SIP协议的分层TCPN建模

马晓娟

摘要：3G通信选择会话初始化协议SIP作为下一代的移动网络回话操控机制，在SIP协议[1]实际运行过程中迫切需要深入研究和解决的重要问题包括：确保协议在设计上无缺陷；运行过程稳定且具有高可靠性。TCPN在分析和描述具有较复杂时间约束和交互行为领域具有相当的优势，本文利用TCPN这一优势设计完成了SIP的分层TCPN模型。

关键词：会话初始化协议SIP；TCPN；建模；模型

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）25-0035-02

1 引言

第三代合作伙伴3GPP选择SIP协议作为第三代移动通信系统的IP多媒体子系统（IMS）心灵协议，是因其具有灵活、无缝和可扩展性，它将逐渐成为下一代网络NGN中关键控制协议之一。它可以满足多媒体通信与网络电话的要求，所以很多的通讯公司均先后研发出了支持SIP的服务产品与终端产品。为充分适应这些技术的发展，SIP协议需要进行进一步的完善与扩充，但是如果协议在设计环节出现任何问题都会给系统带来难以预料的影响，所以为保证协议的稳定性和安全性，应在早期开发时尽可能挖掘其隐蔽的问题并找出解决方案。

目前研究SIP协议主要涉及以下几方面：基于SIP的应用于服务[3]；SIP测试工具和方法；其他协议与SIP协同工作。因时间着色Petri网TCPN[2]在描述带有较复杂的交互动作和时间约束的系统过程中具有明显的优势，故本文以TCPN为模型分析工具进行SIP协议分层TCPN模型的构造，并在不同状态下实现分层建模。

2 SIP协议事务处理

SIP协议通过事务进行会话控制，其主要事务有INVITE、non_INVITE事务。INVITE事务完成会话的创建，non_INVITE事务则完成会话的保持与关闭。SIP端系统（User Agent，UA）是连接服务器从而发送服务请求的一种应用程序。因UA向服务器发送服务请求并接收来自服务器的响应，故一个UA有UAS（用户代理服务器）和UAC（用户代理客户端）两部分，这两部分就是SIP协议中的两个最关键的参与者，UAC创建呼叫请求，UAS接受呼叫给出响应。

在SIP的请求消息中，最常用的有INVITE、REGISTER、CANCEL和BYE。其响应消息有1xx、2xx、3xx、4xx、5xx、6xx6种。SIP的呼叫方式有3种：从UAC到UAS的直接呼叫、从UAC发出的重定向呼叫、代理服务器发起呼叫。本文主要针对应用最广的直接呼叫进行分层建模。

3 SIP协议TCPN分层建模

本文应用CPN Tools[4]进行INVITE事务的分层建模，并在不同的抽象层次上描述协议行为细化模型。这种方法在一个层次中描述协议细节，有利于优化或局部完善协议模型，也能有效把握模型规模，便于确认模型与分析协议性质。

SIP协议的TCPN分层模型中的10个模型页分别处于不同的层次，每页所描述的是对应抽象级别上的协议功能，低级别页作为高级别页的替代变迁子页。各层次模型页功能描述如下表1。各层内部模块细化是依据UAS与UAC在INVITE事务执行过程中具备的不同状态进行的，因在terminated状态下协议无行为，而仅表示终止事务，故没有单独描述此状态。

3.1 总体流程建模

SIP协议分层TCPN模型的top page（顶级页）如下图1所示，它总体描述了协议运行的网络拓扑，其中使用了2个替代变迁对NET、UAS和UAC在协议运行过程中的交互行为进行描述。UAC通过NET向UAS发送REQUEST型数据，UAS将RESPONSES型数据通过NET回传给UAC。

Client页用以描述UAC的行为，下图2所示为其页模型。图中的3个替代变迁对应的子页能够更加细致地描述处于不同状态的UAC端行为。库所Scene用以描述UAC的行为，变迁TransErr可以模拟协议在不同条件下出现传输层错误时所采取的处理方式。

3.2 网络层建模

下图3所示为NET页模型，描述的是由UAC到UAS的网络传输建模。库所Schannel_Em记录的是有多少个消息被成功地传送到了UAS端，其初值为0。库所CollectorCTS用以收集不可靠链路丢失的消息。变迁RCTS与CTOS用以模拟不可靠链路。不可靠链路的具体建模方式如表2所示。

通过上述时间类型、弧表达式及防卫表达式的应用，可模拟存在重复数据包、延迟、丢包的不可靠链路。若对其某些参数做适当的修改，便可动态调整其链路的可靠性，以此来真实地模拟不可靠链路。

3.3 具体行为建模

本文表1中的Sproceeding、Ccalling、Cproceeding等底层模型页描述UAS和UAC在不同状态下处理事件的过程，也就是对协议的具体行为建模。下文以UAC端处于Ccalling状态时的应答消息处理行为为例，阐述具体行为的模型描述方式。

下图4所示为UAC处于Ccalling状态时处理INVITE消息的模型，即Ccalling页模型。图中CallTimer表示UAC处于超时状态时消息的处理过程，CallResp表示UAC收到UAS应答时对消息的处理过程。库所TimerAorB用以控制A与B两个定时器的触发。融合库所cloneCs用队列存放UAC每次状态的变化，其队首为UAC的当前状态，Scenec记录UAC的当前状态和导致UAC变为此状态的事件。Message存放初始条件下从SIP协议上层收到的INVITE请求。Channel_Em用以记录当前是否收到UAS的应答，其初值为0。

当收到UAS会送的响应消息时，变迁CallResp被点火执行，即运行其对应的函数代码。此函数代码中sta与st均为SCENEC型变量，st是处理消息前UAC的状态，sta为处理消息后UAC的状态。Action部分调用函数call_resp（st，resp）完成UAC对不同类型响应消息的处理，该函数代码如下：

由上述代码可知，处理类型为r2xx的应答消息后UAC处于TERM状态，处理类型为r3xx的应答消息后处于COMP状态，处理类型为r1xx的应答消息后处于PROC状态。

4 总结

本文给出了SIP协议处理INVITE事务的TCPN分层模型，对该协议总体流程、网络层、UAS与UAC间的具体行为在不同模型层次上分别进行建模。该层次模型规模可控、功能划分直观、数据结构完备，为建模后期协议的验证与改进提供了较完善的模型基础。

参考文献：

[1] 姜秀玉，杨峰，崔再惠.SIP协议实现中消息解析的研究[J].计算机工程与设计，2010（7）.

[2] 何中阳，李鸥，杨白薇，等.基于TCPN的TCP协议形式化描述[J].计算机工程，2011（9）.

[3] 齐永欣.基于SIP的IMS视频通信方案研究与实现[D].北京邮电大学，2010.

[4] 付强，仲丛友.基于CPN Tools的港口集装箱物流系统建模与仿真研究[J].物流科技，2013（9）.