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淺析SIP響應(yīng)消息100 Trying的作用和傳輸機(jī)制

2019-03-04 15:27:31   作者:james.zhu   來源:CTI論壇   評論:0  點(diǎn)擊:


  SIP協(xié)議是目前語音呼叫中最重要的協(xié)議之一。所以,在SIP呼叫中我們會看到呼叫流程中多個處理流程的交互。在呼叫請求中,系統(tǒng)技術(shù)人員在使用排查根據(jù)排查問題時(shí)會看到一個服務(wù)器端(UAS)響應(yīng)的消息-100 Trying。大部分VOIP系統(tǒng)用戶和技術(shù)人員可能沒有注意或者忽略了它的作用,也沒有真正深究它背后的其他相關(guān)要素。如果系統(tǒng)出現(xiàn)了呼叫故障的問題時(shí),一些技術(shù)人員也僅僅停留在表面的故障問題,根據(jù)非常表面的表象來排查問題,沒有從根本上來了解其真正的作用。事實(shí)上,100 Trying是請求響應(yīng)處理中非常重要的核心步驟,它決定了呼叫可靠性傳輸?shù)慕Y(jié)果。那么,很多用戶就會問,100 Trying到底在try什么? 如果要回答這個問題,我們必須從最底層的OSI網(wǎng)絡(luò)七層說起,一直到SIP傳輸定時(shí)器來解釋100 Trying所扮演的角色和其作用。
  筆者通過以下各個部分來淺析100 Trying所扮演的角色,作用和相關(guān)技術(shù)節(jié)點(diǎn)處理方式。我們將討論 100 Trying的背景知識,OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相關(guān)話題,TCP/UDP對SIP傳輸?shù)奶幚矸绞,SIP定時(shí)器對可靠性的支持機(jī)制,SIP 重傳和定時(shí)器處理流程,以及優(yōu)化方式討論,發(fā)生SIP重傳的幾種原因等相關(guān)話題進(jìn)行一個比較初淺的討論。
  1、SIP呼叫請求響應(yīng)中的100 Trying
  首先,我們針對請求呼叫中的100 Trying做一個簡單的背景介紹。在SIP呼叫中,下一跳服務(wù)器或UAS收到UAC的請求以后,對客戶端UAC發(fā)送一個100 Trying,表示對端已經(jīng)收到請求,正在進(jìn)行下一步的處理(具體處理什么流程,完全取決于UAS本身)。在RFC3261中有對100 Trying如下定義:
  • This response indicates that the request has been received by the
  • next-hop server and that some unspecified action is being taken on
  • behalf of this call (for example, a database is being consulted).
  • This response, like all other provisional responses, stops
  • retransmissions of an INVITE by a UAC.  The 100 (Trying) response is
  • different from other provisional responses, in that it is never
  • forwarded upstream by a stateful proxy.
  具體的SIP呼叫流程圖如下:
  比較詳細(xì)的100 Trying響應(yīng)消息如下。這里提醒一下一些基礎(chǔ)讀者,100 Trying會完全拷貝INVITE中的Call-ID,F(xiàn)rom,To,CSeg,和VIA頭值,這里沒有SDP內(nèi)容長度,因此也沒有SDP消息。
  在RFC3261中,1XX響應(yīng)消息是Provisional response(臨時(shí)響應(yīng)),在上面的100 Trying也說明,UAS回復(fù)UAC,UAS正在處理收到的請求,僅返回一個臨時(shí)響應(yīng)消息,通知UAC而已,沒有說明任何狀態(tài)。當(dāng)然,在臨時(shí)響應(yīng)消息中,也包括了180,181和183等其他的響應(yīng)消息。臨時(shí)響應(yīng)消息具有以下幾個方面的特征:
  • 報(bào)告一個處理流程
  • 以1XX為響應(yīng)回復(fù)
  • 無任何結(jié)果狀態(tài)
  2、網(wǎng)絡(luò)七層協(xié)議OSI
  基于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)討論都離不開關(guān)于OSI模型的討論。在SIP語音呼叫中,協(xié)議協(xié)商也同樣需要討論這些問題。
  對應(yīng)OSI網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu),具體到SIP應(yīng)用環(huán)境中,我們可以看到以下網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
  關(guān)于那個網(wǎng)絡(luò)層的介紹,我們在以前的歷史文章中有非常完整的介紹,讀者可以查閱歷史文檔來學(xué)習(xí),也可以通過網(wǎng)上的其他資料來學(xué)習(xí),這里不做過多解讀,F(xiàn)在,我們僅對涉及SIP傳輸?shù)膖ransport layer 所使用的TCP和UDP進(jìn)行簡單分析來說明如何支持SIP的可靠性傳輸。使用TCP傳輸時(shí),SIP通過TCP需要和對方檢查,進(jìn)行握手協(xié)商。如果對方確認(rèn)已經(jīng)準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù),那么發(fā)送方發(fā)送INVITE消息,對端成功接收。如果TCP確認(rèn)后,接收方在接收過程中沒有收到完整的數(shù)據(jù),則丟棄,重新傳輸一次。因此,TCP協(xié)議就是人們常說的可靠傳輸協(xié)議,因?yàn)樗梢员WC傳輸?shù)目煽啃,因(yàn)樾枰暾膮f(xié)商過程,數(shù)據(jù)丟失需要重新傳輸,因此可靠性增加,但是和UDP相比,其傳輸速度相對比較慢。
  下面,我們再來介紹一下使用UDP傳輸SIP消息的流程。UDP傳輸數(shù)據(jù)時(shí),它本身不會對雙方的狀態(tài)進(jìn)行檢查,直接對對端發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)丟失也不支持任何重傳機(jī)制,因此,UDP是一種非可靠傳輸協(xié)議。但是,UDP傳輸速度相比TCP就會快很多,沒有協(xié)商時(shí)間產(chǎn)生的消耗。既然UDP是不可靠的傳輸協(xié)議,那么,為什么SIP仍然使用UDP作為默認(rèn)的傳輸協(xié)議?如果不能保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃,SIP怎么保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?事?shí)上,SIP通過定時(shí)器的方式來實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸機(jī)制。接下來,我們將討論使用定時(shí)器來保證SIP傳輸?shù)目煽啃浴?/div>
  3、關(guān)于SIP呼叫請求中的定時(shí)器
  在SIP協(xié)議中,為了保證可靠性傳輸,SIP支持了三種機(jī)制實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸,它們包括:重轉(zhuǎn)定時(shí)器,遞增的CSeq和ACK確認(rèn)。因?yàn)槠年P(guān)系,我們今天僅討論定時(shí)器的機(jī)制,其他兩種機(jī)制讀者可以自己學(xué)習(xí)。事實(shí)上,在定時(shí)器機(jī)制中,SIP就使用了100 Trying了實(shí)現(xiàn)可靠性傳輸。如果沒有100 Trying,雙方的協(xié)商沒有辦法繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)然,其他的響應(yīng)也可以對請求做出一個確認(rèn),但是100 Trying是一個非常合理簡單的辦法對初始時(shí)確認(rèn)進(jìn)行處理的方式。
  讓我們根據(jù)以上圖例來了解一下定時(shí)器的處理機(jī)制。這里,我們假設(shè)了3次重復(fù)發(fā)生INVITE消息,途中可能遇到的兩種基本的故障。首先,當(dāng)UAC對UAS發(fā)送INVITE消息時(shí),定時(shí)器1同時(shí)啟動,并且定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。如果第一個INVITE請求在定時(shí)器1參數(shù)設(shè)置時(shí)間內(nèi)超時(shí),INVITE請求在中途丟失,說明可能出現(xiàn)了其他問題。接下來,UAC端則馬上啟動第二個定時(shí)器,并且進(jìn)行超時(shí)設(shè)置,第二次發(fā)送的INVITE抵達(dá)UAS服務(wù)器端后,UAS馬上返回一個100 Trying 臨時(shí)響應(yīng)消息,通知UAS收到了INVITE請求,正在進(jìn)行下一步處理。但是,因?yàn)楦鞣N網(wǎng)絡(luò)原因,可能UAS發(fā)送的100 Trying在定時(shí)器2超時(shí)設(shè)置的時(shí)間內(nèi)沒有返回到UAC端,100 Trying也可能在路徑中丟失,UAC沒有收到100 Trying。因此,在定時(shí)器2超時(shí)后,UAS馬上又啟動了第三個定時(shí)器,同時(shí)再次發(fā)送INVITE消息。這次UAS再次發(fā)送100 Trying,UAC也在超時(shí)設(shè)置范圍內(nèi)收到了100 Trying, 整個請求的可靠性傳輸成功處理。當(dāng)然,在實(shí)際SIP交互過程中,INVITE請求不僅僅使用了三個定時(shí)器來處理可靠性測試,實(shí)際上,在INVITE的可靠性傳輸中使用了七次重傳加定時(shí)器來控制整個傳輸過程。下面,我們具體介紹這七個定時(shí)器計(jì)時(shí)的處理流程。
  4、SIP請求中的重新傳輸和定時(shí)器設(shè)置
  上面,我們討論了SIP發(fā)送INVITE和重傳時(shí)的定時(shí)器和100 Trying的處理機(jī)制。實(shí)際上,因?yàn)楦鞣N網(wǎng)絡(luò)問題,在傳輸過程中,INVITE丟失是經(jīng)常發(fā)生的事情。因此,需要UAC不斷發(fā)送INVITE,直到定時(shí)器超時(shí)。在INVITE傳輸過程中使用了七次重傳來控制整個INVITE重傳過程,其定時(shí)器共耗費(fèi)總時(shí)長為32秒。這里需要注意的是,每次定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)長是上一個定時(shí)器的2倍時(shí)長。在SIP 傳輸?shù)亩〞r(shí)器中,主要涉及了三個定時(shí)器:
Timer A initially T1 17.1.1.2 INVITE request retransmission interval, for UDP only
Timer B 64*T1 17.1.1.2 INVITE transaction timeout timer
Timer E initially T1 17.1.2.2 Non-INVITE request retransmission interval, UDP only
 

在以上的圖例中,介紹了定時(shí)器T1和定時(shí)器B的關(guān)系。以下具體示例中各個INVITE傳輸所耗費(fèi)的時(shí)長。
  這里的定時(shí)器僅是針對INVITE請求來說的,其他非INVITE method可能需要更多的定時(shí)重傳數(shù)量。例如,呼叫方首先發(fā)送Bye消息的傳輸則最多需要11次傳輸,也是共耗時(shí)32秒(定時(shí)器B)。這里讀者一定要注意,前面4次傳輸?shù)亩〞r(shí)器時(shí)長是以2倍時(shí)長增加。從第五次開始,定時(shí)器是以4秒的方式遞增,它們的計(jì)時(shí)方式是不一樣的。
  另外需要說明的是,在INVITE重傳過程中,消息內(nèi)容是一樣的,任何頭都沒有發(fā)生改變,包括Call-ID, CSeq等。在流程介紹中,筆者沒有針對專門的Timer做細(xì)節(jié)介紹,事實(shí)上,T1的處理在RFC3261中有明確的定義(17.1.1.1),T1的預(yù)估的RTT默認(rèn)是500 ms。還有一種情況是涉及到定時(shí)器B。一些用戶反映為什么系統(tǒng)總是在差不多30秒的時(shí)候就自動掉線。很多情況下,因?yàn)榉阑饓騈AT沒有正確配置,定時(shí)器B在32秒執(zhí)行了超時(shí)掛斷。這里,筆者沒有討論RTT時(shí)延和相關(guān)原因的問題,事實(shí)上,RTT時(shí)延也會導(dǎo)致傳輸超時(shí)。讀者可查閱其他關(guān)于RTT的文章。
  5、Sip Retransmission原因和必要性
  根據(jù)上面章節(jié)的介紹,在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中,事實(shí)上,SIP重傳是一個正常的處理流程。那么,為什么會發(fā)生重新傳輸?shù)膯栴}呢?因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)環(huán)境中各種問題導(dǎo)致了重新傳輸。包括主要的幾個原因:
  • 網(wǎng)絡(luò)原因,可能因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)擁塞或者其他的數(shù)據(jù)路由問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,所以需要重新傳輸。從呼叫方到被呼叫方的數(shù)據(jù)可能經(jīng)過不同的網(wǎng)絡(luò)和路由環(huán)境,導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失,定時(shí)器重新啟動,出現(xiàn)重新傳輸。網(wǎng)絡(luò)原因包括了很多方面的因素,例如,網(wǎng)絡(luò)繁忙,路由器問題,帶寬問題,硬件故障等問題。
  網(wǎng)絡(luò)防火墻過濾了呼叫請求。很多企業(yè)用戶都設(shè)置了防火墻來保障企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的安全。如果防火墻沒有過濾了SIP端口的話,呼叫方的INVITE會一直被過濾掉,呼叫方也可能一直對被呼叫方發(fā)送請求。
  呼叫了錯誤的地址。呼叫方可能輸入了錯誤的呼叫地址或者地址格式不支持,導(dǎo)致錯誤呼叫,因此SIP INVITE會不斷重新發(fā)送。
  錯誤的終端配置選項(xiàng)導(dǎo)致呼叫錯誤,重新重新傳輸?shù)目赡苄。有時(shí),終端配置錯誤的選項(xiàng)。例如,在配置選項(xiàng)中輸入的是192.168.0.22 IP地址,事實(shí)上,終端的IP地址是192.168.0.23。
  呼叫過程中,INVITE就會要求發(fā)送響應(yīng)消息到192.168.0.22的地址,最后仍然是不可達(dá)的地址。因此,可能導(dǎo)致INVITE重新傳輸。
  6、SIP傳輸定時(shí)器優(yōu)化討論
  我們在前面的章節(jié)中,討論了SIP傳輸協(xié)議使用時(shí)帶來的問題和定時(shí)器的關(guān)系等問題討論。在最后的討論中,我們針對SIP傳輸過程中比較重點(diǎn)的問題-SIP定時(shí)器做一些說明。根據(jù)很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)發(fā)布的研究論文中,很多研究更多專注于定時(shí)器的算法的優(yōu)化。
  根據(jù)筆者前面介紹的,T1定時(shí)器默認(rèn)設(shè)置為500ms是相對比較可靠的設(shè)置,B 定時(shí)器設(shè)置為32ms是符合一般網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的。但是,如果設(shè)置T1時(shí)間相對較小,或者B定時(shí)器相對較小的話,整個SIP服務(wù)器端或者IPPBX本身對SIP transaction的時(shí)間要求就會比較少,對系統(tǒng)內(nèi)存資源的壓力就會減少很多。例如,在關(guān)于Asterisk的系統(tǒng)優(yōu)化解決方案中,官方建議設(shè)置B定時(shí)器的設(shè)置為6400 ms。
  在網(wǎng)絡(luò)重傳過程中,傳輸過程中也可能出現(xiàn)很多問題,導(dǎo)致傳輸?shù)馁|(zhì)量問題。幾個影響傳輸?shù)囊蛩匕ǎ壕W(wǎng)絡(luò)時(shí)延,傳輸數(shù)據(jù)損壞,傳輸數(shù)據(jù)丟失等問題。為了保障傳輸?shù)目煽啃裕芯咳藛T對定時(shí)器T1做了算法優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)靈活自適應(yīng)的調(diào)整方式。以下是關(guān)于使用可調(diào)整T1定時(shí)器的一些測試數(shù)據(jù)和SST(Session Start-up Time)之間的關(guān)系:


  吞吐量和可調(diào)整定時(shí)器T1/默認(rèn)定時(shí)器之間的優(yōu)化關(guān)系測試數(shù)據(jù):
  以上的研究討論了很多關(guān)于一般的IP網(wǎng)絡(luò),基本上沒有討論目前最新的無線網(wǎng)絡(luò),例如IMS,3G/4G網(wǎng)絡(luò)部署中。在Hanane Fathi的關(guān)于3G研究論文中,作者對在3G無線網(wǎng)絡(luò)中SIP創(chuàng)建的時(shí)延優(yōu)化做了多種比較測試,使用了TCP/UDP傳輸方式,對T1定時(shí)器的靈活調(diào)整,通過SIP/H323協(xié)議測試對比,作者的論文結(jié)論也說明使用定時(shí)器的方式確實(shí)提高了傳輸效率:
  • Therefore, the adaptive timer is efficient for optimizing
  • the performance of signaling protocols in general. The
  • performance of SIP using the adaptive timer could be
  • improved by using some compression schemes to reduce the
  • size of the SIP messages.
  另外,Hanane Fathi也建議使用SIP消息的糾錯機(jī)制或混合型的ARQ模型來修正SIP消息,提升SIP消息創(chuàng)建的效率,盡量避免SIP消息在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中重新發(fā)送:
  • Also, error correction mechanisms or hybrid ARQ
  • schemes could improve the performance of VoIP session
  • setup time by correcting the SIP messages and avoiding
  • retransmissions on the wireless link.
  Hanane Fathi發(fā)表的論文比較早一些,現(xiàn)在很多新的基于互聯(lián)網(wǎng),云計(jì)算的技術(shù)也進(jìn)入了商業(yè)環(huán)境中。所以,云計(jì)算為SIP消息傳輸優(yōu)化提供了更多的方式,因?yàn)榛谠朴?jì)算的部署方式可以支持更大的靈活性和網(wǎng)絡(luò)的彈性,使得傳輸效率更高。
  思科在很多產(chǎn)品中支持了Reliable User Data Protocol (RUDP),通過RUDP來保證傳輸?shù)目煽啃。RUDP中也使用了 Forward error correction(FEC)這樣的糾錯機(jī)制來修正SIP消息,提升傳輸?shù)男。這里的FEC的機(jī)制基本上和Hanane Fathi的論文討論的糾正機(jī)制非常相似。關(guān)于RUDP的細(xì)節(jié),讀者可以查閱ABHILASH THAMMADI的論文。以下是一個RUDP的架構(gòu)介紹示例:
  7、總結(jié)
  在本文章的討論中,筆者介紹了關(guān)于100 Trying在SIP傳輸過程中的重要和其角色。首先,筆者介紹了SIP 初始請求中使用的100 Trying的狀態(tài),然后介紹了定時(shí)器控制機(jī)制來保證UDP傳輸時(shí)100 Trying的協(xié)商機(jī)制。接下來,筆者介紹了SIP 重傳中的定時(shí)器和超時(shí)的設(shè)置和其工作流程,然后介紹了為什么進(jìn)行SIP消息的重新傳輸,以及幾個主要的原因。最后,筆者討論了關(guān)于SIP傳輸中優(yōu)化的建議,特別是對T1定時(shí)器的靈活調(diào)整帶來的效率的提升,RUDP技術(shù)架構(gòu)的介紹。
  總結(jié),通過在SIP 請求中使用100 Trying,然后T1定時(shí)器和B定時(shí)器可以保證UDP傳輸環(huán)境下的可靠性傳輸,100 Trying起到了非常重要的作用。在具體的定時(shí)器細(xì)節(jié)方面,很多研究表明通過優(yōu)化定時(shí)器也可以提升傳輸效率。當(dāng)然,目前很多基于云計(jì)算的技術(shù)也非常成熟,這些技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化,讀者本身資源的局限性沒有對很多新的技術(shù)進(jìn)行分析討論,讀者可以進(jìn)行進(jìn)一步的消息補(bǔ)充這方面的知識。
  參考資料:
  https://wiki.asterisk.org/wiki/display/AST/SIP+Retransmissions
  Sureshkumar V,Measuring SIP Proxy Server Performance
  S. M. Chakraborty,Optimization of SIP Session Setup Delay for VoIP in 3G Wireless Networks
  ABHILASH THAMMADI,https://krex.k-state.edu/dspace/bitstream/handle/2097/11984/AbhilashThammadi2011.pdf?sequence=5
  http://www.cs.rochester.edu/~kshen/csc257-fall2007/lectures/lecture11-rdt.pdf
  file:///D:/Documents/Downloads/electronics-07-00295.pdf
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022000010001194
  https://www.smartvox.com/what-are-sip-timers/
  https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-642-40552-5_8.pdf
  https://blogs.asterisk.org/2016/12/21/sip-timers-t1-and-b-affect-performance/
  https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-sipping-early-disposition-03.txt
  https://tools.ietf.org/rfc/rfc3960.txt
  https://tools.ietf.org/html/rfc4028
  https://wiki.asterisk.org/wiki/display/AST/Performance+Tuning
  https://docs.telcobridges.com/tbwiki/SIP_session_timers
  https://tools.ietf.org/html/rfc3262
  https://tools.ietf.org/html/rfc3261#section-21.1.1
  https://tools.ietf.org/html/rfc4028#section-7.1
  http://www.siptopia.org/multimedia-archive/session-initiation-protocol-rfc-3261-timers-simplified/
  https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSAW57_8.5.5/com.ibm.websphere.nd.multiplatform.doc/ae/rsip_reftimesumm.html


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