P2P-SIP輕松實現(xiàn)多媒體會話
深圳市國人通信有限公司 胡明春 2006/12/08
SIP協(xié)議憑借其簡單、易于擴展、便于實現(xiàn)等諸多優(yōu)點越來越得到業(yè)界的青睞，它正逐步成為NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）和3G多媒體子系統(tǒng)域中的重要協(xié)議，本文針對SIP服務(wù)在部署中出現(xiàn)的“單點失效”和“性能瓶頸”等問題給出了詳細的解決方案。
針對SIP服務(wù)在部署中出現(xiàn)的“單點失效”和“性能瓶頸”問題，提出了基于P2P技術(shù)的SIP服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)有SIP設(shè)施，只做部分升級就能提供非常優(yōu)越的性能。文中給出了實現(xiàn)方案并重點分析了P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)處理注冊和呼叫的流程。并介紹了P2P技術(shù)、Chord協(xié)議和互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF在P2P-SIP方面的研究進展。
SIP服務(wù)現(xiàn)狀
SIP （Session Initiation Protocol，會話初始化協(xié)議）是在Internet節(jié)點間建立多媒體會話的控制信令，由IETF制定。SIP協(xié)議簡單、可擴展性強，被很多互聯(lián)網(wǎng)電話業(yè)務(wù)采用，成為VoIP的兩大協(xié)議之一。VoIP是下一代互聯(lián)網(wǎng)（NGN）的重要組成部分，因為可以提供更豐富的業(yè)務(wù)和更低廉的通話費用，最近幾年發(fā)展迅猛。據(jù)iResearch 整理的資料顯示，2004年全球VoIP 服務(wù)市場規(guī)模已經(jīng)達到35 億美元，在未來兩年仍將呈現(xiàn)高速增長的趨勢，預(yù)計2008年市場規(guī)模將達到210 億美元。
在用戶高速增長的同時，現(xiàn)有的SIP服務(wù)器也普遍反映出一些不足：“單點失效”和“性能瓶頸”問題。SIP按域劃分用戶（比如ccw.com.cn就是一個域，而www.ccw.com.cn就是該域內(nèi)提供網(wǎng)頁瀏覽的一臺www服務(wù)器），每個域有一臺SIP服務(wù)器，用戶連上本域的服務(wù)器。如果用戶所在域的服務(wù)器宕機，用戶就不能使用SIP服務(wù)。這就是所謂的“單點失效”問題。當(dāng)某個域內(nèi)的用戶數(shù)目龐大時，單臺服務(wù)器就會性能不足。如果使用多臺服務(wù)器，為維護服務(wù)器之間的一致性又會增加配置的復(fù)雜性和增大性能損耗，性能提升十分有限。這就是所謂的“性能瓶頸”問題。
Skype使用P2P（Point to Point，點對點）機制解決了這兩個問題。Skype網(wǎng)絡(luò)把節(jié)點分為超級和普通兩種。超級節(jié)點通過P2P機制互聯(lián)，為普通節(jié)點提供注冊服務(wù)。當(dāng)超級節(jié)點失效時，它所管理的普通節(jié)點會注冊到其他超級節(jié)點上，避免了“單點失效”。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處理能力不夠時，部分普通節(jié)點會轉(zhuǎn)換成超級節(jié)點以增大網(wǎng)絡(luò)容量，打破了“性能瓶頸”�？窟@種結(jié)構(gòu)，Skype做到了全球注冊用戶超過1億，同時在線人數(shù)突破700萬�？上kype使用私有協(xié)議，無法接入市場上大量的VoIP設(shè)備。
Skype的成功，使得IETF開始借鑒P2P的機制來提升SIP。威廉瑪麗學(xué)院的David A. Brayn就提出了擴展SIP的Register請求，將其用做P2P的信令。P2P的優(yōu)點是沒有中心服務(wù)器，節(jié)點間分擔(dān)負載。沒有中心服務(wù)器，就不會“單點失效”；節(jié)點間分擔(dān)負載，增加節(jié)點就能迅速增大系統(tǒng)容量。而且在P2P中，增加節(jié)點的操作幾乎是“零配置”的。
P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
在IETF的設(shè)想中，每個SIP節(jié)點同時也是P2P節(jié)點。節(jié)點間地位平等，沒有普通節(jié)點和超級節(jié)點的差別。這種設(shè)計要求現(xiàn)有SIP設(shè)備做重大改動，而且無法將SIP服務(wù)做商業(yè)化運營。而本文的設(shè)計充分考慮到SIP服務(wù)的商業(yè)化和電信級運營，不需要改動現(xiàn)有VoIP終端設(shè)備，只對現(xiàn)有SIP服務(wù)器的軟件做改動，而且改動很小。為區(qū)別于傳統(tǒng)的SIP服務(wù)器，本文把P2P化的SIP服務(wù)器叫做P2P-SIP Node，簡稱PN。具體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，原來管理一個域的單臺服務(wù)器變成多臺PN，PN之間通過P2P機制互聯(lián)，彼此分擔(dān)負載。PN可以承擔(dān)原來服務(wù)中壓力最大的部分，比如注冊、代理和計費。用戶連接到任一PN，都可以有效使用服務(wù)。部分PN下線或故障不會影響到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的正常運行。要擴大P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的容量，加入新的PN就可以了。
PN在地理上散布各處，邏輯上根據(jù)選用的P2P機制的不同可以是環(huán)形的（Chord協(xié)議）、矩陣的（CAN協(xié)議）、網(wǎng)狀的（Pastry協(xié)議和Tapestry協(xié)議）�；镜腜N至少包括注冊和代理兩種功能。為進行商業(yè)運營，可以部署全局認證服務(wù)器、全局賬務(wù)服務(wù)器和網(wǎng)管服務(wù)器等等，用于管理全部的用戶和所有的PN。
新的服務(wù)比如語音和視頻會議、語音郵箱、PSTN落地（即呼叫座機和手機）、自動和人工語音應(yīng)答可以部署在PN上，也可以作為單臺服務(wù)器或服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)的形式接入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。
P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)
1. PN的結(jié)構(gòu)
PN分為兩層。上面是SIP層，處理標(biāo)準(zhǔn)的SIP信令；下面是P2P層，使用特定的機制（本文的設(shè)計選用Chord協(xié)議）互聯(lián)各個PN的P2P層并維持它們之間的聯(lián)系。P2P層提供給SIP層的應(yīng)用程序編程接口（API）只有函數(shù)find_responsible_pn(user)，該函數(shù)返回負責(zé)管理該user的PN的IP地址和端口。由于P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，所以負責(zé)管理某個用戶的PN在不同時段可能是不同的。
首先講一講Chord基礎(chǔ)知識，Chord是結(jié)構(gòu)化的overlay。所謂overlay，是指P2P系統(tǒng)在物理連接的基礎(chǔ)上構(gòu)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)。而結(jié)構(gòu)化的overlay，是指在overlay中，特定的資源由特定的節(jié)點管理；當(dāng)查詢該資源時，根據(jù)某種路由規(guī)則，找到管理該資源的特定節(jié)點。Chord使用SHA-1哈希算法，哈希值為m個比特。共有2m個可能值分布在圓周上，稱做Chord環(huán)，如圖2所示。
圖中N表示節(jié)點，N后的數(shù)字是該節(jié)點的哈希值，一般通過哈希節(jié)點的IP地址得到。K表示資源，K后的數(shù)字是該資源的哈希值。Chord用在SIP中時，K應(yīng)該是SIP URI，例如sip:humingchunno1@163.com。在Chord中，每個節(jié)點都負責(zé)管理一段哈�？臻g——順時針方向上之前一個節(jié)點到自己的范圍，哈希值落在該空間中的資源K的信息由本節(jié)點保存。例如節(jié)點N32就負責(zé)管理資源K24和K30的信息（圖2中指向N32的實線箭頭所示）。
當(dāng)某個節(jié)點比如N8要詢問資源K30的信息時，N8首先要找到負責(zé)管理K30的節(jié)點N32。最簡單的做法是N8詢問順時針方向上自己后面的那個節(jié)點，稱做N8的successor，即N14。如果N14不負責(zé)K30，則N14詢問自己的successor，即N21。該操作反復(fù)進行，直至找到負責(zé)K30的節(jié)點N32為止。
這種查詢機制只要求節(jié)點知道順時針方向上自己后面那個節(jié)點的位置（自己的successor），查詢效率低，花費的平均時間是函數(shù)O(N/2)的值，N是Chord環(huán)的實際節(jié)點數(shù)。為提高查詢效率，Chord中每個節(jié)點除了記錄successor和predecessor（順時針方向上自己前面的那個節(jié)點)外，還要記錄m個其他節(jié)點。這m個節(jié)點由successor(n+2i-1)確定，其中n是本節(jié)點的哈希值，i是1到m間的整數(shù)。m個節(jié)點的集合就是finger表（圖2中給出N8的finger表）。這種方式下查詢資源花費的平均時間為O(logN)。
新節(jié)點，例如圖2中的N26，要加入Chord環(huán)時，先詢問自己知道的Chord中任一節(jié)點，假定為N8。N8通過查詢，發(fā)現(xiàn)N26的successor是N32，告知N26。N26得知后把successor設(shè)為N32，并通告N32自己的存在。N32得知后把predecessor設(shè)為N26，并把K24交由N26管理。N26則完成加入。
Chord中每個節(jié)點都要周期性地更新自己的successor、predecessor和finger表，以保證快速正確的查詢。理論的計算和實際的模擬顯示，Chord的容錯性很強，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中50%的節(jié)點故障時，查詢失敗的機率也只有1.3%。
2. P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的形成和維護
在PN的配置文件中應(yīng)該有一個配置項，其值是“IP地址:端口”或“域名：端口”的形式。存在多個值時，之間用空格分開。其值也可以為空，表示本PN是P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點。值格式錯誤時，忽略該值。
PN啟動時，如果發(fā)現(xiàn)配置項的值為空，PN的Chord層就新建一個Chord環(huán)。如果配置項存在一個或多個值，Chord層就依次向這些值發(fā)請求直至收到成功應(yīng)答。如果最終沒有收到成功應(yīng)答，就提示錯誤或者新建一個Chord環(huán)。PN進入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)后，即PN的Chord層加入到Chord環(huán)中，需要從其successor處拷貝一份用戶注冊信息。
PN正常退出P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)時，需要將自己管理的用戶注冊信息發(fā)給自己的successor。非正常退出時，P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)會暫時丟失部分用戶的注冊信息。為保證注冊過的用戶始終可達，可以讓PN周期性地將它管理的用戶注冊信息通告自己的successor，甚至successor的successor。
P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的維護是PN的Chord層來做的。每個PN的Chord層都周期性地更新自己的successor、predecessor和finger表，從而及時地了解網(wǎng)絡(luò)的變化。
3. 請求處理過程
按照RFC3261的規(guī)定，SIP服務(wù)器（主要指代理服務(wù)器）處理請求時與請求的方法無關(guān)。我們將SIP服務(wù)器改造成PN時增加的步驟也應(yīng)該是與方法無關(guān)的。下面我們通過詳細描述用戶的注冊和呼叫，來展示P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中PN處理請求的過程，并表明增加的步驟與方法無關(guān)。
用戶注冊過程
對用戶而言，注冊到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的過程和注冊到SIP網(wǎng)絡(luò)的過程是相同的。只是在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，PN收到注冊請求時，并不立即記錄該條注冊信息，而是先調(diào)用函數(shù)find_responsible_pn(user)。如果返回的地址是PN自己，這才記錄下用戶注冊信息；如果返回的地址是其他PN，則PN會把注冊請求轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的PN。最終，注冊請求會被轉(zhuǎn)發(fā)到負責(zé)處理它的PN處，處理后產(chǎn)生的應(yīng)答按原路返回。
考慮到減輕PN轉(zhuǎn)發(fā)請求和記錄事務(wù)狀態(tài)的負擔(dān)，PN收到不該自己負責(zé)的注冊請求時，可以返回301 Moved Permanently應(yīng)答。而把調(diào)用find_responsible_pn(user)得到的地址放在應(yīng)答的Contact頭域中,具體的注冊過程如圖3所示。
- 第1步：終端發(fā)注冊請求
IP地址為192.168.13.63的SIP終端準(zhǔn)備好REGISTER請求，發(fā)給P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中任一PN（比如Key為69的PN。在P2P-SIP中，Key值是通過哈希節(jié)點的IP地址和端口得到的）。如圖3中M1所示。
SIP終端可以通過多種方式獲得PN的IP地址和端口。比如用戶手動指定，或者使用終端默認的PN，或者使用終端上次進入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)時更新的PN列表。
- 第2步：PN轉(zhuǎn)發(fā)請求
Key值為69的PN收到REGISTER請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI——表示注冊的信息屬于哪個用戶，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值應(yīng)該是“IP地址∶端口”字符串的形式。將返回值同本機“IP地址∶端口”作比較，如果相同，說明本機負責(zé)處理該請求，之后的處理流程遵循SIP標(biāo)準(zhǔn)；如果不同，就轉(zhuǎn)發(fā)REGISTER請求到該“IP地址∶端口”。
在本例中，SIP URI是michael@powercn.com，假定其哈希值是17，PN的Chord層會查找到負責(zé)處理該請求的PN Key值是32，find_responsible_pn(user)返回該PN的“IP地址∶端口”——192.168.13.110:5060。PN的SIP層比較該值發(fā)現(xiàn)不是自己，就將注冊請求轉(zhuǎn)發(fā)到該“IP地址∶端口”，如圖3中M2所示。
- 第3步：PN接受注冊，返回應(yīng)答
Key值為32的PN收到REGISTER請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI(michael@powercn.com)，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值是192.168.13.110:5060，比較后發(fā)現(xiàn)是自己，說明自己負責(zé)管理該用戶，負責(zé)處理該用戶的注冊請求。之后的處理流程遵循SIP標(biāo)準(zhǔn)。假定注冊成功，PN返回200 OK應(yīng)答。如圖3中M3所示。應(yīng)答的返回遵循SIP標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Via頭域按原路返回，不需要查找路徑，不會使用Chord層的操作。
- 第4步：SIP終端收到應(yīng)答，完成注冊
Key值為69的PN收到來自192.168.13.110的應(yīng)答，按照SIP標(biāo)準(zhǔn)處理，把應(yīng)答發(fā)給192.168.13.63:5060。如圖3中M4所示。SIP終端收到200 OK應(yīng)答，完成注冊。
用戶呼叫過程
對用戶而言，在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起呼叫與在SIP網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起呼叫相比沒什么不同。構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的INVITE請求，發(fā)給自己連接的PN（SIP服務(wù)器），然后等待應(yīng)答。
在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，PN收到INVITE請求，進行必要處理后，取出請求中To頭域里的SIP URI（表示呼叫哪個用戶），調(diào)用find_responsible_pn(user)。如果返回值是PN自己，說明PN負責(zé)管理To頭域所標(biāo)識的用戶，PN具有該用戶的注冊信息，之后的處理按SIP標(biāo)準(zhǔn)流程;
如果不是，則PN將INVITE請求轉(zhuǎn)發(fā)給find_responsible_pn(user)返回的“IP地址：端口”，具體的呼叫過程如圖4所示。
- 第1步：主叫發(fā)起呼叫
IP地址為192.168.13.26的用戶alice@powercn.com要呼叫用戶michael@powercn.com。alice可以把請求發(fā)給P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中任一PN�？紤]到要在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)上提供增值業(yè)務(wù)（比如計費），alice把INVITE請求發(fā)給管理它的PN更合適一點，在本例中是IP為192.168.13.203，Key值為0的PN。如圖4中M1所示。
- 第2步：PN轉(zhuǎn)發(fā)請求到PN
Key值為0的PN收到INVITE請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI(michael@powercn.com)，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值是192.168.13.110:5060。比較后發(fā)現(xiàn)不是自己，將請求轉(zhuǎn)發(fā)給192.168.13.110:5060。如圖4中M2所示。
- 第3步：PN轉(zhuǎn)發(fā)請求到被叫
IP地址為192.168.13.110的PN收到該請求，進行相同的處理。發(fā)現(xiàn)返回值是自己，說明PN管理該用戶，擁有該用戶的注冊請求。之后的處理流程遵循SIP標(biāo)準(zhǔn)，即在本地取得用戶michael的當(dāng)前地址，然后轉(zhuǎn)發(fā)請求到該地址。如圖4中M3所示。
- 第4步：被叫接受呼叫，返回應(yīng)答
用戶michael所在的SIP終端收到該請求，按照SIP標(biāo)準(zhǔn)進行處理。假定michael接受呼叫請求，則返回200 OK應(yīng)答。如圖4中M4所示。
- 第5步：應(yīng)答沿原路返回
應(yīng)答的返回遵循SIP標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Via頭域按原路返回，不需要查找路徑，不會使用Chord層的操作。如圖4中M5、M6所示。
- 第6步：主叫收到應(yīng)答，發(fā)出確認，建立呼叫
用戶alice所在的SIP終端收到200 OK應(yīng)答，用ACK請求進行確認。ACK請求不經(jīng)過P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)，直接發(fā)給用戶michael所在的SIP終端。如圖4中M7所示。用戶michael所在的SIP終端收到ACK確認請求，呼叫建立。結(jié)束通話時，michael和alice直接交換SIP信令，不經(jīng)過P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。
按照本文所述的設(shè)計和實現(xiàn)方案，對原有的SIP軟交換平臺進行改造，在PN上實現(xiàn)了注冊、呼叫和計費功能。原來的語音郵箱和自動應(yīng)答功能作為單臺媒體服務(wù)器接入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)，在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)提供全局的用戶認證、撥號策略、賬務(wù)系統(tǒng)和網(wǎng)管服務(wù)。
基本的測試顯示，5臺處理能力為72萬次/小時BHCA（中文叫忙時試呼次數(shù)，是電信領(lǐng)域用來衡量服務(wù)器處理能力的重要指標(biāo)，注冊用戶數(shù)在電信領(lǐng)域指的就是座機的數(shù)目）的普通PC機組成P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)后其BHCA可以達到288萬次/小時，支持的注冊用戶數(shù)達48萬。
鏈接：SIP協(xié)議介紹
會話發(fā)起協(xié)議SIP(Session Initiation Protocol)是IETF制定的多媒體通信系統(tǒng)框架協(xié)議之一，它是一個基于文本的應(yīng)用層控制協(xié)議，獨立于底層協(xié)議，用于建立、修改和終止IP網(wǎng)上的雙方或多方多媒體會話。SIP協(xié)議借鑒了HTTP、SMTP等協(xié)議，支持代理、重定向、登記定位用戶等功能。支持用戶移動，與RTP/RTCP、SDP、 RTSP、DNS等協(xié)議配合。支持Voice、Video、Data、Email、Presence、IM、Chat、Game等。
正如其名字所隱含的，SIP用于發(fā)起會話，它能控制多個參與者參加的多媒體會話的建立和終結(jié)，并能動態(tài)調(diào)整和修改會話屬性，如會話帶寬要求、傳輸?shù)拿襟w類型（語音、視頻和數(shù)據(jù)等）、媒體的編解碼格式、對組播和單播的支持等。
SIP協(xié)議憑借其簡單、易于擴展、便于實現(xiàn)等諸多優(yōu)點越來越得到業(yè)界的青睞，它正逐步成為NGN（下一代網(wǎng)絡(luò)）和3G多媒體子系統(tǒng)域中的重要協(xié)議，并且市場上出現(xiàn)越來越多的支持SIP的客戶端軟件和智能多媒體終端，以及用SIP協(xié)議實現(xiàn)的服務(wù)器和軟交換設(shè)備。
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