day3-sip信令分析
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sip

3033 字
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15 分钟

1. 概述

SIP（Session Initiation Protocol）呼叫流程是VoIP通信的核心机制。本文将深入分析SIP信令在呼叫建立、维持和终止过程中的详细工作流程，帮助读者理解SIP协议的实际运作机制。

2. SIP呼叫流程基础概念

2.1 参与实体

  • UAC (User Agent Client)：发起请求的客户端（主叫方）
  • UAS (User Agent Server)：响应请求的服务端（被叫方）
  • Proxy Server：代理服务器，负责路由SIP消息
  • Registrar Server：注册服务器，维护用户位置信息

2.2 主要SIP方法

  • INVITE：发起会话请求
  • ACK：确认最终响应
  • BYE：终止会话
  • CANCEL：取消进行中的请求
  • REGISTER：用户注册

2.3 SIP响应码分类

  • 1xx：临时响应（会话进行中）
  • 2xx：成功响应（请求被接受）
  • 3xx-6xx：各种错误或重定向响应

3. 完整SIP呼叫流程分析

3.1 SIP呼叫与注册的关系

在深入分析SIP呼叫流程前，需要明确一个重要概念：SIP中的注册和呼叫是两个独立的过程。

注册(REGISTER)的目的：

  • 在注册服务器上建立SIP URI（如sip:alice@example.com）与物理位置（如IP地址和端口）之间的映射
  • 使用户能够接收来电，让系统知道”我在这里，请将我的呼叫发送到这个位置”
  • 一般需要定期刷新，以保持位置信息的更新

呼叫(INVITE)的独立性：

  • 发起呼叫并不一定需要先注册
  • 代理服务器可以使用多种方式路由SIP请求，包括但不限于：
    1. 查询注册数据库（如果用户已注册）
    2. 使用DNS SRV记录解析
    3. 根据静态路由表转发
    4. 基于对URI的解析进行路由决策

什么情况下需要注册？

  • 当用户需要接收来电时，必须注册
  • 在移动环境中，IP地址可能会变化，注册允许用户更新其可达性
  • 当使用多个设备时，可以通过注册使所有设备同时接收呼叫

什么情况下不需要注册？

  • 仅发起呼叫的用户不需要注册
  • 使用静态IP和固定路由配置的服务器之间的呼叫
  • 对基于URI特定域的路由方案，如直接IP寻址(sip:user@192.168.1.1)

在本文中，我们将分别讨论注册流程和呼叫流程，以便更清晰地理解这两个过程。

3.2 网络拓扑示例

Alice (UAC)    →    Proxy Server    →    Bob (UAS)
192.168.1.100       192.168.1.1         192.168.1.200

3.2 SIP呼叫信令时序图

3.2.1 文本形式的信令流程图

Alice                Proxy Server                Bob
  |                       |                       |
  |---[1]INVITE---------->|                       | ← 发起呼叫
  |<--[2]100 Trying-------|---[3]INVITE---------->| ← 转发呼叫请求
  |                       |<--[4]100 Trying-------| ← 处理中响应
  |<--[6]180 Ringing------|<--[5]180 Ringing------| ← 振铃响应
  |<--[8]200 OK-----------|<--[7]200 OK-----------| ← 接听响应
  |---[9]ACK------------->|                       | ← 确认接听
  |                       |---[10]ACK------------>| ← 转发确认
  |                       |                       |
  |<============== RTP Media Stream =============>| ← 媒体流传输
  |                       |                       |
  |---[11]BYE------------>|                       | ← 挂断请求
  |                       |---[12]BYE------------>| ← 转发挂断
  |<--[14]200 OK----------|<--[13]200 OK----------| ← 挂断确认

注意：上述流程中没有包含注册步骤。在实际应用中，SIP呼叫和注册是两个独立的过程，并非所有呼叫都需要先进行注册。代理服务器可以基于其他路由策略（如DNS查询、静态路由表等）转发SIP请求，而不仅仅依赖于注册信息。

3.2.2 简化流程图（核心步骤）

发起呼叫 → 查找用户 → 建立连接 → 媒体传输 → 结束通话
   ↓         ↓         ↓         ↓         ↓
INVITE → 180 Ringing → 200 OK → RTP Stream → BYE
   ↓                   ↓                   ↓
 路由转发            ACK确认            200 OK

3.3 SIP注册流程

在讨论具体呼叫流程前，我们先了解一下SIP注册过程，这对于某些类型的呼叫是必要的预备步骤。

用户代理(UA)            注册服务器
     |                      |
     |---REGISTER---------->| ← 请求注册
     |<-----200 OK----------| ← 注册成功

3.3.1 注册过程详解

步骤1: Alice注册到服务器

REGISTER sip:example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-reg123
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice123
To: <sip:alice@example.com>
Call-ID: reg-call-id-alice@192.168.1.100
CSeq: 1 REGISTER
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>
Expires: 3600
Content-Length: 0

步骤2: 服务器响应注册成功

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-reg123
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice123
To: <sip:alice@example.com>;tag=server456
Call-ID: reg-call-id-alice@192.168.1.100
CSeq: 1 REGISTER
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>;expires=3600
Content-Length: 0

注册流程的关键点：

  • 目的：将SIP URI（如sip:alice@example.com）与实际联系地址（如192.168.1.100:5060）关联
  • 有效期：注册信息通常有时效性（例如3600秒），需要定期刷新
  • 可选性：注册对于呼叫不是必须的，代理服务器可以使用其他方式路由SIP消息
  • 应用场景：主要用于用户需要接收来电的情况，发起呼叫不一定需要先注册

3.4 详细呼叫流程

3.4 详细呼叫流程

3.4.1 阶段1：呼叫建立（INVITE Transaction）

步骤1: Alice发送INVITE请求

INVITE sip:bob@example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 245

v=0
o=alice 2890844526 2890844526 IN IP4 192.168.1.100
s=-
c=IN IP4 192.168.1.100
t=0 0
m=audio 5004 RTP/AVP 0 8
a=rtpmap:0 PCMU/8000
a=rtpmap:8 PCMA/8000

步骤2: Proxy服务器转发INVITE

INVITE sip:bob@192.168.1.200:5060 SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.1:5060;branch=z9hG4bK-proxy123
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 245

[SDP内容与上面相同]

步骤3: Bob发送100 Trying（可选）

SIP/2.0 100 Trying
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.1:5060;branch=z9hG4bK-proxy123
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Content-Length: 0

步骤4: Bob发送180 Ringing

SIP/2.0 180 Ringing
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.1:5060;branch=z9hG4bK-proxy123
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:bob@192.168.1.200:5060>
Content-Length: 0

步骤5: Bob接听，发送200 OK

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.1:5060;branch=z9hG4bK-proxy123
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:bob@192.168.1.200:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 235

v=0
o=bob 2890844527 2890844527 IN IP4 192.168.1.200
s=-
c=IN IP4 192.168.1.200
t=0 0
m=audio 5006 RTP/AVP 0
a=rtpmap:0 PCMU/8000

步骤6: Alice发送ACK确认

ACK sip:bob@192.168.1.200:5060 SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-ack123
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 ACK
Content-Length: 0

3.4.2 阶段2：媒体传输

此时SIP信令已完成会话建立，双方开始RTP媒体流传输：

Alice:192.168.1.100:5004 ←→ Bob:192.168.1.200:5006
                RTP Audio Stream

3.4.3 阶段3：呼叫终止（BYE Transaction）

步骤1: Alice发送BYE请求

BYE sip:bob@192.168.1.200:5060 SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-bye123
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 2 BYE
Content-Length: 0

步骤2: Bob响应200 OK

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-bye123
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 2 BYE
Content-Length: 0

4. 关键信令字段深度分析

4.1 Call-ID：呼叫会话标识

Call-ID: call-123456@192.168.1.100
  • 作用：唯一标识一个SIP会话
  • 格式：通常包含本地标识符@主机地址
  • 生命周期：从INVITE到BYE，整个会话期间保持不变

4.2 Via头域：路由追踪

Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.1:5060;branch=z9hG4bK-proxy123
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
  • 作用：记录SIP消息的传输路径
  • branch参数：RFC 3261要求以”z9hG4bK”开头
  • 响应路由：响应消息沿Via头域记录的路径返回

4.3 From/To：呼叫方标识

From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
  • From tag：由发起方生成，标识发起方在此会话中的身份
  • To tag：由接收方生成，在第一个最终响应中添加
  • Dialog标识：Call-ID + From tag + To tag = 唯一会话标识

4.4 CSeq：命令序列号

CSeq: 1 INVITE
CSeq: 2 BYE
  • 作用：标识请求的顺序，用于匹配请求和响应
  • 格式：序列号 + 方法名
  • 规则：同一会话中，序列号递增

4.5 Contact：实际联系地址

Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>
  • 作用：告诉对方如何直接联系自己
  • 重要性：后续的BYE、re-INVITE等请求发送到此地址
  • 区别：与From/To的逻辑地址不同，这是物理地址

5. SDP媒体协商分析

5.1 Alice的SDP Offer

v=0                                    # 版本
o=alice 2890844526 2890844526 IN IP4 192.168.1.100  # 发起者信息
s=-                                    # 会话名称
c=IN IP4 192.168.1.100                # 连接信息
t=0 0                                  # 时间信息
m=audio 5004 RTP/AVP 0 8              # 媒体描述：音频，端口5004，支持codec 0和8
a=rtpmap:0 PCMU/8000                  # codec 0 = PCMU，8kHz采样
a=rtpmap:8 PCMA/8000                  # codec 8 = PCMA，8kHz采样

5.2 Bob的SDP Answer

v=0
o=bob 2890844527 2890844527 IN IP4 192.168.1.200
s=-
c=IN IP4 192.168.1.200
t=0 0
m=audio 5006 RTP/AVP 0                # 选择codec 0 (PCMU)
a=rtpmap:0 PCMU/8000

协商结果：

  • 音频编码：PCMU (G.711 μ-law)
  • Alice RTP端口：5004
  • Bob RTP端口：5006
  • 媒体流：双向音频

6. SIP会话状态转换

6.1 呼叫会话状态图

以下状态转换图展示了SIP呼叫过程中的各种状态及其转换关系：

[空闲] --INVITE--> [呼叫进行中] --180 Ringing--> [响铃中]
                                                     ↓
[通话结束] <--BYE-- [通话中] <--200 OK + ACK-- [应答中]
     ↓                                          
  200 OK

上图中：

  • 空闲：初始状态，尚未建立任何SIP对话
  • 呼叫进行中：已发送INVITE，等待对方响应
  • 响铃中：收到180 Ringing，表示被叫正在振铃
  • 应答中：收到200 OK，表示被叫已接听
  • 通话中：发送ACK后，双方建立会话进行通话
  • 通话结束：一方发送BYE请求终止会话

6.2 关键流程节点说明

1. 注册阶段关键点：

  • 用户必须先注册才能接收呼叫
  • Proxy服务器维护用户位置数据库
  • 注册有有效期，需要定期刷新

2. INVITE事务关键点：

  • INVITE可能产生多个临时响应（1xx）
  • 只有一个最终响应（2xx/3xx/4xx/5xx）
  • ACK必须发送以完成三次握手

3. 媒体流关键点：

  • RTP流是点对点传输，不经过Proxy
  • 媒体参数通过SDP协商确定
  • 支持双向实时音频传输

4. 会话终止关键点：

  • 任何一方都可以发起BYE
  • BYE直接发送，不经过Proxy
  • 收到200 OK后会话正式结束

7. 异常流程处理

7.1 被叫忙线

SIP/2.0 486 Busy Here
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>;tag=bob456
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Content-Length: 0

7.2 被叫不在线

SIP/2.0 404 Not Found
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 INVITE
Content-Length: 0

7.3 呼叫取消（CANCEL）

CANCEL sip:bob@example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK-invite789
From: <sip:alice@example.com>;tag=alice789
To: <sip:bob@example.com>
Call-ID: call-123456@192.168.1.100
CSeq: 1 CANCEL
Content-Length: 0

8. 总结

SIP呼叫流程虽然看起来复杂，但其设计遵循了清晰的协议逻辑：

  1. 注册与呼叫独立：注册和呼叫是两个独立的过程，不是所有呼叫都需要先注册
  2. 会话建立：通过三次握手（INVITE→200 OK→ACK）建立会话
  3. 媒体传输：SIP只负责信令控制，媒体通过RTP直接传输
  4. 会话终止：使用BYE方法干净地释放资源

关键要点：

  • SIP只负责信令控制，不传输媒体
  • 每个SIP消息都包含完整的路由信息
  • Via头域确保响应能正确返回
  • Call-ID、From tag、To tag唯一标识一个会话
  • SDP协商确定媒体参数
  • 注册主要用于接收呼叫，而发起呼叫不一定需要注册

理解这些基本原理，就能够有效地设计、部署和维护SIP通信系统。在实际应用中，还需要考虑NAT穿越、负载均衡、安全性等复杂因素，但SIP协议的灵活性和扩展性为这些需求提供了良好的基础。

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