SIP視頻會(huì)議中服務(wù)器的研究與改進(jìn)

何 嬌，陳盛云

(昆明理工大學(xué)信息工程及自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

目前，國內(nèi)外視頻會(huì)議系統(tǒng)按控制信令可分為兩種:基于H.323協(xié)議視頻會(huì)議系統(tǒng)和基于SIP的視頻會(huì)議系統(tǒng)。簡單靈活的SIP協(xié)議不僅能夠?qū)崿F(xiàn)H.323的相關(guān)功能，而且由于其擴(kuò)展性強(qiáng)、定位用戶、支持用戶移動(dòng)性、會(huì)話建立的時(shí)延較短等，受到越來越多的開發(fā)者和用戶的關(guān)注。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)固網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)以及有線電視網(wǎng)的融合［1－2］，同時(shí)終端朝著智能化的方向發(fā)展，使得SIP已經(jīng)被廣泛地使用和支持，SIP也將逐漸取代H.323，成為下一代網(wǎng)絡(luò)首選的信令控制協(xié)議。

在基于SIP視頻會(huì)議中，SIP服務(wù)器［3－4］起著至關(guān)重要的作用。隨著視頻會(huì)議應(yīng)用的增加、視頻規(guī)模的擴(kuò)大，SIP服務(wù)器負(fù)載在不斷增加。SIP服務(wù)器的處理能力以及其穩(wěn)定性、處理效率對視頻會(huì)議的質(zhì)量和會(huì)議的規(guī)模有著制約作用。因此，研究視頻會(huì)議服務(wù)器，提高其穩(wěn)定性、工作處理效率等對視頻會(huì)議的研究和發(fā)展有著重要的意義。

1 SIP協(xié)議

1.1 SIP 協(xié)議背景

SIP協(xié)議是分組網(wǎng)絡(luò)中用來處理語音和視頻通信的會(huì)話控制信令，SIP用于發(fā)起、修改和終止一個(gè)或多個(gè)參與者之間的多媒體會(huì)話，如IP網(wǎng)絡(luò)電話、視頻會(huì)議等的會(huì)話。IETF工作組在1999年9月推出了基于IP網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話初始信令協(xié)議SIP(Session Initiation Protocol)的第一個(gè)版本 RFC2543［3］;2002年IETF發(fā)布了第二個(gè)版本RFC3261［4］;隨后IETF推出了多個(gè)關(guān)于SIP的RFC文檔，2006年2月推出的RFC4353［5］，其中給出一個(gè)集中式SIP會(huì)議系統(tǒng)原始框架。

1.2 SIP 消息

文獻(xiàn)［4］中描述了SIP消息是基于文本的協(xié)議，采用UTF8進(jìn)行編碼。RFC3261定義的SIP消息的格式如下:

SIP消息=起始行(start－line)+消息頭部(一個(gè)或者多個(gè)頭部(header field))+CRLF(空行)+［消息體］(message body)

起始行=請求行/響應(yīng)行

1)請求行:請求行中規(guī)定了6種方法(Method)(見表1)。

表1 SIP請求消息表

2)狀態(tài)行:SIP 2.0版本中定義了6類響應(yīng)消息，見表2。

表2 SIP響應(yīng)消息表

文獻(xiàn)［4］中介紹了SIP協(xié)議主要有以上6類請求/響應(yīng)消息，除此之外根據(jù)實(shí)際的需要可以進(jìn)行擴(kuò)展和修改，如IETF工作組在RFC3265文檔中對SIP消息進(jìn)行了擴(kuò)展，增加了如下消息:訂閱/通知(SUBSCRIBE/NOTIFY)，此外在RFC2976中增加了信息(INFO)消息，這在視頻會(huì)議中有著重要作用。

1.3 SIP 協(xié)議實(shí)體

SIP協(xié)議實(shí)體［2］可分為:SIP客戶端和SIP服務(wù)器。文獻(xiàn)［6］中對呼叫流程作了分析和說明，其SIP呼叫過程如圖1所示。

圖1 SIP呼叫流程圖

1)SIP客戶端是用于和用戶交互的SIP實(shí)體，它包括一個(gè)用戶代理客戶端和一個(gè)用戶代理服務(wù)器，主要完成發(fā)起呼叫和應(yīng)答呼叫。

2)SIP服務(wù)器主要由3部分構(gòu)成:SIP代理服務(wù)器PS(SIP Proxy Server)、注冊服務(wù)器ReS(SIP Register Server)和重定向服務(wù)器RS(Redirect Server)等。此外根據(jù)需要可增加位置服務(wù)器。

(1)SIP PS，它為部分客戶端“產(chǎn)生”請求報(bào)文，負(fù)責(zé)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)?？稍赟IP PS上部署一些特定的本地策略，如通過代理服務(wù)器完成用戶授權(quán)認(rèn)證、計(jì)費(fèi)等。

(2)SIP ReS，其只接收REGISTER請求報(bào)文，完成用戶相關(guān)信息的注冊。

(3)RS，接收SIP的請求消息，將被叫用戶的SIP地址映射成0個(gè)地址或者多個(gè)地址，并且將結(jié)果返回給客戶端。

2 視頻會(huì)議框架

2.1 SIP視頻會(huì)議系統(tǒng)模型

SIP視頻會(huì)議系統(tǒng)有兩種模型:緊耦合和松散耦合:在緊耦合會(huì)議中使用一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)來對信令進(jìn)行集中控制，而松散耦合會(huì)議中沒有集中的SIP信令服務(wù)器。圖2所示為緊耦合模式，包括集中混合模式、系統(tǒng)混合模式和信令集中、媒體流分布模式。圖2中 A，B，C，D，E為終端，實(shí)線為SIP流，虛線為媒體流。

圖2 信令集中、媒體流分布模式

在圖2中，由一個(gè)SIP信令控制器來集中控制和管理會(huì)議中的所有用戶，并維護(hù)所有終端用戶間的信令交互與連接。媒體流則由與會(huì)終端各自分別進(jìn)行處理。該模式利于會(huì)議的集中控制與管理，但在與會(huì)者數(shù)量增加、并發(fā)請求數(shù)量變大的情況下，信令控制器會(huì)成為整個(gè)會(huì)議系統(tǒng)的瓶頸，限制會(huì)議的規(guī)模。

2.2 SIP視頻會(huì)議服務(wù)器

采用集中控制式，其視頻會(huì)議服務(wù)器框架結(jié)構(gòu)［4，6］如圖3所示。該框架主要包括Participant(與會(huì)者)、Focus(會(huì)議控制中心)、Mixer(媒體混合服務(wù)器)、CNS(Conference Notification Server，會(huì)議通知服務(wù)器)等功能模塊。其中，F(xiàn)ocus主要控制會(huì)議的建立或退出、與會(huì)者加入或退出等，即對應(yīng)SIP信令控制服務(wù)器的功能，集中處理會(huì)議中多個(gè)終端之間的信令交互，負(fù)責(zé)維護(hù)SIP會(huì)議終端間的SIP信令連接。Mixer媒體服務(wù)器，主要完成媒體混合與分發(fā)。Focus，CNS和Mixer構(gòu)成會(huì)議服務(wù)器，完成視頻會(huì)議的核心功能。文獻(xiàn)［6－7］中給出了該模型中部分模塊的功能的介紹。

圖3 視頻會(huì)議服務(wù)器框架

3 SIP會(huì)議服務(wù)器的改進(jìn)

3.1 會(huì)議服務(wù)器的框架結(jié)構(gòu)

圖3中隨著用戶數(shù)量、會(huì)議規(guī)模的擴(kuò)大、與會(huì)者并發(fā)請求的增加，F(xiàn)ocus將成為整個(gè)視頻會(huì)議系統(tǒng)的瓶頸，制約著視頻會(huì)議的規(guī)模與質(zhì)量。因此，對此框架進(jìn)行了改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，在此圖中SIP服務(wù)器1、SIP服務(wù)器2至可擴(kuò)展SIP服務(wù)器N，均處于可互連的IP網(wǎng)絡(luò)中，且與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連。用戶1和用戶2等用戶與SIP服務(wù)器1交互，用戶5和其余用戶與SIP服務(wù)器2交互，媒體服務(wù)器互通。SIP服務(wù)器可以選擇配置較高的用戶終端PC來搭建，這樣可以充分利用客戶端PC的處理能力，即構(gòu)建“云計(jì)算”服務(wù)集群，來完成SIP服務(wù)器的功能，降低服務(wù)器的負(fù)載，增大視頻會(huì)議的規(guī)模。

圖4 視頻會(huì)議服務(wù)器

3.2 SIP服務(wù)器的負(fù)載均衡

在圖4中存在多個(gè)用戶和SIP服務(wù)器，針對SIP服務(wù)器加以該進(jìn)，采用負(fù)載均衡［8］的方法來提高系統(tǒng)的可靠性和動(dòng)態(tài)自適應(yīng)能力，擴(kuò)大視頻會(huì)議的規(guī)模。其方法如下:在數(shù)據(jù)庫中建立和維護(hù)SIP服務(wù)器的實(shí)時(shí)服務(wù)狀態(tài)表(見表3)，該表記錄SIP服務(wù)器的地址、工作狀態(tài)、負(fù)載率等，SIP服務(wù)器周期性地向數(shù)據(jù)庫提交其信息。用戶信息記錄見表4。比如:用戶(10001)向SIP服務(wù)器(192.168.0.10)發(fā)起呼叫請求時(shí)，服務(wù)器1狀態(tài)為1，表示繁忙，負(fù)載較高大于70%，則查詢數(shù)據(jù)庫并向用戶1返回較閑的服務(wù)器地址(192.168.0.11)，用戶根據(jù)返回地址發(fā)起呼叫，即將該信令消息重定向到其他較閑的SIP服務(wù)器上進(jìn)行處理。服務(wù)器192.168.0.11 修改用戶信息(見表4)，將用戶(10001)歸屬到 192.168.0.11，即修改服務(wù)器 IP，SIP服務(wù)器192.168.0.10 在線用戶數(shù)量減1。

表3 服務(wù)器狀態(tài)表

表4 用戶信息表

3.3 SIP服務(wù)器的SIP消息分發(fā)

在SIP服務(wù)器中增加消息分發(fā)處理機(jī)制［9］，負(fù)責(zé)SIP消息的分類處理和分發(fā)，提高SIP服務(wù)器的處理效率，解決大量請求時(shí)的擁塞問題。具體做法如下:1)定義消息分發(fā)規(guī)則，根據(jù)用戶的級(jí)別設(shè)置優(yōu)先級(jí)，級(jí)別越高優(yōu)先級(jí)越高;2)根據(jù)用戶所屬服務(wù)器的不同，分別分發(fā)到各自服務(wù)器進(jìn)行處理;3)將消息分為不同類型分別由不同服務(wù)器處理，如查詢類消息由SIP服務(wù)器1處理，會(huì)議成員周期更新消息由SIP服務(wù)器2處理;4)其余未分類消息由接到消息的服務(wù)器自身處理。這樣可以根據(jù)實(shí)際的擴(kuò)展和需要對消息進(jìn)行分類，定義合適的分發(fā)機(jī)制，減輕服務(wù)器要處理大量請求的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)系統(tǒng)服務(wù)器處理消息的效率。

4 結(jié)束語

本文通過對SIP協(xié)議、SIP服務(wù)器、SIP視頻會(huì)議體系結(jié)構(gòu)的分析和研究，對會(huì)議服務(wù)器框架進(jìn)行了改進(jìn)。此外，對SIP服務(wù)器進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)并采用負(fù)載均衡方法和消息分發(fā)、優(yōu)先處理機(jī)制等，提高了系統(tǒng)的會(huì)議規(guī)模，增強(qiáng)了SIP消息的處理效率和系統(tǒng)的并發(fā)處理能力，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在下一步工作中，將對服務(wù)器作進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，提高系統(tǒng)的安全性，對媒體服務(wù)器進(jìn)行研究，以提高音視頻的處理效率和音視頻質(zhì)量，最后提高系統(tǒng)的性能。

［1］仲元昌，林永，蔡增增，等.視頻會(huì)議系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究［J］.電視技術(shù)，2010，34(6):93－96.

［2］楊高波，韓龍.視頻會(huì)議系統(tǒng)綜述［J］.電視技術(shù)，2004，28(9):60－63.

［3］RFC2543，SIP:Session Initiation Protocol［S］.1999.

［4］RFC3261，SIP:Session Initiation Protocol［S］.2002.

［5］RFC4353，A framework for conference with the session initiation protocol(SIP)［S］.2006.

［6］蘇云濤.基于SIP的視頻會(huì)議系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2008.

［7］郭敦望.SIP視頻會(huì)議服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.

［8］華中科技大學(xué).基于分布式SIP構(gòu)架的動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡的方法:中國，201110171741.2［P］.2011－09－28.

［9］烽火通信科技股份有限公司.會(huì)話初始化協(xié)議消息分發(fā)系統(tǒng)、裝置和方法:中國，201110171741.2［P］.2011－09－28.