基于Ｃｈｏｒｄ算法Ｐ２Ｐ－ＳＩＰ系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

摘要：針對SIP服務(wù)在部署中出現(xiàn)的“單點失效”、“性能瓶頸”以及P2P的標準化與互聯(lián)互通、NAT穿越、安全與授權(quán)和用戶移動性等問題，提出了基于P2P技術(shù)的SIP服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。給出了實現(xiàn)方案，重點分析了P2P－SIP網(wǎng)絡(luò)處理注冊和呼叫的流程。

關(guān)鍵詞：SIP；P2P；Chord算法；P2P－SIP Node

引言

SIP(session Initiation Protoc01)是一個類似于HTTP和SMTP的基于文本的信令協(xié)議，主要被用來開發(fā)和實現(xiàn)VoIP、語音，視頻會議、文本聊天、即時消息、交互游戲等業(yè)務(wù)的系統(tǒng)和終端。SIP服務(wù)器在運行的過程中也存在一些不足，最典型的是“單點失效”和“性能瓶頸”問題。

P2P(peer-to-peer)是一種基于對等的計算模型和基于對等的應(yīng)用層重疊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。純P2P模式的應(yīng)用系統(tǒng)只存在對等的客戶端。P2P充分利用了客戶端的內(nèi)容、計算、帶寬等資源，其擴展性極強。但也存在一些缺陷：標準化與互聯(lián)互通問題、NAT穿越問題、安全和授權(quán)問題和用戶移動性問題。

P2P和SIP在某些方面的功能是互補的，本項目用P2P(Point to Point，點對點)機制解決了上述SIP的兩個問題。本文把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為超級和普通兩種。超級節(jié)點通過P2P機制互聯(lián)，為普通節(jié)點提供注冊服務(wù)。當超級節(jié)點失效時，它所管理的普通節(jié)點會注冊到其他超級節(jié)點上，避免了“單點失效”。當網(wǎng)絡(luò)處理能力不夠時，部分普通節(jié)點會轉(zhuǎn)換成超級節(jié)點以增大網(wǎng)絡(luò)容量，打破了“性能瓶頸”。

1 基于SlP的P2P的Chord算法

Chord是結(jié)構(gòu)化的oveday。所謂overlay，是指P2P系統(tǒng)在物理連接的基礎(chǔ)上構(gòu)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)。而結(jié)構(gòu)化的overlay，是指在overlay中，特定的資源由特定的節(jié)點管理；對資源的查詢，就是根據(jù)某種路由規(guī)則，找到管理該資源的特定節(jié)點。Chord使用SHA-1哈希算法，哈希值為m個比特。2m個可能值分布在圓周上，稱做Chord環(huán)，如圖1所示。

圖1中N表示節(jié)點，N后的數(shù)字是該節(jié)點的哈希值，一般通過哈希節(jié)點的IP地址得到。K表示資源，K后的數(shù)字是該資源的哈希值。Chord用在SIP中時，K應(yīng)該是SIP URI，例如sip：baogxm@163.com。在Chord中，每個節(jié)點都負責管理一段哈?？諉枴槙r針方向上之前一個節(jié)點到自己的范圍，哈希值落在該空間中的資源K的信息由本節(jié)點保存。例如節(jié)點N32就負責管理資源K24和K30的信息(圖1中指向N32的實線箭頭所示)。

比如節(jié)點N8要詢問資源K30的信息時，N8首先要找到負責管理K30的節(jié)點N32。最簡單的做法是N8詢問順時針方向緊隨其后的節(jié)點，叫做N8的后繼節(jié)點(successor)，即N14。如果N14不負責K30，則N14詢問自己的successor，即N21。該操作反復進行，直至找到負責K30的節(jié)點N32為止。

2 基于Chord算法的P2P－SIP體系結(jié)構(gòu)

在IETF的設(shè)計中，每個SIP節(jié)點同時也是P2P節(jié)點。節(jié)點間地位平等。這種設(shè)計要求對現(xiàn)有SIP設(shè)備做重大改動，而且無法將SIP服務(wù)作商業(yè)化運營。本項目的設(shè)計充分考慮到SIP服務(wù)的商業(yè)化和電信級運營要求，在不改動現(xiàn)有終端設(shè)備的情況下，只對現(xiàn)有SIP服務(wù)器的軟件做很小改動。(為區(qū)別于傳統(tǒng)的SIP服務(wù)器，把P2P化的SIP服務(wù)器叫做P2P-SIP Node，簡稱PN。)其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，原來管理一個域的單臺服務(wù)器變成多臺PN，PN之間通過P2P機制互聯(lián)，彼此分擔負載。PN可以承擔原來服務(wù)中壓力最大的部分，比如注冊、代理和計費。用戶連接到任一PN，都可以有效使用服務(wù)。部分PN下線或故障不會影響到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的正常運行。要擴大P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的容量，只需加入新的PN。PN在地理上分散到各處，邏輯上可以是環(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)。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(shè)計選用Chord協(xié)議)互聯(lián)各個PN的P2P層并維持它們之間的聯(lián)系。P2P層提供給SIP層的應(yīng)用程序編程接口(API)只有函數(shù)find_responsible_pn(user)(該函數(shù)返回負責管理該user的PN的IP地址和端口)?；镜腜N至少包括注冊和代理兩種功能。由于P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)的，所以負責管理某個用戶的PN在不同時段可能是不同的。為進行商業(yè)運營，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和所有的PN。其他的服務(wù)(比如語音和視頻會議、語音郵箱、PSTN落地(即呼叫座機和手機)、自動和人工語音應(yīng)答等)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)。

3 P2P-SlP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

3．1 PN的工作機理

在PN的配置文件中設(shè)有一個配置項，其值是“IP地址：端口”或“域名：端口”的形式。若存在多個值時，以空格分開。其值也可以為空(表示本PN是P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點)。值格式錯誤時，忽略該值。

PN啟動時，如果發(fā)現(xiàn)配置項的值為空，PN的Chord層就新建一個Chord環(huán)。如果配置項存在一個或多個值，Chord層就依次向這些值發(fā)送請求直至收到成功應(yīng)答。如果最終沒有收到成功應(yīng)答，就提示錯誤或者新建一個Chord環(huán)。PN進入P2P－SIP網(wǎng)絡(luò)后，即PN的Chord層加入到Chord環(huán)中，需要從其successor處拷貝一份用戶注冊信息。

PN正常退出P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)時，需要將自己管理的用戶注冊信息發(fā)給自己的successor。非正常退出時，P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)會暫時丟失部分用戶的注冊信息。為保證注冊過的用戶始終可達，可以讓PN周期性地將它管理的用戶注冊信息通告自己的successor，甚至successor的successor。

P2P-S1P網(wǎng)絡(luò)的維護是PN的Chord層來做的。每個PN的Chord層都周期性地更新自己的successor．predecessor和finger表，從而及時地了解網(wǎng)絡(luò)的變化。

3．2請求處理過程

按照RFC3261的規(guī)定，SIP服務(wù)器(主要指代理服務(wù)器)處理請求時與請求的方法無關(guān)。下面我們通過詳細描述用戶的注冊和呼叫過程，來說明P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中PN處理請求的實現(xiàn)方法。

3．2．1用戶注冊過程

對用戶而言，注冊到P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的過程和注冊到SIP網(wǎng)絡(luò)的過程是相同的。只是在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中，PN收到注冊請求時，并不立即記錄該條注冊信息，而是先調(diào)用函數(shù)find_responsible_pn(user)。如果返回的地址是PN自己，這才記錄下用戶注冊信息；如果返回的地址是其他PN，則PN會把注冊請求轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的PN。最終，注冊請求會被轉(zhuǎn)發(fā)到負責處理它的PN處，處理后產(chǎn)生的應(yīng)答按原路返回。其步驟如下：

(1)終端發(fā)注冊請求

IP地址為210．41．35．199的SIP終端準備好REGISTER請求，發(fā)給P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中任一PN(假設(shè)Key為69的PN。)。如圖3中M1所示。SIP終端可以通過多種方式獲得PN的IP地址和端口。比如用戶手動指定，或者使用終端默認的PN，或者使用終端上次進入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)時更新的PN列表。

(2)PN轉(zhuǎn)發(fā)請求

Key值為69的PN收到REGISTER請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI——表示注冊的信息屬于哪個用戶，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值應(yīng)該是“IP地址：端口”字符串。將返回值同本機“IP地址：端口”作比較，如果相同，則本機負責處理該請求，之后的處理流程遵循SIP標準；如果不同，就轉(zhuǎn)發(fā)REGISTER請求到該“IP地址：端口”。 在本例中，SIP URI對應(yīng)的哈希值假定是17，PN的Chord層會查找到負責處理該請求的PN Key值是32，find_responsible_pn(user)返回該PN的“ip地址：端口”——210．41．35．200：5060。PN的SIP層判斷該值發(fā)現(xiàn)不是自己，就將注冊請求轉(zhuǎn)發(fā)到該“ip地址：端口”，如圖3中M2所示。

(3)PN接受注冊，返回應(yīng)答

Key值為32的PN收到REGISTER請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值是210.41.35.200:5060，比較后發(fā)現(xiàn)是自己，說明自己負責管理該用戶，負責處理該用戶的注冊請求。之后的處理流程遵循SIP標準。假定注冊成功，PN返回200 OK應(yīng)答。如圖3中M3所示。應(yīng)答的返回遵循SIP標準，根據(jù)Via頭域按原路返回，不需要查找路徑，不會使用Chord層的操作。

(4)SIP終端收到應(yīng)答，完成注冊

Key值為69的PN收到來自210.41.35.200:5060的應(yīng)答，按照SIP標準處理，把應(yīng)答發(fā)給192.168.13.63:5060。如圖3中M4所示。SIP終端收到200 OK應(yīng)答，完成注冊。

3．2．2用戶呼叫過程

在p2P-SIpt網(wǎng)絡(luò)中，PN收到INVITE請求，進行必要處理后，取出請求中To頭域里的SIP URI(表示呼叫哪個用戶)，調(diào)用find_responsible_pn(user)。如果返回值是PN自己，說明PN負責管理To頭域所標識的用戶，PN具有該用戶的注冊信息，之后的處理按SIP標準流程；如果不是，則PN將INVITE請求轉(zhuǎn)發(fā)給find_responsible_pn(user)返回的“IP地址：端口”。具體的呼叫過程如圖4所示。

(1)IP發(fā)起呼叫

IP地址為210.41.35.199的用戶要呼叫用戶。userA可以把請求發(fā)給P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)中任一PN。考慮到要在P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)上提供增值業(yè)務(wù)(比如計費)，userA把INVITE請求發(fā)給管理它的PN更合適一點。在本例中是IP為210.41.35.195，Key值為0的PN。如圖4中M1所示。

(2)PN轉(zhuǎn)發(fā)請求到PN

Key值為0的PN收到INVITE請求后，取得請求中To頭域里的SIP URI，調(diào)用find_responsible_pn(user)。返回值是210.41.35.200:5060。比較后發(fā)現(xiàn)不是自己，將請求轉(zhuǎn)發(fā)給210.41.35.200:5060。如圖4中M2所示。

(3)PN轉(zhuǎn)發(fā)請求到被叫

IP地址為210.41.35.200的PN收到該請求，進行相同的處理。發(fā)現(xiàn)返回值是自己，說明PN管理該用戶，擁有該用戶的注冊請求。之后的處理流程遵循SIP標準，即在本地取得用戶userB的當前地址，然后轉(zhuǎn)發(fā)請求到該地址。如圖4中M3所示。

(4)被叫接受呼叫，返回應(yīng)答

用戶userB所在的SIP終端收到該請求，按照SIP標準進行處理。假定userB接受呼叫請求，則返回200 OK應(yīng)答。如圖4中M4所示。

(5)應(yīng)答沿原路返回

應(yīng)答的返回遵循SIP標準，根據(jù)Via頭域按原路返回，不需要查找路徑，不會使用Chord層的操作。如圖4中M5、M6所示。

(6)主叫收到應(yīng)答，發(fā)出確認，建立呼叫

用戶userA所在的SIP終端收到200 OK應(yīng)答，用ACK請求進行確認。ACK請求不經(jīng)過P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)，直接發(fā)給用戶userB所在的SIP終端。如圖4中M7所示。用戶userB所在的SIP終端收到ACK確認請求，呼叫建立。結(jié)束通話時，userB和userA直接交換SIP信令，不經(jīng)過P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

本文通過對原有的SIP軟交換平臺的改造，在PN上實現(xiàn)了注冊、呼叫和計費功能；同時也提供了具有語音郵箱和自動應(yīng)答功能的單臺媒體服務(wù)器接入P2P-SIP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù)。