SIP视频会议中服务器的研究与改进

何 娇，陈盛云

(昆明理工大学信息工程及自动化学院，云南 昆明 650500)

目前，国内外视频会议系统按控制信令可分为两种:基于H.323协议视频会议系统和基于SIP的视频会议系统。简单灵活的SIP协议不仅能够实现H.323的相关功能，而且由于其扩展性强、定位用户、支持用户移动性、会话建立的时延较短等，受到越来越多的开发者和用户的关注。当前网络技术的快速发展，传统固网、移动网、宽带互联网以及有线电视网的融合［1－2］，同时终端朝着智能化的方向发展，使得SIP已经被广泛地使用和支持，SIP也将逐渐取代H.323，成为下一代网络首选的信令控制协议。

在基于SIP视频会议中，SIP服务器［3－4］起着至关重要的作用。随着视频会议应用的增加、视频规模的扩大，SIP服务器负载在不断增加。SIP服务器的处理能力以及其稳定性、处理效率对视频会议的质量和会议的规模有着制约作用。因此，研究视频会议服务器，提高其稳定性、工作处理效率等对视频会议的研究和发展有着重要的意义。

1 SIP协议

1.1 SIP 协议背景

SIP协议是分组网络中用来处理语音和视频通信的会话控制信令，SIP用于发起、修改和终止一个或多个参与者之间的多媒体会话，如IP网络电话、视频会议等的会话。IETF工作组在1999年9月推出了基于IP网络的会话初始信令协议SIP(Session Initiation Protocol)的第一个版本 RFC2543［3］;2002年IETF发布了第二个版本RFC3261［4］;随后IETF推出了多个关于SIP的RFC文档，2006年2月推出的RFC4353［5］，其中给出一个集中式SIP会议系统原始框架。

1.2 SIP 消息

文献［4］中描述了SIP消息是基于文本的协议，采用UTF8进行编码。RFC3261定义的SIP消息的格式如下:

SIP消息=起始行(start－line)+消息头部(一个或者多个头部(header field))+CRLF(空行)+［消息体］(message body)

起始行=请求行/响应行

1)请求行:请求行中规定了6种方法(Method)(见表1)。

表1 SIP请求消息表

2)状态行:SIP 2.0版本中定义了6类响应消息，见表2。

表2 SIP响应消息表

文献［4］中介绍了SIP协议主要有以上6类请求/响应消息，除此之外根据实际的需要可以进行扩展和修改，如IETF工作组在RFC3265文档中对SIP消息进行了扩展，增加了如下消息:订阅/通知(SUBSCRIBE/NOTIFY)，此外在RFC2976中增加了信息(INFO)消息，这在视频会议中有着重要作用。

1.3 SIP 协议实体

SIP协议实体［2］可分为:SIP客户端和SIP服务器。文献［6］中对呼叫流程作了分析和说明，其SIP呼叫过程如图1所示。

图1 SIP呼叫流程图

1)SIP客户端是用于和用户交互的SIP实体，它包括一个用户代理客户端和一个用户代理服务器，主要完成发起呼叫和应答呼叫。

2)SIP服务器主要由3部分构成:SIP代理服务器PS(SIP Proxy Server)、注册服务器ReS(SIP Register Server)和重定向服务器RS(Redirect Server)等。此外根据需要可增加位置服务器。

(1)SIP PS，它为部分客户端“产生”请求报文，负责报文的路由转发。可在SIP PS上部署一些特定的本地策略，如通过代理服务器完成用户授权认证、计费等。

(2)SIP ReS，其只接收REGISTER请求报文，完成用户相关信息的注册。

(3)RS，接收SIP的请求消息，将被叫用户的SIP地址映射成0个地址或者多个地址，并且将结果返回给客户端。

2 视频会议框架

2.1 SIP视频会议系统模型

SIP视频会议系统有两种模型:紧耦合和松散耦合:在紧耦合会议中使用一个中心节点来对信令进行集中控制，而松散耦合会议中没有集中的SIP信令服务器。图2所示为紧耦合模式，包括集中混合模式、系统混合模式和信令集中、媒体流分布模式。图2中 A，B，C，D，E为终端，实线为SIP流，虚线为媒体流。

图2 信令集中、媒体流分布模式

在图2中，由一个SIP信令控制器来集中控制和管理会议中的所有用户，并维护所有终端用户间的信令交互与连接。媒体流则由与会终端各自分别进行处理。该模式利于会议的集中控制与管理，但在与会者数量增加、并发请求数量变大的情况下，信令控制器会成为整个会议系统的瓶颈，限制会议的规模。

2.2 SIP视频会议服务器

采用集中控制式，其视频会议服务器框架结构［4，6］如图3所示。该框架主要包括Participant(与会者)、Focus(会议控制中心)、Mixer(媒体混合服务器)、CNS(Conference Notification Server，会议通知服务器)等功能模块。其中，Focus主要控制会议的建立或退出、与会者加入或退出等，即对应SIP信令控制服务器的功能，集中处理会议中多个终端之间的信令交互，负责维护SIP会议终端间的SIP信令连接。Mixer媒体服务器，主要完成媒体混合与分发。Focus，CNS和Mixer构成会议服务器，完成视频会议的核心功能。文献［6－7］中给出了该模型中部分模块的功能的介绍。

图3 视频会议服务器框架

3 SIP会议服务器的改进

3.1 会议服务器的框架结构

图3中随着用户数量、会议规模的扩大、与会者并发请求的增加，Focus将成为整个视频会议系统的瓶颈，制约着视频会议的规模与质量。因此，对此框架进行了改进，其结构如图4所示，在此图中SIP服务器1、SIP服务器2至可扩展SIP服务器N，均处于可互连的IP网络中，且与数据库服务器相连。用户1和用户2等用户与SIP服务器1交互，用户5和其余用户与SIP服务器2交互，媒体服务器互通。SIP服务器可以选择配置较高的用户终端PC来搭建，这样可以充分利用客户端PC的处理能力，即构建“云计算”服务集群，来完成SIP服务器的功能，降低服务器的负载，增大视频会议的规模。

图4 视频会议服务器

3.2 SIP服务器的负载均衡

在图4中存在多个用户和SIP服务器，针对SIP服务器加以该进，采用负载均衡［8］的方法来提高系统的可靠性和动态自适应能力，扩大视频会议的规模。其方法如下:在数据库中建立和维护SIP服务器的实时服务状态表(见表3)，该表记录SIP服务器的地址、工作状态、负载率等，SIP服务器周期性地向数据库提交其信息。用户信息记录见表4。比如:用户(10001)向SIP服务器(192.168.0.10)发起呼叫请求时，服务器1状态为1，表示繁忙，负载较高大于70%，则查询数据库并向用户1返回较闲的服务器地址(192.168.0.11)，用户根据返回地址发起呼叫，即将该信令消息重定向到其他较闲的SIP服务器上进行处理。服务器192.168.0.11 修改用户信息(见表4)，将用户(10001)归属到 192.168.0.11，即修改服务器 IP，SIP服务器192.168.0.10 在线用户数量减1。

表3 服务器状态表

表4 用户信息表

3.3 SIP服务器的SIP消息分发

在SIP服务器中增加消息分发处理机制［9］，负责SIP消息的分类处理和分发，提高SIP服务器的处理效率，解决大量请求时的拥塞问题。具体做法如下:1)定义消息分发规则，根据用户的级别设置优先级，级别越高优先级越高;2)根据用户所属服务器的不同，分别分发到各自服务器进行处理;3)将消息分为不同类型分别由不同服务器处理，如查询类消息由SIP服务器1处理，会议成员周期更新消息由SIP服务器2处理;4)其余未分类消息由接到消息的服务器自身处理。这样可以根据实际的扩展和需要对消息进行分类，定义合适的分发机制，减轻服务器要处理大量请求的负担，提高系统的稳定性，增强系统服务器处理消息的效率。

4 结束语

本文通过对SIP协议、SIP服务器、SIP视频会议体系结构的分析和研究，对会议服务器框架进行了改进。此外，对SIP服务器进行了改进，设计并采用负载均衡方法和消息分发、优先处理机制等，提高了系统的会议规模，增强了SIP消息的处理效率和系统的并发处理能力，提高系统的稳定性。在下一步工作中，将对服务器作进一步的优化和改进，提高系统的安全性，对媒体服务器进行研究，以提高音视频的处理效率和音视频质量，最后提高系统的性能。

［1］仲元昌，林永，蔡增增，等.视频会议系统关键技术及应用研究［J］.电视技术，2010，34(6):93－96.

［2］杨高波，韩龙.视频会议系统综述［J］.电视技术，2004，28(9):60－63.

［3］RFC2543，SIP:Session Initiation Protocol［S］.1999.

［4］RFC3261，SIP:Session Initiation Protocol［S］.2002.

［5］RFC4353，A framework for conference with the session initiation protocol(SIP)［S］.2006.

［6］苏云涛.基于SIP的视频会议系统的设计与实现［D］.北京:北京邮电大学，2008.

［7］郭敦望.SIP视频会议服务器的设计与实现［D］.北京:北京邮电大学，2010.

［8］华中科技大学.基于分布式SIP构架的动态负载均衡的方法:中国，201110171741.2［P］.2011－09－28.

［9］烽火通信科技股份有限公司.会话初始化协议消息分发系统、装置和方法:中国，201110171741.2［P］.2011－09－28.