SIP Call Flow - Registration

Session Initiation Protocol (SIP) registration 注册的过程是将 IP 地址和当前用户的公共用户ID(Public user ID：SIP URI  (uniform resource identifier)) 绑定的过程。

SIP (Session Initiation Protocol) 绑定的过程

• UE 发送 Register 到 P-CSCF
• I-CSCF 选择对应的S-CSCF
• S-CSCF到HSS (Home Subscriber Server) 下载用户鉴权数据
• UE和P-CSCF开启安全机制
• UE和网络(S-CSCF)相互认证
• UE 和P-CSCF间建立 IP Security(IPSec)连接
• UE和P-CSCF间开启SIP 压缩
• UE学习到S-CSCF的路由
• S-CSCF学习到UE的路由
• S-CSCF从HSS下载当前用户的profile
• UE确定进入注册状态
• P-CSCF确定当前用户进入注册状态

SIP Registe Flow

手机发现P-CSCF

当是手机建立PDP Context时会将P-CSCF的IP地址告诉手机。

第一次 Register交互

UE Abc 发送Register 通过P-CSCF转发到 S-CSCF，图中的 Register (1)-(3)

消息解析

[Method]/[Request-URI]	REGISTER sip:home1.fr SIP/2.0	(提供服务的domian name), SIP 2.0
[Via]	(1) SIP/2.0/UDP [5555::1:2:3:4];branch=0uetb (2) SIP/2.0/UDP sip:pcscf1.visited1.fi;branch=0pctb (3) SIP/2.0/UDP sip:icscf1.home1.fr;branch=0ictb	它是在传输过(Transport)程中使用的一个header，用来指示Response将会被发到哪里。Via的构成中包含了协议名和版本及传输的协议(SIP/2.0/UDP)，Via中必须包含一个branch参数，它用来标识由这个请求所创建的事务 (Transaction) 。在消息转发的过程中，会将路由信息添加到Register的Via中。
[Route]	sip:[5555::a:f:f:e];lr	强制请求信息经过指定的代理进行发送。
[Max-Forwards]	70	在SIP消息中用来限制代理或网关对消息转发的次数，它的范围是(0-255)。 所以在转发的过程中它的值分别是70,69,68.
[From]	<sip:[email protected]>;tag=pohja	对这次注册负责的人的地址。tag是与Call-ID一起使用来标识Dialog的。 因为是发起一个请求，所以只有From有tag参数， To并没带tag 参数。
[To]	<sip:[email protected]>	包含将要被注册的地址
[Contact]	<sip:[5555::1:2:3:4]>;expires=600000	保存着将要绑定的地址和超时时间，单位是秒
[Call-ID]	apb03a0s09dkjdfglkj49111	Call-ID用来标识一个Dialog，UAC到特定的Register中，注册消息中的Call-ID是一样的。否则在注册的Server端，它无法检测是否有乱序的Register消息。
[CSeq]	25 REGISTER	用来保证Register 请求的消息顺序，手机必须对有相同Call-ID的Register 消息中的CSeq进行递增。

这里关于Dialog 和 Transaction(Via:branch和Call-ID)，REGISTER Request从UE发出到达 S-CSCF经历了两次转发，但他们属于同一个Dialog，

所以使用的Call-ID是一样的，但从传输的角度来看，从UE到P-CSCF，P-CSCF到I-CSCF，以及I-CSCF到S-CSCF，他们经历的传输过程是不一样的

所以使用了一个 Via:branch 来区分不同的传输的过程。

当完成第一次 Register过程后，S-CSCF要求手机进行认证，发起第二次Register过程。

在第二个Register消息中 Call-ID会更新为新的ID，表示它与第一个Register已经不是同一个Dialog了。

S-CSCF收到的Register 消息

REGISTER sip:home1.fr SIP/2.0

Via: SIP/2.0/UDP sip:icscf1.home1.fr;branch=3ictb

Via: SIP/2.0/UDP sip:pcscf1.visited1.fi;branch=2pctb

Via: SIP/2.0/UDP [5555::a:b:c:d];branch=1uetb

Route: sip:scscf1.home1.fr;lr

Max-Forwards: 68

From: <sip:[email protected]>;tag=ulkomaa

To: <sip:[email protected]>

Contact: <sip:[5555::1:2:3:4]>;expires=600000

Call-ID: apb03a0s09dkjdfglkj49222 

CSeq: 47 REGISTER

Content-Length: 0

如果S-CSCF鉴权成功，它会将User ID [email protected] 与 Contact <5555::a:b:c:d> 绑定在一起，绑定期限为600000秒。

S-CSCF 返回 200 OK 消息

SIP/2.0 200 OK

Via: SIP/2.0/UDP icscf1.home1.fr;branch=3ictb

Via: SIP/2.0/UDP pcscf1.visited1.fi;branch=2pctb

Via: SIP/2.0/UDP [5555::1:2:3:4]:1357;branch=1uetb

From: <sip:[email protected]>;tag=ulkomaa

To: <sip:[email protected]>;tag=kotimaa

Contact: <sip:[5555::a:b:c:d]>;expires=600000

Call-ID: apb03a0s09dkjdfglkj49222

CSeq: 47 REGISTER

Content-Length: 0

SIP Register 的鉴权过程 （Authentication）

在UE 注册到网络的过程中鉴权分为两个部分

-    UE和网络间的鉴权

-    UE和P-CSCF间的鉴权 （IPSec）

IMS 鉴权主要是基于  shared secret 和一个 sequence number (SQN)，分别保存在HSS(Home Subscriber Server) 和 手机卡中。

HSS并不直接和手机通信，所以S-CSCF会从HSS下载手机相关的鉴权参数 Authentication Vector (AV) ：

• a random challenge (RAND);
• the expected result (XRES);
• the network authentication token (AUTN);
• the Integrity Key (IK); and
• the Ciphering Key (CK).

这些参数使S-CSCF在不知道 shared secret 和 SQN的情况下进行鉴权。

为了触发鉴权的过程，S-CSCF会对UE的第一个Register返回 401 Unauthorized（包含 RAND, the AUTN, the IK and the CK），要求UE进行鉴权。

在P-CSCF中，它会去掉401中的 IK和CK，并将401发给手机。IK用来在接下来的过程中在UE和P-CSCF间建立完整性保护的。

S-CSCF  --->  P-CSCF

SIP/2.0 401 Unauthorized

WWW-Authenticate: Digest realm="home1.fr",

        nonce=A34Cm+Fva37UYWpGNB34JP, algorithm=AKAv1-MD5,

        ik="0123456789abcdeedcba9876543210",

        ck="9876543210abcdeedcba0123456789"

P-CSCF删除了 ik 和 ck

P-CSCF  --->  UE

SIP/2.0 401 Unauthorized

WWW-Authenticate: Digest realm="home1.fr",

        nonce=A34Cm+Fva37UYWpGNB34JP, algorithm=AKAv1-MD5

UE对于鉴权的响应

• verifies the AUTN ： 根据 share secret 和 SQN 手机验证网络是否是合法的。
• calculates the result (RES)： 根据 shared secret 和收到的 RAND 计算 RES
• calculates the IK：计算后在 P-CSCF 和 UE 见使用

计算完成后UE发送第二个Register到S-CSCF，S-CSCF会比较 手机计算的RES 和从HSS得到的XRES，来判断手机是否合法。

UE  --->  P-CSCF

REGISTER sip:home1.fr SIP/2.0

Authorization: Digest username="[email protected]",

        realm="home1.fr",

        nonce=A34Cm+Fva37UYWpGNB34JP,

        algorithm=AKAv1-MD5,

        uri="sip:home1.fr",

        response="6629fae49393a05397450978507c4ef1"

P-CSCF  --->  S-CSCF

REGISTER sip:home1.fr SIP/2.0

Authorization: Digest username="[email protected]",

        realm="home1.fr",

        nonce=A34Cm+Fva37UYWpGNB34JP,

        algorithm=AKAv1-MD5,

        uri="sip:home1.fr",

        response="6629fae49393a05397450978507c4ef1",

        integrity-protected="yes"

到这里鉴权成功。

SIP (Session Initiation Protocol) SUBSCRIBE

Subscribe的作用：

• 手机向网络侧订阅资源
• 请求资源的版本信息
• 当资源信息发送变化时，网络通知手机

信令过程

[Method]/[Request-URI]	SUBSCRIBE sip:[email protected] SIP/2.0	这里Request-URI是订阅目标的ID。
[Via]	(1) SIP/2.0/UDP [5555::1:2:3:4];branch=04uetb           (2) Via: SIP/2.0/UDP pcscf1.visited1.fi	它是在传输过(Transport)程中使用的一个header，用来指示Response将会被发到哪里。Via的构成中包含了协议名和版本及传输的协议(SIP/2.0/UDP)，Via中包含一个branch参数，它用来标识由这个请求所创建的事务 (Transaction) 。在消息转发的过程中，会将路由信息添加到Register的Via中。
[Route]	<sip:[5555::a:b:c:d]:7531;lr> <sip:[email protected];lr>	强制请求信息经过指定的代理进行发送。
[From]	<sip:[email protected]>;tag=pohja	对这次订阅负责的人的地址。tag是与Call-ID一起使用来标识Dialog的。 因为是发起一个请求，所以只有From有tag参数， To并没带tag 参数。
[To]	<sip:[email protected]>	订阅的目标地址
[P-Preferred-Identity] rfc3455	"abc" <sip:[email protected]>	P-Preferred-Identity头域被用在用户端末和受信任的代理之间，用来传输用户信息。在信任域之间发送消息，代理服务器收到了P-Preferred-Identity，该值作为服务器可参考值，可在被插入后续的P-Asserted-Identity包头域中，P-Preferred-Identity值。
[P-Asserted-Identity] rfc3455	<sip:pcscf1.visited1.fi>	P-Asserted- Identity，即确认的公有身份，当这个消息被路由到被叫的时候，被叫可以通过读取P-Asserted-Identity中的信息，来显示主叫的公有身份
[Event] (rfc3265/3680)	reg	Event package name=reg，表示希望Notifier返回关于 Registration的信息
[Contact]	<sip:[5555::1:2:3:4]:1357>	保存着绑定的地址
[Expires]	600000	标识了订阅的时间。
[Accept]	application/reginfo+xml	标识了消息内容的格式。

S-CSCF --> UE 返回  NOTIFY

NOTIFY sip:[5555::1:2:3:4]:1357;comp=sigcomp SIP/2.0

Via: SIP/2.0/UDP scscf1.home1.fr;branch=nosctb

Via: SIP/2.0/UDP pcscf1.visited1.fi:7531;branch=nopctb

From: "abc" <sip:[email protected]>;tag=peruna

To: "abc" <sip:[email protected]>;tag=sipuli

Subscription-State: active;expires=599999

Event: reg

Content-Type: application/reginfo+xml

Contact: <sip:scscf1.home1.fr>

Content-Length: (...)

<?xml version="1.0"?>

<reginfo xmlns="urn:ietf:params:xml:ns:reginfo" version="1" state="partial">

<registration aor="sip:[email protected]" id="a1" state="active">

<contact id="15" state="active" event="registered">

sip:[5555::1:2:3:4]

</contact>

<contact id="20" state="active" event="registered">

sip:[5555::171:171:172:173]

</contact>

</registration>

</reginfo>

S-CSCF --> UE 返回  NOTIFY

NOTIFY sip:[5555::1:2:3:4]:1357;comp=sigcomp SIP/2.0

Via: SIP/2.0/UDP scscf1.home1.fr;branch=nosctb

Via: SIP/2.0/UDP pcscf1.visited1.fi:7531;branch=nopctb

From: "abc" <sip:[email protected]>;tag=peruna

To: "abc" <sip:[email protected]>;tag=sipuli

Subscription-State: active;expires=599999

Event: reg

Content-Type: application/reginfo+xml

Contact: <sip:scscf1.home1.fr>

Content-Length: (...)

<?xml version="1.0"?>

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<registration aor="sip:[email protected]" id="a1" state="active">

<contact id="15" state="active" event="registered">

sip:[5555::1:2:3:4]

</contact>

<contact id="20" state="active" event="registered">

sip:[5555::171:171:172:173]

</contact>

</registration>

</reginfo>