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1 使用 SIP 協定於隨意式網路架構下之雙向按即說機制 Using SIP Protocol for Bi-directional Push-to-Talk Mechanism over Ad-Hoc Network 邱仕益朝陽科技大學網路與通訊研究所 張林煌朝陽科技大學網路與通訊研究所 Abstract 在通訊科技發達的今日, 隨著技術的進步及電信業者的推波助瀾之下, 使得人們隨處都可以使用行動設備, 而電信業者也無不互相競爭, 推出許多便民的服務, 其中, 按即說機制 (PoC, Push-to-talk over cellular) 更是大家廣為使用的技術 再者, 網際網路廣為應用, 網路頻寬與品質的提高, 加速了應用層面之推廣, 而 VoIP 更是為人們愈來愈廣範的使用, 在本篇論文中, 透過 IETF 所制定之 SIP 標準, 我們將針對隨意式網路 (Ad hoc) 之環境下, 使用虛擬 SIP 伺服器 (Pseudo SIP server) 之概念, 並且有別於一般電信業者的按即說系統, 我們在分封交換網路中提出雙向按即說機制, 使得使用者能夠任意加入及離開單一或多群組, 無需事先的撥號, 只需按下按鈕則可與群組內的使用者互相溝通 透過這樣的環境及機制建構, 大大提高了語音的便利性, 在軍事 救災 等環境提供了完整的即時語音解決方案 關鍵字 :PoC, VoIP, Pseudo SIP server, Push-to-Talk, bi-directional, Ad-hoc 1. 簡介 隨著現在政府對電信業的開放, 在近幾年來, 其電信產業蓬勃發展, 從早期的第二代行動通訊 (2G) 到現在大家廣為使用的 2.5G 行動通訊, 進而到目前新推出, 強調行動即時影音的 3G 行動通訊服務 電信業者無不相互競爭, 提供高覆蓋率及多元化的服務, 盡其所能博得消費者的青睞 而在功能面部份, 除了一般最常見的通話及簡訊功能之外, 另外車輛道路救援 字典服務及 GPRS 功能等, 慢慢的已變成行動設備 (Cellular Phone) 必備的功能, 而在 2004 年由各電信大廠所制定的按即說機制 (PoC, Push-to-Talk over Cellular)[1], 更為大眾常用的功能之一, 成為通信設備不可或缺的機制 按即說機制原出自於無線電的概念, 在使用無線電之前, 必需先將同一群組內的成員所使用的無線電通訊器材調整至同一頻道 (Channel), 當使用者按下發話鈕時, 在無線電有效範圍內, 都會接收到該使用者發 出的聲音, 為半雙工 (half-duplex) 之架構 而在按即說機制中, 有別於無線電通訊, 必須先將同一群組的使用者加以註冊, 透過 GPRS 封包交換訊息, 達到語音通訊, 與傳統無線電最大的差別在於無需調整使用頻道, 即不會有共用頻道或是頻道干擾的問題, 而全雙工之架構亦有別於無線半雙工架構之先天性限制 有別於電信業, 網際網路 (Internet) 近年來的發展更是一日千里, 其應用更是不勝枚舉, 從最早期的全球資訊網 (WWW, World Wide Web) 服務, 到今日著重於網路影音的高品質傳輸, 讓我們環繞在方便與高速的網路生活中, 進而衍伸出將傳統的服務實現於分封交換網路中的想法, 而 VoIP 則是其中一項被重視且討論廣泛的議題 要在網際網路環境下達到 VoIP 的傳輸, 最為重要的一環則為信令 (Signaling) 交換的部份,IETF 在 2002 年提出 SIP (Session Initiation Protocol)[10], 無非是要解決語音傳輸時的信令交換, 其中明定了語音串流如何起始 (Initial) 修改 (Modify) 與終止 (Terminal),SIP 能夠邀請 (Invite) 一個單播 (Unicast) 或群播 (Multicast) 的會議, 受邀者可以是欲通話的人或某台機器, 如媒體儲存設備 有別於早期的 H.323[5] 協定,SIP 提供了簡單及可塑性, 提供在現在的基礎建設 (Infrastructure) 網路架構下, 結合 RTP 及 RTCP, 達到即時語音之傳遞 本研究主要探討無基礎建設 (Non-Infrastructure) 的網路環境底下, 利用隨意式網路 (Ad Hoc) 之架構, 結合虛擬 SIP 伺服器 (Pseudo SIP server)[12] 的機制, 提出使用在分封交換 (Packet switching) 網路上之按即說功能, 使得使用者能夠任意的加入或離開單一群組或者是多重群組, 有別於電信業者同時間單向的按即說, 能夠雙方 (bi-directional) 同時傳送語音資料, 提高了即時語音的便利性, 在軍事 救災 等無基礎建設的網路環境下, 提供了即時語音的解決方案 在本篇論文中, 其餘章節分為六節, 第二節主要針對我們的研究背景做一說明 ; 第三節對於一些相關的研究做一探討 ; 緊接著第四節及第五節為系統架構及系統功能與分析 ; 最後則為我們的結論及參考文獻等

2 2. 研究背景 2.1 網路語音電話 (VoIP) 隨著目前網路技術的發展快速, 以往之網路頻寬只允許用來傳送文字或是圖片, 到目前網路品質與速度提升, 擁有足夠的網際網路頻寬傳送即時的聲音或影像 因此, 在目前網路頻寬足以負荷語音資料情況下, 將傳統電信業者所提供的電話服務, 利用網際網路技術達成, 逐漸變成一種新的嘗試 在過去的 VoIP 所使用之協定是 H.323, 但因 H.323 設計上為一種多媒體廣泛協定, 其企圖想包含所有通訊 圖像 視訊協定等, 結果造成了大量不實用封包浪費, 使得 H.323 無法大量推廣 而近幾年來 VoIP 由於一個新興的應用層 (Application Layer) 控制訊號協定, 所以又被廣泛討論, 由 IETF 於 2002 年提出 SIP 協定用於多媒體 Session 的建立 修改及終止 因 SIP 為一 Session 發起時的初始化協定, 在協定初始化後, 傳遞影音或文字等資料還需與其它協定結合, 例如與 RTP(Real-time transport Protocol) 協定結合可以傳送即時的資料及提供品質服務 (QoS); 與 RTSP(Real-time Streaming Protocol) 結合可以用來控制多媒體語音的派送及透過 SDP(Session Description Protocol) 可以用來描述多媒體的串流, 實現一個完整的多媒體通訊 然而在近幾年來, 許多 SIP 相關的應用陸續制定, 主要著重於如何更有效的達到即時語音的傳輸及其功能的增進, 其中如即時語音會談 [6] 即是 IETF 在近期制定的重點之一 在本篇論文中, 提出在無基礎建設下的按即說機制, 能夠以更簡單及方便的方式解決即時語音的傳遞 2.2 隨意網路語音系統 在網際網路的環境中, 利用分封交換的方式, 使用者透過網路上已設置的伺服器, 可以將訊息發送到目的端之網路設備, 完成訊息傳遞 SIP 亦是如此, 無論是 SIP 之註冊訊息或是初始多媒體影音前之訊息交換, 都需要透過 SIP 伺服器處理與轉送 但針對特殊之網路, 一個無基礎建設的網路環境, 稱之為隨意網路 (Ad-Hoc), 行動隨意網路 (MANET, Mobile Ad Hoc Network) 的概念, 近年來被引伸至許多應用場合, 如戰場 災後重建 臨時的會議中心 等 若能在這些臨時性或是緊急事故所建設的隨意網路環境中, 提供網路語音之服務, 必定能為該隨意網路使用者提供便利性 然而現有主要網路語音電話之協定, 如會談起始協定 (SIP, Session Initiation Protocol), 採用主從式架構作為系統主軸, 使用者必須仰賴事先建立之伺服器才可進行語音通話, 對於隨意網路環境要進行網路語音通話, 則必需仰賴一整和性的語音服務架構, 針對特殊的環境加以制定 若要在隨意網路的環境下, 實現使用者及服務探索機制並不容易, 在近幾年的研究中, 也慢慢的獲得重視, 像是透過修改 SIP 協定 [8] 或是服務探索機制 [9] 等, 但是相對的, 都有著與其它用 SIP 所制定之 UA(User Agent) 有不相容的情形 所以本篇採用我們先前所提出之虛擬 SIP 伺服器 [12] 方式, 先行達到使用者及服務的探索, 方便我們所提出之按即說機制, 在隨意網路上能夠快速且正確的找到使用者 3. 文獻探討 電腦科技的進步使得人們對於多媒體即時訊息的需求日與劇增, 在本節中, 將針對目前國內外幾位學者先前所提出之按即說機制做一探討, 並對於我們先前所提出的虛擬伺服器做一介紹 3.1 使用 Ad hoc 繞路演算法 在 Ad hoc 中使用按即說機制, 若能利用現在 Ad hoc 網路環境中已制定的繞路機制, 應為較可行之方法 A. Hafslund[4] 等學者提出一個在 Ad hoc 的網路環境下, 利用 Ad hoc 現在的 OLSR(Optimized Link State Routing) 的繞路機制, 以實做的方式實現按即說機制 利用 OLSR 繞路機制之好處在於此繞路協定加入的群組的概念, 能夠自行選出該群組中的 MPRs( Multi-Point relay), 不但能為行動裝置減少訊息交換之時間及電力損耗, 亦提供了按即說之群組功能 而在聲音的控制方面, 使用了群播機制, 並且利用自行制定的控制封包, 通知即時語音開始及結束, 藉此協調語音封包 該研究最後使用實測的方式, 針對於不同的封包大小與不同的跳躍節點 (Hop count) 做一比較, 但在這項研究尚存在幾個缺點 首先, 雖然有實作測試環境 (Test bed), 但是傳送語音封包時, 是用封包產生器 (Packet generator) 取代即時的語音封包, 與現實情形較不相符 另外, 尤於目前在網路語音電話方面, 採用的是 SIP 標準, 而此研究並非採用 SIP 標準, 若要整合於目前之語音電話系統, 必定會產生不相容的情況 3.2 使用 RTP 之時間戳 (Time Stamp) 機制 C. Gan[3] 等學者提出另一種按即說之機制, 在隨意網路上, 利用 RTP 的時間戳以及緩衝區之相互協調, 利用廣播的方式, 傳送即時語音, 達到按即說之功能 此機制在發送語音訊息的節點涵蓋範圍內傳送語音資料, 當使用者按下發送鈕時, 先傳送請求封包, 取得一段傳輸的時間, 在取得傳送的傳送時間後, 將該機器的時間加入 RTP 的 Time Stamp 欄位, 把封包廣播到涵蓋範圍中的其它節點, 而在其它節點中的緩衝區內, 將傳來的封包做一判斷, 依照時間戳的先後順序播放

3 在此一研究中, 成功的利用 RTP 中 Time Stamp 的欄位, 達到按即說的機制, 但除了與上敘相同的 SIP 整合問題存在之外, 再者, 就是無法達到同時雙向的即時語音服務, 亦無將使用者區分群組, 意即每位使用者皆會在發話端涵蓋範圍內收到廣播之即時語音訊息 3.3 虛擬 SIP 伺服器機制 在隨意網路的環境中, 如何實現 VoIP 的應用愈來愈受到重視, 但最大的問題還是在如何達到使用者及服務探索之機制, 然而, 類似的應用已在近幾年來被廣為的討論 [8][9], 而如何達到在不修改 SIP UA 的情況下, 使得網路語音電話在隨意網路下能夠互通, 並且達成全 SIP(All SIP) 的網路語音環境, 是我們一直努力的目標 而 L. Chang 等學者提出虛擬 SIP 伺服器 [12], 主要應用在隨意式網路環境中, 提供使用者及資源探索機制, 透過服務之訂閱 (Subscribe) 及狀態通知 (state presence) 機制, 達到資源及使用者之探索 其進行之方式可分為兩階, 在使用者探索階段, 虛擬 SIP 伺服器將透過利用群播 (multicast) 之方式, 利用 REGISTER 指令發送遠端使用者探索訊息, 用以通知使用者之存在與探索現有存在現行網路環境上之其餘使用者 然而若其他使用者收到此一訊息後, 將會採用單播 (unicast) 之方式, 採用相同之訊息格式, 回傳其自身之訊息給與發送端, 即可建立使用者存在列表, 如此達到使用者探索之目的 而在建立通話部份, 則與一般 SIP 代理伺服器無異, 透過 Invite 之方法, 達到即時語音對談 而本論文延續我們所提出之虛擬 SIP 伺服器架構, 利用其使用者探索階段得到隨意網路下之使用者資訊, 應用在本篇論文中所提出之按即說機制中, 詳細系統架構將於下節中探討 4. 系統架構 SIP UA VoIP PTT Pseudo SIP server IPv6 圖一 系統架構圖 其中 PTT 與 SIP UA 為同一層, 主要提供網路語音服務介面, 負責與虛擬伺服器與應用層之間的溝通, 並將使用者輸入的資訊提供給虛擬 SIP 伺服器 而在虛擬 SIP 伺服器方面, 主要負責服務探索之機制, 並將其探索到的使用者資訊回報給 Push-to-talk 此外, 在底層則是採用了 IPv6 協定, 除了 IPv6 提供廣大的位址之外, 我們利用 IPv6 自動定址之特性 (self-addressing), 使得在隨意網路環境底下, 使用者並不用手動設定位址 4.2 虛擬 SIP 伺服器 因隨意網路中之使用者可以任意移動, 為得到使用者之資訊, 在我們所提出之按即說系統中, 我們採用先前所提出之虛擬 SIP 伺服器架構, 透過虛擬 SIP 伺服器此層中介層 (Middle-ware) 之間相互註冊 (Register) 訂閱 (Subscribe) 及通知 (Notify) 機制, 便可獲得在隨意網路環境中使用者之資訊 User Agent User 1 Pseudo SIP Server Register Register User 2 User N 綜合以上各學者相關的研究, 尚有群組化及雙向對談等問題還未解決 因此, 在本論文中, 提出按即說機制, 利用所取得之 URI 位置, 整合 URI-List[2] 的方法, 並在 RTP 語音封包中加入群組識別資訊, 有別於目前電信網路上的按即說機制, 實現雙向的即時語音對談服務, 在分封交換的網路環境上, 提供使用者更方便有效的功能 在下面兩小節, 將對於我們所提出的按即說之設計架構與我們先前所提出虛擬 SIP 伺服器做一探討 Discovery and Presence phase Subscribe... Notify 4.1 設計架構 圖一為我們的系統架構圖, 其中包含四個部份 : 第一部份 VoIP Application 第二部份 User Agent 與 Push-to-talk(PTT) 第三部份 Pseudo SIP server 第四部份 IPv6 圖二 虛擬 SIP 伺服器流程圖 如圖二所示, 首先, 虛擬 SIP 伺服器先對於在隨意網路中其它的虛擬 SIP 伺服器相互註冊, 緊接著再互相訂閱彼此的訊息, 如果存在狀態 (presence state) 有改變時, 則 Notify 方法通知其它有訂閱此資訊之使用者

4 5. 系統功能與分析 在本論文中, 採用 IETF 所提出之標準 SIP 協定, 搭配採用 SIP 協定所制定之 Instance-ID[7] 及 URL-list 等延伸方法, 提出在隨意網路之環境下按即說機制, 使用於即時語音訊息之傳遞 在以下章節, 先對於我們的按即說機制做一說明, 再將本系統中所使用到的 Instance-ID URI-List 及 RTP 之延伸表格做一描述 5.1 按即說機制 有別於一般電信業者之網路環境, 隨意式網路環境為一無基礎建設網路環境, 除了移植原本電信業者之 PoC 機制, 更為重要的則是解決群組及語音識別的問題 圖三為我們所提出按即說機制之流程圖, 其中可以分為三個階段, 分別為註冊 (Subscribe) 階段 按即說 (Push-to-talk) 階段及取消註冊 (de-subscription); 首先在註冊階段時, 按即說使用者必需先產生一 Instance-ID 向虛擬 SIP 伺服器註冊, 在虛擬 SIP 伺服器回應 的訊息後, 再將 Instance-ID 廣播至隨意網路中之其它使用者, 如此, 則得到在按即說機制中, 欲建立群組的唯一識別碼, 使用者再利用 SIP 之 Subscribe 方法, 將此 Instance-ID 夾帶在 Contact 欄位中, 其中並夾帶 URI-List 的方法, 送往使用者欲邀請的其它使用者, 在等待使用者回應之後, 此群組則建立完成 用 RTP 的封包, 使用 RTP 的延伸表頭 (Extension header), 將其夾帶在延伸表頭中, 在目的端收到此封包時, 按即說機制則會識別此一封包是否為已註冊群組之封包, 決定是否該把即時語音播出, 若識別為已註冊之群組, 則將即時語音播出, 否則, 將其封包丟棄 其中, 與文獻探討的第二小節最大不同在於我們無須要求一段傳送的時間, 在我們的機制中, 只識別在 RTP 封包是否為該群組所發出的訊息, 也就是說, 使用者能夠同時的傳送及接收封包, 俱有雙向即時語音溝通之功能 最後, 在取消註冊階段, 使用者可以任意的離開已加入的群組, 在送出取消註冊之後, 即可離開此一群組 因隨意網路為一個不固定的網路環境, 使用者皆會有移動性, 所以為避免發生群組內使用者突然離線的情形, 必需定期跟虛擬 SIP 伺服器更新使用者資訊 5.2 Instance-ID 在按即說系統中, 其中一項重要機制即是群組化, 意即按即說系統必須能夠識別是否為群組內發出的即時語音訊息 INVITE sip:[ff02::e%wi0]:8060 SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP [fe80::2e0:81ff:fe2e:c643%wi0]:8060 From: To: sip:[ff02::e%wi0]:8060;tag=e882ad Call-Id: CSeq: 1 REGISTER Content-Length: 0 Contact: reg-id=1;+sip.instance="<urn:uuid: a95 A0E128>" Subscribe Phase PTT Phase PTT 1 User 1 Register Instance-ID Pseudo SIP Server Subscribe Subscribe PTT voice translation User 2 Broadcast Instance-ID Subscribe User N 圖四 Instance-ID 訊息範例 Instance-ID 方法原本使用於 NAT 或防火牆之穿越, 利用 Contact 中夾帶一組識別碼, 向伺服器註冊後則由 SIP 伺服器維護與 VoIP UA 之間的關係, 取代原本 VoIP 在穿越 NAT 或防火牆所使用 STUN[11] 的方法 圖四為 SIP 的 INVITE 方法, 其中使用者資訊由虛擬 SIP 所提供, 首先我們利用 Instance-ID 之方法, 由按即說機制隨機產生出一組亂數, 夾帶於 SIP 之 Contact 欄位之後, 向虛擬 SIP 伺服器註冊, 等待伺服器回應後則通知隨意網路中按即說使用者, 選免使用重複的識別碼 Cancel subscribe phase de-subscription de-subscription de-subscription 圖三 系統流程圖 而在按即說階段, 利用註冊階段時所取得之 Instance-ID, 當使用者按下按即說之按鈕時, 將會利 5.3 URL-List 得到一群組識別碼後, 則可利用此識別碼註冊欲加入群組之使用者, 而在隨意網路環境中, 為減少過多的訊息傳遞而造成的傳輸效能低落, 我們利用 URI-List 的方式, 將欲加入的使用者置入 URI-List 中, 再將其 URI-List 夾帶於 Subscribe 方法中, 其夾帶之 URI-List 訊息如圖五所示

5 ..... <?xml version="1.0" encoding="utf-8"?> <resource-lists xmlns="urn:ietf:params:xml:ns:resource-lists" xmlns:cp="urn:ietf:params:xml:ns:capacity"> <list> <entry fe80::2e0:81ff:fe2e:c643%wi0]" cp:capacity="to" /> <entry cp:capacity="cc" /> <entry cp:capacity="bcc" /> </list> </resource-lists> 圖五 URI-List 訊息範例 其中 URI-List 則是採用 XML 之方式夾帶使用者資訊, 將其使用者 URI 置入 <list></list> 區間中, 當虛擬 SIP 伺服器收到此訊息時, 在解析後逐一向有興趣之使用者發出註冊邀請, 藉此減少不必要之訊息傳遞 5.4 RTP 延伸表頭 最後, 傳輸語音部份與 IETF 相同, 採用 RTP 之傳輸協定傳輸即時語音, 為識別即時語音之群組問題, 則將先前所得到之 Instance-ID 加入 RTP 之延伸表格, 如圖六所示 : Push-to-Talk_ID 40 PTT: A95A0E128 圖六 RTP 之延伸表頭 圖六為 RTP 之延伸表頭, 在傳送即時語音時, 則將 Instance-ID 置入此表頭, 在接收端收到此 RTP 封包時, 再解開延伸表頭即可解析出此即時語音訊息為何組群組所發出, 達到辨別即時語音播放與否之問題 在本論文中, 我們利用虛擬 SIP 伺服器的方法, 提出一按即說機制, 達到在隨意式網路中, 雙向即時語音傳遞機制的制定, 解決文獻探討中, 其按即說機制與 SIP 協定不相容之問題, 提供在隨意網路中傳遞即時語音訊息之方案 6. 結論 因電信產業的快速發展, 使得功能與品質都有普遍的提升, 就功能面而言, 按即說更是一個被廣為使用的功能 而雖然目前在網際網路上傳遞語音的應用非常普遍, 但如何更為方便的傳送即時語音, 是我們一直想要達成的目標, 尤其針對特殊的網路環境, 或是在無基礎網路建設的環境下, 如何更容易達成即時語音的交談, 是我們主要的研究議題 本篇論文中, 我們基於隨意網路的環境下, 引用虛擬伺服器的探索機制, 事先達到使用者之找尋, 再利用唯一的 URI 位址, 先行註冊與加入群組, 再將聲音加入識別位址, 如此即可達到即時語音的傳輸, 並且可以互相識別語音群組, 使得語音能夠在正確的使用者裝置上播放, 完成了在無基礎建設上, 方便的傳輸即時語音的機制 因為從不同群組傳來的即時語音識別並不容易, 在未來的研究方面, 將著重在如何識別從不同群組傳來即時語音資料, 以及將此機制做一完整的實作與效能分析, 預期能夠有一完整的即時語音解決方案 7. 誌謝 本計劃之執行承蒙 94 年電信國家型科技計畫 ( 計畫編號 :NSC E ) 經費補助, 特此致謝 8. Reference [1] Commeon, Ericsson, Motorola, Nokia, Siemens, Push-to-Talk over Cellular(PoC), PoC Release 2.0 Specification, May 2004 [2] G. Camarillo and A. Johnston, Conference Establishment Using Request-Contained Lists in the Session Initiation Protocol(SIP), draft-ietf-sipping-uri-list-conferencing-05(work in progress), February [3] C. Gan, Y. Lin and Y. Laio, Ad-hoc Based Push-to-Talk Service, Proceedings of Mobile Computing 2006, p , Feng Chia Univ., Tai-Chuang, Taiwan, Mar. 13, 2006 [4] A. Hafslund, T. Hoang; O. Kure, Push-to-talk applications in mobile ad hoc networks, Vehicular Technology Conference, vol. 4, pp , June [5] ITU, "Packet-based Multimedia Communications Systems," Technical Report ITU-T H.323, Version 3, International Telecommunication Union, [6] A. Johnston, O. Levin, Session Initiation Protocol Call Control Conferencing for User Agents, draft-ietf-sipping-cc-conferencing-07(work in progress), June [7] C. Jennings and R. Mahy, Managing Client Initiated Connections in the Session Initiation Protocol (SIP), draft-ietf-sip-outbound-02 (work in progress), March [8] H. Khlifi, A. Agarwal, J-C. Grégoire, "A Framework To Use SIP in Ad-Hoc Networks", Proceedings of IEEE 2003 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, pp May [9] S. Leggio, J. Manner, A. Hulkkonen, K. Raatikainen, "Session Initiation Protocol Deployment in Ad-Hoc Networks: A Decentralized Approach", Proceedings of the International Workshop on Wireless Ad-Hoc Networks (IWWAN2005), May 23-26, 2005, London, UK. [10] J. Rosenberg, H. Schulzrinne, G. Camarillo, A. Johnston, J. Peterson, R. Sparks, M. Handley, E. Schooler, " SIP: Session Initiation Protocol ", IETF Request for Comments 3261, June [11] J. Rosenberg, J. Weinberger, C. Huitema and R. Mahy, "STUN- Simple Traversal of User Datagram Protocol

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