RFC 3261 SIPプロトコル基本解説

Tech

本記事はGeminiの出力をプロンプト工学で整理した業務ドラフト（未検証）です。

RFC 3261 SIPプロトコル基本解説

背景

Session Initiation Protocol (SIP) は、インターネット上でマルチメディアセッション（音声、ビデオ通話、インスタントメッセージング、オンラインプレゼンス、ゲームセッションなど）を確立、変更、および終了するためにIETFによって設計されたシグナリングプロトコルです。その基本仕様はRFC 3261「SIP: Session Initiation Protocol」として2002年6月 JSTに公開されました。SIPは、セッションの参加者がリアルタイムでコミュニケーションを開始・制御するための基盤を提供し、Webブラウザ、スマートフォン、VoIPフォンなど多岐にわたるデバイスで利用されています。HTTPに類似したテキストベースのプロトコルであり、既存のインターネットインフラストラクチャとの親和性が高いことが特徴です[1]。

設計目標

RFC 3261によって規定されるSIPは、以下の主要な設計目標を掲げています[1]。

  • スケーラビリティ: 大規模なネットワークおよび多数のユーザーに対応できること。分散型アーキテクチャにより実現されます。

  • 拡張性: 新しいサービスやアプリケーションのニーズに合わせて容易に機能を追加できること。ヘッダフィールドやメッセージボディの追加によって対応可能です。

  • 柔軟性: ユーザーが様々なデバイスや場所からサービスにアクセスできること。プロキシサーバやリダイレクトサーバがこの機能を提供します。

  • 独立性: 基盤となるネットワーク層（IP）、トランスポート層（UDP、TCP、SCTP）、およびセッションペイロード（メディアコーデックなど）から独立していること。これにより、様々なメディアタイプやネットワーク環境での利用が可能となります。

  • 信頼性: セッションの確立と維持が信頼できるものであること。トランスポート層の選択やアプリケーション層での再送メカニズムによって確保されます。

詳細

SIPの役割とアーキテクチャ

SIPは、以下の論理要素によって構成される分散型アーキテクチャを採用しています[1]。

  • User Agent (UA): SIPセッションのエンドポイント。ユーザーを代表してセッションを開始、受信、終了します。User Agent Client (UAC) と User Agent Server (UAS) の機能を含みます。

  • Proxy Server: SIPメッセージを他のSIPエンティティに転送する中間サーバ。リクエストのルーティング、認証、アカウンティングなどの機能を提供します。ステートフルまたはステートレスに動作します。

  • Registrar Server: ユーザーの現在の場所（IPアドレスなど）を、ユーザーのSIPアドレスと関連付けてデータベースに登録するサーバ。User AgentがREGISTERメソッドを使って自身の連絡先情報を登録します。

  • Redirect Server: リクエストを処理する次のホップではなく、連絡先情報を要求元のUser Agentに直接返信するサーバ。User Agentは返された情報に基づいて、新しい宛先に直接リクエストを送信します。

flowchart TD
    subgraph SIP Network
        UAC["User Agent Client"] -->|INVITE sip:bob@example.com| P1("Proxy Server");
        P1 -->|INVITE sip:bob@example.com| P2("Proxy Server");
        P2 -->|INVITE sip:bob@example.com| UAS["User Agent Server"];
        UAS -->|200 OK| P2;
        P2 -->|200 OK| P1;
        P1 -->|200 OK| UAC;
        UAC -->|ACK| P1;
        P1 -->|ACK| P2;
        P2 -->|ACK| UAS;

        Registrar -- Register --> UA_B("User Agent B");
        UA_B -- Location Information --> Registrar;
        Proxy -->|Query Location| Registrar;
        Registrar -->|Location for bob@example.com| Proxy;
    end

図1: SIPプロトコルアーキテクチャの概要と基本的な呼接続フロー

SIPメッセージ構造

SIPメッセージはテキストベースで、HTTPメッセージに類似した構造を持ちます[1][3]。

Request-Line / Status-Line (開始行)
Header-Field: Value (ヘッダフィールド)
...
Header-Field: Value
(空行)
Message Body (メッセージボディ, オプション)

主要なヘッダフィールド（抜粋）:

  • Via: メッセージが通過したプロキシサーバのリスト。ルーティングのループ検出や応答のルーティングに使用されます。

    • Via: SIP/2.0/UDP pc33.example.com:5060;branch=z9hG4bK.ksj0876

  • From: リクエストを送信したユーザーのSIPアドレス。

    • From: Alice <sip:alice@example.com>;tag=98765

  • To: リクエストの受信者、またはセッションの目的の受信者のSIPアドレス。

    • To: Bob <sip:bob@example.com>

  • Call-ID: 特定のSIPセッション全体を一意に識別するID。

    • Call-ID: a84b4c76e66710

  • CSeq: SIPトランザクション内でリクエストの順序を識別する整数値とメソッド名。

    • CSeq: 1 INVITE

  • Contact: User Agentの現在の連絡先URI。リダイレクトや後続のリクエストの送信先に使用されます。

    • Contact: <sip:alice@192.0.2.4>

  • Content-Type: メッセージボディのメディアタイプ（例: application/sdp）。

  • Content-Length: メッセージボディのバイト長。

SIPセッション確立フロー

基本的なSIPセッション確立（呼接続）のシーケンスは以下のようになります。これは、AliceがBobに電話をかける例です[1]。

sequenceDiagram
    participant "Alice as User Agent (Alice)"
    participant "Proxy as SIP Proxy Server"
    participant "Bob as User Agent (Bob)"

    Alice ->> Proxy: INVITE sip:bob@example.com (セッション開始要求)
    activate Proxy
    Proxy ->> Bob: INVITE sip:bob@example.com
    activate Bob
    Bob -->> Proxy: 100 Trying (試行中)
    Proxy -->> Alice: 100 Trying
    Bob -->> Proxy: 180 Ringing (呼び出し中)
    Proxy -->> Alice: 180 Ringing
    Bob -->> Proxy: 200 OK (Bobが応答、SDP含む)
    deactivate Bob
    Proxy -->> Alice: 200 OK (SDP含む)
    deactivate Proxy
    Alice ->> Bob: ACK (200 OKの確認応答)
    activate Bob
    Bob -->> Alice: (メディアセッション開始)
    Alice -->> Bob: (メディアセッション開始)
    loop 通話中
        Alice -- Bob: RTP (音声/ビデオデータ)
    end
    Alice ->> Bob: BYE (セッション終了要求)
    activate Bob
    Bob -->> Alice: 200 OK (BYEの確認応答)
    deactivate Bob

図2: 基本的なSIPセッション確立（呼接続）フロー

このフローでは、INVITEでセッションのパラメータ（SDP: Session Description Protocolで記述）を交換し、200 OKで応答、ACKで確認応答を完了後、メディアセッション（RTP）が開始されます。セッション終了はBYEメソッドで行われます。

相互運用

SIPは、既存のインターネットプロトコルや他のリアルタイム通信プロトコルとの相互運用性を考慮して設計されています。

  • HTTPとの比較

    • 類似点: どちらもテキストベースのプロトコルであり、Request/Responseモデルを採用しています。ヘッダフィールドの構造も似ています。URIを用いてリソースを識別する点も共通です。

    • 相違点:

      • 目的: HTTPはWebコンテンツの取得や操作を主目的とするステートレスなプロトコルですが、SIPはマルチメディアセッションのシグナリング（確立、変更、終了）を主目的とし、セッション自体はステートフルに管理されます。

      • メソッド: HTTPのメソッド（GET, POSTなど）がリソースの操作に焦点を当てるのに対し、SIPのメソッド（INVITE, REGISTERなど）はセッションのライフサイクル管理に特化しています。

      • トランスポート: HTTPは主にTCPを使用しますが、SIPはUDPとTCPの両方を利用し、リアルタイム性の要件に応じて使い分けます。

  • H.323との比較

    • H.323はITU-Tによって開発されたマルチメディア通信プロトコルスイートで、SIPの競合プロトコルとして広く利用されていました。

    • 相違点:

      • 複雑性: H.323はバイナリベースで複雑なプロトコルスタックを持つ一方、SIPはシンプルなテキストベースで解析が容易です[4]。

      • アーキテクチャ: H.323はゲートキーパーという集中型のエンティティに依存する傾向があるのに対し、SIPはより分散型で、プロキシサーバが連携して動作します。

      • 拡張性: SIPはWeb技術との親和性が高く、新しいサービスや機能の追加が比較的容易です。H.323はよりレガシーな電話網との連携に強みがありました。

      • 市場シェア: 現在ではSIPがVoIPおよびリアルタイム通信市場の主流となっています。

セキュリティ考慮

RFC 3261では、セキュリティは重要な検討事項として多くの章で言及されています[5]。SIP通信における主要なセキュリティリスクと対策は以下の通りです。

  • 認証と認可:

    • Digest認証 (RFC 2617): クライアントとサーバ間の認証に用いられ、パスワードがネットワーク上で平文で送信されるのを防ぎます。チャレンジ・レスポンス方式により、リプレイ攻撃の一部も軽減されます。WWW-AuthenticateおよびProxy-Authenticateヘッダで提供されます。

    • デジタル署名: S/MIMEを利用してメッセージに署名することで、メッセージの送信元認証と完全性を保証できます。

  • メッセージの完全性:

    • S/MIME: SIPメッセージのボディやヘッダにS/MIME署名を適用することで、メッセージが転送中に改ざんされていないことを検証できます。

  • 機密性:

    • TLS (Transport Layer Security): SIP over TLS（SIPS URIを使用）は、SIPメッセージの転送経路を暗号化し、盗聴や中間者攻撃を防ぎます。これは、SIPプロキシ間やUser Agentとプロキシ間の通信経路で適用可能です。

    • SRTP (Secure Real-time Transport Protocol): SIPで確立されたメディアセッション（RTP）のペイロードを暗号化し、音声やビデオデータの機密性を保護します。

  • リプレイ攻撃:

    • CSeqヘッダはトランザクション内のリクエストの順序を保証しますが、メッセージ全体のリプレイを防ぐには不十分です。Digest認証におけるnonce値がリプレイ攻撃の軽減に役立ちますが、セッション確立時のINVITEやREGISTERメッセージ自体がリプレイされた場合のリスクは考慮が必要です。特に、古いREGISTERメッセージがリプレイされると、不適切な場所情報を登録させられる可能性があります。対策として、タイムスタンプやシーケンス番号の適切な利用、および短期的なnonce値の使用が推奨されます。

  • DoS攻撃:

    • 大量のINVITEやREGISTERリクエストを送信することで、SIPサーバやUser Agentが過負荷に陥る可能性があります。Rate Limiting、迷惑リクエストのフィルタリング、負荷分散装置の導入が対策となります。

  • ダウングレード攻撃:

    • 例えば、セキュアなSIPS URIでの通信を意図していたものを、非セキュアなSIP URIに強制的にダウングレードさせるような攻撃です。UAやサーバは、推奨されるセキュリティレベル（例: TLS）を強制するポリシーを持つべきです。

  • キー更新:

    • セッション鍵や認証情報は定期的に更新されるべきです。特に、TLSセッションが長期間継続する場合、鍵更新のメカニズムを適切に利用することが重要です。

実装メモ

SIPプロトコルを実装する際には、性能、信頼性、およびネットワークの現実を考慮する必要があります。

  • MTU / Path MTU:

    • SIPはUDPまたはTCP上で動作します。UDPを使用する場合、IPフラグメンテーションを避けるためにメッセージサイズがPath MTU以下に収まるように注意が必要です。大規模なSDPペイロードを持つINVITEメッセージなどがMTUを超えることがあります。TCPは自動的にフラグメンテーションを処理しますが、コネクションオーバーヘッドが増加します。Path MTU Discovery (PMTUD) を利用して、UDPメッセージサイズを調整することが推奨されます。

  • HOL blocking回避:

    • TCPは信頼性を提供しますが、HOL (Head-of-Line) blockingの可能性があります。これは、パケットロスが発生した場合、その後のデータがすべてブロックされる問題です。SIPシグナリングは通常、比較的低帯域ですが、多重化されたTCP接続やSCTPなどのより柔軟なトランスポートプロトコル（マルチストリーム対応）を検討することで、HOL blockingの影響を軽減できます。

  • キュー制御と優先度:

    • 大量のSIPメッセージが処理される環境では、SIPサーバのキュー制御とメッセージの優先度付けが重要です。例えば、BYEメッセージなどのセッション終了要求は、新しいINVITEよりも高い優先度で処理されるべきです。緊急呼などの特定のリクエストには、ネットワークレベルやアプリケーションレベルでの優先度付けを適用することが可能です。

  • NAT Traversal:

    • SIPは異なるネットワークアドレス変換 (NAT) 環境下にあるエンドポイント間の通信を確立するのに課題があります。この問題に対処するため、STUN (Session Traversal Utilities for NAT)、TURN (Traversal Using Relays around NAT)、ICE (Interactive Connectivity Establishment) といったメカニズムが利用されます[6]。これらの技術を実装に組み込むことで、より広範なネットワーク環境での相互運用性が保証されます。

  • セッション状態管理:

    • SIPはセッション状態を持つ（ステートフルな）プロトコルです。プロキシサーバがステートフルに動作する場合、セッション状態を適切に管理し、障害発生時の復旧メカニズムを考慮する必要があります。

まとめ

RFC 3261で定義されるSIPは、インターネットにおけるマルチメディア通信のシグナリングを担う基盤プロトコルであり、そのシンプルさ、拡張性、分散型アーキテクチャにより、VoIPやユニファイドコミュニケーションの分野で広く普及しています。HTTPに類似したテキストベースのRequest/Responseモデルを採用し、User Agent、Proxy Server、Registrar Serverなどの論理要素が連携して動作します。

セキュリティ面では、Digest認証によるアクセス制御、S/MIMEによるメッセージの完全性、TLSによる機密性確保が重要な要素となります。リプレイ攻撃やDoS攻撃に対する対策も適切に講じる必要があります。実装においては、Path MTUの問題、NAT Traversal、キュー制御、HOL blocking回避といったネットワークエンジニアリング上の課題を考慮し、堅牢で効率的なシステムを構築することが求められます。SIPは今後もリアルタイム通信技術の進化に合わせて発展を続けていくでしょう。

参照 [1] IETF. “RFC 3261 – SIP: Session Initiation Protocol”. 2002年6月 JST. https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc3261 [2] IETF. “RFC 3261 – SIP: Session Initiation Protocol (Full Text)”. J. Rosenberg et al., 2002年6月 JST. https://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt [3] Netwrix Blog. “Understanding SIP Messages”. J. Baker, 2023年6月29日 JST. https://www.netwrix.com/understanding_sip_messages.html [4] GeeksforGeeks. “VoIP Protocols SIP vs H.323”. 2023年7月11日 JST. https://www.geeksforgeeks.org/voip-protocols-sip-vs-h-323/ [5] IETF. “RFC 3261 Section 26: Security Considerations”. 2002年6月 JST. https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc3261#section-26 [6] SIP.US. “SIP NAT Traversal Explained”. 2023年10月13日 JST. https://www.sip.us/blog/sip-nat-traversal/ [7] Callcentric. “SIP Protocol on UDP vs. TCP”. 2023年11月10日 JST. https://www.callcentric.com/support/sip_protocol/udp_vs_tcp/

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