SIP交互流程及路由机制

    Dialog是SIP中的一个关键概念。根据RFC3261，会话是两个UA之间持续一段时间的点到点的SIP连接，即是记录两者已经连接上的相关内容实体，方便在对话中请求进行识别和处理。

    对话都是有对话ID来标识的，包括Call-ID，一个本地标签（From-tag）和一个远端标签（To-tag）。即是说三者确定了某个对话的存在。

    对话中还包括一些对话中的后续消息所需的状态，包括：对话ID、本地序列号、远端序列号、本地URI、远端目的、布尔型标记“secure”和路由集。路由集是一个顺序的URI集，指定发送请求到目的地所需遍历的服务器地址。

会话的状态有初始状态和确认状态。当临时的相应被创建时，即标记对话的三个因素刚齐全时为初始状态；而收到2**的最后响应到达时转为确认状态，如果是其他响应或无响应到达，初始状态终结。

如下所示

图1-1 对话建立过程

1.创建对话

1) UAS

 i.路由集由请求的Record-Route头字段提供，并要保留顺序和URI参数，实时更新，如果下一轮的请求中无Record-Route头字段，则路由集变为空

 ii.本地URI填入回应的Contact头字段

 iii.布尔型标记“secure”，如果请求基于TLS(传输层安全协议)，则由Request-URI中的secure参数来提供

 iv.远端目的由请求的Request-URI提供

 v.From-tag可能不存在，则默认为空

2) UAC

 i.路由集必须为响应消息中的Record-Route头字段的URI列表，保持相反的顺序和保留所有的URI参数

 ii.远端目的为响应消息的Contact头字段的URI

 iii.本地序列号为请求消息的CSeq头字段的序列号值

 iv.远端序列号必须为空，当远端UA发送一个本次对话中的请求后该值才能确定

 v.To-tag可能不存在，则默认为空

 

2. 对话中的请求

对话创建后，UA方可能需要建立新的事务，这时发起请求的UA为UAC，这可能跟对话创建之时的角色不同。re-INVITE是一种对话中修改目的URI的重新请求。

1) UAC行为

  i.发起请求一个对话中的请求消息有对话所保存的状态信息来构建。

  1. 请求消息的To头字段的URI必须设置为对话状态的远端URI

  2. 请求消息的To头字段的标签值设置为对话ID的远端标签值

  3. 请求消息的From头字段的URI必须设置为对话状态的本端URI

  4. 请求消息的From头字段的标签值设置为对话ID的本端标签值

  5. 请求消息的Call-ID必须设置为对话的Call-ID 而对话中的其它字段同样有限制：

  6. CSeq序列号。CSeq是按照各自方向严格增1的值，如果为空则设为初始值。

  7. Request-URI由远端目的指定

  8. Route由路由集指定，如果路由集为空，则无Route字段。如果路由集的第一个URI中包含lr参数，UAC必须将Request-URI设置为远端目的URI值；如果路由集的第一个URI中不包含lr参数，UAC必须将Request-URI设置为路由集的第一个URI，且不允许去掉任何参数，同时Route头字段在最后增加一个目的URI。

  9.Contact。对话中任何一个更新目的的请求消息包含一个Contact头字段，Contact字段内URI为对话的远端目的URI。

如果UAC收到对目的刷新请求消息的2**响应时，UAC必须将对话的远端目的URI设置为存在Contact字段的URI值。如果响应为481（呼叫/事务不存在）或408（请求超时），UAC应该终止对话；在无对方响应时也应该终止对话。

2）UAS行为

  i. 如果请求To字段存在标签值。UAS内核会计算与此请求相关的对话标签值，同时与已有的对话标签值比较，如果匹配则为同一个对话中的请求。此时UAS采用与对话外请求消息处理规则相同的流程进行处理；如果不存在匹配的对话，UAS可以拒绝（481）或接受这个请求。

  ii.如果远端序列号为空，则设置为请求消息中CSeq字段的序列号值；如果远端序列号存在并大于请求的CSeq序列号值，则认为请求次序颠倒，回500（服务器内不出错）消息。

 

3. 终止对话

初始状态的对话不依赖于发起请求的具体方法，只要收到一个非2**的终止响应即可将其终止；确认状态的对话的终止与确切方法相关，BYE方法终止一次会话并终止与其相关的对话。

SIP学习笔记 

学习 SIP 协议最快捷的方法是通过范例来学习，

找到了一个完整的呼叫流程，let's Go！

INVITE

主叫方Tesla首先发起 INVITE 消息到被叫方Marconi。INVITE 消息包含会话类型和一些呼叫所必须的参数。会话类型可能是单纯的语音，也可能是网络会议所用的多媒体视频，还可能是游戏会话。下面是消息体范例，我们来详细分析各个字段的意义。

INVITE sip:[e-mail] SIP/2.0
    <＝ 请求方法、请求地址（Request－URI）、SIP 版本号（目前都是 SIP/2.0）
    <＝ 请求地址一般就是被叫方地址，跟 MSN 中好友 eMail 地址类似

Via: SIP/2.0/UDP lab.high-voltage.org:5060;branch=z9hG4bKfw19b
    <＝SIP 版本号（2.0）、传输类型（UDP）、呼叫地址、
    <＝branch是一随机码，它被看作传输标识
    <＝Via 字段中地址是消息发送方或代理转发方设备地址，一般由主机地址和端口号组成
    <＝传输类型可以为 UDP、TCP、TLS、SCTP

Max-Forwards: 70
    <＝最大跳跃数，就是经过 SIP 服务器的跳跃次数，主要是防止循环跳跃
    <＝每尽管一台代理服务器，该整数减一

To: G. Marconi <sip:[e-mail]>
From: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341
    <＝表示请求消息的发送方和目标方
    <＝如果里面有用户名标签，地址要求用尖括号包起来
    <＝对于 INVITE 消息，可以在 From 字段中包含 tag，它也是个随机码

Call-ID: [e-mail]
    <＝呼叫ID是由本地设备生成的，全局唯一值。每次呼叫该值唯一不变
    <＝对于用户代理发送 INVITE 消息，本地将生成 From tag 和 Call-ID 全局唯一码，被叫方代理则生成 To tag 全局唯一码。这三个随机码做为整个对话中对话标识（dialog indentifier）在通话双方使用。

 

CSeq: 1 INVITE
    <＝CSeq，又叫命令队列（Command Seqence），每发送一个新的请求，该数自动加1
* 以上几个字段是所有 SIP 消息体所必须的，其它头字段有些是可选的，有些在特定请求也是必须

Subject: About That Power Outage...
Contact: <sip:[e-mail]>
    <＝Contact 是 INVITE 消息所必须的，它用来路由到被叫设备地址，也称为用户代理（UA）
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 158
    <＝最后两位附属字段说明消息体类型以及字段长度

 

v=0    <＝SDP版本号，目前都是 0
o=Tesla 2890844526 2890844526 IN IP4 lab.high-voltage.org    <＝主叫源地址，类型等
s=Phone Call    <＝主题
c=IN IP4 100.101.102.103    <＝连接
t=0 0    <＝ 时间戳
m=audio 49170 RTP/AVP 0   <＝媒体
a=rtpmap:0 PCMU/8000    <＝媒体属性

    <＝从上面 SDP 消息体我们可以得出下面信息
    <＝连接 IP 地址：100.101.102.103
    <＝媒体格式：audio
    <＝端口号：49170
    <＝媒体传输类型：RTP
    <＝媒体编码：PCM u Law
    <＝采样率：8000 Hz

180 Ringing

当被叫方接收到 INVITE 请求消息后，将回复 180 Ringing。顾名思义，就是发回铃音，提示主叫方电话已连接上了，正等待被叫应答。被叫方接收到 INVITE 消息后也会发生响铃或者其它有呼入提示，这由被叫方设定（我们可以把它想象成我们自己设定手机铃声）。对于 180 响应又被称为“消息及时响应”，它是一种用来测试被叫状态的一种响应。因此它所包含的信息不多，具体 180 响应消息如下：

SIP/2.0 180 Ringing
Via: SIP/2.0/UDP lab.high-voltage.org:5060;branch=z9hG4bKfw19b
;received=100.101.102.103    <＝这里增加一个 received 参数，标识接收方 IP 地址
To: G. Marconi <sip:[e-mail]>;tag=a53e42    <＝上已提到，To tag 做为被叫方标识
From: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341  <＝要求很发送方 From tag 一致
Call-ID: [e-mail]
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:[e-mail]>
Content-Length: 0
    <＝对于 180 Ringing 响应，基本上就是将 INVITE 的 Via、To、From、Call-ID 和 CSeq 内容复制过来，对于首行标出 SIP版本号，响应代码（180）和动作原因（reason phrase）
    <＝注意这里 From 和 To 地址，因为它们用来指定呼叫方向，因此这里的 200 OK 响应并没有将地址对调，仍然保持原样。一点不同的是 To 头字段添加了由被叫方 Marconi 生成的 tag 标识

200 Ok

被叫响铃后，如果被叫用户 Marconi 接起电话，则发出 200 OK 响应。这个响应除了做为接通指示之外，还有一个功能是用来指定被叫允许的连接媒体格式，让主叫方确认是否可以接收该媒体。
消息体如下

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP lab.high-voltage.org:5060;branch=z9hG4bKfw19b
;received=100.101.102.103
To: G. Marconi <sip:[e-mail]>;tag=a53e42
From: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341
Call-ID: [e-mail]
CSeq: 1 INVITE
Contact: <sip:[e-mail]>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 155
    <＝头字段部分基本同上

v=0
o=Marconi 2890844528 2890844528 IN IP4 tower.radio.org
s=Phone Call
c=IN IP4 200.201.202.203
t=0 0
m=audio 60000 RTP/AVP 0
a=rtpmap:0 PCMU/8000

    <＝从上面 SDP 消息体我们可以得出下面信息
    <＝终端 IP 地址：200.201.202.203
    <＝媒体格式：audio
    <＝端口号：60000
    <＝媒体传输类型：RTP
    <＝媒体编码：PCM u Law
    <＝采样率：8000 Hz

ACK

通话前最后一步是主叫方确认 200 OK响应。该项确认证明连接被允许，即将使用另一种协议开始媒体连接。这另一种协议是上面在SDP 消息段中所协商好的 RTP 格式。该 ACK 响应内容如下：

ACK sip:[e-mail] SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP lab.high-voltage.org:5060;branch=z9hG4bK321g
Max-Forwards: 70
To: G. Marconi <sip:[e-mail]>;tag=a53e42
From: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341
Call-ID: [e-mail]
CSeq: 1 ACK
Content-Length: 0

BYE

通话完毕后，由被叫方 Marconi 首先挂机，发送 BYE 请求命令。注意这回由 Marconi 做为主叫方了，因此 Via 字段和From、To 与 INVITE 字段有所不同。其实也就是倒置。

BYE sip:[e-mail] SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP tower.radio.org:5060;branch=z9hG4bK392kf
Max-Forwards: 70
To: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341
From: G. Marconi <sip:[e-mail]>;tag=a53e42
Call-ID: [e-mail]
CSeq: 1 BYE
Content-Length: 0

200 OK

BYE 之后，要求被叫方发 200 Ok 确认，也就是让主叫知道被叫已经知道你挂断了。（注意这里所说的主被叫角色已经倒过来了）打个比方，通话之后，有一方要求挂机，另一方需要知道它已经挂机了。

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP tower.radio.org:5060;branch=z9hG4bK392kf
;received=200.201.202.203
To: Nikola Tesla <sip:[e-mail]>;tag=76341
From: G. Marconi <sip:[e-mail]>;tag=a53e42
Call-ID: [e-mail]
CSeq: 1 BYE
Content-Length: 0

到此，就是最简单的呼叫过程。该过程简单在于两个终端之间没有其它设备，完全的点对点连接，它们之间只需要知道对方 IP 地址即可。现实生活中这种呼叫形式是很少见的。

SIP路由字段和机理

From: 如果一个SIP消息中没有Contact或者Record-Route头域，那么callee就会根据From头域产生后续的Request。比如：如果Alice打一个电话给Bob，From头域的内容是 From:Alice<sip:[e-mail]>。那么Bob打给Alice时就会使用 sip:[e-mail]作为To头域和Request-URI头域的内容。 

Contact: 后续Request将根据Contact头域的内容决定目的地的地址，同时将Contact头域的内容放到Request-URI中。它还可以用来指示没有在Record-Route头域中记录的Proxies的地址。同时它还可以被用在Redirect servers和REGISTER requests 和responses。 
Record-Route:Record-Route字段实际上用于帮助UA建立Route Set，当UA发送Request时会用Route Set来设置上面提到的Route字段。当一个Request消息经过Proxy Server时，如果该Proxy Server希望通知UA相关的后续消息都能通过它来转发，此时它就会在消息中添加Record-Route字段，内容为自己的地址信息。当UAS发送Resposne消息时它将复制Request中的Record-Route字段，而UAC在Response消息中检测到Record-Route字段时，它就会用该字段的路由信息更新自己的Route Set

Via: 
Via头域是被服务器插入request中，用来检查路由环的，并且可以使response根据via找到返回的路。它不会对未来的request 或者是response造成影响。 

总的来说，如果有Route，request就应该根据Route发送，如果没有就根据Contact头域发送，如果连Contact都没有，就根据From头域发送。

Service-Route:Service-Route在S-CSCF向UE发送REGISTER成功应答时设置，作用和Record-Route类似，用于帮助UE建立Route Set，这样UE注册后的消息（例如INVITE）通过设置Route字段无需经过I-CSCF可直接送达S-CSCF。

Path :只能用于用户向注册服务器发送的Register请求。
          1如果某代理服务器希望发往用户的任何后续请求仍能经过自己，就可以在Register请求中插入一个Path字段并赋值为自身的URI。
          2如果要求拓扑隐藏，经过I-CSCF的时候要把这个 I 添加到Path字段中 

To 字段总是包含被呼叫方的地址（通过sip代理时是公用地址，点对点时是真实ip），要注意的是区别该标题头和sip消息请求行中的Request-URI。To在信令路径中不会被代理改变，然而Request-URI包含的是信令路径中下一跳的地址，因此在路途中被每个代理改变。

总的来说，SIP中存在两种路由场景：

1，请求消息的路由

2，响应消息的路由

 

其中，响应消息的路由非常简单，就是完全依靠Via来完成的。

【说明】一个SIP消息每经过一个Proxy（包括主叫），都会被加上一个Via头域，当消息到达被叫后，Via头域就记录了请求消息经过的完整路径。被叫将这些Via头域原样copy到响应消息中（包括各Via的参数，以及各Via的顺序），然后下发给第一个Via中的URI，每个Proxy转发响应消息前都会把第一个Via（也就是它自己添加的Via）删除，然后将消息转发给新的第一个Via中的URI，直到消息到达主叫。

下面谈SIP请求消息的路由。

 

首先我们要搞清楚什么是严格路由和松散路由。

 

严格路由（Strict Routing）：

可以理解为比较“死板”的理由机制，这种路由机制在SIP协议的前身RFC 2534中定义，其机制非常简单。

要求接收到的消息的request-URI必须是自己的URI，然后它会把第一个Route头域“弹”出来，并把其中的URI作为新的request-RUI，然后把该消息路由给该URI。

 

松散路由（Louse Routing，lr）：

该路由机制较为灵活，也是SIP路由机制的灵魂所在，在RFC 3261中定义。

下面介绍一下一个松散路由的Proxy的路由决策过程：

 

1，Proxy首先会检查消息的request-URI是不是自己属于自己所负责的域。如果是，它就会通过定位服务将该地址“翻译”成具体的联系地址并以此替换掉原来的request-URI；否则，它不会动request-URI。

 

2，Proxy检查第一个Route头域中的URI是不是自己的，如果是，则移除之。

 

3、Loose Router首先会检查Request URI是否为自己：如果不是，则不作处理；如果是，则取出Route字段的最后一个地址作为Request URI地址，并从Route字段中删去最后一个地址。

4、Loose Router其次会检查下一跳是否为Strict Router：如果不是，则不作处理；如果是，则将Request URI添加为Route的最后一个字段，并用下一跳Strict Router的地址更新Request URI。

可以看到步骤3、4其实是Loose Router为了兼容Strict Router而做的额外工作。

前面都是准备工作，下面该进行真正的路由了。如果还有Route头域，则Proxy会把消息路由给该头域中的URI，否则就路由给request-URI。

 

对于前面的规则，可以简单总结为一句话：Route的优先级高于request-URI的。

 

好，了解了两种路由机制，我们再来了解一下Route和Record-Route。

如果说Via是为了给一个请求消息的响应消息留后路，那么Record-Route就是为了给该请求消息之后的请求消息留后路。

 

    而在一个请求消息的传输过程中，Proxy也可能（纯粹自愿，如果它希望还能接收到本次会话的后续请求消息的话）会添加一个Record-Route头域，这样当消息到达被叫后里面就有会有0个或若干个Record-Route头域。被叫会将这些Record-Route头域并入路由集，并并入自己的路由集，随后被叫在发送请求消息时就会使用该路由集构造一系列Route头域，以便对消息进行路由。

    然后，被叫会像上面对待Via头域一样，将Record-Route头域全部原样copy到响应消息中返回给主叫。

    主叫收到响应消息后也会将这些Record-Route头域并入路由集，只是它会将其反序。该会话中的后续请求消息的Route头域就会通过路由集构造。

【注意】Record-Route头域不用来路由，而只是起到传递信息的作用。

Record-Route头域不是路由集的唯一来源，路由集还可以通过手工配置等方式得到。

 

 

只是描述还是比较抽象，下面就以RFC 3261中的两个实例来解释一下。

 

路由示例1：

 

场景：

两个UE间有两个Proxy，U1 -> P1 -> P2 -> U2，并且两个Proxy都乐意添加Record-Route头域。

 

消息流：

【说明】由于我们在此只关心SIP路由机制，因此下面消息中跟路由机制无关的头域都省略了。

 

U1发出一个INVITE请求给P1（P1是U1的外拨代理服务器）：

      INVITE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Contact: sip:[e-mail]

 

P1不负责域domain.com，消息中也没有Route头域，因此通过DNS查询得到负责该域的Proxy的地址并且把消息转发过去。这里P1在转发前就添加了一个Record-Route头域，里面有一个lr参数，说明P1是一个松散路由器，遵循RFC3261中的路由机制。
      INVITE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Contact: sip:[e-mail]
      Record-Route: <sip:p1.example.com;lr>

P2负责域domain.com，因此它通过定位服务得到[e-mail] 对应的设备地址是[e-mail] ，因此用新的URI重写request-URI。消息中没有Route头域，因此它就把该消息转发给request-URI中的URI，转发前它也增加了一个Record-Route头域，并且也有lr参数。

      INVITE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Contact: sip:[e-mail]
      Record-Route: <sip:p2.domain.com;lr>
      Record-Route: <sip:p1.example.com;lr>

位于u2.domain.com的被叫收到了该INVITE消息，并且返回一个200 OK响应。其中就包括了INVITE中的Record-Route头域。

      SIP/2.0 200 OK
      Contact: sip:[e-mail]
      Record-Route: <sip:p2.domain.com;lr>
      Record-Route: <sip:p1.example.com;lr>

被叫此时也就有了自己的路由集：

      (<sip:p2.domain.com;lr>,<sip:p1.example.com;lr>)

 

并且它本次会话的远端目的地址设置为INVITE中Contact中的URI：[e-mail]，此后被叫在该会话中的请求消息就发到这个URI。同样，被叫在200 OK响应中也携带了自己的联系地址，主叫收到该响应消息后也会把本次会话的远端目的地址设置为：[e-mail]，此后主机在该会话中的请求消息就发到这个URI。

同样，主叫也有了自己的路由集，只是跟被叫的是反序的：

      (<sip:p1.example.com;lr>,<sip:p2.domain.com;lr>)

 

 

通话完毕后，我们架设主叫先挂机，则主叫发出BYE请求：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Route: <sip:p1.example.com;lr>,<sip:p2.domain.com;lr>
可以看到，BYE的Route头域正是主机的路由集构造来的。

由于p1在第一个Route中，因此BYE首先发给P1。

 

P1收到该消息后，发现request-URI中的URI不属于自己负责的域，而消息有Route头域，并且第一个Route头域中的URI正是自己，因此删除之，并且把消息转发给新的第一个Route头域中的URI，也就是P2：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Route: <sip:p2.domain.com;lr>

P2收到该消息后，发现request-URI中的URI不属于自己负责的域（P2负责的是domain.com，而不是u2.domain.com），第一个Route头域中的URI正是自己，因此删除之，此时已经没有Route头域了，因此就转发给了request-URI中的URI。

 

被叫就会收到BYE消息：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0

 

路由示例2：

如果说上面的示例主要关注的是路由流程，那么本示例关注的则是严格路由与松散路由的区别。

 

场景：

U1->P1->P2->P3->P4->U2

其中，P3是严格路由的，其余Proxy都是松散路由的，并且4个Proxy都很乐意增加Record-Route头域。

 

消息流：

我们直接给出了到达被叫的INVITE消息：

      INVITE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Contact: sip:[e-mail]
      Record-Route: <sip:p4.domain.com;lr>
      Record-Route: <sip:p3.middle.com>
      Record-Route: <sip:p2.example.com;lr>
      Record-Route: <sip:p1.example.com;lr>

 

这中间的其他消息我们就不过问了，直接看一下被叫最后发出的BYE消息大概是什么样子：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Route: <sip:p4.domain.com;lr>
      Route: <sip:p3.middle.com>
      Route: <sip:p2.example.com;lr>
      Route: <sip:p1.example.com;lr>

 

因为P4在第一个Route里，因此被叫将BYE消息发给了P4。

 

P4收到该消息后，发现自己不负责域u1.example.com，但是第一个Route头域中的URI正是自己，因此删除之。P4还发现新的第一个Route头域中的URI是一个严格路由器，因此它把request-URI中的URI添加到最后一个Route的位置，并且将第一个Route“弹出”并且覆盖原来的request-URI。然后将消息转发给当前的request-URI，也就是P3。

      BYE sip:p3.middle.com SIP/2.0
      Route: <sip:p2.example.com;lr>
      Route: <sip:p1.example.com;lr>
      Route: <sip:[e-mail]>

 

P3收到该消息后，直接把消息作出如下变换并且发给P2：

      BYE sip:p2.example.com;lr SIP/2.0
      Route: <sip:p1.example.com;lr>
      Route: <sip:[e-mail]>

P2收到该消息后，发现消息中的request-URI是自己的，因此在进一步处理先首先对消息做如下变换：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0
      Route: <sip:p1.example.com;lr>
然后，P2发现自己不负责域u1.example.com，第一个Route中的URI也不是自己的，因此将消息转发给该URI，也就是P1。

 

P1收到该消息后，发现自己不负责域u1.example.com，但是第一个Route头域中的URI正是自己，因此删除之。消息变成下面的样子：

      BYE sip:[e-mail] SIP/2.0