SMU29009: Sinalização
- RFC 3261: Session Initiation Protocol (SIP)
- Introdução a VoIP e SIP
- SIP: Understanding the Session Initiation Protocol, 3rd ed (muito bom livro) ... (cópia online)
- Mensagens, Transações, Diálogos e Chamadas SIP
- Session Control on the Internet (cap. 4 do livro: The 3GPP IP Multimedia System)
A sinalização é uma função capaz de negociar e estabelecer uma comunicação entre entidades de uma aplicação. Além das características de uma comunicação, a sinalização negocia o caminho e os recursos necessários com a infraestrutura de comunicação.
Em SMU será estudado o modelo SIP para sinalização, o qual se compõe de um conjunto de padrões abertos para tratar dos vários aspectos envolvidos na realização de chamadas. Esse modelo, como diz seu nome, tem como principal elemento o protocolo de sinalização SIP (Session Initiation Protocol).
O protocolo SIP
O protocolo SIP segue um modelo P2P (peer-to-peer), em que dois ou mais participantes, chamados de agentes, trocam mensagens com a finalidade de estabelecerem algum tipo de sessão (de video no nosso caso, mas pode ser de voz, mensagem instantânea, ou algum outro tipo de serviço). Assim, cada agente em uma sessão SIP se comporta tanto como cliente (quando envia requisições SIP) quanto servidor (quando responde a requisições SIP). A parte que inicia requisições se chama UAC (User Agent Client), e a que responde requisições é denominada UAS (User Agent Server), estando ambas implementadas nos agentes SIP envolvidos.
Uma sessão SIP envolve a interação entre duas entidades lógicas. A diferença entre entidade lógica e agente é que a primeira é o usuário (recurso) que inicia ou recebe chamadas, e o segundo é a aplicação que contém os mecanismos para efetuar e receber chamadas - pense que a entidade seria uma pessoa, e o agente uma câmera em uma chamada de video. Cada entidade é identificada por uma URI (Uniform Resource Indicator) SIP. Além de identificar uma entidade lógica, a informação em uma URI SIP indica a forma com que essa entidade deve ser contatada via SIP. Exemplos de URI SIP seguem abaixo:
# Uma URI simples, tipicamente usada em mensagens INVITE (que iniciam sessões SIP)
sip:1234@biloxi.example.com
# Uma URI mais elaborada, tipicamente usada em alguns cabeçalhos SIP (ex: Contact ou Refer-to)
sip:joseph.fourier@transform.org:5060;transport=udp;user=ip;method=INVITE;ttl=1;
maddr=240.101.102.103?Subject=FFT
As comunicações SIP seguem uma hierarquia, cujos níveis são:
- Mensagens: mensagens de texto individuais trocadas entre agentes.
- Transação: sequência de mensagens entre dois agentes iniciando com uma requisição e terminando com uma resposta final.
- Diálogo: uma relação entre dois agentes que persiste por algum tempo, e identificada por um Call-ID.
- Chamada: composta por todos os diálogos originados por um agente.
'Mensagens, transações, diálogos e chamadas
Mensagens SIP
O protocolo SIP tem uma estrutura simplificada com mensagens de pedido e resposta, assemelhando-se ao protocolo HTTP. Essas mensagens possuem a seguinte estrutura:
Linha inicial
Cabeçalho1: valor do cabeçalho 1
Cabeçalho2: valor do cabeçalho 2
...
CabeçalhoN: valor do cabeçalho N
<linha em branco>
corpo da mensagem (opcional)
A diferença básica entre pedidos e respostas SIP está na linha inicial: pedidos contém um método SIP e seus parâmetros, e respostas possuem um código de status junto com um curto texto informativo. Abaixo são mostradas duas mensagens SIP: um pedido e sua respectiva resposta. Nesse exemplo, ambas mensagens não possuem um corpo de mensagem (lembre que isso é opcional):
Pedido:
REGISTER sips:ss2.biloxi.example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/TLS client.biloxi.example.com:5061;branch=z9hG4bKnashds7
Max-Forwards: 70
From: Bob <sips:bob@biloxi.example.com>;tag=a73kszlfl
To: Bob <sips:bob@biloxi.example.com>
Call-ID: 1j9FpLxk3uxtm8tn@biloxi.example.com
CSeq: 1 REGISTER
Contact: <sips:bob@client.biloxi.example.com>
Content-Length: 0
Resposta:
SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/TLS client.biloxi.example.com:5061;branch=z9hG4bKnashd92
;received=192.0.2.201
From: Bob <sips:bob@biloxi.example.com>;tag=ja743ks76zlflH
To: Bob <sips:bob@biloxi.example.com>;tag=37GkEhwl6
Call-ID: 1j9FpLxk3uxtm8tn@biloxi.example.com
CSeq: 2 REGISTER
Contact: <sips:bob@client.biloxi.example.com>;expires=3600
Content-Length: 0
O pedido exemplificado foi uma mensagem do tipo REGISTER, que é um tipo de método SIP. Um método pode ser entendido como um comando enviado de um participante a outro. A resposta contém o status 200 OK, que significa que o pedido foi atendido com sucesso. Por fim, ambas mensagens contiveram um conjunto de cabeçalhos necessários para caracterizá-las, dentre eles Via, From, To, Call-Id, CSeq, Contact e Content-Length. As tabelas a seguir descrevem resumidamente os principais métodos e cabeçalhos SIP.
| Método SIP | Descrição |
|---|---|
| REGISTER | Usado por um agente para notificar a rede SIP (outros agentes) sobre sua URI de contato |
| INVITE | Usado para estabelecer sessões entre dois agentes |
| ACK | Confirma respostas finais a requisições INVITE |
| BYE | Termina uma sessão previamente estabelecida |
| CANCEL | Encerra tentativas de chamadas |
| OPTIONS | Consulta um agente sobre suas capacidades |
Tabela de métodos SIP (não exaustiva ... apenas os principais métodos)
| Cabeçalho SIP | Descrição | Obrigatoriedade | Uso |
|---|---|---|---|
| Via | Registra a rota seguida por uma requisição, sendo usado para que respostas sigam o caminho inverso | Requisição e resposta | Requisição e resposta |
| To | Identifica o destinatário de uma requisição | Requisição e resposta | Requisição e resposta |
| From | Identifica o originador da requisição | Requisição e resposta | Requisição e resposta |
| Call-Id | Identifica univocamente uma chamada entre um UAC e um UAS. | Requisição e resposta | Requisição e resposta |
| CSeq | Numera as requisições de uma mesma chamada de um mesmo UAC | Requisição | Requisição e resposta |
| Contact | Identifica o originador da requisição ou o recurso requisitado | Requisição e resposta | |
| Max-Forwards | Máximo número de saltos que a requisição pode atravessar | Requisição | Requisição |
| Content-Length | Informa a quantidade de bytes do corpo da mensagem | Requisição e resposta | |
| Date | Informa a data e horário de uma requisição ou resposta | Requisição e resposta | |
| Supported | Lista uma ou mais opções suportadas por um UAC ou UAS | Requisição e resposta | |
| User-Agent | Informa sobre o agente (o programa) originador de uma requisição | ||
| Allow | Informa os métodos SIP aceitos pelo UAS | Resposta | |
| Content-type | Informa o tipo de conteúdo contido no corpo da mensagem | ||
| WWW-Authenticate | Informa que o UAC deve se autenticar para o UAS (e como isso deve ser feito) | Resposta | |
| Authorization | Contém as credenciais para autenticar o UAC para o UAS | Requisição |
Tabela de cabeçalhos SIP (não exaustiva ... apenas os principais cabeçalhos)
Diagramas de chamadas
Alguns tipos de chamadas VoIP com SIP são recorrentes, estando representadas nas subseções a seguir.
Registro de agente SIP em um proxy SIP
Esta chamada ocorre entre um agente SIP e um servidor de registro SIP (SIP Registar), que está implementado tipicamente em um proxy SIP, um gateway de media, ou um PBX IP (este último incorpora as funções dos dois primeiros com as de um PBX). O registro do agente SIP tem por finalidade fazer com que o servidor de registro SIP conheça a localização do agente (endereço IP e port usado pelo UAS).
Fone 1 Proxy SIP ou PBX IP
| |
| REGISTER |
|---------------------------->|
| 401 Unauthorized |
|<----------------------------|
| REGISTER |
|---------------------------->|
| 200 OK |
|<----------------------------|
| |
Chamada direta entre dois agentes SIP
Uma chamada direta entre dois agentes envolve uma transação INVITE, em que um agente convida o outro a estabelecer uma sessão SIP com um determinado tipo de media (ex: video). A chamada é finalizada quando um dos agentes inicia uma transação BYE.
Fone 1 Fone 2
| |
| INVITE |
|----------------------->|
| 180 Ringing |
|<-----------------------|
| |
| 200 OK |
|<-----------------------|
| ACK |
|----------------------->|
| RTP Media |
|<======================>|
| |
| BYE |
|<-----------------------|
| 200 OK |
|----------------------->|
| |
Chamada entre dois agentes SIP com intermediação de um Proxy SIP
A principal diferença entre este tipo de chamada e o anterior é o uso de um (ou mais) proxy SIP entre os dois agentes. O proxy SIP tem por finalidade ajudar na realização das chamadas, uma vez que usualmente incorpora a função de servidor de registro. Um proxy SIP encaminha chamadas para o agente chamado, ou para outro proxy mais próximo do destino, podendo aplicar regras de controle de acesso quanto a quem pode realizar chamadas para quem.
Fone 1 Proxy SIP ou PBX IP Fone 2
(directmedia=yes)
| | |
| INVITE | |
|--------------->| INVITE |
| 100 Trying |--------------->|
|<---------------| 100 Trying |
| |<---------------|
| | |
| | 180 Ringing |
| 180 Ringing |<---------------|
|<---------------| |
| | 200 Ok |
| 200 Ok |<---------------|
|<---------------| |
| ACK | |
|--------------->| ACK |
| |--------------->|
| | |
| RTP Media |
|<===============================>|
| | |
| | BYE |
| BYE |<---------------|
|<---------------| |
| 200 Ok | |
|--------------->| 200 Ok |
| |--------------->|
| | |
| | |
Chamada entre dois agentes SIP com intermediação de um gateway de media
Este caso é parecido com o anterior, que usa um proxy SIP. A diferença está na intermediação do fluxo de media, que é feita pelo gateway de media. Isso possibilita que dois agentes estabeleçam uma chamada mesmo usando codecs diferentes, pois o gateway de media fará a tradução entre codecs. O gateway de midia não necessariamente reside no mesmo equipamento onde está o proxy SIP.
Fone 1 PBX IP Fone 2
(directmedia=no)
| | |
| INVITE | |
|--------------->| INVITE |
| 100 Trying |--------------->|
|<---------------| 100 Trying |
| |<---------------|
| | 180 Ringing |
| 180 Ringing |<---------------|
|<---------------| |
| | 200 Ok |
| 200 Ok |<---------------|
|<---------------| |
| ACK | |
|--------------->| ACK |
| |--------------->|
| RTP Media | RTP Media |
|<==============>|<==============>|
| BYE | |
|--------------->| BYE |
| |--------------->|
| | 200 Ok |
| 200 Ok |<---------------|
|<---------------| |
| | |
Chamada entre dois agentes SIP com intermediação de um gateway de media e uso de re-INVITE
O uso de re-invite possibilita que o fluxo de media seja estabelecido diretamente entre os agentes SIP, caso usem o mesmo codec. Assim, evita-se a carga de processamento envolvida na intermediação pelo gateway de media. Isso é feito com o envio pelo gateway de media (representado abaixo por um PBX IP) de um novo INVITE para cada agente SIP, após a sessão SIP estar estabelecida. Esse novo INVITE contém uma descrição de media (mensagem SDP embutida no corpo da mensagem INVITE) com a localização do outro agente SIP - isso é, seu endereço IP, port UDP para a stream RTP e codec a ser usado.
Fone 1 PBX IP Fone 2
(directmedia=yes)
| | |
| INVITE | |
|--------------->| INVITE |
| 100 Trying |--------------->|
|<---------------| 100 Trying |
| |<---------------|
| | 180 Ringing |
| 180 Ringing |<---------------|
|<---------------| |
| | 200 Ok |
| 200 Ok |<---------------|
|<---------------| |
| ACK | |
|--------------->| ACK |
| INVITE |--------------->|
|<---------------| INVITE |
| 200 OK |--------------->|
|--------------->| 200 OK |
| ACK |<---------------|
|--------------->| ACK |
| |<---------------|
| |
| RTP Media |
|<===============================>|
| BYE | |
|--------------->| BYE |
| |--------------->|
| | 200 Ok |
| 200 Ok |<---------------|
|<---------------| |
| | |
Atividade
O primeiro experimento com uma chamada VoIP envolve estabelecer uma chamada diretamente entre dois softphones. Cada par de alunos deve fazer o seguinte:
- Obter o arquivo de configuração do Netkit.
- Carregar o arquivo de configuração em File->Load
- Iniciar a rede
- Copiar os arquivos pjsua1.cfg e pjsua2.cfg para pc1 e pc2, respectivamente (use o subdiretório lab na máquina real, e /hostlab na máquina virtual)
- Em pc1 ou pc2 iniciar o wireshark com captura na interface eth0.
- Executar em pc1 e em pc2:
pjsua --config-file=pjsua.cfg - Em pc1, no menu do pjsua iniciar uma chamada. Para isso digite m seguido de ENTER, e depois digite 1 e ENTER.
- Observe as mensagens mostradas no wireshark.
- Após encerrar a chamada, analise mensagens SIP no wireshark (menu Telephony -> Voip Calls -> Graph)
- Disseque a sinalização SIP entre os softphones.
- Identifique como foi transportada a voz digitalizada.
Questões:
- Quem foram o UAC e UAS nesse experimento ?
- Quantas requisições SIP foram realizadas para uma chamada completa ?
- Quantas mensagens, transações, diálogos e chamadas foram realizadas ?
- Como a voz digitalizada foi transportada ? Foi usado algum protocolo em especial ?
- Qual o CODEC selecionado por cada parte? Onde isso foi feito ?
- Qual a lista de CODECS suportados?
SDP (Session Description Protocol)
Ao iniciar uma chamada com SIP, a negociação de midia a ser transmitida é especificada no corpo da mensagem INVITE. O formato da especificação é descrito pelo protocolo SDP (Session Description Protocol), contendo as seguintes informações:
- Endereço IP
- Perfil RTP (usualmente RTP/AVP)
- Número de port do protocolo de transporte (usualmente UDP)
- Tipo de midia (audio, video, e possivelmente outros)
- Esquema de codificação de midia (o tipo de codec a ser usado)
- Assunto da sessão (uma descrição)
- Horários de início e fim
- Identificação do contato da sessão
Assim como SIP, SDP codifica suas informações em texto simples. Uma mensagem SDP é composta por linhas de texto chamadas de campos, cujos nomes são abreviados por uma única letra. Os campos de uma mensagem SDP são:
Tabela de campos SDP
Um exemplo de mensagem SDP segue abaixo:
A descrição completa de cada campo, e os possíveis valores que ele pode assumir, pode ser lida nas referências (em especial, este capítulo de livro).
Atividade
- Usando o mesmo experimento do Netkit anterior, realize uma chamada e capture seus datagramas UDP com wireshark. Em particular, observe os corpos da mensagem SIP INVITE e de sua correspondente resposta 200 OK.
- Identifique os atributos das mensagens SDP contidas nos corpos dessas mensagens SIP
- Analisando essas mensagens SDP, informe o seguinte:
- endereços IP e port para fins de transmissão de midia entre participantes
- codecs que podem ser usados em cada direção
- o tipo de midia a ser transportada
- Realize uma chamada para uma das câmeras IP. Em seguida, faça a mesma análise do ítem 1.
Sinalização no VMS
O VMS deve apresentar o video obtido de uma câmera. O acesso à câmera se faz via SIP, o que implica duas necessidades imediatas:
- Preparar a câmera para que possa ser acessada com SIP
- Incorporar ao VMS a funcionalidade de sinalização com SIP
As câmeras IP com suporte a SIP disponíveis demandam um servidor SIP onde devem se registrar. O servidor SIP é uma entidade que assume um ou mais papéis, tais como:
- servidor de registro (registrar)
- proxy
- servidor de redirecionamento (redirect)
Num primeiro momento deseja-se implantar um cenário simplificado, em que o protótipo do VMS seja capaz de acessar uma câmera. O acesso ocorre em três partes:
- A câmera deve se registrar num Registrar SIP:
- O VMS inicia uma chamada para a câmera, a qual é intermediada por um proxy SIP:
- Se a chamada for estabelecida, a stream de video flui da câmera diretamente para o VMS:
A implantação desse cenário envolve primeiro associar a câmera a um servidor SIP. Em seguida, deve-se estender o protótipo do VMS para ser capaz de chamá-la.