SIP（Session Initiation Protocol）是一个轻量级信令协议，也是在VoIP技术中使用的最常见的协议之一，它可以作为音频、视频、及时信息的信令。它与其他协议一起配合，完成诸如多媒体会议，语音会议等Internet上的多媒体通信会话。

1 介绍

SIP（会话初始协议）的开发目的是用来帮助提供跨越因特网的高级电话业务。因特网电话(IP电话)正在向一种正式的商业电话模式演进，SIP就是用来确保这种演进实现而需要的NGN(下一代网络)系列协议中重要的一员。

它是一种应用层协议，与其他应用层协议协同工作，通过Internet控制多媒体通信会话。它在在RFC 3261中定义。

1.1 VoIP技术

首先了解有关VoIP的概念。VOIP是一种允许您通过互联网提供语音和多媒体(视频，图片)内容的技术。 它是任何时间，任何地方与互联网的可用性最便宜的沟通方式之一。

VOIP的一些优势包括 ：

• 低成本
• 可移植性
• 无额外电缆
• 灵活性
• 视频会议

下图就是一个简单的VoIP呼叫示意图：

VoIP呼叫

1.2 SIP承载

http使用tcp承载的，而sip则支持tcp和udp承载。我们常见的sip都是用udp承载的，由于udp是面向无连接的，在大并发量的情况下与tcp相比较可也减少开销。但超出了ip层窗口的大小，在经过路由器的时候可能会被拆包，造成消息可能丢失，乱序，这时候就是用tcp.

1.3 SIP的几个主要标准协议

SIP协议被设计为非常简单，具有有限的命令集。它也是基于文本的，因此任何人都可以读取在SIP会话中的端点之间传递的SIP消息。

SIP的标准协议都是IETF制定的，所以SIP的标准协议都是通过RFCXXXX的方式来公布的，每个协议均制定了一些SIP的特性：

• RFC3261：SIP的基本协议，定义了SIP的基本功能，特性等。要搞SIP的话，这个协议是不能不看的。网上有人已经将它翻译成中文，再结合英文原版协议看，应该比较好理解。
• RFC3262：SIP中，如何定位服务器。这个没过多研究，一般的SIP协议栈都可以很好的支持，让它们去做就可以了。
• RFC3265：事件通知机制，可通过此协议进行一些事件监控。
• RFC3515：呼叫的转接。
• RFC3666：与PSTN连接时的一些特性的说明。
• RFC3911：通过Join的方式进行会议。

1.4 SIP的相关协议栈

1.4.1 PJSIP协议栈

PJSIP是一个开源的SIP协议栈，PJSIP协议栈同时支持音频、视频并支持即时通讯。PJSIP协议栈具有非常完善的文档，对开发者非常友好，是开发即时通讯系统的首选。同时PJSIP协议栈具有非常好的移植性，几乎支持现今所有的操作系统系统：从桌面系统、嵌入式系统到智能手机。

(后续章节详细介绍)

1.4.2 ReSIProcate协议栈

ReSIProcate是SIPFoundry的开源项目，ReSIProcate协议栈是在VOCAL的基础上建立的,由于VOCAL开始只支持rfc3254，为了支持最新的rfc3261,ReSIProcate协议栈就这样诞生了。但现在，ReSIProcate已经成为一个独立SIP协议栈了，它性能较为稳定，并且很多商业的应用都使用它。
ReSIProcate官网

1.4.3 OPAL协议栈

OPAL（Open Phone Abstraction Library）的前身是Openh323开源项目，它包括几乎全部的Openh323全部代码，并加入了SIP协议栈，使到H.323和SIP协议能并存，开发者既可以使用功能全面的H.323协议，可以使用简单易用的SIP协议。Openh323是视频会议厂商最青睐的开源的H.323的开源项目，很多免费视频会议系统的H.323协议栈都是采用Openh323，OPAL的出现使系统能支持SIP协议，因此强烈推荐OPAL作为SIP协议栈的首选。

1.4.4 VOCAL协议栈

VOCAL项目vovida.org开发的开源SIP系统，VOCAL的SIP协议栈应该是目前功能最完善的SIP协议栈之一，其具有众多的使用者，但由于不支持window平台，所以限制了它的普及和推广。但在其他的linux操作系统上是最具有影响力的SIP协议栈。

1.4.5 sipX协议栈

sipX是一个开源的SIP协议栈，它和ReSIProcate都是由SIPFoundry开发。sipX是从reSIProcate分离出来的，sipX除了包括SIP 协议外，还包括了sipXphone,sipXproxy,sipXregistry等.,由它们构成了完整的SIP系统，而且sipx还支持嵌入式系统，各个模块可以按需取舍。

1.4.6 oSIP协议栈

oSIP协议栈是使用ANSI C编写的开源SIP协议栈，是体积最小的SIP协议栈，由于oSIP体积较小，很容易在小的操作系统上运行，因此在实时操作系统 VxWorks当中，oSIP是使用最多的SIP协议栈。

2 SIP（Session Initiation Protocol）

首先，要理解SIP协议，要先知道SIP协议的用途，以下 源引百度百科：

SIP(Session Initiation Protocol)是一个应用层的信令控制协议。用于创建、修改和释放一个或多个参与者的会话。这些会话可以是Internet多媒体会议、IP电话或多媒体分发。会话的参与者可以通过组播（multicast）、网状单播（unicast）或两者的混合体进行通信。
SIP与负责语音质量的资源预留协议（RSVP）互操作。它还与若干个其他协议进行协作，包括负责定位的轻型目录访问协议(LDAP)、负责身份验证的远程身份验证拨入用户服务 (RADIUS) 以及负责实时传输的 RTP 等多个协议。 [2]
随着计算机科学技术的进步，基于分组交换技术的IP数据网络以其便捷性和廉价性，取代了基于电路交换的传统电话网在通信领域的核心地位。SIP协议作为应用层信令控制协议，为多种即时通信业务提供完整的会话创建和会话更改服务，由此，SIP协议的安全性对于即时通信的安全起着至关重要的作用。

简单理解来：
如果要完成一个视频通话或视频会议，首先SIP用于初始化一个Session，并负责传输SDP包；而SDP包中描述了一个Session中包含哪些媒体数据，邀请的人等等；当需要被邀请的人都通过各自的终端设备被通知到后，就可以使用RTSP来控制特定Media的通信，比如RTSP控制信息要求开始Video的播放，那么就开始使用RTP（或者TCP）实时传输数据，在传输过程中，RTCP要负责QoS等。

总的来说，SIP能够支持下列五种多媒体通信的信令功能：

• User location（用户定位）：确定参加通信的终端用户的位置
• User capabilities（用户能力）：确定通信的媒体类型和参数
• User availability（用户的可用性）：决定被叫方是否愿意参加通信
• Call setup（呼叫建立）：振铃，在主叫和被叫直接建立呼叫的参数
• Call handling（呼叫处理）：包括呼叫转移和终止

2.1 SIP实现机制

SIP是一个分层结构的协议，它的行为根据一组平等独立的处理阶段来描述，每个阶段之间是松耦合的关系。

image.png

• SIP的最低层是其语法和编码。其编码使用扩充的背景 – 诺尔表单语法(BNF)指定。
• 第二层是传输层。它定义了客户端如何发送请求和接收响应，以及服务器如何通过网络接收请求和发送响应。所有SIP元素都包含传输层。
• 接下来是交易层。事务是由客户机事务(使用传输层)发送到服务器事务的请求，以及从服务器事务发送回客户机的对该请求的所有响应。用户代理客户端(UAC)完成的任何任务都使用一系列事务进行。无状态代理不包含事务层。
• 交易层上方的图层称为交易使用者。除了无状态代理，每个SIP实体都是事务用户。

2.2 SIP网络元素

使用SIP建立通信网络，需要有一些实体的支持，本节主要介绍下这些实体都有哪些。在SIP中，每个网络元件由类似地址的 SIP URI (统一资源标识符)标识。

2.2.1 用户代理

用户代理（UA，User Agent）也称SIP终端，是指支持SIP协议的多媒体会话终端。一般使用支持SIP协议的路由器作为SIP UA。UA 包括用户代理客户端（UAC，User Agent Client）和用户代理服务器（UAS，User Agent Server）。一般说的 UA 均是指二者的总称，因为在一次呼叫中，一个 SIP 终端既要处理 SIP 请求，又要发起SIP请求。

• 用户代理客户端（UAC）是指在 SIP 会话建立过程中主动发送会话请求的设备。例如，主叫SIP终端。当代理服务器向被叫终端发送会话请求时，它就成为用户代理客户端。

• 用户代理服务器（UAS）是指在 SIP 会话建立过程中接收会话请求的设备。例如，被叫 SIP 终端。当代理服务器接收主叫终端发送会话请求时，也作为用户代理服务器。

例如：SIP基于客户端 – 服务器架构，其中呼叫者的电话充当发起呼叫的客户端，并且被叫者的电话充当响应呼叫的服务器。

2.2.2 代理服务器

代理服务器（Proxy Server）的作用就是传递主叫 UA 发送的会话请求到被叫 UA，然后将被叫 UA的响应传递回主叫 UA，它相当于主叫 UA 和被叫 UA 之间传递会话消息的路由。

• 基本上代理服务器的作用就像一个路由器。
• 它具有一些智能来理解SIP请求并且在URI的帮助下向前发送它。
• 代理服务器位于两个用户代理之间。
• 源和目标之间最多可以有70个代理服务器。
• 代理服务器接收到主叫UA的会话请求后，先在位置服务器查找UA的位置及主叫和被叫UA之间的呼叫策略信息，找到相应的UA并允许呼叫的UA，代理服务器才会向被叫UA发送会话请求。

有两种类型的代理服务器：

• 无状态代理服务器（stateless） – 它仅转发接收的消息。这种类型的服务器不存储呼叫或事务的任何信息。
• 状态代理服务器（stateful） – 此类型的代理服务器会跟踪收到的每个请求和响应，如果需要，将来可以使用它。如果没有来自另一方的响应，它可以重传请求。

2.2.3 重定向服务器

重定向服务器（Redirect Server）用来指示客户端连接的新地址，客户端直接再次向这些新的地方发起请求。不接收或者拒绝呼叫，主要完成路由功能。

比如，主叫UA呼叫被叫UA，当重定向服务器收到主叫UA发送的会话请求消息后，查找被叫UA的位置信息，然后将其返回给主叫UA，使主叫UA重新向该位置发起会话请求。此位置可以是被叫UA的位置，也可以是一个代理服务器的位置。接下来主叫UA如同直接呼叫被叫UA或者向代理服务器呼叫的流程一样。

2.2.4 位置服务器

位置服务器（Location Server）是为代理服务器和重定向服务器等提供UA信息的设备，只有代理服务器或重定向服务器可以联系位置服务器。

位置服务器记录了注册服务器接收到的UA的信息。二者可以独立存在，也可以作为逻辑组件存在于同一台服务器上。

2.2.5 注册服务器

注册服务器（Registrar Server）接受来自用户代理的注册请求。它帮助用户在网络中验证自己。它将URI和用户的位置存储在数据库中，以帮助同一域中的其他SIP服务器。

注册的内容（如本地号码等信息）一般是存储在位置服务器上，供后续查询使用，二者都是逻辑组件，一般存在于同一台服务器上，或者同域的一个数据库内。

2.3 工作原理

2.3.1 登记注册

在完整的SIP系统中，所有的SIP终端作为User Agent都应该向注册服务器登记注册，以告知其位置、会话能力、呼叫策略等信息。

通常，SIP终端开机启动或者配置管理员执行注册操作时，就向注册服务器发送注册请求消息（REGISTER），该消息中携带了所有需要登记的信息。注册服务器收到注册请求消息后向终端发送回应消息，以告知其请求消息已收到。如果注册成功，就再向终端发送“200 OK”消息。如图 1所示。

图1

2.3.2 建立呼叫

SIP协议采用Client/Server模型，主要通过UA与代理服务器之间的通信来完成用户呼叫的建立过程。

图2

如图 2所示，Telephone A需要呼叫电话Telephone B，两台路由器作为SIP终端（UA）。当Telephone A拨完电话Telephone B的号码后，Router A向Proxy Server发送会话请求消息。Proxy Server通过查找Telephone B的号码所对应的信息，向Router B发送会话请求消息。Router B收到请求后，如果Telephone B可用，就向Proxy Server发送应答，并使Telephone B振铃。Proxy Server收到应答后，向Router A发送应答消息。这里所说的应答包括：两个临时应答（100 Trying 和180 Ringing）和一个成功应答（200 OK）。

这个例子是一种简单的应用，只使用了一个代理服务器。在复杂的应用中，可以有多个代理服务器，以及注册服务器。

2.3.3 重定向呼叫

SIP重定向服务器收到会话请求消息后，不是转发会话请求消息，而是在回应消息中告知被叫SIP终端的地址。主叫终端从而重新直接向被叫终端发送会话请求消息。被叫终端也将直接向主叫终端发送应答消息。呼叫过程的消息交互如图 4所示。

图4

这是比较常见的一种应用。从原理上来说，重定向服务器也可以向主叫终端回复一个代理服务器的地址，接下来的呼叫过程就和使用代理服务器的呼叫过程一样。

3 SIP协议格式

SIP消息采用[ISO 10646]文本方式编码，分为两类：请求消息和响应消息。
（1）请求消息：客户端为了激活按特定操作而发给服务器的SIP消息。
（2）响应消息：用于对请求消息进行响应，指示呼叫的成功或失败状态。

每条SIP消息由以下三部分组成：起始行（ Start Line），SIP头，消息体；请求消息和响应消息都包括SIP头字段和SIP消息字段。

3.1 起始行（ Start Line）

每个SIP消息由起始行开始。起始行传达消息类型（在请求中是方法类型，在响应中是响应代码）与协议版本。起始行可以是一请求行（请求）或状态行（响应） 。

3.1.1 请求消息

请求消息整体格式如图：

请求消息整体格式

其中：起始行格式：命令名称+目标URI+sip协议版本

请求消息包括以下几种请求命令：

3.1.2 响应消息

响应消息整体格式如图

image.png

其中：起始行格式：sip协议版本+响应返回码+描述性短句

响应消息是从100 – 699的返回码，分别表示不同的意义。

3.2 SIP 头

用来传递消息属性和修改消息意义。它们在语法和语义上与 HTTP 头域相同（实际上有些头就是借自 HTTP ），并且总是保持格式： :。

样例：

SIP头

具体信息在后续章节介绍

2.3 消息体

用于描述被初始的会话（例如，在多媒体会话中包括音频和视频编码类型，采样率
等）。消息体能够显示在请求与响应中。 SIP 清晰区别了在 SIP 起始行和头中传递的信令信息与在 SIP
范围之外的会话描述信息。可能的体类型就包括本文将要描述的 SDP 会话描述协议

3 SDP协议

SDP全称是Session Description Protocol，翻译过来就是描述会话的协议。主要用于两个会话实体之间的媒体协商。

Sip负责建立和释放会话，一般来说，会话会包含相关的媒体，如视频和音频。媒体数据是有sdp描述的。Sdp一般不单独使用，他与sip配合使用时会放到sip协议的正文（boby）中。会话建立时，需要媒体协商，双方才能确定对方的媒体能力以及交换媒体数据。(这就是sdp的工作)

那为什么要去发这个描述文本呢，主要是为了解决参与会话的各成员之间能力不对等的问题，如果参加本次通话的成员都支持高质量的通话，但是我们没有去进行协议，为了兼容性，使用的都是普通质量的通话格式，这样就很浪费资源了。所以SDP的作用还是很有必要的。

样例：

SIP消息体

具体信息在后续章节介绍

参考资料

• IETF的官方网站 不用说了，这个IETF的官方网站，所有的协议在此网站上均可找的。
• Tech-invite 这个网站上，将所有SIP协议和SIP周边的协议的一些场景以图形加文字的方式描述了出来。
• SIP论坛
• SIP英文教程
• 几个重要的开源视频会议SIP协议栈

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