luk 收錄於 Tutorial

2025-01-15 約 1600 字預計閱讀 8 分鐘

📞 SIP 協定基礎

🎯 什麼是 SIP？

💡 比喻：電話系統的「撥號」協定

打電話分兩階段：
1. 撥號階段：輸入號碼、等待接通（SIP 負責這部分）
2. 通話階段：實際對話（RTP 負責傳輸語音）

SIP 就像電話的「訊號系統」，負責：
- 找到對方在哪裡
- 詢問對方能否接聽
- 建立通話連線
- 掛斷電話

SIP（Session Initiation Protocol） 是一種訊號協定,用於建立、修改和終止多媒體會話（語音、視訊通話）。

為什麼需要 SIP？

WebRTC vs SIP 的差異：

特性	WebRTC	SIP
定位	Web 即時通訊	電信級通話系統
訊號協定	未定義（自訂）	已定義（SIP）
主要應用	瀏覽器通話	VoIP、視訊會議
互通性	需要自訂	標準化（與電話系統互通）
典型場景	Google Meet、Zoom	Skype、電話系統、企業 PBX

WebRTC：瀏覽器內的通話
SIP：可以與傳統電話系統互通的 VoIP

範例：
- 用 Skype 打給手機號碼 → SIP
- 企業內部分機系統 → SIP
- Google Meet 網頁通話 → WebRTC

🏗️ SIP 架構

核心組件

┌─────────────────────────────────────────┐
│         SIP 系統架構                     │
└─────────────────────────────────────────┘

User Agent ←→ SIP Proxy ←→ Registrar
(客戶端)      (代理伺服器)   (註冊伺服器)

1️⃣ User Agent（使用者代理）

💡 比喻：你的電話機
你用它來打電話和接電話

分為兩部分：

UAC（User Agent Client）：發起呼叫
UAS（User Agent Server）：接收呼叫

Alice 打給 Bob：
- Alice 的 UAC 發送 INVITE
- Bob 的 UAS 接收 INVITE

範例（使用 JsSIP）：

// 建立 SIP User Agent
const socket = new JsSIP.WebSocketInterface('wss://sip.example.com');
const configuration = {
    sockets: [socket],
    uri: 'sip:alice@example.com',
    password: 'password123'
};

const ua = new JsSIP.UA(configuration);
ua.start();

// 發起呼叫（UAC）
const session = ua.call('sip:bob@example.com', {
    mediaConstraints: {
        audio: true,
        video: true
    }
});

// 接收呼叫（UAS）
ua.on('newRTCSession', (event) => {
    const session = event.session;

    if (session.direction === 'incoming') {
        console.log('來電：', session.remote_identity.uri);

        // 接聽
        session.answer({
            mediaConstraints: {
                audio: true,
                video: true
            }
        });
    }
});

2️⃣ SIP Proxy（代理伺服器）

💡 比喻：電話交換機
幫你轉接電話，但不參與通話內容

功能：

路由 SIP 訊息
身份驗證
負載平衡
防火牆穿透

Alice → Proxy → Bob

Alice 不需要知道 Bob 的真實 IP
Proxy 負責找到 Bob 並轉發請求

訊息流：

Alice                 Proxy                 Bob
  │                     │                     │
  ├─ INVITE ───────────>│                     │
  │                     ├─ INVITE ───────────>│
  │                     │<─ 180 Ringing ──────┤
  │<─ 180 Ringing ──────┤                     │
  │                     │<─ 200 OK ───────────┤
  │<─ 200 OK ───────────┤                     │
  ├─ ACK ──────────────────────────────────────>│
  │                     │                     │
  │<══════════ RTP 媒體流（直連）═══════════>│

Python SIP Proxy（使用 SIP Simple）：

from sipsimple.application import SIPApplication
from sipsimple.account import AccountManager
from sipsimple.configuration.settings import SIPSimpleSettings

class SimpleSIPProxy:
    def __init__(self):
        self.app = SIPApplication()

    def start(self):
        self.app.start(self)

        # 註冊路由規則
        settings = SIPSimpleSettings()
        settings.sip.transport_list = ['udp', 'tcp', 'tls']

        print("SIP Proxy 啟動於 5060 port")

    def route_request(self, request):
        """路由 SIP 請求"""
        destination = request.RURI.user  # 目標使用者
        # 查詢註冊表，找到目標位置
        target_uri = self.lookup_user(destination)

        if target_uri:
            # 轉發請求
            self.forward_request(request, target_uri)
        else:
            # 使用者不存在
            self.send_response(request, 404, "Not Found")

3️⃣ Registrar（註冊伺服器）

💡 比喻：電話簿
記錄「誰」的電話號碼是「哪個 IP」

功能： 儲存使用者的聯絡資訊（IP 位址、Port）

Alice 開機：
REGISTER sip:example.com
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>

Registrar 記錄：
alice@example.com → 192.168.1.100:5060

註冊流程：

Alice                           Registrar
  │                                 │
  ├─ REGISTER ─────────────────────>│
  │  To: alice@example.com          │
  │  Contact: 192.168.1.100:5060    │
  │                                 │
  │<─ 401 Unauthorized ──────────────┤
  │  (請先認證)                      │
  │                                 │
  ├─ REGISTER (含認證) ─────────────>│
  │  Authorization: Digest ...      │
  │                                 │
  │<─ 200 OK ────────────────────────┤
  │  (註冊成功，有效期 3600 秒)      │

JavaScript 註冊：

// 使用 JsSIP 註冊
const ua = new JsSIP.UA({
    uri: 'sip:alice@example.com',
    password: 'password123',
    ws_servers: 'wss://sip.example.com:8089/ws',
    register: true,  // 自動註冊
    register_expires: 3600  // 註冊有效期（秒）
});

ua.on('registered', () => {
    console.log('註冊成功');
});

ua.on('unregistered', () => {
    console.log('取消註冊');
});

ua.on('registrationFailed', (event) => {
    console.error('註冊失敗：', event.cause);
});

ua.start();

4️⃣ Redirect Server（重定向伺服器）

💡 比喻：查號台
告訴你正確的號碼，但不幫你轉接

Alice → Redirect Server

Alice: 我要找 Bob
Redirect: Bob 的新號碼是 sip:bob@newdomain.com（302 Moved）
Alice: 謝謝（重新撥打新號碼）

📨 SIP 訊息格式

SIP 訊息類型

SIP 訊息分為兩類：

Request（請求）：客戶端發送
Response（回應）：伺服器回應

Request（請求）格式

INVITE sip:bob@example.com SIP/2.0
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK776asdhds
Max-Forwards: 70
To: Bob <sip:bob@example.com>
From: Alice <sip:alice@example.com>;tag=1928301774
Call-ID: a84b4c76e66710@pc33.example.com
CSeq: 314159 INVITE
Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 142

v=0
o=alice 2890844526 2890844526 IN IP4 192.168.1.100
s=-
c=IN IP4 192.168.1.100
t=0 0
m=audio 49170 RTP/AVP 0
a=rtpmap:0 PCMU/8000

欄位說明：

Request-Line：INVITE sip:bob@example.com SIP/2.0
- Method：INVITE
- Request-URI：sip:bob@example.com
- SIP Version：SIP/2.0
Via：訊息經過的路徑
To：接收者
From：發送者
Call-ID：通話唯一識別碼
CSeq：命令序號
Contact：實際聯絡位址
Content-Type：訊息內容格式（通常是 SDP）

Response（回應）格式

SIP/2.0 200 OK
Via: SIP/2.0/UDP 192.168.1.100:5060;branch=z9hG4bK776asdhds
To: Bob <sip:bob@example.com>;tag=a6c85cf
From: Alice <sip:alice@example.com>;tag=1928301774
Call-ID: a84b4c76e66710@pc33.example.com
CSeq: 314159 INVITE
Contact: <sip:bob@192.168.1.200:5060>
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 131

v=0
o=bob 2890844730 2890844730 IN IP4 192.168.1.200
s=-
c=IN IP4 192.168.1.200
t=0 0
m=audio 38060 RTP/AVP 0
a=rtpmap:0 PCMU/8000

狀態碼類別：

1xx：臨時回應（100 Trying, 180 Ringing）
2xx：成功（200 OK）
3xx：重定向（302 Moved Temporarily）
4xx：客戶端錯誤（404 Not Found, 486 Busy Here）
5xx：伺服器錯誤（500 Server Internal Error）
6xx：全域失敗（603 Decline）

🔧 SIP 方法（Methods）

核心方法

💡 比喻：電話的操作按鍵
每個按鍵代表不同的功能

方法	功能	比喻
INVITE	建立會話	撥號 📞
ACK	確認	確認接通 ✅
BYE	結束會話	掛斷 📵
CANCEL	取消請求	取消撥號 ❌
REGISTER	註冊	登記號碼 📝
OPTIONS	查詢能力	詢問功能 ❓
INFO	傳送訊息	發送 DTMF 訊號
UPDATE	更新會話	切換喇叭/靜音 🔇

1️⃣ INVITE（建立會話）

// 發起語音通話
const session = ua.call('sip:bob@example.com', {
    mediaConstraints: { audio: true, video: false }
});

session.on('accepted', () => {
    console.log('通話已接通');
});

session.on('ended', () => {
    console.log('通話已結束');
});

session.on('failed', (event) => {
    console.error('通話失敗：', event.cause);
});

2️⃣ ACK（確認）

三次握手建立通話：

Alice                               Bob
  │                                  │
  ├─ INVITE ────────────────────────>│
  │                                  │
  │<─ 200 OK ─────────────────────────┤
  │                                  │
  ├─ ACK ───────────────────────────>│
  │                                  │
  │<═══════ RTP 媒體流 ══════════════>│

ACK 是自動發送的，不需要手動呼叫。

3️⃣ BYE（結束會話）

// 掛斷電話
session.terminate();

// 監聽對方掛斷
session.on('ended', (event) => {
    if (event.originator === 'remote') {
        console.log('對方已掛斷');
    } else {
        console.log('我方已掛斷');
    }
});

4️⃣ CANCEL（取消請求）

撥號中途取消：

Alice                               Bob
  │                                  │
  ├─ INVITE ────────────────────────>│
  │                                  │
  │<─ 180 Ringing ────────────────────┤
  │  (響鈴中)                        │
  ├─ CANCEL ────────────────────────>│
  │  (取消撥號)                      │
  │<─ 200 OK (for CANCEL) ────────────┤
  │                                  │
  │<─ 487 Request Terminated ─────────┤
  │  (INVITE 已終止)                 │
  ├─ ACK ───────────────────────────>│

// 取消撥號（響鈴時）
const session = ua.call('sip:bob@example.com', options);

// 在接通前取消
session.on('progress', () => {
    console.log('響鈴中...');

    // 5 秒後無人接聽，取消
    setTimeout(() => {
        session.terminate();  // 發送 CANCEL
    }, 5000);
});

5️⃣ REGISTER（註冊）

前面已介紹，用於註冊使用者位置。

6️⃣ OPTIONS（查詢能力）

查詢對方支援什麼功能：
- 支援視訊嗎？
- 支援即時訊息嗎？
- 支援哪些編碼器？

// 查詢伺服器能力
ua.request('OPTIONS', 'sip:example.com', {
    eventHandlers: {
        onSuccessResponse: (response) => {
            console.log('支援的方法：', response.getHeader('Allow'));
            console.log('支援的編碼：', response.getHeader('Accept'));
        }
    }
});

📡 SIP 與 SDP

💡 比喻：
SIP = 電話撥號（建立連線）
SDP = 通話參數（用什麼音質、解析度）

SIP 負責訊號，SDP 描述媒體參數。

SDP 範例

v=0
o=alice 2890844526 2890844526 IN IP4 192.168.1.100
s=Video Call
c=IN IP4 192.168.1.100
t=0 0
m=audio 49170 RTP/AVP 0 8
a=rtpmap:0 PCMU/8000
a=rtpmap:8 PCMA/8000
m=video 51372 RTP/AVP 99
a=rtpmap:99 H264/90000
a=fmtp:99 profile-level-id=42e01f

解析：

m=audio 49170 RTP/AVP 0 8
- 媒體類型：audio（音訊）
- Port：49170
- 協定：RTP/AVP
- Payload：0 (PCMU), 8 (PCMA)

m=video 51372 RTP/AVP 99
- 媒體類型：video（視訊）
- Port：51372
- Payload：99 (H.264)

在 SIP 中傳遞 SDP：

INVITE sip:bob@example.com SIP/2.0
...
Content-Type: application/sdp
Content-Length: 200

v=0
o=alice ...
m=audio 49170 RTP/AVP 0
m=video 51372 RTP/AVP 99

🎓 常見面試題

Q1：SIP 和 WebRTC 有什麼不同？

答案：

比喻：
SIP = 電信公司的電話系統（標準化、可互通）
WebRTC = 自己做的對講機（靈活、限於網頁）

特性	SIP	WebRTC
訊號協定	✅ 已定義（SIP）	❌ 未定義（需自訂）
媒體協定	RTP/RTCP	RTP/RTCP（相同）
NAT 穿透	需要額外配置	✅ 內建 ICE/STUN/TURN
互通性	✅ 與電話系統互通	⚠️ 僅 Web 之間
適用場景	VoIP、企業電話	瀏覽器通話

可以結合使用：

SIP 用於訊號（建立連線）
WebRTC 用於媒體（音視訊傳輸）

範例：
Alice (SIP Client) ←→ SIP Server ←→ Bob (WebRTC Browser)

這樣可以讓傳統 SIP 設備與 Web 瀏覽器互通！

記憶技巧：

SIP：Standard Interoperability Protocol（標準互通協定）
WebRTC：Web Real-Time Communication（網頁即時通訊）

Q2：SIP 的完整呼叫流程是什麼？

答案：

基本流程（7 步驟）：

Alice                   Proxy                   Bob
  │                       │                       │
  ├─ 1. INVITE ─────────>│                       │
  │                       ├─ 2. INVITE ─────────>│
  │                       │                       │
  │                       │<─ 3. 100 Trying ──────┤
  │<─ 100 Trying ─────────┤                       │
  │                       │                       │
  │                       │<─ 4. 180 Ringing ─────┤
  │<─ 180 Ringing ────────┤                       │
  │                       │                       │
  │                       │<─ 5. 200 OK ──────────┤
  │<─ 200 OK ────────────┤                       │
  │                       │                       │
  ├─ 6. ACK ─────────────────────────────────────>│
  │                       │                       │
  │<══════════ 7. RTP 媒體流（直連）═══════════>│
  │                       │                       │
  ├─ 8. BYE ─────────────────────────────────────>│
  │<─ 9. 200 OK ──────────────────────────────────┤

記憶口訣：「邀試響答認，媒掛確」

邀（INVITE）
試（100 Trying）
響（180 Ringing）
答（200 OK）
認（ACK）
媒（RTP 媒體流）
掛（BYE）
確（200 OK）

Q3：SIP 如何處理視訊通話？

答案：

SIP 本身只負責訊號，視訊由 RTP 傳輸。

完整堆疊：

┌────────────────────────────────┐
│  應用層：通話控制              │
└────────────────────────────────┘
              ↓
┌────────────────────────────────┐
│  SIP：訊號協定                 │
│  - INVITE, ACK, BYE           │
│  - SDP 交換（媒體參數）        │
└────────────────────────────────┘
              ↓
┌────────────────────────────────┐
│  RTP：媒體傳輸                 │
│  - 音訊：PCMU, Opus            │
│  - 視訊：H.264, VP8            │
└────────────────────────────────┘
              ↓
┌────────────────────────────────┐
│  UDP：傳輸層                   │
└────────────────────────────────┘

視訊通話流程：

// 1. 發起視訊通話
const session = ua.call('sip:bob@example.com', {
    mediaConstraints: {
        audio: true,
        video: true  // 啟用視訊
    },
    rtcOfferConstraints: {
        offerToReceiveAudio: true,
        offerToReceiveVideo: true
    }
});

// 2. SIP 交換 SDP（包含視訊參數）
// INVITE 訊息會包含：
// m=audio 49170 RTP/AVP 0
// m=video 51372 RTP/AVP 99
// a=rtpmap:99 H264/90000

// 3. 建立 RTP 連線傳輸視訊
session.connection.addEventListener('addstream', (event) => {
    const remoteVideo = document.querySelector('#remoteVideo');
    remoteVideo.srcObject = event.stream;
});

// 4. 切換攝影機/螢幕分享
const screenStream = await navigator.mediaDevices.getDisplayMedia({
    video: true
});

const videoTrack = screenStream.getVideoTracks()[0];
const sender = session.connection.getSenders().find(s => s.track.kind === 'video');

sender.replaceTrack(videoTrack);  // 切換為螢幕分享

面試重點：

✅ SIP 負責「建立」通話（訊號）
✅ RTP 負責「傳輸」音視訊（媒體）
✅ SDP 描述媒體參數（編碼、解析度）

Q4：SIP 如何處理 NAT 穿透？

答案：

SIP 的 NAT 穿透比 WebRTC 複雜。

問題：

Alice (內網)            NAT            Internet
192.168.1.100    →   203.0.113.5   →  SIP Server

INVITE 訊息中的 Contact:
  Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>  ❌ 錯誤！

Server 會回應到 192.168.1.100（內網 IP），無法送達

解決方案：

1. 使用 STUN 查詢公網 IP：

Alice → STUN Server：我的公網 IP 是？
STUN → Alice：203.0.113.5:54321

INVITE 訊息更新：
  Contact: <sip:alice@203.0.113.5:54321>  ✅ 正確

2. 使用 SIP ALG（Application Layer Gateway）：

NAT 路由器會自動修改 SIP 訊息中的 IP

原始訊息：
  Contact: <sip:alice@192.168.1.100:5060>

NAT 修改後：
  Contact: <sip:alice@203.0.113.5:54321>

3. 使用 TURN 中繼（媒體層）：

SIP 訊號：Alice ←→ SIP Server ←→ Bob
RTP 媒體：Alice ←→ TURN Server ←→ Bob

即使 NAT 穿透失敗，仍可透過 TURN 傳輸

4. 使用 ICE（與 WebRTC 相同）：

Modern SIP Clients 支援 ICE
自動嘗試：Host → STUN → TURN

Q5：SIP 如何保證訊息可靠性？

答案：

SIP 支援 UDP 和 TCP：

UDP（預設）：

✅ 低延遲
❌ 不可靠（可能遺失）
💡 使用「重傳機制」補救

TCP：

✅ 可靠傳輸
❌ 延遲較高
💡 適合訊息較大時

UDP 重傳機制：

Alice 發送 INVITE
│
├─ 0 秒：發送 INVITE
├─ 0.5 秒：未收到回應，重傳
├─ 1.5 秒：未收到回應，重傳
├─ 3.5 秒：未收到回應，重傳
├─ ...（指數退避）
└─ 32 秒：超時，放棄

收到回應後立即停止重傳

Python 實作：

import socket
import time

class SIPClient:
    def __init__(self):
        self.sock = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
        self.sock.settimeout(0.5)  # 500ms 超時

    def send_invite(self, destination, message):
        retries = 0
        max_retries = 7
        timeout = 0.5  # 初始超時

        while retries < max_retries:
            try:
                # 發送訊息
                self.sock.sendto(message.encode(), destination)
                print(f"[重傳 {retries}] 發送 INVITE")

                # 等待回應
                response, addr = self.sock.recvfrom(4096)
                print(f"收到回應：{response.decode()}")
                return response

            except socket.timeout:
                retries += 1
                timeout *= 2  # 指數退避
                self.sock.settimeout(timeout)

        print("訊息發送失敗")
        return None

TLS（加密）：

// 使用 TLS 加密 SIP 訊號
const ua = new JsSIP.UA({
    uri: 'sip:alice@example.com',
    password: 'password',
    ws_servers: 'wss://sip.example.com:8089/ws',  // WSS = WebSocket Secure
    use_preloaded_route: false
});

📝 總結

SIP 是電信級的通話訊號協定：

標準化：與傳統電話系統互通 ☎️
靈活：支援語音、視訊、訊息 📞📹💬
分離：訊號（SIP）與媒體（RTP）分離 🔀
成熟：20+ 年歷史，廣泛應用 🏢

記憶口訣：「標（標準）、靈（靈活）、分（分離）、熟（成熟）」

SIP vs WebRTC：

SIP：企業電話系統、VoIP 運營商
WebRTC：網頁即時通訊、線上會議
兩者可結合：SIP 訊號 + WebRTC 媒體

典型應用：

📞 企業 PBX（分機系統）
🌐 VoIP 服務（Skype、Discord）
📱 手機 VoIP App
🏢 視訊會議系統（Cisco、Polycom）

🔗 延伸閱讀

上一篇：05-4. WebRTC 基礎
下一篇：06-2. SIP 呼叫流程
RFC 3261：https://tools.ietf.org/html/rfc3261

11-1. SIP 協定基礎

📞 SIP 協定基礎

🎯 什麼是 SIP？

為什麼需要 SIP？

🏗️ SIP 架構

核心組件

1️⃣ User Agent（使用者代理）

2️⃣ SIP Proxy（代理伺服器）

3️⃣ Registrar（註冊伺服器）

4️⃣ Redirect Server（重定向伺服器）

📨 SIP 訊息格式

SIP 訊息類型

Request（請求）格式

Response（回應）格式

🔧 SIP 方法（Methods）

核心方法

1️⃣ INVITE（建立會話）

2️⃣ ACK（確認）

3️⃣ BYE（結束會話）

4️⃣ CANCEL（取消請求）

5️⃣ REGISTER（註冊）

6️⃣ OPTIONS（查詢能力）

📡 SIP 與 SDP

SDP 範例

🎓 常見面試題

Q1：SIP 和 WebRTC 有什麼不同？

Q2：SIP 的完整呼叫流程是什麼？

Q3：SIP 如何處理視訊通話？

Q4：SIP 如何處理 NAT 穿透？

Q5：SIP 如何保證訊息可靠性？

📝 總結

🔗 延伸閱讀