第七章 IP多媒體子系統(tǒng)技術

現(xiàn)代交換原理與實踐第七章IP多媒體子系統(tǒng)技術本章主要內容7.1概述7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用7.1概述7.1.1IMS的發(fā)展歷程7.1.2IMS的特點7.1.3IMS與軟交換的比較IP多媒體子系統(tǒng)（IPMultimediaSubsystem，IMS）是一種全新的多媒體業(yè)務形式，能夠滿足終端用戶更新穎、更多樣化的多媒體業(yè)務的需求，是近年來電信行業(yè)關注的一個焦點，得到了政府、標準化組織、電信運營商、電信設備提供商等的重視。IMS被認為是下一代網絡的核心技術，也是解決移動與固網融合，引入語音、數(shù)據(jù)、視頻三重融合等差異化業(yè)務的重要方式。7.1.1IMS的發(fā)展歷程固定網絡和移動網絡融合，需要新的體系架構新的體系架構應該滿足以下三個方面的要求 –應能提供電信級的QoS保證 –應能提供融合各類網絡能力的綜合業(yè)務 –應能對業(yè)務進行有效而靈活的計費3GPP將蜂窩移動通信網技術和Internet技術有機地結合了起來，在Release5版本中提出的支持IP多媒體業(yè)務的子系統(tǒng)（IPMultimediaSubsystem，IMS）技術標準。7.1概述IMS的應用主要有以下幾種類型:（1）給移動用戶提供多媒體業(yè)務，Cingular、T-Mobile、TIM、CSL等移動運營商均采用此應用模式。（2）給企業(yè)用戶提供融合的企業(yè)應用，Sprint、西班牙電信、SBC等運營商采用此方式為企業(yè)用戶提供IPCentrex業(yè)務。（3）固定運營商給寬帶用戶提供VoIP業(yè)務，BellSouth、KPN、Telefonica等固定運營商采用此模式為寬帶用戶提供VoIP的第二線業(yè)務。（4）綜合運營商為用戶提供的固定和移動融合的IMS，比較熱門的業(yè)務是Wi-Fi與移動網的業(yè)務切換。Cingular（移動）和SBC（固定）計劃近期向企業(yè)提供Wi-FiVoIP與WCDMA電路域語音的切換，已經能夠實現(xiàn)Wi-Fi到WCDMA的單向切換。BT和FT完成了類似業(yè)務的測試，但是實現(xiàn)方案有所不同。7.1.2IMS的特點

1．接入無關性IMS支持多種固定/移動接入方式的融合，支持無縫的移動性和業(yè)務連續(xù)性，為全業(yè)務運營提供了便利。IMS是一個獨立于接入技術的基于IP的標準體系，與現(xiàn)存的語音和數(shù)據(jù)網絡都可以互通，而不管是固定用戶還是移動用戶。IMS網絡的用戶與網絡是通過IP連通的，即通過IP-CAN（IPConnectivityAccessNetwork）來連接。2．基于SIP協(xié)議IMS使用SIP作為唯一的會話控制協(xié)議。為了實現(xiàn)接入的獨立性，IMS采用SIP作為會話控制協(xié)議，這是因為SIP協(xié)議本身是一個端到端的應用協(xié)議，與接入方式無關。此外，由于SIP是由IETF提出的使用于Internet上的協(xié)議，因此，使用SIP協(xié)議也增強了IMS與Internet的互操作性。3．針對移動通信環(huán)境的優(yōu)化因為3GPP最初提出IMS是要用于3G的核心網中的，所以IMS體系針對移動通信環(huán)境進行了充分的考慮，包括基于移動身份的用戶認證和授權、用戶網絡接口上SIP消息壓縮的確切規(guī)則、允許無線丟失與恢復檢測的安全和策略控制機制。4．提供豐富的組合業(yè)務IMS在個人業(yè)務實現(xiàn)方面采用比傳統(tǒng)網絡更加面向用戶的方法。對用戶而言，IMS業(yè)務以高度個性化和可管理的方式支持個人與個人，以及個人與信息內容之間的多媒體通信，包括語音、文本、圖片和視頻或這些媒體的組合。5．網絡融合的平臺IMS的出現(xiàn)使得網絡融合成為可能。除與接入方式無關的特性外，IMS還具有商用網絡必須擁有的一些能力，包括計費、QoS控制和安全策略等，IMS從提出起就對這些方面進行了充分的考慮。正因為如此，IMS才能夠被運營商接受并被運營商寄予厚望。6．歸屬地控制IMS采用歸屬地控制，區(qū)別于軟交換的拜訪地控制，與用戶相關的數(shù)據(jù)信息只保存在用戶歸屬地，用戶鑒權認證、呼叫控制和業(yè)務控制都由歸屬地網絡完成，從而保證業(yè)務提供的一致性，易于實現(xiàn)私有業(yè)務的擴展，促進歸屬運營商積極提供吸引用戶的業(yè)務。7．業(yè)務提供能力IMS將業(yè)務層與控制層完全分離，有利于靈活、快速地提供各種業(yè)務應用，更利于業(yè)務的融合。另外，IMS的業(yè)務還可以通過開放的應用編程接口提供給第三方，可以為廣大用戶開發(fā)出更加豐富多彩的應用。8．安全機制IMS網絡部署了多種安全接入機制、安全域間信令保護機制及網絡拓撲隱藏機制。7.1.3IMS與軟交換的比較IMS和軟交換最大的區(qū)別在于以下幾方面。（1）在軟交換控制與承載分離的基礎上，IMS更進一步實現(xiàn)了呼叫控制層和業(yè)務控制層的分離。（2）IMS起源于移動通信網絡的應用，因此充分考慮了對移動性的支持，并增加了外置數(shù)據(jù)庫——歸屬用戶服務器（HSS），用于用戶鑒權和保護用戶業(yè)務觸發(fā)規(guī)則。（3）IMS全部采用會話初始協(xié)議（SIP）作為呼叫控制和業(yè)務控制的信令；而在軟交換中，SIP只是可用于呼叫控制的多種協(xié)議中的一種，更多地使用媒體網關協(xié)議（MGCP）和H.248協(xié)議?？傮w來講，IMS和軟交換的區(qū)別主要是在網絡構架上。軟交換網絡體系基于主從控制的特點，使得其與具體的接入手段關系密切；而IMS體系由于終端與核心側采用基于IP承載的SIP協(xié)議，所以具有IP技術與承載媒體無關的特性，使得IMS體系可以支持各類接入方式，從而使得IMS的應用范圍從最初的移動網逐步擴大到固定網領域。此外，由于IMS體系架構可以支持移動性管理且具有一定的服務質量（QoS）保障機制，因此，IMS技術相比于軟交換的優(yōu)勢還體現(xiàn)在寬帶用戶的漫游管理和QoS保障方面。本章主要內容7.1概述7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.2.1IMS體系結構IMS體系結構和呼叫會話控制功能（CallSessionControlFunction，CSCF）（IMS體系的核心）的設計利用了軟交換技術，實現(xiàn)了業(yè)務與控制相分離、呼叫控制與媒體傳輸相分離。IMS雖然是3GPP為移動用戶接入多媒體服務而開發(fā)的系統(tǒng)，但由于它全面融合了IP域的技術，并在開發(fā)階段就和其他組織進行密切合作，因此，IMS實際已經不僅僅局限于只為移動用戶提供服務了。IMS體系結構如圖7.1所示。

在IMS體系結構中，底層為承載層，用于提供IMSSIP會話的接入和傳輸，承載網必須是基于分組交換的。

中間層為控制層，由網絡控制服務器組成，完成IMS多媒體呼叫會話過程中的信令控制功能，其中包括用戶注冊、鑒權、會話控制、路由選擇、業(yè)務觸發(fā)、承載面服務質量保證、媒體資源控制及網絡互通等功能。

最上面一層是業(yè)務層，業(yè)務層與控制層完全分離，主要由各種不同的應用服務器組成，除在IMS網絡內實現(xiàn)各種基本業(yè)務和補充業(yè)務（SIP-AS方式）外，還可以將傳統(tǒng)的窄帶智能網業(yè)務接入IMS網絡中（IM-SSF方式），并為第三方業(yè)務的開發(fā)提供標準的開放應用編程接口（OSA-SCS方式），從而使第三方應用提供商可以在不了解具體網絡協(xié)議的情況下開發(fā)出豐富多彩的個性化業(yè)務。7.2.2IMS主要功能實體IMS的主要功能實體可以分為5類：呼叫會話控制功能實體、用戶數(shù)據(jù)管理和認證鑒權功能實體、媒體資源功能實體、業(yè)務控制功能實體及互通功能實體。呼叫會話控制功能實體1）代理CSCF（P-CSCF）P-CSCF是連接IMS終端和IMS網絡的入口節(jié)點，所有IMS終端發(fā)起和終止于IMS終端的SIP信令都要通過P-CSCF。P-CSCF實際上扮演了一個代理服務器的角色，它接收SIP請求與響應，并向IMS網絡或IMS用戶轉發(fā)。同時P-CSCF還可以作為一個UA，在異常條件下，它可以終結或獨立產生一個SIP事務。P-CSCF可以處于拜訪網絡，也可以處于歸屬網絡。2）查詢CSCF（I-CSCF）I-CSCF是處于拜訪網絡中的IMS終端進入本地IMS網絡域的入口節(jié)點。I-CSCF路由外地終端的SIP請求和響應至本地S-CSCF。I-CSCF處于歸屬網絡，在特殊情況下，也可以處于拜訪網絡。3）服務CSCF（S-CSCF）S-CSCF是SIP信令平面的中心節(jié)點，其作用類似軟交換系統(tǒng)中的軟交換設備，為IMS終端執(zhí)行會話控制服務并保持會話狀態(tài)。S-CSCF檢查所有通過的SIP信令，決定是否需要訪問應用服務器，并將信令轉發(fā)至最終目的地。S-CSCF還提供SIP路由服務，路由SIP請求或響應到PSTN域或CS域。S-CSCF總是處于歸屬網絡。2.用戶數(shù)據(jù)管理和認證鑒權功能實體1）HSS歸屬用戶服務器（HSS）是用于存儲用戶相關信息的服務器。HSS包含在處理媒體會話時所需的用戶相關簽約數(shù)據(jù)，包括：位置信息、安全信息（包括鑒權和授權信息）、用戶業(yè)務屬性信息（包括用戶的簽約業(yè)務信息），以及分配給用戶的服務CSCF（S-CSCF）信息。當一個HSS需要處理的用戶數(shù)過多時，網絡中就需要部署多個HSS。但是與一個特定用戶相關的數(shù)據(jù)必須存在一個HSS中。只有一個HSS的網絡不需要部署簽約定位功能。如果網絡中有多個HSS，那么就需要一個SLF。2）SLFSLF是一個簡單的數(shù)據(jù)庫，它用于將用戶地址映射到HSS。當節(jié)點查詢SLF時，輸入用戶地址，會查到包含該用戶信息的HSS。在多HSS網絡環(huán)境中，這種機制可以使I-CSCF、S-CSCF和AS確定包含某用戶數(shù)據(jù)的HSS的域名。3.媒體資源功能實體（MRF）MRF在歸屬網絡中提供媒體資源。MRF向歸屬網絡提供語音播放、混合媒體流、實現(xiàn)不同編解碼器轉換、獲取統(tǒng)計信息，以及進行媒體分析等能力。MRF進一步分為信令面節(jié)點MRFC和媒體面節(jié)點MRFP。MRFC通過H.248協(xié)議來控制MRFP中的資源，由MRFP實現(xiàn)所有與媒體相關的功能，例如，媒體播放和媒體混合。

MRF總處于歸屬網絡，為用戶提供語音播放等相關功能。4.業(yè)務控制功能實體應用服務器（AS）是一個提供增值多媒體業(yè)務的SIP實體。它包括SIP應用服務器（SIPAS）、IP多媒體業(yè)務交換功能（IPMultimedia-ServiceSwitchingFunction，IM-SSF）和開放業(yè)務接入的業(yè)務能力服務器（OpenServiceAccess-ServiceCapabilityServers，OSA-SCS）3類，分別用來支持運營商IMS網絡直接提供的SIP業(yè)務、CAMEL業(yè)務環(huán)境（CSE）提供的傳統(tǒng)移動智能網業(yè)務和第三方提供的業(yè)務。5.互通類網元1）出口網關控制功能BGCF是一個具有路由功能的SIP實體，是IMS域與外部網絡的分界點。當IMS終端向PSTN/CS域發(fā)起呼叫時，由BGCF決定向哪個網絡轉發(fā)信令：如果目的PSTN/CS域為本地域，BGCF向與本地PSTN/CS域接口的MGCF轉發(fā)信令；否則，向外地域的一個BGCF轉發(fā)信令。2）媒體網關控制功能MGCF是IMS網絡與傳統(tǒng)電路交換網實現(xiàn)互通的功能實體，主要負責控制層面信令的互通。一方面它負責協(xié)議的轉換，將SIP協(xié)議映射成在IP上承載的ISUP或者BICC。另一方面，它通過H.248協(xié)議實現(xiàn)對MGW的控制。3）信令網關SGW負責底層協(xié)議轉換，比如將通過SCTP/IP承載的ISUP或BICC轉換為由MTP承載（7號信令承載）的ISUP或BICC。4）媒體網關MGW主要完成IMS網絡與電路交換網之間的媒體轉換。MGW的一側能通過RTP協(xié)議發(fā)送或者接收IMS媒體，另一側通過一條或者多條PCM連接到CS網絡。另外，當IMS終端不支持CS側的編解碼時，MGW還執(zhí)行碼型轉換：通常場景是IMS終端使用AMR編解碼器，而PSTN終端使用G.711編解碼器。5）IMS應用層網關（IMS-ALG）和轉換網關（TrGW）IMS-ALG和TrGW負責對IPv4和IPv6網絡之間的協(xié)議進行轉換，從而實現(xiàn)互通。其中，IMS-ALG負責處理控制面信令，即SIP和SDP消息；TrGW用于處理媒體面業(yè)務，例如RTP和RTCP。圖7.2IMS各功能實體的關系本章主要內容7.1概述7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用7.3.1IMS的主要協(xié)議1．SIP協(xié)議SIP協(xié)議是由IETF制定的一個在IP網絡上進行多媒體通信的應用層控制協(xié)議，被用來創(chuàng)建、修改和終結一個或多個參與者參與的會話進程。這些會話包括Internet多媒體會議、Internet電話、遠程教育及遠程醫(yī)療等。2．Diameter協(xié)議由于鑒權、認證和計費（AAA）體制是網絡運營的基礎，而Diameter協(xié)議是由IETF基于RADIUS（RemoteAuthenticationDialInUserService，遠程撥入用戶認證服務）開發(fā)的認證、授權和計費協(xié)議。Diameter協(xié)議包括基本協(xié)議、NAS（NetworkAccessService，網絡接入服務）協(xié)議、EAP（ExtensibleAuthenticationProtocol，可擴展認證協(xié)議）、MIP（MobileIP，移動IP）、CMS（CryptographicMessageSyntax，密碼消息語法）協(xié)議等。Diameter協(xié)議支持移動IP、NAS請求、移動代理的認證、授權和計費工作，協(xié)議的實現(xiàn)與RADIUS類似。7.3IMS的接口3．COPS協(xié)議COPS協(xié)議是IETF開發(fā)的一種簡單的查詢和響應協(xié)議，主要用于在策略服務器（策略決策點PDP）與其客戶機（策略執(zhí)行點PEP）之間交換策略信息。4．H.248協(xié)議H.248協(xié)議是IETF、ITU-T制定的媒體網關控制協(xié)議，用于MGC和MGW之間的通信，是實現(xiàn)MGC對MGW控制的一個非對等協(xié)議。接口作用協(xié)議Gm接口用于UE和CSCF之間的通信，主要完成UE注冊、鑒權和會話控制。SIP協(xié)議Mw接口用于連接不同CSCF，在各類CSCF之間轉發(fā)注冊、會話控制及其他事務處理消息。SIP協(xié)議Cx接口用于CSCF和HSS之間的通信Diameter協(xié)議Mg接口用于S－CSCF與MGCF之間，實現(xiàn)主叫用戶S－CSCF到各MGCF以及各MGCF到被叫用戶S-CSCF的SIP會話雙向路由功能。SIP協(xié)議7.3.2IMS的主要接口接口作用協(xié)議Mi接口用在IMS網絡和CS域互通時，在CSCF和BGCF之間傳遞會話控制信令。SIP協(xié)議Mk接口允許BGCF將會話控制信令轉發(fā)到另一個BGCF。SIP協(xié)議Mm接口用于CSCF與其他IP網絡之間，負責接收并處理一個SIP服務器或終端的會話請求。SIP協(xié)議Mj接口用在IMS網絡和CS域互通時，在BGCF和MGCF之間傳遞會話控制信令。SIP協(xié)議Mn接口用于MGCF和IM－MGW之間，完成靈活的連接處理，支持不同的呼叫模型和不同的媒體處理，以及IMS－MGW物理結點上資源的動態(tài)共享。H.248協(xié)議接口作用協(xié)議Mr接口用于CSCF與MRCF之間，由CSCF將來自SIPAS的資源請求消息轉發(fā)到MRFC，由MRFC最終控制MRFP完成與IMS終端用戶之間的用戶面承載建立。SIP協(xié)議Mp接口用于MRFC與MRFP之間，MRFC通過該接口控制MRFP處理媒體資源。H.248協(xié)議Dx接口用于CSCF和SLF之間的通信，確定用戶簽約數(shù)據(jù)所在的HSS的地址。Diameter協(xié)議Gq接口用于P－CSCF與PDF之間傳輸策略配置信息。Diameter協(xié)議Go接口用于PDF與GGSN之間完成PDF在GGSN里承載策略的應用。COPS協(xié)議本章主要內容7.1概述7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用7.4.1IMS入口的發(fā)現(xiàn)7.4IMS的通信流程由于P-CSCF是終端UE在IMS網絡中的第一個連接點，因此，在UE接入IMS網絡之前，首先需要獲得P-CSCF的IP地址信息。而UE找到這些地址的機制稱為P-CSCF的發(fā)現(xiàn)機制。在國際標準中，規(guī)定了兩種入口點發(fā)現(xiàn)機制：靜態(tài)機制和動態(tài)機制。圖7.3使用PDP關聯(lián)激活信令發(fā)現(xiàn)P-CSCF的過程圖7.4DHCP+DNS查詢過程（1）UE發(fā)出注冊請求。（2）P-CSCF通過DNS得到UE歸屬網的I-CSCF。（3）P-CSCF把注冊信息轉給I-CSCF。（4）I-CSCF查詢HSS，為UE選擇一個S-CSCF。（5）I-CSCF將注冊信息轉給S-CSCF。（6）S-CSCF從HSS中得到UE的認證信息。（7）S-CSCF會發(fā)現(xiàn)UE沒有授權，因此，它會從HSS中獲取認證信息并用“401未授權”應答來質疑UE，并通過I-CSCF和P-CSCF將“401未授權”消息轉發(fā)給UE。（8）UE會計算這個質疑的應答，給P-CSCF發(fā)一個新的包含這個應答的注冊請求，并重復（2）～（5）步。（9）S-CSCF檢查這個應答，如果正確，則認證通過，S-CSCF通知HSS存儲UE的注冊信息。（10）S-CSCF從HSS中下載UE數(shù)據(jù)和業(yè)務信息。（11）S-CSCF通知AS進行第三方業(yè)務注冊。（12）AS從HSS中得到UE數(shù)據(jù)。（13）P-CSCF向S-CSCF訂閱注冊事件通知。（14）UE向S-CSCF訂閱注冊事件通知。7.4.2注冊過程會話流程中包括媒體的協(xié)商過程（包括媒體類型和編碼方式的協(xié)商）和雙方的資源預留過程。7.4.3會話的基本建立流程（1）用戶A產生一個SIPINVITE請求，并通過Gm接口發(fā)送給P-CSCF。（2）P-CSCF對這個請求進行一定的處理。

（3）被叫網絡中的I-CSCF會通過Mw接口接收這個請求。（4）I-CSCF通過Cx接口聯(lián)系HSS，以獲取為被叫提供服務的S-CSCF。（5）INVITE請求又通過I-CSCF的Mw接口發(fā)送給被叫的S-CSCF。（6）這個S-CSCF負責處理收到的會話，這可能包含和AS的交互，并最終通過Mw接口發(fā)送給P-CSCF。（7）在進一步處理之后（如壓縮和私密檢查），P-CSCF通過Gm接口將INVITE請求轉發(fā)給用戶B。（8）～（13）用戶B產生一個應答消息，即183SessionProgress（183會話進行中），這個應答消息沿著剛才建立好的路徑（用戶B→P-CSCF→S-CSCF→I-CSCF→S-CSCF→P-CSCF→用戶A）反方向發(fā)送給用戶A。在幾次消息交互后，兩個用戶都完成了會話的建立，并可以開始真正的上層應用服務了。在會話建立的過程中，運營商可能會控制用來傳輸媒體的承載通道。本章主要內容7.1概述7.2IMS的體系結構和主要功能實體7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用從網絡架構上來看，IMS能力的開放可以分為以下兩種：?向上開放能力：IMS提供標準的協(xié)議接口，面向一些大型應用網站，如淘寶、網易網站開發(fā)人員針對具體的業(yè)務應用進行邏輯開發(fā)，通過IMS網絡接口實現(xiàn)業(yè)務功能，如點擊撥號等業(yè)務。?SDK向下開放能力：面對未來500億用戶物聯(lián)網市場空間，運營商需要有所作為，但需要規(guī)避直接介入的途徑，應該著眼于物聯(lián)網市場所需的基本通信訴求。通過開放的模式將通信基礎能力提供給物聯(lián)網用戶，供其提升終端能力，并提供專業(yè)的可運營、可管理的電信級服務，在雙贏的前提下，使500億“物”自然地延伸為電信網絡的新型用戶。例如，機頂盒嵌入RCS以實現(xiàn)家庭視頻通信，普通攝像頭嵌入RCS音/視頻能力以實現(xiàn)個人視頻業(yè)務，普通門鈴嵌入Video能力以實現(xiàn)小區(qū)安防，以及正在蓬勃發(fā)展的車聯(lián)網通信等。7.5IMS的發(fā)展現(xiàn)狀與應用IMS是一個在分組（PS）域上的多媒體控制/呼叫控制平臺，使得分組域具有電路域的部分功能，既要保證傳統(tǒng)網絡業(yè)務能力的繼承，又要不斷地推出更新穎的業(yè)務。將不同的業(yè)務進行分組可以得到以下一些類型。（1）信息類業(yè)務：這類業(yè)務對用戶來講