FreeSwitch Sip

本文介绍了SIP协议的基本概念,包括其作为会话初始化协议的角色,以及与HTTP的相似之处。SIP是一个对等协议,用户代理(UA)可以作为发起者或响应者。文章还详细讨论了SIP的注册过程,通过示例展示了注册服务器如何验证用户身份。此外,文中通过实例演示了UA间的直接呼叫和通过B2BUA(FreeSWITCH)的呼叫流程,解释了SIP请求和响应的类型以及呼叫的建立和结束。

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在继续学习 FreeSWITCH 之前我们有必要来学习一下 SIP 协议,因为它是 FreeSWITCH 的核心。但即使如此,讲清楚 SIP 必然需要很大篇幅,本书是关于 FreeSWITCH 的,而重点不是 SIP。因此,我将仅就理解 FreeSWITCH 必需的一些概念加以通俗的解释,更严肃一些的请参阅其它资料或 RFC(Request For Comments)。

SIP 的概念和相关元素

会话初始协议(Session Initiation Protocol)是一个控制发起、修改和终结交互式多媒体会话的信令协议。它是由 IETF(Internet Engineering Task Force,Internet工程任务组)在 RFC 2543 中定义的。最早发布于 1999 年 3 月,后来在 2002 年 6 月又发布了一个新的标准 RFC 2361。

SIP 是一个基于文本的协议,在这一点上与 HTTP 和 SMTP 相似。我们来对比一个简单的 SIP 请求与 HTTP 请求:

GET /index.html HTTP/1.1

INVITE sip:seven@freeswitch.org.cn SIP/2.0

请求由三部分组成。在 HTTP 中, GET 指明一个获取资源(文件)的动作,而 /index.html 则是资源的地址,最后是协议版本号。而在 SIP 中,INVITE 表示发起一次请求,seven@freeswitch.org.cn 为请求的地址,称为 SIP URI,最后也是版本号。其中,SIP URI很类似一个电子邮件,其格式为“协议:名称@主机”。与 HTTP 和 HTTPS 相对应,有 SIP 和 SIPS,后者是加密的;名称可以是一串数字的电话号码,也可以是字母表示的名称;而主机可以是一个域名,也可以是一个IP地址。

SIP 是一个对等的协议,类似 P2P。不像传统电话那样必须有一个中心的交换机,它可以在不需要服务器的情况下进行通信,只要通信双方都彼此知道对方地址(或者,只有一方知道另一方地址),如下图,bob 给 alice 发送一个 INVITE 请求,说“Hi, 一起吃饭吧...”,alice 说"好的,OK",电话就通了。

在 SIP 网络中,alice 和 bob 都叫做用户代理(UA, User Agent)。UA 是在 SIP 网络中发起或响应 SIP 处理的逻辑功能。UA是有状态的,也就是说,它维护会话(或称对话)的状态。UA 有两种功能:一种是 UAC(UA Client用户代理客户端),它是发起 SIP 请求的一方,如上图的 bob。另一种是 UAS(UA Server),它是接受请求并发送响应的一方,如上图中的 alice。由于 SIP 是对等的,如果 alice 呼叫 bob 时(有时候 alice 也主动叫 bob 一起吃饭),alice 就称为 UAC,而 bob 则执行 UAS的功能。一般来说,UA 都会实现上述两种功能。

设想 bob 和 alice 是经人介绍认识的,而他们还不熟悉,bob 想请 alice 吃饭就需要一个中间人(M)传话,而这个中间人就叫代理服务器(Proxy Server)。还有另一种中间人叫做重定向服务器(Redirect Server),它类似于这样的方式工作──中间人 M 告诉 bob,我也不知道 alice 在哪里,但我老婆知道,要不然我告诉你我老婆的电话,你直接问她吧,我老婆叫 W。这样,M 就成了一个重定向服务器,而他老婆 W 则是真正的代理服务器。这两种服务器都是 UAS,它们主要是提供一对欲通话的 UA 之间的路由选择功能。具有这种功能的设备通常称为边界会话控制器(SBC,Service Border Controller)。

还有一种 UAS 叫做注册服务器。试想这样一种情况,alice 还是个学生,没有自己的手机,但它又希望 bob 能随时找到她,于是当她在学校时就告诉中间人 M 说她在学校,如果有事打她可以打宿舍的电话;而当她回家时也通知 M 说有事打家里电话。只要 alice 换一个新的位置,它就要向 M 重新“注册”新位置的电话,以让 M 能随时找到她,这时候 M 就是一个注册服务器。

最后一种叫做背靠背用户代理(B2BUA,Back-to-Back UA)。需要指出,其实 RFC 3261 并没有定义 B2BUA的功能,它只是一对 UAS 和 UAC的串联。FreeSWITCH 就是一个典型的 B2BUA,事实上,B2BUA 的概念会贯穿本书始终,所以,在此我们需要多花一点笔墨来解释。

我们来看上述故事的另一个版本:M 和 W 是一对恩爱夫妻。M 认识 bob 而 W 认识 alice。M 和 W 有意搓合两个年轻人,但见面时由于两人太腼腆而互相没留电话号码。事后 bob 相知道 alice 对他感觉如何,于是打电话问 M,M 不认识 alice,就转身问老婆 W (注意这次 M 没有直接把 W 电话给 bob),W 接着打电话给 alice,alice 说印象还不错,W 就把这句话告诉 M, M 又转过身告诉 bob。 M 和 W 一个面向 bob,一个对着 alice,他们两个合在一起,称作 B2BUA。在这里,bob 是 UAC,因为他发起请求;M 是 UAS,因为他接受 bob 的请求并为他服务;我们把 M 和 W 看做一个整体,他们背靠着背(站着坐着躺着都行),W 是 UAC,因为她又向 alice 发起了请求,最后 alice 是 UAS。其实这里UAC 和 UAS 的概念也不是那么重要,重要的是要理解这个背靠背的用户代理。因为事情还没有完,bob 一听说 alice 对他印象还不错,心花怒放,便想请 alice 吃饭,他告诉 M, M 告诉 W, W 又告诉 alice,alice 问去哪吃,W 又只好问 M, M 再问 bob…… 在这对年轻人挂断电话这前, M 和 W 只能“背对背”的工作。

从上图可以看出,四个人其实全是 UA。从上面故事可以看出,虽然 FreeSWITCH 是 B2BUA,但也可以经过特殊的配置,实现一些代理服务器和重定向服务器的功能,甚至也可以从中间劈开,两边分别作为一个普通的 UA 来工作。这没有什么奇怪的,在 SIP 世界中,所有 UA 都是平等的。具体到实物,则 M 和 W 就组成了实现软交换功能的交换机,它们对外说的语言是 SIP,而在内部,它们则使用自己家的语言沟通。bob 和 alice 就分别成了我们常见的软电话,或者硬件的 SIP 电话。

SIP 注册

不像普通的固定电话网中,电话的地址都是固定的。因特网是开放的,alice 的 UA 可能在家也可能在学校,或者,在世界是任何角落,只要能上网,它就能与世界通信。为了让我们的 FreeSWITCH 服务器能找到它,它必须向服务器进行注册。通常的注册流程是:

Alice                          FreeSWITCH 
  |                                |
  |           REGISTER             |
  |------------------------------->|
  |   SIP/2.0 401 Unauthorized     |
  |<-------------------------------|
  |           REGISTER             |
  |------------------------------->|
  |   SIP/2.0 200 OK               |
  |                                |

我们用真正的注册流程进行说明。下面的 SIP 消息是在真正的 FreeSWITCH 中 trace 出来的。其中 FreeSWITCH 服务器的 IP 地址是 192.168.4.4,使用默认的端口号 5060,在这里,我们使用的是 UDP 协议。 alice 使用的 UAC 是 Zoiper,端口号是 5090(在我写作时它与 FreeSWITCH 在同一台机器上,所以不能再使用端口 5060)。其中每个消息短横线之间的内容都是 FreeSWITCH 中输出的调试信息,不是 SIP 的一部分。

------------------------------------------------------------------------
recv 584 bytes from udp/[192.168.4.4]:5090 at 12:30:57.916812:
------------------------------------------------------------------------
REGISTER sip:192.168.4.4;transport=UDP SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.4.4:5090;branch=z9hG4bK-d8754z-d9ed3bbae47e568b-1---d8754z-;rport
Max-Forwards: 70
Contact: <sip:alice@192.168.4.4:5090;rinstance=d42207a765c0626b;transport=UDP>
To: <sip:alice@192.168.4.4;transport=UDP>
From: <sip:alice@192.168.4.4;transport=UDP>;tag=9c709222
Call-ID: NmFjNzA3MWY1MDI3NGViMjY1N2QwZDlmZWQ5ZGY2OGE.
CSeq: 1 REGISTER
Expires: 3600
Allow: INVITE, ACK, CANCEL, BYE, NOTIFY, REFER, MESSAGE, OPTIONS, INFO, SUBSCRIBE
User-Agent: Zoiper rev.5415
Allow-Events: presence
Content-Length: 0

recv 表明 FreeSWITCH 收到来自 alice 的消息。我们前面已经说进,SIP 是纯文本的协议,类似 HTTP,所以很容易阅读。

  • 第一行的 REGISTER 表示是一条注册消息。
  • Via 是 SIP 的消息路由,如果 SIP 经过好多代理服务器转发,则会有多条 Via 记录。
  • Max-forwards 指出消息最多可以经过多少次转发,主要是为了防止产生死循环。
  • Contact 是 alice 家的地址,本例中,FreeSWITCH 应该能在 192.168.4.4 这台机器上的 5090 端口找到她。
  • To 和 From 先不管。
  • Call-ID 是本次 SIP 会话(Session)的标志。
  • CSeq 是一个序号,由于 UDP 是不可靠的协议,在不可靠的网络上可能丢包,所以有些包需要重发,该序号则可以防止重发引起的消息重复。
  • Expires 是说明本次注册的有效期,单位是秒。在本例中,alice 应该在一小时内再次向 FreeSWITCH 注册,防止 FreeSWITCH 忘掉她。实际上,大部分 UA 的实现都会在几十秒内就重新发一次注册请求,这在 NAT 的网络中有助于保持连接。
  • Allow 是说明 alice 的 UA 所能支持的功能,某些 UA 功能丰富,而某些 UA 仅有有限的功能。
  • User-Agent 是 UA 的型号。
  • Allow-Events 则是说明她允许哪些事件通知。
  • Content-Length 是消息体(Body)的长度,在这里,只有消息头(Header),没有消息体,因此长度为 0 。

.

------------------------------------------------------------------------
send 664 bytes to udp/[192.168.4.4]:5090 at 12:30:57.919364:
------------------------------------------------------------------------
SIP/2.0 401 Unauthorized
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.4.4:5090;branch=z9hG4bK-d8754z-d9ed3bbae47e568b-1---d8754z-;rport=5090
From: <sip:alice@192.168.4.4;transport=UDP>;tag=9c709222
To: <sip:alice@192.168.4.4;transport=UDP>;tag=QFXyg6gcByvUH
Call-ID: NmFjNzA3MWY1MDI3NGViMjY1N2QwZDlmZWQ5ZGY2OGE.
CSeq: 1 REGISTER
User-Agent: FreeSWITCH-mod_sofia/1.0.trunk-16981M
Allow: INVITE, ACK, BYE, CANCEL, OPTIONS, MESSAGE, UPDATE, INFO, REGISTER, REFER,
    NOTIFY, PUBLISH, SUBSCRIBE
Supported: timer, precondition, path, replaces
WWW-Authenticate: Digest realm="192.168.4.4",
    nonce="62fb812c-71d2-4a36-93d6-e0008e6a63ee", algorithm=MD5, qop="auth"
Co
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