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P2P-SIP輕松實(shí)現多媒體會(huì )話(huà)

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(jiǎn)單、易于擴展、便于實(shí)現等諸多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)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多媒體子系統域中的重要協(xié)議，本文針對SIP服務(wù)在部署中出現的“單點(diǎn)失效”和“性能瓶頸”等問(wèn)題給出了詳細的解決方案。

　　針對SIP服務(wù)在部署中出現的“單點(diǎn)失效”和“性能瓶頸”問(wèn)題，提出了基于P2P技術(shù)的SIP服務(wù)網(wǎng)絡(luò )的結構。這種結構利用現有SIP設施，只做部分升級就能提供非常優(yōu)越的性能。文中給出了實(shí)現方案并重點(diǎn)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(jìn)展。

SIP服務(wù)現狀

　　SIP （Session Initiation Protocol，會(huì )話(huà)初始化協(xié)議）是在Internet節點(diǎn)間建立多媒體會(huì )話(huà)的控制信令，由IETF制定。SIP協(xié)議簡(jiǎn)單、可擴展性強，被很多互聯(lián)網(wǎng)電話(huà)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(huà)費用，最近幾年發(fā)展迅猛。據iResearch 整理的資料顯示，2004年全球VoIP 服務(wù)市場(chǎng)規模已經(jīng)達到35 億美元，在未來(lái)兩年仍將呈現高速增長(cháng)的趨勢，預計2008年市場(chǎng)規模將達到210 億美元。

　　在用戶(hù)高速增長(cháng)的同時(shí)，現有的SIP服務(wù)器也普遍反映出一些不足：“單點(diǎn)失效”和“性能瓶頸”問(wèn)題。SIP按域劃分用戶(hù)（比如ccw.com.cn就是一個(gè)域，而www.ccw.com.cn就是該域內提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽的一臺www服務(wù)器），每個(gè)域有一臺SIP服務(wù)器，用戶(hù)連上本域的服務(wù)器。如果用戶(hù)所在域的服務(wù)器宕機，用戶(hù)就不能使用SIP服務(wù)。這就是所謂的“單點(diǎn)失效”問(wèn)題。當某個(gè)域內的用戶(hù)數目龐大時(shí)，單臺服務(wù)器就會(huì )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(huì )增加配置的復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(wèn)題。

　　Skype使用P2P（Point to Point，點(diǎn)對點(diǎn)）機制解決了這兩個(gè)問(wèn)題。Skype網(wǎng)絡(luò )把節點(diǎn)分為超級和普通兩種。超級節點(diǎn)通過(guò)P2P機制互聯(lián)，為普通節點(diǎn)提供注冊服務(wù)。當超級節點(diǎn)失效時(shí)，它所管理的普通節點(diǎn)會(huì )注冊到其他超級節點(diǎn)上，避免了“單點(diǎn)失效”。當網(wǎng)絡(luò )處理能力不夠時(shí)，部分普通節點(diǎn)會(huì )轉換成超級節點(diǎn)以增大網(wǎng)絡(luò )容量，打破了“性能瓶頸”。靠這種結構，Skype做到了全球注冊用戶(hù)超過(guò)1億，同時(shí)在線(xiàn)人數突破700萬(wàn)。可惜Skype使用私有協(xié)議，無(wú)法接入市場(chǎng)上大量的VoIP設備。

　　Skype的成功，使得IETF開(kāi)始借鑒P2P的機制來(lái)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(diǎn)是沒(méi)有中心服務(wù)器，節點(diǎn)間分擔負載。沒(méi)有中心服務(wù)器，就不會(huì )“單點(diǎn)失效”；節點(diǎn)間分擔負載，增加節點(diǎn)就能迅速增大系統容量。而且在P2P中，增加節點(diǎn)的操作幾乎是“零配置”的。

P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )的結構

　　在IETF的設想中，每個(gè)SIP節點(diǎn)同時(shí)也是P2P節點(diǎn)。節點(diǎn)間地位平等，沒(méi)有普通節點(diǎn)和超級節點(diǎn)的差別。這種設計要求現有SIP設備做重大改動(dòng)，而且無(wú)法將SIP服務(wù)做商業(yè)化運營(yíng)。而本文的設計充分考慮到SIP服務(wù)的商業(yè)化和電信級運營(yíng)，不需要改動(dòng)現有VoIP終端設備，只對現有SIP服務(wù)器的軟件做改動(dòng)，而且改動(dòng)很小。為區別于傳統的SIP服務(wù)器，本文把P2P化的SIP服務(wù)器叫做P2P-SIP Node，簡(jiǎn)稱(chēng)PN。具體的網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。



　　在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )中，原來(lái)管理一個(gè)域的單臺服務(wù)器變成多臺PN，PN之間通過(guò)P2P機制互聯(lián)，彼此分擔負載。PN可以承擔原來(lái)服務(wù)中壓力最大的部分，比如注冊、代理和計費。用戶(hù)連接到任一PN，都可以有效使用服務(wù)。部分PN下線(xiàn)或故障不會(huì )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）。基本的PN至少包括注冊和代理兩種功能。為進(jìn)行商業(yè)運營(yíng)，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(hù)和所有的PN。

　　新的服務(wù)比如語(yǔ)音和視頻會(huì )議、語(yǔ)音郵箱、PSTN落地（即呼叫座機和手機）、自動(dòng)和人工語(yǔ)音應答可以部署在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(shí)現

1. PN的結構

　　PN分為兩層。上面是SIP層，處理標準的SIP信令；下面是P2P層，使用特定的機制（本文的設計選用Chord協(xié)議）互聯(lián)各個(gè)PN的P2P層并維持它們之間的聯(lián)系。P2P層提供給SIP層的應用程序編程接口（API）只有函數find_responsible_pn(user)，該函數返回負責管理該user的PN的IP地址和端口。由于P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )是動(dòng)態(tài)的，所以負責管理某個(gè)用戶(hù)的PN在不同時(shí)段可能是不同的。

　　首先講一講Chord基礎知識，Chord是結構化的overlay。所謂overlay，是指P2P系統在物理連接的基礎上構建的邏輯網(wǎng)絡(luò )。而結構化的overlay，是指在overlay中，特定的資源由特定的節點(diǎn)管理；當查詢(xún)該資源時(shí)，根據某種路由規則，找到管理該資源的特定節點(diǎn)。Chord使用SHA-1哈希算法，哈希值為m個(gè)比特。共有2m個(gè)可能值分布在圓周上，稱(chēng)做Chord環(huán)，如圖2所示。



　　圖中N表示節點(diǎn)，N后的數字是該節點(diǎn)的哈希值，一般通過(guò)哈希節點(diǎn)的IP地址得到。K表示資源，K后的數字是該資源的哈希值。Chord用在SIP中時(shí)，K應該是SIP URI，例如sip:humingchunno1@163.com。在Chord中，每個(gè)節點(diǎn)都負責管理一段哈希空間——順時(shí)針?lè )较蛏现耙粋�(gè)節點(diǎn)到自己的范圍，哈希值落在該空間中的資源K的信息由本節點(diǎn)保存。例如節點(diǎn)N32就負責管理資源K24和K30的信息（圖2中指向N32的實(shí)線(xiàn)箭頭所示）。

　　當某個(gè)節點(diǎn)比如N8要詢(xún)問(wèn)資源K30的信息時(shí)，N8首先要找到負責管理K30的節點(diǎn)N32。最簡(jiǎn)單的做法是N8詢(xún)問(wèn)順時(shí)針?lè )较蛏献约汉竺娴哪莻�(gè)節點(diǎn)，稱(chēng)做N8的successor，即N14。如果N14不負責K30，則N14詢(xún)問(wèn)自己的successor，即N21。該操作反復進(jìn)行，直至找到負責K30的節點(diǎn)N32為止。

　　這種查詢(xún)機制只要求節點(diǎn)知道順時(shí)針?lè )较蛏献约汉竺婺莻�(gè)節點(diǎn)的位置（自己的successor），查詢(xún)效率低，花費的平均時(shí)間是函數O(N/2)的值，N是Chord環(huán)的實(shí)際節點(diǎn)數。為提高查詢(xún)效率，Chord中每個(gè)節點(diǎn)除了記錄successor和predecessor（順時(shí)針?lè )较蛏献约呵懊娴哪莻�(gè)節點(diǎn))外，還要記錄m個(gè)其他節點(diǎn)。這m個(gè)節點(diǎn)由successor(n+2i-1)確定，其中n是本節點(diǎn)的哈希值，i是1到m間的整數。m個(gè)節點(diǎn)的集合就是finger表（圖2中給出N8的finger表）。這種方式下查詢(xún)資源花費的平均時(shí)間為O(logN)。

　　新節點(diǎn)，例如圖2中的N26，要加入Chord環(huán)時(shí)，先詢(xún)問(wèn)自己知道的Chord中任一節點(diǎn)，假定為N8。N8通過(guò)查詢(xún)，發(fā)現N26的successor是N32，告知N26。N26得知后把successor設為N32，并通告N32自己的存在。N32得知后把predecessor設為N26，并把K24交由N26管理。N26則完成加入。

　　Chord中每個(gè)節點(diǎn)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(xún)。理論的計算和實(shí)際的模擬顯示，Chord的容錯性很強，當網(wǎng)絡(luò )中50%的節點(diǎn)故障時(shí)，查詢(xún)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的配置文件中應該有一個(gè)配置項，其值是“IP地址:端口”或“域名：端口”的形式。存在多個(gè)值時(shí)，之間用空格分開(kāi)。其值也可以為空，表示本PN是P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )的第一個(gè)節點(diǎn)。值格式錯誤時(shí)，忽略該值。

　　PN啟動(dòng)時(shí)，如果發(fā)現配置項的值為空，PN的Chord層就新建一個(gè)Chord環(huán)。如果配置項存在一個(gè)或多個(gè)值，Chord層就依次向這些值發(fā)請求直至收到成功應答。如果最終沒(méi)有收到成功應答，就提示錯誤或者新建一個(gè)Chord環(huán)。PN進(jìn)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(hù)注冊信息。

　　PN正常退出P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )時(shí)，需要將自己管理的用戶(hù)注冊信息發(fā)給自己的successor。非正常退出時(shí)，P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )會(huì )暫時(shí)丟失部分用戶(hù)的注冊信息。為保證注冊過(guò)的用戶(hù)始終可達，可以讓PN周期性地將它管理的用戶(hù)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(lái)做的。每個(gè)PN的Chord層都周期性地更新自己的successor、predecessor和finger表，從而及時(shí)地了解網(wǎng)絡(luò )的變化。

3. 請求處理過(guò)程

　　按照RFC3261的規定，SIP服務(wù)器（主要指代理服務(wù)器）處理請求時(shí)與請求的方法無(wú)關(guān)。我們將SIP服務(wù)器改造成PN時(shí)增加的步驟也應該是與方法無(wú)關(guān)的。下面我們通過(guò)詳細描述用戶(hù)的注冊和呼叫，來(lái)展示P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )中PN處理請求的過(guò)程，并表明增加的步驟與方法無(wú)關(guān)。

用戶(hù)注冊過(guò)程

　　對用戶(hù)而言，注冊到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程和注冊到SIP網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程是相同的。只是在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )中，PN收到注冊請求時(shí)，并不立即記錄該條注冊信息，而是先調用函數find_responsible_pn(user)。如果返回的地址是PN自己，這才記錄下用戶(hù)注冊信息；如果返回的地址是其他PN，則PN會(huì )把注冊請求轉發(fā)給相應的PN。最終，注冊請求會(huì )被轉發(fā)到負責處理它的PN處，處理后產(chǎn)生的應答按原路返回。

　　考慮到減輕PN轉發(fā)請求和記錄事務(wù)狀態(tài)的負擔，PN收到不該自己負責的注冊請求時(shí)，可以返回301 Moved Permanently應答。而把調用find_responsible_pn(user)得到的地址放在應答的Contact頭域中,具體的注冊過(guò)程如圖3所示。

用戶(hù)呼叫過(guò)程

　　對用戶(hù)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(méi)什么不同。構造標準的INVITE請求，發(fā)給自己連接的PN（SIP服務(wù)器），然后等待應答。

　　在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )中，PN收到INVITE請求，進(jìn)行必要處理后，取出請求中To頭域里的SIP URI（表示呼叫哪個(gè)用戶(hù)），調用find_responsible_pn(user)。如果返回值是PN自己，說(shuō)明PN負責管理To頭域所標識的用戶(hù)，PN具有該用戶(hù)的注冊信息，之后的處理按SIP標準流程; 如果不是，則PN將INVITE請求轉發(fā)給find_responsible_pn(user)返回的“IP地址：端口”，具體的呼叫過(guò)程如圖4所示。


　　按照本文所述的設計和實(shí)現方案，對原有的SIP軟交換平臺進(jìn)行改造，在PN上實(shí)現了注冊、呼叫和計費功能。原來(lái)的語(yǔ)音郵箱和自動(dòng)應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 )內提供全局的用戶(hù)認證、撥號策略、賬務(wù)系統和網(wǎng)管服務(wù)。

　　基本的測試顯示，5臺處理能力為72萬(wàn)次/小時(shí)BHCA（中文叫忙時(shí)試呼次數，是電信領(lǐng)域用來(lái)衡量服務(wù)器處理能力的重要指標，注冊用戶(hù)數在電信領(lǐng)域指的就是座機的數目）的普通PC機組成P2P-SIP網(wǎng)絡(luò )后其BHCA可以達到288萬(wàn)次/小時(shí)，支持的注冊用戶(hù)數達48萬(wàn)。

鏈接：SIP協(xié)議介紹

　　會(huì )話(huà)發(fā)起協(xié)議SIP(Session Initiation Protocol)是IETF制定的多媒體通信系統框架協(xié)議之一，它是一個(gè)基于文本的應用層控制協(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(huì )話(huà)。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(hù)等功能。支持用戶(hù)移動(dòng)，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(huì )話(huà)，它能控制多個(gè)參與者參加的多媒體會(huì )話(huà)的建立和終結，并能動(dòng)態(tài)調整和修改會(huì )話(huà)屬性，如會(huì )話(huà)帶寬要求、傳輸的媒體類(lèi)型（語(yǔ)音、視頻和數據等）、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(jiǎn)單、易于擴展、便于實(shí)現等諸多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)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多媒體子系統域中的重要協(xié)議，并且市場(chǎng)上出現越來(lái)越多的支持SIP的客戶(hù)端軟件和智能多媒體終端，以及用SIP協(xié)議實(shí)現的服務(wù)器和軟交換設備。　

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