李德勝(安徽科技學院信息與網絡工程學院，安徽滁州 233100)

基于SIP協議的網絡協議分析課程教學改革探索

李德勝
(安徽科技學院信息與網絡工程學院，安徽滁州 233100)

本文針對目前網絡工程專業(yè)的“網絡協議分析”核心課程教學中存在的若干問題，進行一系列的教學改革和探索。以SIP協議為主要內容，從協議的三個基本要素(語法、語義和時序)幾個側重點，從架設與測試、設計與編程、實際項目展示三個階段對學生進行授課。學生不僅可以深入分析和理解SIP協議，而且對整個SIP解決方案的層次和功能有了整體把握，并有利于其參與真實的項目編程實踐。

SIP；協議棧；事務；多媒體會議

1 “網絡協議分析”課程教學中存在的問題

“網絡協議分析”作為“計算機網絡”的后續(xù)課程，已經成為大多數院校的計算機系網絡工程專業(yè)的核心或主干課程。但“網絡協議分析”是一門新興的專業(yè)課程，筆者在實際教學過程中發(fā)現，該課程在教材建設、協議選擇、教學實驗內容安排、實驗環(huán)境配置等都存在一些問題。

1.1 教材

目前國內的相關教材，內容過于求全，既講授網絡層、傳輸層，又講授應用層的協議，缺乏對單獨某一個協議的詳細講解。這也造成了學生“走馬觀花”式的學習，學生沒有“斷其一指”的深刻體會。許多學生對于網絡協議的概念的理解是碎片化的，不能將其有機聯合起來，更談不上深入分析和應用了。因此，在選擇一個合適的協議進行深入細致的講解十分必要且勢在必行。

1.2 協議選擇

二進制還是文本的協議，應用層還是底層協議，有狀態(tài)的還是無狀態(tài)的協議，這些都需要進行選擇。目前教材上的協議往往選擇傳輸層的協議較多，例如TCP、UDP，而這些協議又都是二進制的，不僅抓包分析獲得協議內容比較困難，而且二進制編解碼會造成編程的不便。反之，基于文本的協議則更加容易理解和分析，并且用高級語言編程也方便。與底層(傳輸層、網絡層)相比，基于應用層的網絡協議也更加貼近學生平時的生活，也容易理解。另一方面，如果協議過于簡單，或者是無狀態(tài)化的，則無法讓學生在協議分析和編程中錘煉狀態(tài)機和事務的思想，例如HTTP協議雖然也是基于文本的，但它卻是無狀態(tài)的，要引入狀態(tài)則是在應用程序或者Web應用中實現，屬于Web程序設計應用課程的范疇，不適合在“網絡協議分析”課程中講解。會話初始協議SIP(Session Initiation Protocol)是IETF提出的，在IP網上進行多媒體通信的應用層控制協議。隨著SIP協議的成熟，使用其代替H.323協議族成為多媒體會議的底層架構已經是業(yè)界公認的發(fā)展趨勢。因此，SIP協`，而且是有狀態(tài)并且支持事務的協議，所以可將SIP協議作為教學內容進行深入講解。

1.3 實驗教學系統(tǒng)

目前SIP協議部分的實驗主要是依托軟交換實驗設備完成的。軟交換綜合系統(tǒng)由軟交換服務器、交換機、路由器、網關和VOIP電話等組成，具有呼叫控制、管理、計費、NAT穿越、SIP分析和各種增值業(yè)務等功能。然而，這種方案也存在嚴重問題。類似的實驗系統(tǒng)龐大，學生可以參與的地方少，大多只能是觀察性實驗。作為軟交換，軟件是最重要的，但在實驗系統(tǒng)中，由于知識產權的原因，軟件并不是100%開放的。學生無法了解到軟件的全貌，不利于二次開發(fā)。另外，學生在課堂上的學習時間有限，大量學生習慣于將軟件系統(tǒng)裝到自己的筆記本電腦上。而這些實驗設備往往是硬軟件結合的，沒有辦法進行移植，影響學生進一步深化學習。

于是，我們選用SIP協議作為“網絡協議分析”課程中深入學習的內容，并參考中文教材《SIP協議及其應用》[1]和英文教材《Internet Multimedia Communications Using SIP，A Modern Approach Including Java?Practice》[2]作為教學參考書，從協議的三個基本要素(語法、語義和時序)幾個方面，針對演示和分析、設計與編程、實際項目演示這幾個實驗教學深入剖析如何選用SIP協議進行實驗教學?；诖四康?，首先讓學生能夠比較容易地架設實驗環(huán)境，并在上面分析協議信令流程，從而獲得學習興趣和成就感，其次是通過對設計架構的分析和實際未完成的編程樁(Stub)來引導他們進行利用開源SIP協議棧自行編程，甚至是自行設計或修改SIP協議棧。

2 本地SIP語音通信環(huán)境架設——便于SIP協議的分析和測試

為了方便學生演示和測試SIP協議，我們采用本地SIP語音通信環(huán)境架設方案，來替代復雜且容易出錯的網絡化環(huán)境架設方案。對于SIP協議本身要素來說，本部分內容的教學設計主要為了加強學生對于SIP語法和語義方面的學習。

在實際的配置中，雖然可以采用點對點的語音通信本地實驗環(huán)境，但是由于架構過于簡單，缺乏其它SIP實體(如SIP代理服務等)，不利于學生深入學習。因此，采用的是通過SIP代理方式進行語音通信的環(huán)境。由于需要100%的可移植性，因此，要使用基于軟件的SIP代理和SIP終端?；谲浖腟IP代理分為開源版和共享版。我們選用Brekeke的SIP Proxy軟件作為SIP代理服務器。Brekeke的SIP Proxy是完全使用Java編寫的，利用Tomcat Web容器，功能齊備的SIP代理服務器，并且具有學生習慣使用的安裝版，方便進行部署。SIP終端既可以選擇支持SIP協議的IP硬件電話機，也可以選擇軟電話。在實驗中，我們選擇軟電話X-Lite作為SIP終端。由于首個實驗選擇的是在本地建立SIP協議通話環(huán)境，所以需要下載兩個不同版本的X-Lite同時在本機上運行，并且使用完全不同的端口號。

圖1 SIP協議語音通信本地實驗環(huán)境

實際配置好的SIP協議語音通信本地實驗環(huán)境如圖1所示。SIP測試實驗內容為在本地上分別用兩個版本的X-Lite注冊，并相互發(fā)起呼叫。然后，在Sip Proxy Server的Web管理頁面中查看相應的信息。學生通過圖2可以觀察到已經注冊成功的兩個SIP軟終端，分別運行在48860和5061端口，也可以查看終端過期時間、終端UA版本、請求地址和時間戳等信息；通過圖3則可以觀察到正在通信的會話信息，包括會話ID、呼叫方、應答方、通話時間和通話狀態(tài)等信息。最后，通過圖4查詢到所有的通話(成功的與未成功的)歷史記錄，包括會話ID、呼叫地址、通話時長、邀請開始時間、通話開始時間、結果狀態(tài)和錯誤代碼等信息。

本實驗環(huán)境架設方案的好處在于能夠方便地進行移植，學生可以在自己的筆記本上進行配置，并帶回寢室研究學習。也容易將方案升級為局域網和完全的外網，只需要將SIP代理服務器部署到相應網絡環(huán)境并修改配置文件即可完成。特別是基于Java語言的編碼和運行環(huán)境，不僅方便學生研究代碼，而且與后面的項目編程路線也是一致的。

為了驗證面向廣義能耗的柔性作業(yè)車間調度優(yōu)化模型的有效性，以某柔性作業(yè)車間內3種工件的生產調度為例，進行柔性作業(yè)車間調度優(yōu)化。

圖2 SIP客戶端注冊信息視圖

圖3 活動的會話信息視圖

圖4 通話歷史記錄視圖

3 基于開源組件的編程實踐——加深理解SIP解決方案的層次和功能

在講授基于SIP協議的編程時候，需要重點介紹整個架構的功能層次。而整個SIP協議應用可以分為四個功能層。對于SIP協議本身要素來說，本部分內容的教學設計主要為了加強學生對于SIP語法和語義方面的掌握。

(1)SIP核心層：該層主要實現SIP協議中涉及的各個功能實體并包含部分SIP事務子層和對話功能，例如UAC(用戶代理客戶機)、UAS(用戶代理服務器)、Register(注冊服務器器)、代理服務器(Proxy Server)。

(2)SIP事務子層：該子層主要包含通常將許多業(yè)務邏輯SIP實體。它由兩部分組成：客戶交易中的客戶端和服務器端稱為服務器事務。

(3)SIP傳輸子層：該子層負責實際的傳輸和SIP消息的接收。它由兩部分組成：客戶端傳輸端和服務器傳輸端。

(4)SIP語法和編碼子層：該子層負責編碼/解碼SIP消息。

以JAIN SIP架構的SIP解決方案為例，如圖5所示，最上層為SIP應用，而SIP核心子層與應用和協議棧都有關系，并且包括對話功能和部分SIP事務子層。另外一部分SIP事務子層與底層操作系統(tǒng)和TCP/IP層有聯系。實際教學中發(fā)現，學生只有對整個的SIP解決方案的層次和功能有了整體把握的時候，才能夠進行下一步的編程操作。

圖5 SIP解決方案功能層

表1 第三方開源Java組件

通過這些開源的協議棧和API，學生很容易進行基于Swing的Java圖形界面的SIP應用開發(fā)，最常見的教學順序是：首先開發(fā)軟件SIP終端，其次開發(fā)SIP代理服務器，然后開發(fā)或者修改SIP協議棧，最后是結合其他相關技術展開應用，如SIP多媒體會議系統(tǒng)、SIP視頻監(jiān)控與分析系統(tǒng)等。對于開始接觸這方面編程的初學者來說，可以設置一些沒有完成的編程樁Stub來讓學生進行填寫，這樣可以避免整個項目的失敗，并給學生帶來信心。

4 多媒體會議系統(tǒng)項目演示——在真實的環(huán)境中提高學生對協議的理解和開發(fā)能力

雖然學生在前期對于編程已經有一定的掌握，但是往往存在“一葉障目，不見泰山”的缺憾，最好的教學方式是結合能夠實際應用的項目進行講解。我們在教學過程中選用了基于SIP的多媒體會議系統(tǒng)。在教學安排上，首先介紹如何使用該系統(tǒng)，然后讓學生親自去測試，最后再講解信令和服務的流程時序，學生反饋良好。對于SIP協議本身要素來說，本部分內容的教學設計主要為了加強學生對于SIP語義和時序方面的掌握。

筆者曾參與基于SIP的多媒體會議系統(tǒng)的研發(fā)，主要負責SIP協議部分。該系統(tǒng)基于J2EE的技術，并且可以在Windows、Linux或者Mac系統(tǒng)上架設，可擴展性和移植性強，在配置方面，可與其他Web應用集成。設計基于RFC3261等標準，實現與X-Lite等標準軟終端的通信。本軟件的操作是基于Web的界面，操作簡單、可擴充、易維護。用戶通過JSP頁面在線查看和管理會話狀態(tài)、注冊信息等內容。設計融合了基于STUN服務器地址轉換的NAT穿越技術，使得用戶可以在公網私網之間自由透明地穿越。并提供各種公網資源接入，如PSTN固網，2G/2.5G/3G移動網絡和INTERNET等；復用服務模板，快速重組為其他應用，如遠程醫(yī)療、物流監(jiān)控、視頻黃頁、遠程教學等。

對于會議成員控制，該系統(tǒng)實現了如下功能：(1)會議申請：如即時會議，預約會議，注冊、登陸和注銷，個人帳戶管理，查看其他公開會議等；(2)會議主席身份登陸：如預約會議，查看所主持的會議，添加、下載會議資料，批準申請加入會議(針對列席成員)，批準發(fā)言(針對與會成員)，申請更換主席，退出會議，結束會議等；(3)會議成員身份登陸：如查看所參加的會議，添加會議資料，申請發(fā)言，退出會議等；(4)普通用戶身份登陸：查看可以列席的會議(即公開會議)，申請加入會議，退出會議等。例如，在首頁中，點擊“其他會議”，如圖6所示，可以看到當前系統(tǒng)的正在召開的會議。該頁面詳細顯示了正在召開的會議的信息，包括會議名稱、會議主題、會議主席、持續(xù)時間和參與人數等，用戶可以通過點擊申請加入，以列席者的身份加入該會議。

圖6 查看正在召開的會議視圖

在了解多媒體會議系統(tǒng)功能以后，學生可以在系統(tǒng)上實際操作加入會議的功能。圖7為學生發(fā)起加入會議請求以后，會議服務器通過as@59.64.156.148∶5060對他呼叫并建立連接。圖中左上部分小窗為會議媒體服務器的視頻，而左下部分小窗為本地攝像頭視頻。在本次實驗中，一方面，學生可以了解到SIP協議除了可以點對點呼叫，還可以由會議服務器主動發(fā)起邀請和呼叫；另一方面，學生也可以加深對信令和服務的本質的理解。

圖7 加入視頻會議的實際案例

根據“解剖一個麻雀”的思想，筆者在實際實驗教學過程中，將參與會議單元(JCU)的信令和服務流程向學生進行了詳細分析，取得了良好的教學效果。具體的信令和服務時序如圖8所示。首先，SIP信令監(jiān)聽器接受從SIP服務器到來的“INVITE”消息并調用SIP信令處理器進行處理。接著，SIP信令處理器調用getCallManager()從會話管理器那里獲得會話的句柄，并判斷其是否存在正在進行中的通信。若會話管理器返回的會話狀態(tài)顯示當前沒有激活，則它通知服務器“180 RING”。接著，一個新的會話將由信令處理器建立并返回它的句柄，這個句柄將被增加到會話管理器中。接下來，會話狀態(tài)的變化會被告知監(jiān)聽器。同時，終端控制器執(zhí)行update()方法來檢查時間戳。此外，終端控制器創(chuàng)建一個新的會議通知對話框來提醒參會者一個新呼叫的到來。如果用戶同意建立會話的連接，answerCall()方法將被調用來回復這個電話。然后，終端管理器調用會話管理器的findCall()來探測當前會話的句柄。當手柄被會話管理器返回時，媒體管理器的句柄將從會話對象中獲取并返回。之后，媒體管理器的startMediaSession1()被調用來監(jiān)聽媒體接收端口以確保從媒體服務器探針包可能被無差錯地接收。否則，如果端口不及時打開(接收“ACK”之后)，則媒體服務器認為客戶端不能夠建立連接，并且可以主動結束與終端的通信。接著在客戶端發(fā)送“200 OK”，直到服務器接收返回的“ACK”發(fā)送“200 OK”到SIP服務器。當SIP信號處理器從SIP服務器接收到“ACK”消息時，它通知所述SIP信號處理器通過getCallManager()的調用來處理消息以獲得會話管理器的手柄。據此，媒體管理器的另一個手柄會也從當前會話中獲得。隨后，媒體管理器的prepareMediaSession()被調用來獲取遠程的媒體服務器與本地的URI和談判后的編碼/編碼格式的接收和發(fā)送媒體的URI。同時，媒體管理器的startMediaSession2()也被調用來設置呼叫“IN_A_CALL”的狀態(tài)，并通知會話管理器會話狀態(tài)改變的事實。通過對信號和服務上的互動，用戶可以加入會議，并成功建立媒體連接。

圖8 參與會議單元(JCU)的信令和服務時序圖

5 結語

通過本地架設SIP語音通信環(huán)境，能夠真正實現一站式的SIP測試與分析，方便了學生的學習?；陂_源組件的編程實踐方法進一步加深了學生對SIP解決方案的層次和功能的理解，同時也有效避免整個編程項目的失敗。通過實際的SIP應用項目：多媒體會議系統(tǒng)的信令和服務流程分析，進一步強化學生對于時序的掌握，有利于他們參與真實的項目實踐。

[1]張智江.SIP協議及其應用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2]Rogelio Martínez Perea.Internet Multimedia Communications Using SIP,A Modern Approach Including Java?Practice[M].Elsevier,2008.

[3]張譯.基于SIP協議的IMS高清視頻會議研究[J].信息通訊，2015(7)：247.

[4]劉凱，畢研博，國偉.淺析SIP協議的特點及工作流程[J].時代報告：學術版，2015(1)：245.

2016-07-01

安徽省省級質量工程一般項目“基于無人機編程項目的物聯網專業(yè)實踐教學研究”(2016jyxm0253)。

李德勝(1979- )，男，副教授，碩士生導師，博士，從事信息與網絡工程研究。

TP393.04；G642

A

2095-7602(2017)04-0117-06