sip协议呼叫流程详解

Posted 2020-10-05

1、SIP业务基本知识

1．1 业务介绍
会话初始协议（Session Initiation Protocol）是一种信令协议，用于初始、管理和终止网络中的语音和视频会话，具体地说就是用来生成、修改和终结一个或多个参与者之间的会话。SIP的业务模式是一个点对点协议，其中有两个要素——SIP用户代理和SIP网络服务器。用户代理是呼叫的终端系统元素，而SIP服务器是处理与多个呼叫相关联信令的网络设备。用户代理本身具有一客户机元素（用户代理客户机UAC）和一服务器元素（用户代理服务器UAS）。客户机元素初始呼叫而服务器元素应答呼叫。这允许点到点的呼叫通过客户机-服务器协议来完成。下图是SIP业务的网络结构和各个参与者的关系。

SIP业务的核心特点集中在SIP的设计目标之一是提供类似公用交换电话网(PSTN)中呼叫处理功能的扩展集。在这个扩展集中，实现类似日常电话的操作：拨号，振铃，回铃音或者忙音，只是实现方式和术语有所不同。SIP也实现了许多信令系统7(SS7)中更高级的呼叫处理功能，尽管这两个协议相差很远。SS7是一个高度集中处理的协议，其特点表现为高复杂度的中心网络结构和无智能的哑终端(传统的电话机)。SIP则是一个点对点协议，所以它只需要一个相对简单的(因此也高度可扩展的)核心网络，而将处理工作下放给连接在网络边缘的智能端点(装有硬件或软件的终端设备)。SIP的许多功能在端点中实现，这与传统的SS7将其在网络核心设备实现的作法大异其趣。而协议的其他特点还有它是一个文本协议，所以易于调测，结构灵活；而且它是一个中性的底层传输协议，可用TCP或UDP（推荐UDP）；同时呼叫和媒体信息同时传送：媒体信息的传送由SDP传送
SIP是互联网工程任务组（IETF）多媒体数据和控制体系结构的一个组成部分，因此它与IETF的许多其他协议都有联系，例如RTP（实时传输协议）和SDP协议。SIP与许多其它的协议协同工作，仅仅涉及通信会话的信令部分(control message)。SIP报文内容传送会话描述协议(SDP)，SDP协议描述了会话所使用流媒体细节，如：使用哪个IP端口，采用哪种编解码器等等。SIP的一个典型用途是：SIP“会话”传输一些简单的经过封包的实时传输协议流。RTP本身才是语音或视频的载体。
1．2 业务过程和协议流程

Ø 注册流程：

（1）用户首次试呼时，终端代理A 向代理服务器发送REGISTER 注册请求；
（2）代理服务器通过后端认证/计费中心获知用户信息不在数据库中，便向终端代理回送401Unauthorized 质询信息，其中包含安全认证所需的令牌；
（3）终端代理提示用户输入其标识和密码后，根据安全认证令牌将其加密后，再次用REGISTER 消息报告给代理服务器；
（4）代理服务器将REGISTER 消息中的用户信息解密，通过认证/计费中心验证其合法后，将该用户信息登记到数据库中，并向终端代理A 返回成功响应消息200 OK。
Ø 注销流程：

（1）终端向代理服务器发送register消息注销，其头中expire字段设置为0。
（2）代理服务器在收到后送回200OK响应，并将数据库中的用户有关消息注销。
Ø 基本呼叫建立过程：

（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域的代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器通过认证/计费中心确认用户认证已通过后，检查请求消息中的Via头域中是否已包含其地址。若已包含，说明发生环回，返回指示错误的应答；若没有问题，代理服务器在请求消息的Via头域插入自身地址，并向Invite消息的To域所指示的被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）终端代理B指示被叫用户振铃，用户振铃后向代理服务器发送180Ringing振铃信息。
（6）代理服务器向终端代理A转发被叫用户振铃信息。
（7）被叫用户摘机，终端代理B向代理服务器返回表示连接成功的应答（200OK）
（8）代理服务器向终端代理A转发该成功指示（200OK）
（9）终端代理A收到信息后，向代理服务器发ACK信息进行确认
（10）代理服务器将ACK确认消息转发给终端代理B。
（11）主被叫用户之间建立通信连接，开始通话。
Ø 正常呼叫释放过程：

（1） 正常呼叫
（2） 用户通话结束后，被叫用户挂机，终端代理B向代理服务器发送Bye消息。
（3） 代理服务器转发Bye消息至终端代理A，同时向认证、计费中心发送用户通话的详细信息，请求计费。
（4） 主叫用户挂机后，终端代理A向代理服务器发送确认挂断响应信息200OK。
（5） 代理服务器转发响应信息200OK。
Ø 会话更改流程：

（1）用户代理服务端和代理客户端正常通话。
（2）用户代理服务端向用户代理客户端发送Invite信息，带有新的SDP协商信息。
（3）用户处理客户端回复200OK，并将协商后的SDP信息带回。
（4）用户代理服务端发送ACK给用户代理客户端进行确认。
Ø 被叫忙呼叫释放：


（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器向被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）呼叫请求送到被叫终端代理B后，被叫忙，终端代理B向代理服务器送486被叫忙响应。
（6）代理服务器向终端代理A转发该响应消息。
（7）终端代理A向代理服务器回送ACK确认消息。
（8）代理服务器向终端代理B送ACK确认信息。
Ø 被叫无应答流程一：

（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器向被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）被叫用户振铃，终端代理B向代理服务器送180Ring响应。
（6）代理服务器向终端代理A转发该响应信息。
（7）被叫久振铃无应答，终端代理A判断超时后向代理服务器送Cancel消息放弃该呼叫。
（8）代理服务器收到Cancel消息后，向终端代理A回送200OK响应。
（9）代理服务器将Cancel消息转发给终端代理B。
（10）终端代理B向代理服务器回送200OK响应。
（11）终端代理B向代理服务器送487请求已撤销的响应信息。
（12）代理服务器收到后回送ACK确认。
（13）代理服务器向终端代理A送487请求已撤销消息。
（14）终端代理A向代理服务器回送ACK确认。
注：以上步骤中的（10）到（12）无严格顺序关系。
Ø 被叫无应答流程二：

（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器向被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）被叫用户振铃，终端代理B向代理服务器送180Ring响应。
（6）代理服务器向终端代理A转发该响应信息。
（7）被叫久振铃无应答，终端代理B判断超时后向代理服务器送408Requesttimeout消息放弃该呼叫。
（8）代理服务器收到408Requesttimeout消息后，转发该消息给终端代理A。
（9）代理服务器回送ACK确认给终端代理B。
（10）终端代理A向代理服务器回送ACK确认。
注：以上步骤中的（9）到（10）无严格顺序关系。
Ø 遇忙呼叫前转：

（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器向被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）终端代理B忙线中，B向代理服务器发送486Busy Here响应。
（6）代理服务器向终端代理B发送ACK确认消息。
（7）代理服务器对此呼叫进行前转，向代理服务器C发送Invite请求消息。
（8）代理终端C收到后指示用户振铃，同时向代理服务器发送180Ringing响应。
（9）代理服务器向A转发收到的180Ringing响应。
（10）被叫用户C摘机接听电话，终端代理C向代理服务器返回表示连接成功的应答（200OK）
（11）代理服务器向终端代理A转发该成功指示（200OK）
（12）终端代理A收到信息后，向代理服务器发ACK信息进行确认
（13）代理服务器将ACK确认消息转发给终端代理B。
建立通信连接，开始通话。
（14）主叫用户挂机，终端代理A向代理服务器发送Bye消息，请求挂机。
（15）代理服务器转发Bye消息至终端代理C，指示C挂机。
（16）终端代理C向代理服务器发送确认挂断响应信息200OK。
（17）代理服务器转发响应信息200OK至A。
Ø 无应答呼叫前转流程：

（1）用户A摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器向被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）被叫用户振铃，终端代理B向代理服务器送180Ring响应。
（6）代理服务器向终端代理A转发该响应信息。
（7）被叫久振铃无应答，代理服务器判断超时后向代理终端B送Cancel消息放弃该呼叫。
（8）代理终端B收到Cancel消息后，向代理服务器回送200OK响应。
（9）终端代理B向代理服务器送487请求已撤销的响应信息。
（10）代理服务器向终端代理B回送200OK响应。
（11）代理服务器对此呼叫进行前转，向代理服务器C发送Invite请求消息。
（12）代理终端C收到后指示用户振铃，同时向代理服务器发送180Ringing响应。
（13）代理服务器向A转发收到的180Ringing响应。
（14）被叫用户C摘机接听电话，终端代理C向代理服务器返回表示连接成功的应答（200OK）
（15）代理服务器向终端代理A转发该成功指示（200OK）
（16）终端代理A收到信息后，向代理服务器发ACK信息进行确认
（17）代理服务器将ACK确认消息转发给终端代理C。
建立通信连接，开始通话。
（18）主叫用户挂机，终端代理A向代理服务器发送Bye消息，请求挂机。
（19）代理服务器转发Bye消息至终端代理C，指示C挂机。
（20）终端代理C向代理服务器发送确认挂断响应信息200OK。
（21）代理服务器转发响应信息200OK至A。

Ø 呼叫保持：

（1）用户摘机发起一路呼叫，终端代理A向该区域的代理服务器发起Invite请求；
（2）代理服务器通过认证/计费中心确认用户认证已通过后，检查请求消息中的Via头域中是否已包含其地址。若已包含，说明发生环回，返回指示错误的应答；若没有问题，代理服务器在请求消息的Via头域插入自身地址，并向Invite消息的To域所指示的被叫终端代理B传送Invite请求。
（3）代理服务器向终端代理A发送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（4）终端代理B向代理服务器送呼叫处理中的应答信息：100Trying。
（5）终端代理B指示被叫用户振铃，用户振铃后向代理服务器发送180Ringing振铃信息。
（6）代理服务器向终端代理A转发被叫用户振铃信息。
（7）被叫用户摘机，终端代理B向代理服务器返回表示连接成功的应答（200OK）
（8）代理服务器向终端代理A转发该成功指示（200OK）
（9）终端代理A收到信息后，向代理服务器发ACK信息进行确认
（10）代理服务器将ACK确认消息转发给终端代理B。
（11）主被叫用户之间建立通信连接，开始通话。
（12）代理终端B向代理服务器发送Reinvite消息，SDP的c域等于0,0,0,0。
（13）代理服务器转发此信息给代理终端A。
（14）代理终端A收到Reinvite后回应200OK响应。表示接受会话更改，同事根据协商结果修改会话方式。
（15）代理服务器转发200OK给代理终端B。
（16）代理终端B收到消息后向代理服务器发送ACK消息进行确认。
（17）代理服务器将ACK确认消息转发到代理终端A。
Ø 呼叫等待：

（1）AB正常通话。
（2）在AB通话的阶段，用户C向A发起呼叫，终端代理C发送Invite消息给代理服务器。
（3）代理服务器向终端C回送100Trying响应，表示呼叫已在处理中。
（4）代理服务器把Invite消息转发给A。
（5）用户A振铃，并且终端A向代理服务器发送180Ring响应。
（6）代理服务器向终端C转发该响应信息。
（7）用户A按下呼叫保持键，代理终端A向代理服务器发送Invite消息，请求与代理终端C呼叫保持。
（8）代理服务器转发此消息给终端代理B。
（9）代理服务器向终端A回送100Trying响应，表示呼叫已在处理中。
（10）终端B收到呼叫保持请求后，发送200OK给代理服务器，表示接受呼叫保持。
（11）代理服务器转发200OK响应给终端代理A。
（12）代理终端A收到消息后向代理服务器发送ACK消息进行确认。
（13）代理服务器将ACK确认消息转发到代理终端B。
（14）终端代理A发送200OK给代理服务器，表示接受C的呼叫。
（15）代理服务器转发200OK给终端代理C。
（16）终端代理C向代理服务器回送ACK确认。
（17）代理服务器向代理终端A转发收到的ACK确认。
A、C之间开始通话。
（18）用户A挂机，终端代理A向代理服务器发送Bye请求消息。
（19）代理服务器转发Bye消息给终端代理B。
（20）终端代理C发送200OK给代理服务器，表示接受请求。
（21）代理服务器转发200OK响应给终端代理A。
（22）终端代理C重新发送Invite请求给代理服务器，请求和终端代理B恢复通话。
（23）代理服务器向代理终端B转发收到的Invite请求。

2、SIP通信过程报文抓取实例分析

l 实验环境：Linux2.6+Asterisk1.4（开源IPPBX）
l 实验地点：北京邮电大学信息与通信工程学院创新实验室
l SIP代理服务器IP：59.64.135.22  SIP电话号码：825002（59.64.135.22）
l SIP代理终端IP：59.64.135.67
l 软终端：X-lite
l 抓包分析工具：WireShark
注：由于过程太多，以下仅仅抓取“成功注册”，“呼叫--通话” ，“挂断”“注销”四种情况做典型包的分析。
Ø 注册流程：

以上是REGISTER包。
我们可以看到在注册的时候，终端会向代理服务器59.64.135.22发送REGISTER请求注册。

以上是REGISTEROK包。服务器返回200 OK，表示注册成功。
Ø 基本呼叫建立过程：

以上是INVITE包。我们可以看到在发起呼叫初期，终端向825002发出Invite的呼叫请求。

以上是Trying包，说明终端825003正在试着连通服务器，进一步转接到825002.
由于设置了自动接听，所以此次通话没有振铃的包。

这是ACK包，代表确认信号。
Ø 正常呼叫释放过程：

以上是BYE包。这是825002挂断后服务器向825003发送的释放呼叫信号。
Ø 注销流程：

以上是825003注销的包，我们注意到expires=0这说明是注销。

3.总结

SIP协议凭借其简单、易于扩展、便于实现等诸多优点越来越得到业界的青睐，它正逐步成为NGN（下一代网络）和3G多媒体子系统域中的重要协议，并且市场上出现越来越多的支持SIP的客户端软件和智能多媒体终端，以及用SIP协议实现的服务器和软交换设备。

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