拒絕； 11)主叫代理服務器所請求的代理服務器向主教代理服務器發(fā)同意或拒絕； 12)主叫代理服務器向主叫SIP用戶代理指示被叫是否同意呼叫請求。 呼叫建立后雙方根據協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)勢與問題 由于SIP協議與H.323協議族都基于分組交換網絡，而當前分組交換網上最成熟的視頻通信系統都基于H.323協議族。所以使用SIP協議的視頻通信系統不可避免地需要和H.323系統比較來得到優(yōu)勢與不足。雖然SIP協議和H.323協議族并不

14、是誰替代誰的競爭關系，但是通過比較得到的優(yōu)勢和不足可以幫助我們在不同的條件下作出更恰當的選擇。 l協議功能模塊比較 SIP協議功能模塊中用戶代理等價于一個H.323的終端(或者分組交換網絡側的網關)，SIP服務器則等價于H.323的網守。另外，SIP類似H.323中的RAS和Q.931協議，而SDP則相當于H.245。在IETF的SIP體系結構中，媒體流的承載采用了RTP協議，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現的。 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議-TCP協議，所以呼叫建立需要兩個連接階段：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協議采用RELEASE COMPLETE，SIP協議采用BYE。 l呼叫控制業(yè)務 SIP和H.323都支持呼叫保持、呼叫轉移、呼叫前轉、呼叫等待、電話會議和其他補充業(yè)務。以呼叫保持為例：H.323定義了近點呼叫保持和遠點呼叫保持兩種保持業(yè)務的場景。網守僅僅透明地傳送SS-HOLD。而SIP實現同樣的功能，只要向需要呼叫保持的一方發(fā)送一個更改了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?，而其他的內容不變。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話的第三者具有建立呼叫的能力，這個業(yè)務特征目前只有SIP具有。H.323也在進行試圖添加同樣的業(yè)務功能的工作。第三方控制有很多應用場合，包括秘書為經理撥號、電話營銷的自動撥號、參加者呼叫轉移和呼叫中心業(yè)務。 第三方控制是SIP值得很好利用的業(yè)務特征。由于SIP的這一特性，ITU-T和IETF在實現PINT(IN和因特網互通)業(yè)務時都采用了SIP協議。 l能力交換 能力交換的就是彼此交流各自對媒體流的處理能

17、力，確定雙方共有的能力，從而確保多媒體信號被雙方接受。H.323采用H.245協議進行能力交換。終端的所有能力都描述在一組Capability Descriptor結構中，它們的每個項是一個Simultaneous Capabilities結構和一個Capability Decriptor Number。借助這種結構，每個終端能力的精確信息被表示在相關的緊縮結構中。 SIP使用SDP來進行能力交換，主叫方使用一個OPTION需求去找出被叫，當前，SIP還不如H.245有完整靈活的協商能力，因為受制于SDP的表達方式，例如SIP不支持不對稱能力交換(只收或只發(fā))以及聲頻和視頻編碼的并發(fā)能力。 l

18、服務質量 服務質量包含很多不同方面的指標，一個和多媒體流相關的QOS參數包括帶寬、最大時延、時延抖動和包丟失率。另外，還有呼叫建立時延影響感覺的QOS，它在很大程度上依賴于信令協議。呼叫時延也依賴所用的承載信令信息的傳輸協議，尤其是在信令信息丟失需要重傳的時候。所以，對于媒體流，我們首先考慮信令協議對QOS的支持，然后再考察呼叫建立時延，因為呼叫建立時延受錯誤檢測和錯誤糾正機制的影響。 l媒體流的QOS支持 在H.323中，網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；網守中還提供呼叫控制信令、呼叫簽權、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，而是依賴于別的協議。 近年來，新的分級服務體系結構開始引人注目，H.323第三版能提供某些基于QOS協商參數(位流速、時延、抖動)的分級服務，在呼叫初始化時，終端可以申請擔保的服務、受控服務和無指明服務的一種，SIP和H.323老版本均不支持類似的服務。 l呼叫建立時延 H.323第一版在呼叫建立時延時很大。第二版大大改進，而第三版則更好。SIP在呼叫建立時非常類似于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第三版幾乎同時建立一個UDP的連接和一個TCP連接，它提供一個有效的機制，如果UDP連接成功則關閉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，則會增加呼叫建立時延。 l環(huán)路檢測 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到的最大數目。問題是定義一個適用的值很關鍵。此外網絡變化后，這個值也要相應改。 SIP采用了via頭字段，檢查其內容，如果新端點已出現在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版本都能實現無縫集成。 在SIP方面，新版本可能使某些舊功能不再被實現。 與其他信令協議的互操作性： 要支持傳統的電信業(yè)務，VOIP信令協議必須支持ISDN和七號信

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信令ISUP的一個子集，所以H.323只能部分地轉換七號信令的信息。H.32X系列定義了其他互操作協議，如H.320用于ISDN和B-ISDN，H.324用于GSTN。 SIP協議目前的版本不提供No.7信令的翻譯，但有不少Internet的協議草案在進行這方面的工作。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備之間的信令協議，成為各種信令互操作的紐帶。 l實現的難易性 H.323信令信息是符合ASN.1PER的二進制編碼。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等語言來實現，調試方便。 SIP協議在視頻通信中的應用 SIP協議是一個建立會話的協議