Session Initiation Protocol. Patrick Schorn Jürgen M. Schneider

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1 Session Initiation Protocol Patrick Schorn Jürgen M. Schneider 13. März 2008

2 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 3 1 Einleitung 4 2 Das Protokoll und dessen Funktionsweise Header-Format einer SIP-Nachricht Beispiel für SIP-Header: Beschreibung der Header-Felder: Vor- und Nachteile SIP-Architektur Die SIP-Architektur besteht aus folgenden Elementen: Verbindungsaufbau Proxy-Mode Redirect-Mode Mobile Anwendungsszenarien für das SIP-Protokoll Messenger mobil Eine Sitzung erweitern Ungebunden WTK SIP-Demo (Code-Beispiel) 15 A SIP-Provider 19 A.1 SIP-Provider für Privatkunden: A.2 SIP-Provider für Geschäftskunden:

3 Abbildungsverzeichnis 3.1 SIP - Infrastructur: Proxy - Mode Redirect - Mode IME Sitzung Portabel von PC zu Mobile Device SIP Telefonsitzung um Video erweitern Netz- und Locationungebundenheit Darstellung des SIP-Listeners, dieser wartet an Port 5070 auf eine Nachricht Darstellung des SIP Senders, in diesem wird die Ziel-Adresse wird die Zieladresse, der Kommunikationsport, ein Betreff sowie die zu übertragende Nachricht eingegeben

4 Kapitel 1 Einleitung Das Session Initiation Protocol 1 ist ein Netzprotokoll zum Aufbau, zur Steuerung und zum Abbau einer Kommunikationssitzung zwischen zwei und mehr Teilnehmer. Es wird sehr stark in der IP-Telefonie 2 eingesetzt. Definition Das Protokoll wird im RFC spezifiziert. Das Design des SIP ist an das Hypertext Transfer Protokoll 4 angelehnt, es verwendet eine ähnliche Header-Struktur ist aber nicht damit kompatibel. Es ist also Textbasiert und kann vom Menschen einfach gelesen werden. Zur schreibweise der Teilnehmeradressen wird das bereits von bekannte Format benutzt. SIP kann benutzt werden, um beliebige Sessions mit einem oder mehreren Teilnehmern aufzubauen und zu Verwalten. SIP dient lediglich dazu, die Kommunikation zu ermöglichen - die eigentlichen Daten für die Kommunikation müssen über andere, dafür geeignete Protokolle ausgetauscht werden. Hierzu werden das Session Description Protocol (SDP, RFC ) und das Realtime Transport Protocol (RTP, RFC ) eingesetzt. SDP dient dazu, die zwischen den Endpunkten zu verwendenden Codecs, Transportprotokolle, usw. auszuhandeln. Die Aufgabe von RTP ist es, den Multimedia-Datenstrom wie Audio, Video, Text, ganze Konferenzen, Computerspiele usw. zu transportieren - d.h. die Daten zu kodieren, zu paketieren und zu versenden. 1 Kurz: SIP 2 Kurzform für die Internet-Protokoll-Telefonie 3 siehe auch: 4 Kurz: HTTP 5 sieh: 6 4

5 Kapitel 2 Das Protokoll und dessen Funktionsweise SIP ist ein textbasiertes Protokoll und ist in seiner Header-Struktur dem HTTP-Protokoll nachempfunden. Zur Kommunikation ist eine Teilnehmeradresse nötig. Hierfür werden das -ähnliche URI-Format sowie ein weiterer in RFC 2806 beschriebener Adressmechanismus tel-uri "tel: "verwendet. Unterstützung findet SIP bereits in vielen Geräten diverser Hersteller und es scheint sich zum Standard-Protokoll für Voice over IP (VoIP) zu entwickeln. SIP wurde auch vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als Protokoll für Multimediaunterstützung im 3G-Mobilfunk (UMTS) ausgewählt. Auch die Spezifizierung des Next Generation Network (NGN) bei dem European Telecommunications Standards Institute (ETSI) Projektgruppe Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking (TISPAN) stützt sich auf SIP. 2.1 Header-Format einer SIP-Nachricht Wie schon in der Einleitung beschrieben ist das SIP ein Protokoll, welches dem http Protokoll ähnelt. Das Header-Format enthält folgende Informationen: Beispiel für SIP-Header: INVITE SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP :5060 From: To: Contact: Call-ID: CSeq: INVITE Content-Length: 150 Content-Type: application/sdp User-Agent: Mueller SoftPhone 5

6 2.1.2 Beschreibung der Header-Felder: Request Mittels INVITE wird die Verbindungsanfrage an den Server gestellt (beinhaltet SIP- Senderadresse) Via Hiermit wird die IP-Adresse, die Portnummer und das Transportprotokoll für die Rückantwort des Requests hinterlegt From SIP-Adresse des Senders To SIP-Adresse des Empfängers Contact Definiert die SIP-Adresse des Empfängers für eine direkte Kommunikation Call-ID Definiert eine Zufallszeichenkette als eindeutige Nummer für das Gespräch CSeq Definiert Sequenznummer Content-Length Definiert Länge der Nutzdaten (in Byte) Content-Type Definiert Format der Nutzdaten User Agent User Agent Name des Senders Neben dem Header besteht eine SIP-Nachricht natürlich auch noch aus den Nutzdaten, welche als Body bezeichnet werden. Im Body werden neben den eigentlichen Multimediadaten auch Eigenschaften wie die Samplerate der Audiodaten oder weitere verbindungsspezifische Parameter definiert. 6

7 2.2 Vor- und Nachteile Zu den großen Vorteilen von SIP gehört, dass es sich hierbei um einen offenen Standart handelt, der mittlerweile sehr weite Verbreitung gefunden hat. SIP-Server sind verteilt, so betrifft ein Angriff nur den jeweiligen Anbieter und nicht die gesamte über SIP vermittelte Telefonie. Bereits etablierte Sitzungen lassen sich modifizieren. Ein Nachteil von SIP ist, dass es zur Übertragung der Sprachdaten auf RTP zurückgreift. Die dafür verwendeten UDP-Ports werden dynamisch vergeben, was die Verwendung von SIP in Verbindung mit Firewalls oder Network Address Translation (NAT, RFC 2663) erschwert, da die meisten Firewalls bzw. NAT-Router die dynamisch vergebenen Ports nicht der Signalisierungsverbindung zuordnen können. 7

8 Kapitel 3 SIP-Architektur Die Architektur einer SIP Kommunikationslandschaft basiert auf einer Client Server Architektur. Abbildung 3.1: SIP - Infrastructur: 3.1 Die SIP-Architektur besteht aus folgenden Elementen: User-Agent Hierbei handelt es sich um einen SIP-Endpunkt, der z.b. ein SIP-Telefon oder ein SIP- Softphone sein kann. Dieser Endpunkt besitzt die Fähigkeit SIP-Nachrichten zu senden bzw. zu empfangen und diese zu verarbeiten. Somit ist der Agent das Bindeglied zwischen der analogen Sprachsignalwelt und der digitalen SIP-Welt. 8

9 Proxy Server Dieser Server ist für die Registrierung der einzelnen Agents zuständig. Zudem ist er die zentrale Kommunikationsschnittstelle bzw. Verwaltungseinheit der SIP-Architektur. Der Proxy Server nimmt die Anfragen der Agents auf und leitet diese an die entsprechenden Zielagents weiter. Redirect Server Dieser Server nimmt die Anfragen der Agents an und gibt dem anfragenden Agent die Zieladresse seiner Anfrage zurück. Der Agent kann somit eine direkte Anfrage an das gewünschte Verbindungsziel stellen. User-Agent Server/Location Server Dieser Server enthält Datenbanken, welche die genauen Standorte (Lokalisierungen) der einzelnen registrierten Agents und der Server beinhalten. Somit ist jeder Server und jeder Agent eindeutig lokalisierbar. Registrar Dieses Elemement ist meist direkt im Proxy bzw. Redirect Server integriert, denn dessen Aufgabe ist die Registrierung der User Agents. Gateway Dieses Element wird auch als Mediagateway bezeichnet, da es die Kommunikationsschnittstelle zwischen PSTN und IP-basierenden Netzwerk definiert. 9

10 Kapitel 4 Verbindungsaufbau Der Kommunikationsaufbau in einer SIP-Architektur kann über 2 Varianten realisiert werden. Hierbei wird zum Einen auf den Proxy-Mode und zum Anderen auf den Redirect- Mode zurückgegriffen.die Unterschiede zwischen diesen beiden Modi wird durch die folgenden Beispiele verdeutlicht. 4.1 Proxy-Mode Bei diesem Modus ist die zentrale Verwaltungs- und Verbindungseinheit der Proxy- Server. Dieser ist für die Verarbeitung der Anrufanfrage und die sich daraus ergebende Anrufvermittlung zuständig. Die folgende Abbildung veranschaulicht den Verbindungsaufbau im Proxy-Modus. Abbildung 4.1: 1. Proxy - Mode a - Agent 1 sendet mittels der gewählten Rufnummer eine Verbindungs- anfrage zum Agent 2 an den zuständigen Proxy-Server. Dies wird mittels eines INVITE realisiert. 10

11 b - Die ankommende Verbindungsanfrage wird vom Proxy-Server verarbeitet und an den Location Server für die Lokalisierung des Agent 2 weitergeleitet. c - Die sich in der Verbindungsanfrage befindliche Rufnummer wird vom Location Server mit dessen Datenbanken abgeglichen. Bei einer erfolgreichen Suche wird der zugeordnete Datensatz dieser Rufnummer an den Proxy-Server übermittelt. d - Mittels dieses Datensatzes besitzt der Proxy-Server alle nötigen Informationen, um eine Signalisierung mit der Verbindungsanfrage des Agent 1 an den Agent 2 zu senden. Somit kann der Agent 2 entscheiden, ob dieser die Verbindungsanfrage annimmt oder ablehnt. e - Agent 2 nimmt die Verbindungsanfrage an und signalisiert dies über den Proxy- Server an den Agent 1. f - Der Agent 1 nimmt die Signalisierung des Agent 2 auf und bestätigt diese. Damit wird die eigentliche Verbindung initialisiert. g - Die Verbindung wird zwischen Agent 1 und Agent 2 aufgebaut. h - Kommunikation/Datenaustausch 4.2 Redirect-Mode Bei diesem Verbindungsaufbau ist nicht der Proxy-Server, sondern der Redirect-Server die zentrale Verwaltungseinheit. Der Redirect-Server ist für die Übermittlung der Zieldaten an den Anfragensteller zuständig. Abbildung 4.2: 2. Redirect - Mode a - Agent 1 sendet mittels der gewählten Rufnummer eine Verbindungs- anfrage zum Agent 2 an den zuständigen Redirect-Server. Dies wird mittels eines INVITE realisiert. b - Die ankommende Verbindungsanfrage wird vom Redirect-Server verarbeitet und an den Location Server für die Lokalisierung des Agent 2 weitergeleitet. c - Die sich in der Verbindungsanfrage befindliche Rufnummer wird vom Location Server mit dessen Datenbanken abgeglichen. Bei einer erfolgreichen Suche wird der zugeordnete Datensatz dieser Rufnummer an den Redirect-Server übermittelt. 11

12 d - Der Redirect-Server leitet jetzt nicht, wie beim Proxy-Mode, die Verbindungsanfrage an den Agent 2 weiter, sondern stellt dem Agent 1 alle benötigten Informationen für eine direkte Verbindung zum Agent 2 zur Verfügung e - Der Agent 1 bestätigt dem Redirect-Server den Erhalt der Informationen. Ab diesem Zeitpunkt ist der Redirect-Server außen vor und hat mit der Kommunikation zwischen Agent 1 und Agent 2 nichts mehr zu tun. f - Der Agent 1 stellt nun direkt einen Verbindungsanfrage an Agent 2. Diese Anfrage kann von Agent 2 angenommen, aber auch abgelehnt werden. g - Die Verbindungsanfrage wird hier im Beispiel positiv vom Agent 2 beantwortet und an den Agent 1 übermittelt. h - Der Agent 1 bestätigt die positive Antwort. i - Verbindung wird zwischen Agent 1 und Agent 2 aufgebaut. j - Kommunikation/Datenaustausch 12

13 Kapitel 5 Mobile Anwendungsszenarien für das SIP-Protokoll Interessant ist die Nutzung von SIP-Anwendungen vor allem im mobilen Bereich und um eine maximale Mobilität zu erreichen. 5.1 Messenger mobil Denkbar ist zum Beispiel ein Szenario in dem der Anwender auf einem PC eine Chatoder Messenger-Sitzung mit Hilfe von SIP führt. Ein Termin zwingt ihn jedoch dazu seinen Arbeitsplatz zu verlassen. Um die Chatsitzung nicht unterbrechen zu müssen, meldet er sich mit seinem portablen PocketPC an und übernimmt die Chatsitzung ohne diese dafür unterbrechen zu müssen. Nach der Rückkehr an seinen Arbeitsplatz übernimmt er die SIP-Sitzung wieder auf den PC. Abbildung 5.1: IME Sitzung Portabel von PC zu Mobile Device 13

14 5.2 Eine Sitzung erweitern Im Laufe einer SIP-Sitzung kann diese auch modifiziert werden. Als Beispiel dient hierbei die Kommunikation über zwei Mobiltelefone. Angenommen Teilnehmer 1 möchte nun Teilnehmer 2 zusätzlich zum Gespräch noch Videodaten zukommen lassen, bzw. aus der Audiositzung eine Videositzung starten. Auch dies ist mit Hilfe des SIP- Protokolls ohne Unterbrechung der Verbindung möglich. Abbildung 5.2: SIP Telefonsitzung um Video erweitern 5.3 Ungebunden Eine SIP-Verbindung ist örtlich nicht gebunden und gibt dem Anwender auch die Möglichkeit, die der Verbindung zu Grunde liegende Netzwerkverbindung zu wechseln. So ist es zum Beispiel möglich eine über WLAN gestartete SIP-Sitzung auf UMTS fortzusetzen. Ein, im Heimnetzwerk begonnenes, kostenloses VoIP-Gespräch, kann dann auch unterwegs fortgeführt werden ohne das Gespräch unterbrechen zu müssen. Abbildung 5.3: Netz- und Locationungebundenheit 14

15 Kapitel 6 WTK SIP-Demo (Code-Beispiel) Im WTK (Wireless Toolkit 1 ) der Firma Sun ist ein SIP-Demo Implementiert. Hier wird die Arbeitsweise des Protokolls noch einmal in einer einfachen Aufgabe wie zum Beispiel der Übertragung von Textnachrichten demonstriert. Abbildung 6.1: Darstellung des SIP-Listeners, dieser wartet an Port 5070 auf eine Nachricht. Einfaches Code-Beispiel des SIP-Receive-Threads: Dieser wartet am angegebenen Port auf eine Nachricht, liest diese und gibt von sich aus ein OK an den Sender zurück. /** Receive Message Thread */ 1 In der Version

16 Abbildung 6.2: Darstellung des SIP Senders, in diesem wird die Ziel-Adresse wird die Zieladresse, der Kommunikationsport, ein Betreff sowie die zu übertragende Nachricht eingegeben. 16

17 class ReceiveThread extends Thread { private byte[] buffer = new byte[0xff]; public void run() { try { scn = (SipConnectionNotifier)Connector.open("sip:" + portreceive); form.append("listening at " + portreceive + "..."); // block and wait for incoming request. // SipServerConnection is established and returned // when a new request is received. ssc = scn.acceptandopen(); if (ssc.getmethod().equals("message")) { String contenttype = ssc.getheader("content-type"); if ((contenttype!= null) && contenttype.equals("text/plain")) { InputStream is = ssc.opencontentinputstream(); int bytesread; String msg = new String(""); while ((bytesread = is.read(buffer))!= -1) { msg += new String(buffer, 0, bytesread); form.append("\n...message Received\n"); form.append("subject: \"" + ssc.getheader("subject") + "\"\n"); form.append("body: \"" + msg + "\"\n\n"); // initialize SIP 200 OK and send it back ssc.initresponse(200); ssc.send(); form.append("response sent...\n"); ssc.close(); catch (Exception ex) { // IOException // InterruptedIOException // SecurityException // SipException form.append("midlet: exception " + ex.getmessage()); ex.printstacktrace(); Einfaches Code-Beispiel des SIP-Send-Threads: diese sendet die Ziel-Adresse über den angegebenen Port und wartet selbst auf das OK von Empfänger. /** Send Message Thread */ 17

18 class SendThread extends Thread implements SipClientConnectionListener { private int rectimeout = 0; // do not wait, just poll public void notifyresponse(sipclientconnection sc) { try { sc.receive(rectimeout); form.append("response received: " + sc.getstatuscode() + " " + sc.getreasonphrase()); sc.close(); catch (Exception ex) { form.append("midlet: exception " + ex.getmessage()); ex.printstacktrace(); public void run() { try { sc = (SipClientConnection)Connector.open("sip:" + sipaddress + ":" + portsend) sc.setlistener(this); sc.initrequest("message", null); sc.setheader("from", "sip:" + sipaddress); sc.setheader("subject", msgsubject); sc.setheader("content-type", "text/plain"); sc.setheader("content-length", Integer.toString(message.length())); OutputStream os = sc.opencontentoutputstream(); os.write(message.getbytes()); os.close(); // close the stream and send the message form.deleteall(); form.removecommand(sendcommand); form.append("message sent...\n"); catch (IllegalArgumentException iae) { Alert alert = new Alert("Error"); alert.settype(alerttype.error); alert.settimeout(3000); // display the alert for 3 secs alert.setstring("some of the submitted data is invalid.\n" + "Please enter valid information."); display.setcurrent(alert); catch (Exception ex) { form.append("midlet: exception " + ex.getmessage()); ex.printstacktrace(); 18

19 Anhang A SIP-Provider Ein SIP-Provider ist umgangsprachlich ein Service-Provider, bzw. Diensteanbieter, für einen Voice over IP Dienst. In der Regel erhält man bei einem SIP-Provider einen SIP-Account und eine oder mehr Rufnummern aus einen Ortsbereich. Mit diesem SIP-Account registriert sich ein SIP-Telefon, -Client oder -Adapter bei dem SIP-Proxy eines Anbieters. Somit ist dieses SIP-Endgerät dann unter der vergebenen Rufnummer erreichbar und es kann auch abgehend telefoniert werden. Bei SIP-Providern kann zwischen First-Line und Second-Line Telefonie unterschieden werden. Die First-Line Telefonie soll einen herkömmlichen Festnetzanschluss komplett ersetzen, während die Second-Line Telefonie eher als Zusatz zum bereits existierenden Telefonanschluss gesehen werden kann. Skype entspricht eher der Second- Line Telefonie, während sipgate schon als vollständiger Ersatz eines klassischen Telefonanschlusses gesehen werden kann. Des Weiteren bieten einige SIP-Provider neben einen SIP-Account auch einen SIP- Trunk an, über den ganze Telefonanlagen angeschlossen werden können. Bei einem SIP-Trunk wird ein kompletter Rufnummernblock mit Hilfe von SIP übertragen. Vor allem für Geschäftskunden und potenzielle Reseller sind Anbieter für SIP-Trunks interessant. Mittlerweile existieren eine Vielzahl von SIP-Anbietern auf dem Markt, die größtenteils jedoch nur Reseller oder Zweitmarken sind. Auch qualitativ gibt es sehr große Unterschiede. A.1 SIP-Provider für Privatkunden: 1und1 Nikotel Purtel Sipgate Freenet bellshare dus.net voipblue 19

20 A.2 SIP-Provider für Geschäftskunden: HL komm dus.net toplink nikotel 20

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