SIP協(xié)議與視頻通信
2003/10/29
摘 要 概述現有視頻通信技術(shù),包括H.320與H.323的應用,以及SIP協(xié)議的歷史、組成部件,并展望了SIP協(xié)議用于視頻通信的前景。
關(guān)鍵詞 SIP 視頻通信 H.323
一、引 言
通信技術(shù)發(fā)展到今天,電話(huà)網(wǎng)幾乎覆蓋全球。語(yǔ)音通信(電話(huà))似乎已基本達到在任何時(shí)間,任何地點(diǎn)都可以溝通。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,人們已不滿(mǎn)足僅僅語(yǔ)音通信,大規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20多年,當前不但有統一的標準而且有成熟的產(chǎn)品,但是由于種種原因一直沒(méi)有得到像電話(huà)那樣的普遍應用。隨著(zhù)SIP協(xié)議的出現,視頻通信在技術(shù)上又有了新的發(fā)展動(dòng)力。
二、視頻通信協(xié)議概述
1.基于H.320的視頻應用
傳統會(huì )議電視利用以電話(huà)網(wǎng)2M或者1.544M直連數字線(xiàn)路連接終端會(huì )議電視設備進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻、視頻和數據信息的傳送。通過(guò)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。最初會(huì )議電視廠(chǎng)家以各自專(zhuān)用的壓縮和通信算法進(jìn)行生產(chǎn),各個(gè)會(huì )議電視廠(chǎng)家產(chǎn)品無(wú)法互聯(lián)互通。
隨著(zhù)ITU-T推出H.320協(xié)議,上述問(wèn)題得到很大程度的解決。H.320是同步電路交換網(wǎng)(如ISDN)上現頻傳輸的標準。電路交換網(wǎng)適用于實(shí)時(shí)應用,如長(cháng)時(shí)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(lài)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(xié)議,電話(huà)網(wǎng)商用會(huì )議電視的理想電路是384kbit/s。使用384kbit/s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。采用2M或者1.544M的中繼直連當然很容易滿(mǎn)足上述帶寬要求,但是等于建立專(zhuān)網(wǎng),價(jià)格令用戶(hù)難以承受。由于電話(huà)網(wǎng)絡(luò )中繼價(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(chǎng)仍將在未來(lái)數年里繼續成長(cháng)。
2.基于H.323協(xié)議的視頻應用
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準。該協(xié)議專(zhuān)門(mén)為不提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證的局域網(wǎng)技術(shù)制定,例如運行于以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)(Token Ring)上的TCP/IP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(mǎn)足要求同樣可以應用在更大范圍,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(lái)。增加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(lái)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(lái)的。H.323協(xié)議在規定了與H.320相同的視、音頻壓縮算法的同時(shí)又補充了一些新的算法。它是一個(gè)龐大的協(xié)議族,主要定義了四個(gè)部分:終端、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)守和多點(diǎn)控制單元。
(1)終端:在基于IP的網(wǎng)絡(luò )上是一個(gè)客戶(hù)端點(diǎn)。它需要支持下面3項功能: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。
(2)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。
(3)網(wǎng)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(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、帶寬管理和呼叫管理4個(gè)可選的功能。
(4)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(hù)進(jìn)行會(huì )話(huà)。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(méi)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(huà)中的媒體流的處理,如話(huà)音的混合、話(huà)音/視頻的交換。
H.323是一個(gè)復雜而龐大的協(xié)議族,現階段是視頻應用的主流技術(shù)。由于過(guò)于復雜,現在正受到基于SIP協(xié)議視頻應用的挑戰。
二、SIP協(xié)議簡(jiǎn)介
1.SIP概述
SIP (Session Initiation Protocal)稱(chēng)為會(huì )話(huà)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這樣一種結構的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中,實(shí)現實(shí)時(shí)通信應用的一種信令協(xié)議。而所謂的會(huì )話(huà)(Session)就是指用戶(hù)之間的數據交換。在基于SIP協(xié)議的應用中,每一個(gè)會(huì )話(huà)可以是各種不同類(lèi)型的內容,可以是普通的文本數據,也可以是經(jīng)過(guò)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(gè)IETF提出的標準,SIP協(xié)議在很大程度上借鑒了其他各種廣泛存在的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采用的也是基于文本的編碼方式,這也是SIP協(xié)議同視頻通信領(lǐng)域其他現有標準相比最大的特點(diǎn)之一。SIP協(xié)議的提出和發(fā)展,是伴隨著(zhù)Internet的發(fā)展而發(fā)展的,到目前為止它走過(guò)了以下幾個(gè)階段:
(1)1996年首先出現了SIP的概念,這時(shí)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。
(2)1999年3月,ITEF的多方多媒體會(huì )話(huà)控制(MMUSIC)工作組提出了RFC2543建議,供各廠(chǎng)商和機構討論。
(3)1999年9月,SIP工作組從MMUSIC中分離并獨立出來(lái),成立了SIP工作組,并于2000年7月發(fā)表了SIP的草案。
(4)2002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,僅針對各種文本應用,隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)和IETF中IP電話(huà)工作組(IPTEL)、IP網(wǎng)中電話(huà)選路(TRIP)工作組等兄弟工作組配合工作,在SIP協(xié)議中大大加強了對多媒體通信的支持。
由于Internet的飛速發(fā)展,在最近的兩年時(shí)間內,SIP已經(jīng)開(kāi)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(guān)的工作組。特別是作為ITU-T SG16主要成員,在多年發(fā)展H.323應用的基礎上,針對SIP應用在視頻領(lǐng)域的特點(diǎn),提出了SIP的應用指導,并推出了相應的SIP協(xié)議棧,使得ITU的成員實(shí)現了這兩種協(xié)議之間的互通性。
2.SIP系統基本組成
按邏輯功能區分,SIP系統由4種元素組成:用戶(hù)代理,SIP代理服務(wù)器,重定向服務(wù)器以及SIP注冊服務(wù)器。
(1)SIP用戶(hù)代理:又稱(chēng)為SIP終端,是SIP系統中的最終用戶(hù),在RFC3261中將它們定義為一個(gè)應用。根據它們在會(huì )話(huà)中扮演的不同角色,又分為用戶(hù)代理客戶(hù)機(UAC) 和用戶(hù)代理服務(wù)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。
(2)SIP代理服務(wù)器(SIP Proxy Server):是一個(gè)中間元素,它既是一個(gè)客戶(hù)機又是一個(gè)服務(wù)器,具有解析名字的能力,能夠代理前面的用戶(hù)向下一跳服務(wù)器發(fā)出呼叫請求,由服務(wù)器決定下一跳的地址。
(3)重定向服務(wù)器(Redirect Server):是一個(gè)規劃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(hù),讓該用戶(hù)直接向下一跳地址發(fā)出請求,而自己則退出對這個(gè)呼叫的控制。
(4)SIP注冊服務(wù)器 (SIP Register Server):用來(lái)完成對UAS的登錄,在SIP系統的網(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(guò)服務(wù)器能找到它們。

圖1是一個(gè)SIP呼叫建立過(guò)程的示意圖,其中:
(1)SIP用戶(hù)代理向SIP代理服務(wù)器發(fā)送呼叫,建立請求(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,建立請求。
(5)被請求的SIP代理服務(wù)器使用非SIP協(xié)議,例如域名查詢(xún)或者LDAP到定位服務(wù)器查詢(xún)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,建立請求。
(8)被叫SIP代理服務(wù)器向SIP用戶(hù)代理(被叫)發(fā)送呼叫,建立請求(被叫振鈴或顯示)。
(9)被叫用戶(hù)代理向被叫SIP用戶(hù)代理服務(wù)器發(fā)送同意或拒絕。
(10)被叫用戶(hù)代理服務(wù)器向主叫代理服務(wù)器所請求的代理服務(wù)器發(fā)送同意或拒絕。
(11)主叫代理服務(wù)器所請求的代理服務(wù)器向主叫代理服務(wù)器發(fā)同意或拒絕。
(12)主叫代理服務(wù)器向主叫SIP用戶(hù)代理指示被叫是否同意呼叫請求。
呼叫建立后,雙方根據協(xié)商得到的媒體和壓縮算法等信息相互通信。呼叫拆除過(guò)程類(lèi)似于建立過(guò)程。
三、SIP用于視頻通信的優(yōu)勢與問(wèn)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 ),而當前分組交換網(wǎng)上最成熟的視頻通信系統都基于H.323協(xié)議族。所以,使用SIP協(xié)議的視頻通信系統不可避免地需要和H.323系統比較來(lái)得到優(yōu)勢與不足。雖然SIP協(xié)議和H.323協(xié)議族并不是誰(shuí)替代誰(shuí)的競爭關(guān)系,但是通過(guò)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。
1.協(xié)議功能模塊比較
SIP協(xié)議功能模塊中用戶(hù)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(lèi)似H.323中的RAS和Q.931協(xié)議,而SDP則相當于H.254。在IETF的SIP體系結構中,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主要不同在于呼叫信令和控制是如何實(shí)現的。
2.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:TCP連接建立和呼叫連接建立。在H.323第三版中支持TCP和UDP,簡(jiǎn)化了呼叫建立過(guò)程。SIP的呼叫建立類(lèi)似H.323第三版的處理過(guò)程,使用INVITE信息包。呼叫拆除的過(guò)程與呼叫建立相反,主叫和被叫都能拆線(xiàn),H.323協(xié)議采用RELEASE COMPLETE,SIP協(xié)議采用BYE。
3.呼叫控制業(yè)務(wù)
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(huà)會(huì )議和其他補充業(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INVITE命令即可。更改的SDP描述段僅將媒體發(fā)送的目的地址變?yōu)榭眨迹?0.0.0>,而其他的內容不變。收到該用戶(hù)的UA,讓呼叫保持,直到有新的INVITE到來(lái)為止。
4.SIP的第三方控制
第三方控制是指不參與會(huì )話(huà)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用場(chǎng)合,包括秘書(shū)為經(jīng)理?yè)芴枴㈦娫?huà)營(yíng)銷(xiāo)的自動(dòng)撥號、參加者呼叫轉移和呼叫中心業(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PINT(IN和因特網(wǎng)互通)業(yè)務(wù)時(shí)都采用了SIP協(xié)議。
5.能力交換
能力交換就是彼此交流各自對媒體流的處理能力,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(xié)議進(jìn)行能力交換。終端的所有能力都描述在一組Capability Descriptor結構中,它們的每個(gè)項是一個(gè)Simultaneous Capabilities結構和一個(gè)Capability Decriptor Number。借助這種結構,每個(gè)終端能力的精確信息被表示在相關(guān)的緊縮結構中。
SIP使用SDP來(lái)進(jìn)行能力交換,主叫方使用一個(gè)OPTION需求去找出被叫。因為受制于SDP的表達方式,所以SIP還不如H.245有完整靈活的協(xié)商能力,例如SIP不支持不對稱(chēng)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。
6.服務(wù)質(zhì)量
服務(wù)質(zhì)量包含很多不同方面的指標,一個(gè)和多媒體流相關(guān)的QoS參數包括帶寬、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(jué)的QoS,它在很大程度上依賴(lài)于信令協(xié)議。呼叫時(shí)延也依賴(lài)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,對于媒體流,我們首先考慮信令協(xié)議對QoS的支持,然后再考察呼叫建立時(shí)延,因為呼叫建立時(shí)延受錯誤檢測和錯誤糾正機制的影響。
7.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、帶寬管理和呼叫管理等選擇功能。SIP其自身不支持管理和控制功能,而是依賴(lài)于別的協(xié)議。
近年來(lái),新的分級服務(wù)體系結構開(kāi)始引人注目,H.323第三版能提供某些基于QoS協(xié)商參數(位流速、時(shí)延、抖動(dòng))的分級服務(wù)。在呼叫初始化時(shí),終端可以申請擔保的服務(wù)、受控服務(wù)和無(wú)指明服務(wù)中的一種,SIP和H.323老版本均不支持類(lèi)似的服務(wù)。
8.呼叫建立時(shí)延
H.323第一版在呼叫建立時(shí)延時(shí)很大,第二版進(jìn)行了改進(jìn),第三版則更好。SIP在呼叫建立時(shí)非常類(lèi)似于H.323第三版,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)有效的機制,如果UDP連接成功則關(guān)閉TCP連接。否則,立刻啟用TCP。SIP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。
9.環(huán)路檢測
為防止環(huán)路,H.323定義PathValue域來(lái)指出信令信息在丟棄前可達到的最大數目。問(wèn)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)值也要相應改。SIP采用了via頭字段,檢查其內容,如果新端點(diǎn)已出現在via列表中,則表示有環(huán)路了。SIP的方法好于H.323。 10.互操作性
(1)版本之間的互操作性包括:H.323的完整后向兼容性使所有不同的H.323版本都能實(shí)現無(wú)縫集成。在SIP方面,新版本可能使某些舊功能不再被實(shí)現。
(2)與其他信令協(xié)議的互操作性:要支持傳統的電信業(yè)務(wù),VoIP信令協(xié)議必須支持ISDN和No.7信令,Q.931接口用于User-Network接口(UNI),ISUP用于Network-Network(NNI)。由于H.323的呼叫建立只是No.7信令/ISUP的一個(gè)子集,所以H.323只能部分地轉換No.7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I(mǎi)nternet的協(xié)議草案在進(jìn)行這方面的工作。隨著(zhù)軟交換概念的提出和發(fā)展,SIP也受到了重視,SIP有可能作為軟交換設備之間的信令協(xié)議,成為各種信令互操作的紐帶。
11.實(shí)現的難易性
H.323信令信息符合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。基于文本的編碼很容易用Java,Tcl和Perl等語(yǔ)言來(lái)實(shí)現,調試方便。
四、SIP協(xié)議在視頻通信中的應用
SIP協(xié)議是一個(gè)建立會(huì )話(huà)的協(xié)議,類(lèi)似于電話(huà)網(wǎng)中的信令。從理論上說(shuō),SIP協(xié)議可以用于任何基于會(huì )話(huà)的應用。因此視頻應用當然也不例外。在企業(yè)網(wǎng)、局域網(wǎng)內使用SIP協(xié)議提供視頻應用完全沒(méi)有問(wèn)題。但是,當SIP協(xié)議應用在為公眾服務(wù)的大范圍、大規模電信網(wǎng)絡(luò )中的視頻應用則較少。主要原因在上面SIP協(xié)議用于視頻應用的優(yōu)勢與缺陷中已有提及。問(wèn)題的根源在于SIP協(xié)議來(lái)源于IETF,電信行業(yè)標準主要來(lái)源于ITU,IETF與ITU屬兩大陣營(yíng),IETF來(lái)源于計算機行業(yè),推崇盡力而為、免費服務(wù)與分散的控制。ITU來(lái)源于電信行業(yè),推崇保證服務(wù)質(zhì)量、收費服務(wù)與集中控制。SIP要在電信視頻通信網(wǎng)得到應用,必須解決管理、計費以及服務(wù)質(zhì)量等問(wèn)題。
服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題與SIP協(xié)議本身無(wú)關(guān),是否能保證服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題關(guān)鍵在于分組網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量。所以,SIP協(xié)議與H.323協(xié)議在服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題上是一致的,與他們比較的是基于電路的H.320視頻應用。
SIP本身并不考慮計費,我們可以在用戶(hù)代理服務(wù)器上收集計費數據。從這點(diǎn)看,似乎使用SIP協(xié)議的視頻應用問(wèn)題不大。實(shí)際上問(wèn)題在于SIP協(xié)議是IETF協(xié)議,某種程度上是分散控制。終端擁有很強大的智能,雖然通常只實(shí)現用戶(hù)代理,但是可以完全實(shí)現用戶(hù)代理服務(wù)器甚至定位服務(wù)器。用戶(hù)可以很容易地繞開(kāi)收集計費信息的電信運營(yíng)商設備直接在分組層取得視頻服務(wù)。這樣,電信運營(yíng)商就得不到預期的利潤,也就沒(méi)有動(dòng)力建設基于SIP的網(wǎng)絡(luò )。
五、結束語(yǔ)
雖然SIP協(xié)議用于電信視頻應用存在問(wèn)題,但是隨著(zhù)SIP協(xié)議首先在語(yǔ)音交互中的應用以及軟交換中的使用,可以看到SIP協(xié)議還是有較好的前景的。未來(lái)網(wǎng)絡(luò )趨于分組網(wǎng)絡(luò ),網(wǎng)絡(luò )趨向使用簡(jiǎn)潔有效的協(xié)議,所以SIP協(xié)議有可能在未來(lái)視頻通信網(wǎng)絡(luò )中得到廣泛應用。
中國通信網(wǎng)(www.c114.net)—《電信網(wǎng)技術(shù)》
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