3G网络中的SIP和IPv6协议

韩国舞族

  SIP协议和Ipv6协议由于其优越性，在3G网络中起着非常重要的作用，本文阐述了SIP协议和Ipv6协议在3G网络中的扩展以及两者的结合。
Abstract:  Sip and Ipv6 protocol play a very important role in 3G network due to their advantages. In this paper, extensions of SIP and Ipv6 in 3G network are deeply analyzed. Combination of SIP and Ipv6 protocol is also discussed.
Key  words:  3G Network, SIP,  IP Multimedia System(IMS),  Ipv6 Protocol, Session Description Protocol (SDP)

1、     SIP协议简介
SIP消息有两种：客户机到服务器的请求（Request），服务器到客户机的响应（Response）。

SIP消息由一个起始行（start—line）、一个或多个字段（field）组成的消息头、一个标志消息头结束的空行（CRLF）以及作为可选项的消息体（message body）组成，其中描述消息体（message body）的头称为实体头（entity header）。

启始行分请求行（Request-Line）和状态行（Status-Line）两种，其中请求行是请求消息的启始行，状态行是响应消息的启始行。

消息头分通用头（general-header），请求头（request-header），响应头（response-header）和实体头（entity-header）四种。

由于SIP的增强方法很灵活，使其可以较容易地实施。当3GPP在Release 5中设计IMS时，决定用SIP作为会话控制协议。公用移动网有特定的需求，如低带宽、漫游、安全需求、QoS和计费管制问题。这些对信令协议都会有特定要求。

为满足这些需求，3GPP在TS24.229中定义了使用SIP和SDP的概要。概要中包括了IMS使用到的IETF规范，也指出了在3GPP系统中SIP信令和其他协议的交互。这意味3GPP没有定义一个新的SIP（有时候说成3GPP SIP），只是3GPP以某种方式使用IETF定义的SIP。

然而，3GPP有时需要特定的SIP协议增强。为此3GPP通常提交一个需求文件给IETF，如3GPP R5 SIP需求就在draft-ietf-sipping-3gpp-r5-requirements-00文件中描述。然后IETF提供一个合适的协议解决方案。

IETF和3GPP的标准合作在RFC3113中有描述，在后面的IMS[1][2]GPP定义了它自己的网络实体的一些行为，这些行为并不遵循SIP原则：像大多IETF协议一样，SIP假设终端可完成大部分智能，如中间的网络实体仅有有限的权利去修改消息。所以从IETF得到了意见后，3GPP花了主要精力修改了相应的规范。当R5 完成时，IMS使用SIP时会和IETF运用的SIP协调一致起来。

在SIP模型中，为建立起一个会话，用户代理客户端向用户代理服务器发起请求。请求通过代理服务器在网络中路由。另外，注册服务器，提供用户代理的位置信息因为需要将SIP地址映射成IP地址。

3GPP的IMS体系结构选择了这个模型，描述参见TS 23.002和TS 23.228。在IMS中的用户代理为用户设备（UE，即手机）。IMS中的代理服务器和注册服务器是指名为呼叫会话控制功能（CSCF）的网络实体。有三种类型的CSCF：

l         服务CSCF（S-CSCF），作为注册服务器并且激活基于用户数据的应用业务控制；

l         代理CSCF（P-CSCF），是UE在IMS网络中的第一个接触点；SIP信令消息在P-CSCF和UE之间传送；

l         查询CSCF（I-CSCF）对于外部网络是第一个接触点，特别是对于外部的IMS网络。

IMS使用“归属控制”，即，会话控制信令总是由位于归属网络的S-CSCF负责（这与目前的GSM网络不同，GSM网络是由拜访地的MSC提供业务）。P-CSCF总是和GGSN在同一个网络中，可能在归属网络，也可能在拜访网络）。

2、IMS中的SIP扩展
3GPP在IMS中既不定义新的SIP消息也不定义私有的SIP包头，而是使用在RFC 3261 中定义的SIP，并且为某些SIP扩展的支持。最重要的扩展如下所示（它们在IETF RFCs中都有定义）。

（1）压缩

因为无线接口是稀有资源，IMS会话必须有效使用带宽，因此，对媒体流和信令消息进行压缩很必要。在IMS中，对SIP信令的压缩（SigComp）是必须支持的。UE和P-CSCF完成SIP消息的压缩和解压缩。

SIP压缩使用UDVM机制，UDVM（Universal Decompression Virtual Machine）机制类似于Java虚拟机，压缩器将字节上载到远端UDVM，UDVM执行字节码中的解压程序。UDVM允许SigComp支持多种压缩算法。典型的字节码大小为100~400字节。UDVM需要保存状态，以使SigComp消息日后可使用此数据，并且还需要有一定的安全机制。

SIP压缩还定义了以下新的参数：

compression-param="comp="("sigcomp"/other-compression)

other-compression=token

via-compression="comp"EQUAL("sigcomp"/other-compression)

other-compression=token

（2）安全

在IMS中使用AKA完成对用户的鉴权。AKA是3GPP的特定鉴权机制，它基于存储在ISIM和网络中的共享密钥。AKA参数会映射给SIP使用的HTTP-Digest验证。而且，IMS需要对经过空中接口从UE传来的消息进行完整性检查。因此，UE和P-CSCF需支持IP安全协议（IPSec）规定的完整性保护，不过IPSec加密目前在IMS中不需要使用。

（3）从指定的CSCF路由

IMS提供业务是由归属网络运营商控制的，即使对于漫游用户也一样。SIP完成此需求必须要有业务路由发现、路径头机制和松散路由功能。

（4）私有包头

IMS需要在UE和CSCF之间或CSCF和CSCF之间，将一些移动网特定信息在消息中传输。比如Cell-ID，拜访网络名称或计费标识，这些信息在私有包头中传送。

（5）Precondition

IMS重视UE资源管理，实现的解决方案是基于SDP提供/回答机制以及相关SIP和SDP Precondition扩展。Precondition扩展的使用导致了特定的SIP呼叫流程，IMS通过使用位于GGSN和P-CSCF之间Go接口，完成对媒体资源的策略控制。

（6）网络发起的呼叫释放

在移动网中，有时需要网络释放一个正在进行的呼叫。如无线覆盖的缺乏，预付费帐户空或者管理原因等。从网络侧送出一个BYE请求给UE就可以解决这个问题。虽然这不符合SIP原则，那就是代理服务器不允许发BYE消息。但是，由于缺乏更好的解决方法，IETF接受了3GPP的需求和此解决方案。

(7) SIP时钟

针对移动网无线接口的特点，3GPP对SIP的定时器的取值进行了调整。例如RFC3261中对T1（RTT）定时器缺省设置为500ms，而在移动网络中对于涉及到无线接口的部分，如CSCF到UE以及UE的处理上则将T1的缺省值设置为2s；而对于核心网中不涉及无线接口处理的各功能实体之间还保留其缺省值为500ms。对于T2，T4定时器的取值，也存在同样的处理。在网络功能实体之间缺省值仍然分别为4s和5s，而在CSCF到UE以及UE的处理上则分别取值为16s和17s。

(8)头部及类型扩展

对SIP的一些头部进行了参数扩展，如对WWW-authenticate头部进行了参数扩展，定义了一个新的auth-param 参数字段，用在对REGISTER请求的401（Unauthorized）响应中，此字段又包括integrity-key和cipher-key两个具体参数等等。

对SIP协议中的消息体MIME类型增加了“application/3gpp-ims+xml”类型，即3GPP IM CN subsystem XML body, version 1，同时约定了此类型内容不允许发送到3GPP的网络以外。

3、Ipv6及其改进
基于IPv6的移动IP技术有着IPv4不可取代的优势，在第三代移动通信中，已经提出全IP解决方案，3GPP同IETF合作制定的IPv6相关的移动通信国际标准也正在加速形成中。3GPP最早提出采用IPv6的3G版本是97发布版。这个版本主要是在用户层面采用了IPv6的PDP，在传输层面以IPv6作为可选项；到了99发布版中，开始采用终端的PPPv6支持、IPv6地址分配机制及IPv6报头压缩等标准；在第四发布版中采用新的IPv6报头压缩标准；直到最新的第五发布版中，开始规定在多媒体核心子网中必须采用IPv6。

3GPP2在IMS中，也把IPv6作为可选协议，并在2005年预计完成标准Revision D of “CDMA2000 Wireless IP Network Standard (TIA835)”。

在3G网络中，由于其配置简单，有时不需要邻居发现协议[3][4][5]，因为缺省路由通过路由发现早已得到。关于无状态地址自动配置，在3G网络中不需要进行重复地址检测。同样因为3G网络的特殊性，MLD（多播侦听发现协议）链路本地地址的报告有时也不是必须的。

4、SIP与Ipv6的结合
SIP是IETF提出的在IP网络上进行多媒体通信的应用层控制协议，可用于建立、修改、终结多媒体会话和呼叫。SIP协议采用基于文本格式的客户——服务器方式，以文本的形式表示消息的语法、语义和编码，客户机发起请求，服务器进行响应。SIP独立于低层协议——TCP或UDP，而采用自己的应用层可靠性机制来保证消息的可靠传送。有关SIP协议的详细内容可参见IETF RFC3372,该规范已经定义了对IPv6的支持。SIP与IPv6的结合一方面消除了NAT转换带来的效率低下问题，另一方面也提高了安全性。SIP与IPv6的结合,将为下一代网络的融合奠定基础。

RFC3266给出了兼容IPv6的SDP，具体如下：

uri=                 ; 定义在RFC1630和RFC2732

multicast-address =   IP4多播/IP6多播

IP4-multicast =       m13*("."decimal-uchar)"/"ttl["/"整数]

                      ；IPv4多播地址范围224.0.0.0到239.255.255.255

m1 =                  ("22" ("4"/"5"/"6"/"7"/"8"/"9"))/("23" DIGIT ))

IP6-multicast=       以FF开始的IPv6十六进制地址

addr =                FQDN/单播地址

FQDN =                4*(alpha-numeric/"-"/".")，见RFC1035

unicast-address =     IP4地址/IP6地址

IP4-address =         b1 3*("."decimal-uchar)/"0.0.0.0"

b1 =                  decimal-uchar，小于224，不能为0和127

IP6-address =         十六进制[":"IP4地址]（见RFC2373）

hexpart =             hexseq/hexseq"::"[hexseq]/"::"[hexseq]

hexseq  =             hex4*(":"hex4)

hex4    =             1*4HEXDIG


参 考 文 献

[1] 3GPP2,S.R0037, IP Network Architecture Model for cdma2000 Spread Spectrum Systems, 2002

[2] 3GPP2,X.S0013.000, IP Multimedia Subsystem – Overview, 2002

[3]IPv6 DNS Server Discovery by DHCPv6, http://www.kame.net/newsletter/20030411/,2003

[4] J.Arkko etc, RFC 3316, Internet Protocol Version 6(Ipv6) for Some Second and Third Generation Cellular Hosts, April 2003

[5] IPv6 and DNS, http://6net.iif.hu/docs/ipv6_dns_intro.sxi.pdf,2003