无线自组网SIP协议可靠性机制设计

陈志辉，王 俊，丁 锐，袁 静

(中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都610041)

0 引言

会话初始协议 SIP(Session Initiation Protocol)［1］是IETF提出的应用层会话控制协议，用于建立、修改和终结实时多媒体会话。具有可扩展性、灵活性、互操作性、可重用性、简单高效等特点。SIP是下一代网络NGN的核心协议，在互联网以及固定、移动IP 网络得到了成功应用［2－4］。

无线自组网(Wireless Ad hoc networks)不依赖固定基础设施，具有无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点，网络抗毁性和灵活性较强，尤其适合灾难救助、偏远地区、紧急突发、作战战场等场合，具有广泛的用途和前景。

随着无线自组网发展，其网络IP化、无线传输带宽增加、质量保障能力提高，使其具备了提供实时多媒体业务的能力，无线自组网提供实时多媒体业务成为重要的应用需求。SIP已经在互联网、固定IP网络、移动IP网络(有固定基础设施)得到了成功应用，在更灵活、有着广泛用途的无线自组网中推广应用成为SIP应用需求。两个方面的需求，促使进行SIP协议(下一代网络NGN提供多媒体业务的核心协议)应用到无线自组网的研究。IP是无线自组网和SIP结合的基本条件，无线传输带宽增加、质量保障能力提高是结合的重要保障，提供实时多媒体业务是结合的目标。

无线自组网极易受到天气、地形、电磁干扰、节点移动等方面的影响，导致有时网络很不可靠，甚至网络不可用。最初针对固定IP网络设计的SIP协议，虽然在移动IP网络应用中进行了许多改进。同时作为应用层协议，SIP也设计了较完整的可靠性机制，如应答确认机制、重传机制、超时机制等，并支持低层不可靠传输，但仍然难以适应无线自组网的网络不可用情况。SIP协议如何成功地延伸应用到无线自组网，提供多媒体业务支持，发挥其统一融合能力，简化应用系统、增强终端智能，进一步促进无线自组网的灵活性、易部署性、易用性，成为当前急需的、重要的研究内容。

文中分析标准SIP协议在无线自组网中应用存在的问题，设计了新的可靠性机制、引用并运用已有的可靠性机制，形成完整的可靠性解决方案，提高了SIP协议在无线自组网中的适应性。

1 SIP协议可靠性机制

SIP主要的可靠性机制有:

(1)周期性重注册机制

终端注册主要是通知服务器终端当前的位置信息，服务器记录、更新位置信息，确保终端位置信息的正确性。终端周期性重注册，确保了终端位置信息的有效性，服务器可以根据注册是否超时，判断终端位置信息是否失效。

(2)请求应答

SIP中的所有请求消息都要求应答，使请求方可以确定接收方成功收到该请求。

(3)确认机制

对重要的应答消息，请求方发送 ACKPRACK［5］进行确认。如 INVITE请求的响应 200 OK，需要请求方使用ACK进行确认。如果请求方没有进行确认，应答方重复发送响应。

(4)重传机制

请求发送后，如果规定的时间内没有收到响应消息，请求方会重发请求多次。

(5)超时机制

在重新发送请求或响应后，一直没有得到正确的响应或确认，一定时间后，重发方终止会话。

(6)临时可靠响应机制［6］

一般情况下，临时响应都是不太重要的。但现在的很多临时响应非常重要，如支持资源预留的183响应就非常重要，直接决定会话是否继续建立。

2 无线自组网SIP协议可靠性问题

2.1 无线自组织网的可靠性

无线自组织网的可靠性比较低，通常在96%［7］左右，远远低于有线网络的可靠性。特别是战场等复杂电磁环境下，无线自组织网的可靠性将进一步降低，有时甚至达到不可用的程度。

2.2 SIP存在的问题

宏观上SIP可以分成非会话、会话建立中、会话建立三个状态。其中标准SIP在会话建立中、会话建立后两个状态的可靠性机制还不完善，在无线自组网等可靠性降低到一定较低程度时(不可用时)，存在如下问题:

(1)拨号后长时间无响应

主叫发出INVITE，收到100临时响应后、收到180响应前发生网络不可用。主叫将一直停留在Proceeding状态，没有超时处理机制。

(2)长时间单边振铃

在被叫收到INVITE发出180响应后、主叫收到180响应前发生网络不可用。被叫将长时间单边振铃。

(3)振铃后接续不成功

主叫收到180响应后，发生网络不可用，主被叫继续振铃，被叫摘机后，会话不能建立成功。

(4)终端长时间无业务数据无提示

会话建立成功后通信期间，发生网络不可用，主被叫长时间无业务数据后，且没有任何提示。

(5)服务器资源泄漏

会话建立成功后，发生网络不可用，主被叫在没有收到业务数据后，可以在用户的干预下结束会话，并释放本地资源。但服务器不能收到任何结束会话的信令，将一直保留此会话申请的资源，造成资源泄漏。

3 SIP可靠性机制改进设计

3.1 SIP 问题分析

(1)拨号后长时间无响应

图1是RFC3261中INVITE client transaction状态图。进入状态Proceeding后，只有收到200以上的响应才能进入下一个状态。如果没有收到任何消息，将长时间停留在Proceeding状态，缺少一个无任何响应超时进入下一个状态的机制。

图1 INVITE客户端事务Fig.1 INVITE client transaction

(2)长时间单边振铃

标准SIP协议的振铃指示消息180响应，没有任何确认措施。被叫发送180响应后，开始振铃，无法知道主叫方是否接收到180响应。这种机制上的缺陷导致主叫、被叫振铃不同步情况。因此应当将180作为重要的临时响应，进行确认，确保主被叫同步。

(3)振铃后接续不成功

标准SIP采用单次发送180响应消息机制，被叫发出180响应后、主叫收到180响应后，双方开始振铃。如果振铃期间发生网络不可用的异常，主被叫无法感知异常，错误地继续振铃，导致用户摘机时无法接通。因此，需要监控振铃期间的网络可用情况，一旦网络不可用，振铃将停止，避免振铃正常却不能接通的情况。

(4)终端长时间无业务数据无提示

通信过程中发生网络不可用，终端收不到业务数据。由于缺少会话保持功能，将不能发现网络不可用，无法给出提示。因此，在终端上需要增加会话保持机制。

会话保持是控制面的功能，其探测时间通常比较长(几十秒级)，可以结合数据面业务数据的实时性，及时(几十毫秒级)发现异常，并在控制面通过确认机制进行确认。

(5)服务器资源泄漏

服务器资源泄漏主要是服务器在会话建立、撤销过程中，都是出于被动的位置，缺少主动监控措施，对会话的有效性进行鉴别，因此需要增加会话保持功能。

由于会话保持探测时间通常比较长，导致资源泄漏时间长，可以在资源紧缺的时候，启动主动巡查机制，减少资源泄漏的时间。

3.2 SIP可靠性改进措施

针对标准SIP协议存在的问题和分析，设计了以下几种改进措施:

(1)增加Proceeding超时机制

在RFC3261中INVITE client transaction状态机(见图1)的基础上，新设计Proceeding状态超时机制，如图2中虚线所示。

图2 新INVITE客户端事务Fig.2 New INVITE client transaction

Proceeding状态超时机制工作过程:①在收到100响应进入Proceeding状态后，启动超时定时器;②如果收到180响应，复位超时定时器，并使用振铃提示用户;③如果主叫在超时时间内没有收到180响应，将超时退出Proceeding状态，(如果已经振铃，即收到过180响应，但在后续180响应没有收到，就先停止振铃)并使用语音提示用户挂机。

建议超时时间是重复发送180响应间隔(见重复发送180机制)的倍数(如2倍)。重复发送180响应间隔建议值为2T1(T1是往返估计时延，缺省值是500 ms)，即Proceeding超时时间建议为4T1(缺省值是2 s)。

(2)对180临时响应进行确认机制

将180作为重要的临时响应，并对其采用可靠临时响应机制，主叫在收到180机可靠性临时响应指示时，应该使用PRACK进行确认。主叫收到180后进行振铃，被叫在接收到PRACK后才振铃。如果PRACK丢失，180响应将重传。

(3)重复发送180机制

从振铃到用户摘机的时间相对比较长，几秒到几十秒，这段时间网络的可用状态可能发生变化。采用单次发送180响应提示已经不能适应，可以以一定间隔重复发送180(建议间隔使用2T1，缺省值是1 s)，主叫据此可判断网络是否正常，同时主叫对180响应进行确认(发送PRACK)，被叫可据此判断网络是否正常。

被叫停止发送和主叫停止检测180响应:①被叫在用户摘机后，发送200 OK响应，被叫停止发送180响应;②主叫在接收到被叫的200 OK响应后，停止检测180响应;③如果被叫用户一直没有摘机的话，主叫可以用户主动挂机或proceeding超时后，停止检测180响应;④被叫在主叫挂机或INVITE事务超时后，停止发送180响应。

(4)选用Session Timer会话保持机制［4］

Session Timer会话保持机制是RFC4028定义的，标准建议有状态工作模式时，使用Session Timer功能进行会话保持。基本原理是通过在UAC和UAS之间协商会话刷新的发起者和刷新周期。发起者使用re－INVITE或UPDATE进行刷新，接收者进行响应。如果长时间连续没有刷新请求或响应，表明网络出现异常，双方可以终止会话，释放资源。

在标准SIP协议中，会话保持机制是可选机制(只有在有状态服务器使用该机制)。在无线自组网中，传输资源有限，资源管理是有效运行的基础，会话保持机制将作为资源释放最重要的监控触发措施。建议将会话保持机制作为无线自组网SIP协议的必选机制。

(5)实时感知确认机制

Session Timer会话保持的周期通常不能太短，导致难以即时发现问题。在明确知道数据传输特征的情况下，如RTP数据包的间隔、静音数据包的间隔等特征。可以借助实时RTP数据包接收情况，及时发现网络异常，并启动类似会话刷新的动作进行确认，解决Session Timer会话保持机制实时性差的缺陷。

(6)紧急巡查机制

可以在SIP服务器使用的资源紧缺到一定门限时，启动紧急巡查机制(发送 UPDATE、re－INVITE)，对连续多次巡查没有响应的会话，服务器主动终止，释放资源。

3.3 测试验证

将3.2节提出的可靠性机制实现后，分别部署在1台SIP服务器和2台终端上，连接到有线局域网上(由于这些机制的改进是针对网路不可用的，可以在有线网络进行模拟)，其中SIP服务器、终端设计成可以手动控制部分消息的发送、转发，以便准确配合模拟网路断开等操作。设置Proceeding超时时间为2 s(4T1，其中T1使用缺省值500 ms)，180重复发送时间间隔是1 s(2T1)。Session Timer超时时间1 800 s，采用终端发起刷新方式。

紧急巡查采用动态参数，根据资源占用率的不同采用不同的参数，原则上是资源使用率越高时，巡查时间越短，最短可达500 ms(T1)。在无线自组织网络环境进行了初步的测试和验证，改进前后试验结果如表1所示。

表1 测试结果Table 1 Test result

测试结果表明，提出的可靠性改进机制解决了会话建立、会话过程中，网络不可用引起的主叫拨号后长时间无响应、长时间单边振铃、振铃后接续不成功、服务器资源泄漏等问题，能正确发现异常，进行相应的处理并提示用户。但发现问题的及时性较差，借助实时感知确认机制，终端可以及时发现异常并处理。在呼叫保持能力的测试过程中，由于网络不可用将引起资源不能正常释放，只能通过Session Timer超时释放，及时性很差，大大降低了呼叫保持能力。通过紧急巡查机制，可以确保呼叫资源出现紧缺时，及时确认会话有效性，并释放无效会话的资源，确保呼叫保持能力。

总的说来，改进后的SIP可靠性机制，将异常发现和处理控制在秒级，并及时给用户正确的提示，大大提升了用户的体验。

4 结语

文中针对标准SIP协议在无线自组网不可用时引起的问题进行了总结和分析，设计了新的可靠性机制，扩展了原SIP协议中可靠性机制的应用范围，形成了无线组网下SIP协议较完整的可靠性机制。并经过初步测试验证，改进后的SIP协议能较好的适应无线自组网网络可靠性差、甚至不可用等情况。基本达到了将SIP协议延伸应用到无线自组网，在无线自组网中提供多媒体业务的预期目标。

受无线自组网具体特性、用户体验要求、带宽占用、闪断干扰等因素影响，各种可靠性机制的参数值的确定方法比较复杂，它们相互制约，难以统一。可靠性机制参数值的确定优化有待进行深入研究完善。

［1］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H，CAMARILLO G，et al.RFC3261 － 2002，SIP:Session Initiation Protocol［S］.［s.l.］:IETF，2005.

［2］黄育平，黄威.SIP协议在软交换中应用的研究［J］.通信技术，2012，45(07):45 －47.HUANG Yu －ping，HUANG Wei.Study on Applications of SIP Protocol in Soft Exchange［J］.Communications Technology，2012，45(07):45 －47.

［3］汪陈伍，李广华.HSIP:下一代无线网络理想的选择［J］.2009，42(07):218 －219，228.WANG Chen－wu，LI Guang－hua.HSIP:Ideal Choice for Next－ Generation Wireless Network［J］.2009，42(07):218 －219，228.

［4］孙旭辉，龙昭华，蒋贵全.基于SIP的VoWLAN的移动性研究［J］.2009，42(04):178 －179，182.SUN Xu－hui，LONG Zhao－hua，JIANG Gui－quan.Mobility of VoWLAN based on SIP［J］.2009，42(04):178 －179，182.

［5］ROSENBERG J，SCHULZRINNE H.RFC3262 － 2002，Reliability of Provisional Responses in Session Initiation Protocol(SIP)［S］.［s.l.］:IETF，2002.

［6］DONOVAN S，ROSENBERG J.RFC4028 －2005，Session Timers in the Session Initiation Protocol(SIP)［S］.［s.l.］:IETF，2005.

［7］马睿，朱建冲，杨美玲.基于抗毁性的军事通信网可靠性和节点重要性分析［J］.兵工自动化，2012，31(10):44－47.MA Rui，ZHU Jian － chong，YANG Meiling.Analysis on Reliability and Nodal Importance of Military Communication Network based on Invulnerability［J］.Ordnance Industry Automation，2012，31(10):44 －47.