RFC 3261: SIPメッセージ構造と応答コードの詳細解説

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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メッセージ構造と応答コードの詳細解説

背景

Session Initiation Protocol（SIP）は、インターネット上でのマルチメディア通信セッションの確立、変更、終了を目的としたシグナリングプロトコルです。VoIP（Voice over IP）やビデオ会議、インスタントメッセージングなど、リアルタイム通信アプリケーションの基盤として広く利用されています。RFC 3261「SIP: Session Initiation Protocol」は、2002年6月にIETFによって公開され、SIPプロトコルの中心的な定義を提供しています。このRFCは、SIPがどのようにメッセージを構成し、トランザクションを管理し、エラーや成功を通知するかを詳細に記述しており、SIPの設計思想と実装の指針となっています。

設計目標

RFC 3261におけるSIPの設計目標は多岐にわたりますが、主に以下の点が挙げられます。

  1. シンプルさ: プロトコルの基本的な操作を容易にし、複雑な状態管理を避ける。

  2. 拡張性: 将来的な機能追加や新しいサービスへの対応を可能にする。

  3. スケーラビリティ: 大規模なネットワークや多数のユーザーを効率的にサポートできること。

  4. 信頼性: セッション確立や変更が可能な限り確実に実行されるようにする。

  5. セッション管理: セッションの参加者検索、可用性通知、セッションの確立、セッションの属性管理（帯域幅、メディアタイプなど）、セッションの変更、セッションの終了。

  6. ネットワーク中立性: 基盤となるIPネットワークの種類（IPv4/IPv6）やトランスポートプロトコル（UDP/TCP）に依存しない設計。

これらの目標は、HTTPに似たテキストベースのメッセージ構造、明確なトランザクションモデル、そして多様な応答コードシステムによって実現されています。

詳細

SIPメッセージ構造

SIPメッセージは、HTTPメッセージに類似したテキストベースの構造を持っています。主にリクエストとレスポンスの2種類があります。

Requestメッセージの構造:
  Request-Line              ; メソッド、Request-URI、SIPバージョン
  Message-Header            ; ヘッダフィールド群
  (CRLF)                    ; 空行
  Message-Body              ; オプションのメッセージボディ (SDPなど)

Responseメッセージの構造:
  Status-Line               ; SIPバージョン、ステータスコード、理由句
  Message-Header            ; ヘッダフィールド群
  (CRLF)                    ; 空行
  Message-Body              ; オプションのメッセージボディ (SDPなど)

Request-Lineの例: INVITE sip:alice@example.com SIP/2.0

  • INVITE: メソッド名（セッション開始を要求）

  • sip:alice@example.com: Request-URI（セッションの相手）

  • SIP/2.0: SIPのバージョン

Status-Lineの例: SIP/2.0 200 OK

  • SIP/2.0: SIPのバージョン

  • 200: ステータスコード（成功）

  • OK: 理由句

主要なヘッダフィールド:

  • Via: トランザクションパスを記録。プロキシサーバーがメッセージを転送する際に自身の情報を追加し、レスポンスのルーティングに利用。

  • From: リクエストの開始者情報。display-name <sip:user@host>;tag=xxx 形式。

  • To: リクエストの受信者情報。display-name <sip:user@host> 形式。

  • Call-ID: 特定のコールセッションを一意に識別するID。

  • CSeq: トランザクション内のリクエストを一意に識別し、順序付けを行う。応答は対応するCSeqを持つ。リプレイ攻撃対策にも寄与。

  • Contact: 発信者/着信者の現在のコンタクトURI（実際の場所）。REGISTERメソッドで登録される。

  • Max-Forwards: リクエストが転送される最大ホップ数。ルーピング防止のため、各プロキシが転送時に1ずつデクリメント。

  • 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応答コード

SIP応答コードは、リクエストの処理結果を示す3桁の数値で、HTTPステータスコードと類似しています。以下の6つのクラスに分類されます。

SIP応答コードのクラス:
  1xx: Provisional（暫定応答）

    - 100 Trying: リクエストを受信し、処理中

    - 180 Ringing: 宛先が鳴動中

    - 183 Session Progress: セッション確立状況を伴う暫定応答
  2xx: Success（成功）

    - 200 OK: リクエストが正常に処理された
  3xx: Redirection（リダイレクション）

    - 302 Moved Temporarily: 宛先が一時的に移動した
  4xx: Client Error（クライアントエラー）

    - 401 Unauthorized: 認証が必要

    - 403 Forbidden: 拒否された

    - 404 Not Found: 宛先が見つからない

    - 486 Busy Here: 宛先が通話中
  5xx: Server Error（サーバーエラー）

    - 500 Server Internal Error: サーバー内部エラー

    - 503 Service Unavailable: サービス利用不可
  6xx: Global Failure（グローバル失敗）

    - 603 Decline: 宛先がリクエストを拒否

SIPトランザクションフロー

SIPは、UAC（User Agent Client）とUAS（User Agent Server）間でメッセージを交換する「トランザクション」を基本単位とします。以下は、一般的なINVITEトランザクションの例です。

sequenceDiagram
  participant UAC
  participant Proxy
  participant UAS

  UAC ->> Proxy: INVITE sip:bob@example.com | セッション開始要求 (CSeq: 1 INVITE)
  Proxy ->> UAS: INVITE sip:bob@example.com | プロキシによる転送
  UAS -->> Proxy: 100 Trying | 暫定応答: 処理中
  Proxy -->> UAC: 100 Trying | 暫定応答: 処理中
  alt 着信側が応答する場合
    UAS -->> Proxy: 180 Ringing | 暫定応答: 鳴動中
    Proxy -->> UAC: 180 Ringing | 暫定応答: 鳴動中
    UAS -->> Proxy: 200 OK | 成功応答: セッション確立可能
    Proxy -->> UAC: 200 OK | 成功応答: セッション確立可能
    UAC ->> UAS: ACK sip:bob@example.com | 200 OKの確認応答
  else 着信側が拒否または応答しない場合
    UAS -->> Proxy: 486 Busy Here | クライアントエラー: 通話中
    Proxy -->> UAC: 486 Busy Here | クライアントエラー: 通話中
    UAC ->> UAS: ACK sip:bob@example.com | (エラー応答の確認はACK不要だが、一部実装では送信)
  end

このシーケンスは、UACがINVITEを送信し、UASが100 Trying、180 Ringing（オプション）、そして最終的に200 OKまたはエラー応答を返すという典型的なフローを示しています。200 OKの場合、UACはACKを送信してセッション確立を完了します。

相互運用性

既存プロトコルとの比較

SIPは多くの点でHTTPと類似していますが、リアルタイム通信の要件に合わせて設計上の違いがあります。

  • HTTPとの類似点:

    • テキストベースのメッセージ構造。

    • ヘッダフィールドによるメタデータの記述。

    • リクエスト/レスポンスモデル。

    • メソッドとステータスコード。

  • HTTPとの相違点:

    • ステートフルな対話: SIPはセッション（ダイアログ）という概念を持ち、複数のトランザクションを通じて状態を維持します。HTTPは基本的にステートレスです（Cookieなどで状態を補助）。

    • トランスポートの柔軟性: SIPはUDPとTCPの両方をサポートし、UDPを多く使用します。HTTPは主にTCP上で動作します。

    • メディアパスの分離: SIPはシグナリングプロトコルであり、実際のメディア（音声/映像）はRTPなどの別のプロトコルで伝送されます。HTTPはデータ自体を転送します。

    • プロキシの役割: SIPプロキシはルーティング、負荷分散、認証、NAT越えなど、通信経路上の重要な役割を担います。HTTPプロキシはキャッシュやフォワーディングが主目的です。

    • 分散型: SIPは中央集権的なサーバーに依存せず、ピアツーピアに近いモデルで動作可能です。

他のプロトコルとの連携

SIPは単独で機能するのではなく、他のプロトコルと密接に連携します。

  • SDP (Session Description Protocol): SIPメッセージのボディ部で、セッションの属性（メディアタイプ、コーデック、IPアドレス、ポート番号など）を記述するために使用されます。これにより、参加者間でメディアセッションの合意が形成されます。

  • RTP (Real-time Transport Protocol): 実際の音声や映像などのメディアデータを伝送するために使用されます。SIPがセッションを確立した後、RTPがメディアパスを確立し、リアルタイムでのデータ転送を行います。

  • STUN/TURN/ICE: NAT（Network Address Translation）やファイアウォール越えの課題を解決するために連携します。

セキュリティ考慮

RFC 3261では、SIPが遭遇しうる様々なセキュリティ脅威とその対策について言及されています。

  1. 認証と認可:

    • Digest認証: HTTP Digest認証をベースにしたチャレンジ/レスポンス方式で、ユーザー名とパスワードを平文で送信せずに認証を行います。WWW-AuthenticateおよびProxy-Authenticateヘッダが使用されます。

    • TLS (Transport Layer Security): SIPメッセージをTLS上で伝送することで、盗聴や改ざんからの保護、および相互認証を提供します。

  2. メッセージ完全性と機密性:

    • TLSやIPsecを使用することで、メッセージの完全性（改ざん検知）と機密性（暗号化による盗聴防止）を確保します。

  3. リプレイ攻撃対策:

    • CSeqヘッダ: CSeqヘッダはトランザクション内のリクエストに順序付けを提供し、古いリクエストの再送を検出するのに役立ちます。

    • Nonce: Digest認証で用いられるnonce値は、セッションごとに異なる値を指定することで、認証情報の再利用を防ぎます。

  4. サービス拒否（DoS）攻撃:

    • 大量の偽のリクエストやメッセージを送信することで、SIPサーバーのリソースを枯渇させる攻撃です。プロキシでのレート制限、認証要求、トポロジーハイディングなどで対策を講じます。

  5. 0-RTT（Zero Round-Trip Time）のリスク:

    • SIP自体にはQUICのような0-RTTの概念は直接適用されませんが、セッション確立時の認証プロセスをスキップしたり、以前の認証情報を再利用したりしようとすると、リプレイ攻撃のリスクが生じます。TLSセッション再開時の0-RTTデータ転送は、その性質上、リプレイ攻撃の脆弱性を持つため、SIP over TLSでこれを利用する際は、メッセージが冪等であるか、またはリプレイ攻撃の影響が限定的であることを確認する必要があります。RFC 3261では、認証とトランザクションの確実な実行を重視しており、安易な効率化によるセキュリティ低下を避けるよう設計されています。

実装注意

SIPの実装には、ネットワーク環境やシステムの要件に応じた様々な注意点があります。

  • トランスポート層の選択（UDP vs TCP）:

    • UDP: 低レイテンシで高速ですが、メッセージの信頼性（紛失、順序保証）はSIP自身が再送タイマー（T1, T2など）を用いて管理する必要があります。短距離のシグナリングに適しています。

    • TCP: 信頼性は保証されますが、UDPに比べてオーバーヘッドが大きく、セッション確立が遅れる可能性があります。NATやファイアウォール越え、サイズの大きいメッセージ、長期間のセッションに適しています。

  • MTU (Maximum Transmission Unit) / Path MTU:

    • SIPメッセージ（特にSDPボディが大きい場合）がMTUを超えることがあります。UDPを使用する場合、IPフラグメンテーションが発生し、信頼性低下やファイアウォールでの問題を引き起こす可能性があります。TCPは自動的にセグメンテーションを処理するため、この問題は発生しにくいです。Path MTU Discovery (PMTUD) は、TCPやUDPベースのSIP実装において、メッセージサイズを最適化するために考慮すべき重要な要素です。

  • HOL (Head-of-Line) Blocking回避:

    • TCPを使用する場合、TCPストリーム内のデータの喪失や遅延が後続のデータの処理をブロックするHOL Blockingが発生する可能性があります。SIPメッセージは独立したトランザクションを形成するため、異なるトランザクション間ではこの問題は発生しにくいですが、同一のTCPコネクション内で複数のSIPメッセージが同時に処理される場合、アプリケーションレベルでのHOL Blockingは考慮する必要があります。UDPベースのSIPでは、メッセージが独立しているためHOL Blockingは発生しません。

  • キュー制御と優先度:

    • SIPプロキシやUAは、大量のメッセージを処理する際に、適切なキュー制御と優先度付けを行う必要があります。特に音声やビデオのセッション確立に関するメッセージは、他のシグナリング（例: SUBSCRIBE/NOTIFY）よりも高い優先度で処理されるべきです。これにより、リアルタイム通信の品質（QoS）を維持できます。

  • NAT/ファイアウォール越え:

    • SIP通信は、NATやファイアウォールによって問題が発生することがよくあります。ContactヘッダやSDP内のIPアドレスがプライベートアドレスである場合、外部からの到達が困難になります。STUN/TURN/ICEプロトコルと連携し、これらの課題を解決する必要があります。
flowchart LR
  A["SIPメッセージ受信"] --> B{"リクエスト種別判定?"}
  B -- INVITE/REGISTER --> C["認証・認可処理"]
  B -- BYE/CANCEL --> D["既存セッション検索"]
  C --> E{"認証成功?"}
  D --> F["セッション状態更新"]
  E -- Yes --> G["URI解決・ルーティング"]
  E -- No --> H["401/403応答"]
  G --> F
  F --> I{"メッセージボディ処理?"}
  I -- Yes(SDP) --> J["メディア属性解析"]
  J --> K["次のホップへ転送 / 応答生成"]
  I -- No --> K
  K --> L["応答送信"]

このフローチャートは、SIPエンティティがメッセージを受信してから応答を生成または転送するまでの一般的な処理の流れを示しています。認証、URI解決、セッション状態の更新、メッセージボディの解析といった主要なステップが含まれます。

まとめ

RFC 3261は、SIPプロトコルの基盤を確立し、そのメッセージ構造、応答コード、トランザクションモデルを詳細に定義しています。テキストベースで拡張性の高い設計は、VoIPやリアルタイム通信アプリケーションの柔軟な開発を可能にしました。HTTPとの類似性を持ちながらも、セッション管理やトランスポート選択における違いは、SIPがリアルタイム通信の特性に特化していることを示しています。セキュリティ面では、認証、メッセージ完全性、機密性の確保が不可欠であり、リプレイ攻撃やDoS攻撃に対する対策も重要です。また、実装においては、トランスポートの選択、MTUへの配慮、キュー制御、NAT/ファイアウォール越えなど、多くの技術的な課題に対処する必要があります。RFC 3261の理解は、今日のIPベースのユニファイドコミュニケーションシステムを構築・運用する上で不可欠です。

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