軟交換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中SIP協(xié)議分析軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

涂繼輝，佘新平，陳永軍

（長江大學(xué) 電信學(xué)院，湖北 荊州 434023）

軟交換是基于分組網(wǎng)利用程控軟件提供呼叫控制功能和媒體處理相分離的設(shè)備和系統(tǒng)，它將呼叫控制功能從媒體網(wǎng)關(guān)中分離出來，通過軟件實(shí)現(xiàn)基本呼叫控制功能，從而實(shí)現(xiàn)呼叫傳輸與呼叫控制的分離，為控制、交換和軟件可編程功能建立分離的平面。會(huì)話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol，SIP）作為軟交換的核心協(xié)議之一，具有協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、支持多媒體業(yè)務(wù)的開展、符合互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，它主要用來建立、修改和終止多媒體會(huì)話［1－2］。隨著軟交換技術(shù)的日益發(fā)展，許多高校的現(xiàn)代交換原理課程中都引入了軟交換理論的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)［3－4］。因此，在軟交換實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)一套SIP協(xié)議的可視化分析軟件配合理論教學(xué)，使學(xué)生深入理解和掌握SIP工作原理勢(shì)在必行。

目前用于教學(xué)的SIP協(xié)議分析工具主要有兩種類型：一種是只能抓取SIP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并分析數(shù)據(jù)包的格式和內(nèi)容，比如Ethereal，這類工具很難讓學(xué)生直觀了解到整個(gè)信令的工作流程；另外一種是不但可以分析出SIP數(shù)據(jù)包的格式和內(nèi)容，還可以畫出整體工作流程圖，比如hammer和文獻(xiàn)［5］中提出的工具，但是這些僅僅給出了SIP信令的流程，沒有給出RTP的通信流程，因此，無法完整觀察到語音通信流程。本文總結(jié)了前面提到的SIP協(xié)議分析軟件的弊端，提出了一種新的SIP協(xié)議分析軟件，該軟件不僅能分析出SIP協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式，而且可以畫出一次通話過程中SIP和RTP的流程圖，這為學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)和研究SIP協(xié)議通信流程具有重要的實(shí)際價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 軟交換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

軟交換實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為“現(xiàn)代交換原理”課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，用來讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和了解軟交換中的呼叫信令流程、媒體流程、增值業(yè)務(wù)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由軟交換服務(wù)器、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)和VOIP電話等組成，包含了呼叫控制、管理、計(jì)費(fèi)、NAT穿越和各種增值業(yè)務(wù)等功能。整個(gè)軟交換通過Web頁面進(jìn)行配置和管理，操作起來簡(jiǎn)單、方便。

圖1 軟交換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)圖

為了讓學(xué)生更加直觀地理解軟交換中的呼叫信令流程和媒體流程，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上需要一個(gè)用于監(jiān)聽和顯示SIP信令及媒體流的協(xié)議分析工具，該工具能對(duì)信令的數(shù)據(jù)包解析、保存、過濾和顯示，并且能夠自動(dòng)的繪制出通信的流程圖。本文設(shè)計(jì)的軟件是基于Linux平臺(tái)，開發(fā)工具為QT4.0。

1.2 協(xié)議分析軟件的整體設(shè)計(jì)

軟交換的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在局域網(wǎng)的環(huán)境下，此環(huán)境下只要將主機(jī)設(shè)置成混雜模式就能監(jiān)聽到其他主機(jī)間通信的數(shù)據(jù)包；然后根據(jù)協(xié)議特征從截獲的數(shù)據(jù)包中提取出SIP和RTP協(xié)議的數(shù)據(jù)包；最后分析SIP和RTP的數(shù)據(jù)包，畫出相應(yīng)的流程圖。軟件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包截獲模塊、數(shù)據(jù)包解析模塊、SIP及RTP消息流程顯示模塊。

圖2 軟件整體設(shè)計(jì)圖

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)包的截獲模塊

數(shù)據(jù)包截獲模塊［6－8］主要是對(duì)局域網(wǎng)中所有的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行采集，從采集的數(shù)據(jù)中分析出SIP數(shù)據(jù)包。正常情況下，網(wǎng)卡的缺省模式是廣播模式和直接模式，它只響應(yīng)目標(biāo)地址是本地的MAC地址數(shù)據(jù)幀和廣播幀，對(duì)于其他數(shù)據(jù)幀不予響應(yīng)；當(dāng)網(wǎng)卡工作模式設(shè)置在混雜模式下時(shí)，對(duì)于本局域網(wǎng)上的每一幀都接收。因此為了能夠截獲到局域網(wǎng)中所有的數(shù)據(jù)包，必須把用于數(shù)據(jù)包截獲的主機(jī)網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式。

在本文的設(shè)計(jì)中，這種對(duì)網(wǎng)卡混雜模式的設(shè)置是通過原始套接字（raw socket）來實(shí)現(xiàn)的，這也有別于通常使用的數(shù)據(jù)流套接字和數(shù)據(jù)報(bào)套接字。在創(chuàng)建了原始套接字后，為了讓原始套接字能接收所有的數(shù)據(jù)，還需要通過ioctl（）來把網(wǎng)卡設(shè)置為混雜模式；完成以上設(shè)置就可以開始對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行截獲了，對(duì)數(shù)據(jù)包的接收的方式像流式套接字或數(shù)據(jù)報(bào)套接字方式通過recvfrom（）函數(shù)來完成。數(shù)據(jù)包截獲的流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)包截獲流程圖

2.2 數(shù)據(jù)包分析模塊

此模塊的主要功能是從截獲的數(shù)據(jù)包中分析出SIP［9］和 RTP［10］的數(shù)據(jù)包，為后面的通信流程的繪制做準(zhǔn)備。由于SIP和RTP協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用層，要解析出SIP和RTP的數(shù)據(jù)包，首先要對(duì)截獲的數(shù)據(jù)包分別去掉數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的包頭，然后根據(jù)SIP協(xié)議特征和RTP協(xié)議所在端口解析出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)包。SIP協(xié)議的特征是起始行的前7個(gè)字符為“SIP／2.0”，根據(jù)這個(gè)標(biāo)志就可以解析出SIP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。SIP數(shù)據(jù)包解析的流程圖如圖4所示。

SIP協(xié)議在通信中一般帶有SDP協(xié)議，SDP實(shí)際上是用來描述多媒體會(huì)話通告、多媒體會(huì)話邀請(qǐng)和其他形式的多媒體會(huì)話初始化的協(xié)議。SDP為SIP協(xié)議在通信過程中協(xié)商通信雙方媒體流的端口、編碼和會(huì)話信息起到了重要作用。一般在SIP信令通信完成的最后一個(gè)應(yīng)答消息200OK中的SDP協(xié)議部分給出通信雙發(fā)協(xié)商的RTP端口［11］（見圖5）。RTP通信的端口為18314。RTP數(shù)據(jù)包就可以根據(jù)這個(gè)端口進(jìn)行監(jiān)聽，然后得到RTP的數(shù)據(jù)包。

圖4 SIP數(shù)據(jù)包解析流程圖

圖5 SIP應(yīng)答消息200OK的數(shù)據(jù)包

2.3 數(shù)據(jù)包顯示模塊

此模塊的主要功能是把截獲到的SIP數(shù)據(jù)包［12］和RTP數(shù)據(jù)包通過流程圖的形式顯示出來。SIP和RTP數(shù)據(jù)包被截獲后，存放在QList的鏈表模板類中，然后根據(jù)保存的SIP數(shù)據(jù)包和RTP數(shù)據(jù)包的源／目的IP地址、源／目的端口號(hào)、消息內(nèi)容和截獲時(shí)間等參數(shù)來繪制流程圖。繪制SIP及RTP通信的信令流程圖如圖6所示：當(dāng)有SIP消息到來時(shí)判斷此SIP消息的IP地址是否已經(jīng)存在，如果存在，則不生成新的地址欄豎線，根據(jù)SIP消息是請(qǐng)求消息還是應(yīng)答消息來區(qū)分SIP信令流程的位置和方向；如果不存在，則生成新的地址欄豎線，然后根據(jù)SIP消息是請(qǐng)求消息還是應(yīng)答消息來區(qū)分SIP信令流程的位置和方向。在RTP消息的端口處監(jiān)聽，當(dāng)RTP消息到來時(shí)，根據(jù)RTP的端口來繪制RTP的信令流程圖。

由于這些信令是實(shí)時(shí)到來的，因此，圖像的繪制也要求具有實(shí)時(shí)性，如果采用一般的實(shí)時(shí)繪圖方式，即繪制一次，刷新一次屏幕的方式，會(huì)引起整個(gè)圖像的閃爍，所以在用QT繪制圖像時(shí)應(yīng)該采用雙緩沖技術(shù)，即在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)與屏幕繪圖區(qū)域一致的對(duì)象，先將圖形繪制到內(nèi)存中的這個(gè)對(duì)象上，再一次性將這個(gè)對(duì)象上的圖形拷貝到屏幕上，這樣能大大加快繪圖的速度，并且避免圖像的閃爍。

圖6 繪制SIP及RTP通信的信令流程圖

3 系統(tǒng)的測(cè)試與分析

系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境如圖7所示。2個(gè)SIP的軟電話分別為：號(hào)碼104，IP地址為10.10.19.170；號(hào)碼103，IP地址為10.10.19.13，它們經(jīng)過軟交換服務(wù)器10.10.19.234進(jìn)行通信。在IP為10.10.19.110主機(jī)上分別運(yùn)行本軟件和Hammer Call Analyzer 1.6，去捕獲一次完整呼叫的流程，捕獲的結(jié)果如圖8所示。從圖8（a）中可以看出本軟件截獲的呼叫流程和圖8（b）一致，證明了本軟件通信信令截獲的正確性。同時(shí)本軟件不但截獲了呼叫SIP信令數(shù)據(jù)包的內(nèi)容和畫出了詳細(xì)的流程圖，而且還畫出通話語音RTP流程圖，因此本軟件對(duì)SIP的通話流程描述得更加詳細(xì)，這比較適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

圖7 測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖8 捕獲一次完整呼叫的流程圖

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)的SIP協(xié)議分析軟件不但可以分析出SIP數(shù)據(jù)包的格式和內(nèi)容，而且能夠畫出通信的整體工作流程圖，該軟件不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)SIP協(xié)議提供了幫助，還為檢測(cè)軟交換通信故障提供了支持，本軟件已經(jīng)應(yīng)用于多所高校的軟交換實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，收到了良好的效果。

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