IP多媒體子系統(IP Multimedia Subsystem,IMS)

時間 2019-11-30

標籤多媒體子系統 multimedia subsystem ims 简体版

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什麼是IP多媒體子系統^[1]

　　IP多媒體子系統，是一種全新的多媒體業務形式，它可以知足如今的終端客戶對更新穎和更多樣化多媒體業務的需求。目前，IMS被認爲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、數據、視頻三重融合等差別化業務的重要方式。可是，目前全球IMS網絡多數處於初級階段，應用方式也處於業界探討當中。php

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IMS產生的背景^[2]

　　電信技術與業務的發展，以及Internet的出現，大大改變了通訊的面貌，移動通訊和固定通訊都利用Internet和IP技術推出了各類業務。電信業務市場正在從提供基本通話服務的市場轉化爲以增值業務爲基本特徵的全面信息服務市場，運營商面臨着從傳統電信運營商向綜合信息服務商的轉變。html

　　從業務和技術層面看，對傳統電信運營商的主要衝擊來自兩個領域，即移動業務和IP業務。安全

　　IMS是3GPP提出的概念，全稱爲IP Multimedia Subsystem(IP多媒體子系統)，是爲了知足IP多媒體業務的需求，基於PS域的一個子系統。服務器

　　WCDMA網絡從R99版本開始，與2G／2．5G網絡相比，最大的變化在於空口技術的改變，空口變化直接形成了接入帶寬的提升，同時核心網分爲CS域和PS域兩個部分，CS域(電路域)負責語音業務，PS域(分組域)負責Internet訪問業務。網絡

　　從R4版本開始，CS域從原來的TDM承載變成IP承載，同時引入軟交換系統，實現呼叫控制和承載相分離。R4版本因爲對CS域和PS域都統一承載在IP網絡上，同時因爲軟交換架構的優點，目前成爲全球WCDMA建網的主要選擇。架構

　　隨着用戶需求的不斷變化，單純的語音通訊和Internet訪問業務已經不能知足要求。3GPP從R5版本開始，在原有的PS域的基礎上，引入IMS來提供IP多媒體業務，例如PoC業務、IM業務、Presence業務、Gaming業務等。目前3GPP的R5版本、R6版本已經凍結，R7版本正在研究中。優化

　　正式發佈的第一個3GPP系統的設計版本(R99)是向後兼容現有的GSM電路交換系統的，但因爲購置、維護電路交換系統專用硬件設備的成本很高，用於傳輸用戶數據的帶寬損失也很大，3GPP系統因而開始逐漸轉向一種所有基於IP的核心網絡。這意味着，因爲市場競爭日趨激烈，現有的電路交換系統將被淘汰，取而代之的是開放的、擴展性好的、購置和維護成本也更加低廉的基於IP的硬件系統。此外，目前市場上新開發的服務和應用也大都是基於IP的。因爲上述緣由，3GPP規範的R4和R5版本也愈來愈突出了IP架構的重要性並引入了IP多媒體子系統(IMS)這一律念，一是但願經過IP的形式提供傳統的電路交換服務(如語音服務)，二是但願經過這個子系統實現向用戶提供全部的多媒體服務。ui

　　IP多媒體子系統是對PS核心網的一個擴展，旨在從3GPP的R6版本之後使其獨立於PS-CN，它使用SIP創建、保持和終止語音及多媒體進程。編碼

　　IMS域是特別爲實時和非實時的用戶端到端的多媒體業務設計的。IMS經過一系列的關鍵機制，如會話協商和管理、服務質量(QoS)和移動性管理等，爲用戶提供實時的端到端多媒體業務，如加強的語音和視頻電話；還能夠提供非實時的用戶端到端多媒體業務(如聊天和即時消息)，多用戶業務(如多媒體會議和聊天室)，用戶端到服務器端業務(如動態Push業務和「一鍵撥」(Click to Dial)業務)。早在幾年之前，設備提供商和電信運營商就認識到，僅僅靠增長帶寬是不可以知足最終用戶指望的，因而IMS應運而生，彌補這個指望差距。url

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IMS的特色分析^[3]

　　IMS最初來源於移動通訊標準領域，是由3GPP在其Release5中引入的。3GPP是1998年由歐洲、日本、韓國、美國和中國的標準化機構共同成立的專門制定第三代移動通訊系統標準的標準化組織，它推出的第一個規範是R99，以後又相繼推出了R四、R5和R6，目前3GPP正在制定R7規範。

　　IMS是由R5引入到3G的體系之中，做爲3G的核心網的體系架構，旨在爲3G用戶提供各類多媒體服務。實質上IMS的最終目標就是使各類類型的終端均可以創建起對等的IP鏈接，經過這個IP鏈接終端之間能夠相互傳遞各類信息，包括語音、圖片、視頻等；所以，能夠說IMS是經過IP網絡來爲用戶提供實時或非實時端到端的多媒體業務。

　　IMS最初的設計思想就要求與接入方式無關的特性，即IMS能夠爲任何類型的終端提供服務，只要這個終端能夠接入到IMS網絡。遺憾的是，R5的IMS規範中包含了一些GPRS特有的特性。在R6中，接人方式無關的問題從核心的IMS描述申分離出來。3GPP使用術語「IP接入網絡」來表明能夠在終端和IMS實體間提供底層IP傳輸鏈接的全部網絡實體和接口的集合。

　　正是因爲IMS的這種與接人無關的特性，在3GPP提出IMS以後，IMS逐漸引發了普遍的關注，尤爲是固網領域也對IMS產生了濃厚的興趣。前面已經介紹過，IMS最初是移動通訊領域提出的一種體系架構，可是其擁有的與接入無關的特性使得IMS能夠成爲融合移動網絡與固定網絡的一種手段，這是與NGN的目標相一致的。IMS這種天生的優點使它獲得了ITuT和ETSI的關注，這兩個標準化組織目前都已經把IMS引入到本身的NGN標準之中，在NGN的體系結構中，IMS將做爲控制層面的核心架構，用於控錯層面的網絡融合。在ITU-T將IMS做爲NGN的控制核心以後，IMS已經成爲了通訊業的焦點，如今電信運營商、電信設備提供商都對IMS投入巨大，尤爲是面臨轉型的電信運營商更是對IMS寄予厚望。此外，IMS還獲得了計算機行業的支持，像IBM、微軟等公司也正在對IMS進行研究。IMS已經獲得了普遍的行業支持，從這也能看出IMS的受關注程度，目前IMS的標準制定、IMS的試驗等工做正在進行之中，IMS正在迅速發展並不斷成熟。

　　IMS可以成爲NGN的核心，是由於IMS具備不少可以知足NGN需求的優勢。除了上面提到的與接入無關的特色外，IMS還具備其餘一些特色。

　　1．接入無關性

　　IMS是一個獨立於接人技術的基於IP的標準體系，它與現存的語音和數據網絡均可以互通，不管是固定用戶仍是移動用戶。IMS網絡的用戶與網絡是經過IP連通的，即經過IP—cAN(IPConnectivityAccessNetwork)來鏈接。例如，WCDMA的無線接入網絡(RAN)以及分組域網絡構成了移動終端接入IMS網絡的IP—CAN，用戶能夠經過PS域的GGSN接入到IMS網絡。而爲了支持WLNA、wiMAX、xDSL等不一樣的接入技術，會產生不一樣的IP—CAN類型。IMS的核心控制部分與IP—CAN是相獨立的，只要終端與IMS網絡能夠經過必定的IP—CAN創建IP鏈接，則終端就能利用IMS網絡來進行通訊，而無論這個終端是何種類型的終端。

　　IMS的體系使得各類類型的終端均可以創建起對等的IP通訊，並能夠得到所須要的服務質量。除會話管理以外，IMS體系還涉及完成服務所必需的功能，如註冊、安全、計費、承載控制、漫遊等。

　　2．基於SIP協議

　　IMS中使用SIP做爲惟一的會話控制協議。爲了實現接人的獨立性，IMS採用SIP做爲會話控制協議，這是由於SIP協議自己是一個端到端的應用協議，和接入方式無關。此外因爲SIP是由IETF提出的使用於Internet上的協議，所以使用SIP協議也加強了IMS與Internet的互操做性。可是3GPP在制定IMS標準時對原來的IETF的SIP標準進行了一些擴展，主要是爲了支持終端的移動特性和一些Qos策略的控制和實施等，所以當IMS的用戶與傳統Internet的SIP終端進行通訊時，會存在一些障礙，這也是IMS目前存在的一個問題。

　　SIP協議是IMS中惟一的會話控制協議，但不是說IMS體系中只會用到SIP協議，IMS也會用到其餘的一些協議，但其餘的這些協議並不用於對呼叫的控制。如Diameter用於策略的管理和控制，用於CSCF與HSS之間，COPS用於策略的管理和控制，H．248用於對媒體網關的控制等。

　　3．針對移動通訊環境的優化

　　由於3GPP最初提出IMS是要用於3G的核心網中，所以IMS體系針對移動通訊環境進行了充分的考慮，包括基於移動身份的用戶認證和受權、用戶網絡接口上SIP消息壓縮的確切規則、容許無線丟失與恢復檢測的安全和策略控制機制。除此以外，不少對於運營商頗爲重要的方面在體系的開發過程當中獲得瞭解決，例如計費體系、策略和服務控制等。這個特色是IMS與軟交換相比的最大優點，即IMS是支持移動終端接人的，目前IMS在移動領域中的應用相對於固網來講比較成熟，標準也更加成熟，估計IMS將最早應用於移動網之中，逐漸地融合各類固定網絡的接入，最終實現固定與移動網絡的融合。

　　4．提供豐富的組合業務

　　IMS在我的業務實現方面採用比傳統網絡更加面向用戶的方法。IMS給用戶帶來的一個直接好處就是實現了端到端的IP多媒體通訊。傳統的多媒體業務是人到內容或人到服務器的通訊方式，而IMS是直接的人到人的多媒體通訊方式。同時，IMS具備在多媒體會話和呼叫過程當中增長、修改和刪除會話和業務的能力，而且還能夠對不一樣的業務進行區分和計費的能力。所以對用戶而言，IMS業務以高度個性化和可管理的方式支持我的與我的以及我的與信息內容之間的多媒體通訊，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的出現使得網絡融合成爲可能。除了與接入方式無關的特性外，IMS還具備一個商用網絡所必須擁有的一些能力，包括計費能力、Qos控制、安全策略等，IMS從最初提出就對這些方面進行了充分的考慮。正由於如此，IMS纔可以被運營商接受並被運營商寄予厚望。運營商但願經過IMS這樣一個統一的平臺，來融合各類網絡，爲各類類型的終端用戶提供豐富多彩的服務，而沒必要再像之前那樣使用傳統的「煙囪」模式來部署新業務，從而減小重複投資，簡化網絡結構，減小網絡的運營成本。

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IMS中的功能實體^[3]

　　IMS是一個複雜的體系，其中包括許多功能實體，每一個功能實體都有本身的任務，你們協同工做、相互配合來共同完成對會話的控制。下面詳細介紹這些功能實體所具備的功能。

　　1．CSCF

　　CSCF(Call Session Control Function)叫作呼叫會話控制功能，它是IMS體系的核心，根據功能不一樣CSCF又分爲P-CSCF、I—CSCF和S—CSCF。

　　(1)P—CSCF

　　P—CSCF即Proxy—CSCF，叫作代理呼叫會話控制功能。它是IMS系統中用戶的第一個接觸點，全部SIP信令流，不管是來自UE(UserEquipment)或者發給UE，都必須經過P—CSCF。正如這個實體的名字所指出的，P—CSCF的行爲很像一個代理。P—CSCF負責驗證請求，將它轉發給指定的目標，而且處理和轉發響應。同一個運營商的網絡中能夠有一個或者多個P-CSCF。P—CSCF執行的功能包括：

　　①基於請求中UE提供的歸屬域名來轉發SIPREGISTER(註冊)請求給I—CSCF；

　　②將UE收到的SIP請求和響應轉發給S—CSCF；

　　③將SIP請求和響應轉發給UE；

　　④檢測緊急會話創建請求；

　　⑤發送計費有關的信息給計費採集功能CCF；

　　⑥提供SIP信令的完整性保護，而且維持UE和P—CSCF之間的安全聯盟。完整性保護是經過因特網協議安全(IPSec)的封裝安全淨荷(ESP)提供的；

　　⑦對來自UE和發往UE的SIP消息進行解壓縮和壓縮。

　　(2)I-CSCF

　　問詢CSCF即I—CSCF，它是一個運營商網絡中爲全部鏈接到這個運營商的某一用戶的鏈接提供的聯繫點。在一個運營商的網絡中能夠有多個I-CSCF。I-CSCF執行的功能以下：

　　①聯繫HSS以得到正在爲某個用戶提供服務的S—CSCF的名字；

　　②基於從HSS處收到的能力集來指定一個S—CSCF；

　　③轉發SIP請求或響應給S—CSCF；

　　④發送計費相關的信息給CCF；

　　⑤提供隱藏功能。

　　I-CSCF可能包含被稱爲網間拓撲隱藏網關THIG的功能。THIG用於對外部隱藏運營商網絡的配置、容量和網絡拓撲結構。

　　(3)S—CSCF

　　服務CSCF即S—CSCF，它是IMS的核心所在，它位於歸屬網絡，爲UE進行會話控制和註冊服務。當UE處於會話中時，孓CSCF維持會話狀態，而且根據網絡運營商對服務支持的須要，與服務平臺和計費功能進行交互。在一個運營商的網絡中，能夠有多個S—CSCF，而且這些S—CSCF能夠具備不一樣的功能。S-CSCF所實現的詳細功能以下：

　　①按照RFC3261的定義，充當登記員(Register)處理註冊請求。S—CSCF瞭解UE的IP地址以及哪一個P—CSCF正在被UE用作IMS入口；

　　②經過IMS認證和密鑰協商(AuthenticationandKeyAgreement，AKA)機制來認證用戶。IMS的AKA實現了UE和歸屬網絡問的相互認證；

　　③在註冊過程當中或者在處理去往一個未註冊用戶的請求時，從HSS下載用戶信息和與服務相關的數據。

　　④將去往用戶的業務流轉發給P—CSCF，而且轉發用戶發起的業務流給I—CSCF、出口網關控制功能(BGCF)或者應用服務器(AS)。

　　⑤進行會話控制。根據RFC3261的定義，S—CSCF能夠做爲代理服務器和UA。

　　⑥與服務平臺交互，交互意味着決定什麼時候須要將請求或者響應轉發到特定的AS去進行進一步處理的能力。

　　⑦使用域名服務器(DNS)翻譯機制將E．164號碼翻譯成SIP統一資源標誌符(URI)。這種翻譯是必需的，由於IMS中SIP信令的傳送只能使用SIPURI進行。

　　⑧監視註冊計時器並能在須要的時候解除用戶註冊。

　　⑨當運營商支持IMS緊急呼叫時，用於選擇緊急呼叫中心，這是R6的特點。

　　⑩執行媒體修正。S—CSCF可以檢查會話描述協議(SDP)淨荷的內容，而且檢查它是否包含不容許提供給用戶的媒體類型和編碼方案。當被提議的SDP不符合運營商的策略時，S-CSCF拒絕該請求而且發送SIP報錯消息488給用戶。

　　11.維持會話計時器。R5沒有爲狀態感知的代理提供瞭解會話狀態的方法。R6經過引入會話計時器改正了這個不足。它容許P—CSCF檢測和釋放被掛起的會話所消耗的資源。

　　12.發送與計費相關的信息給CCF以進行離線計費，或者發給在線計費系統(OCS)進行在線計費。

2．HSS

　　歸屬用戶服務器HSS是IMS中全部與用戶和服務相關的數據的主要數據存儲器。存儲在HSS中的數據主要包括用戶身份、註冊信息、接人蔘數和服務觸發信息。

　　用戶身份包括兩種類型：私有用戶身份和公共用戶身份。私有用戶身份是由歸屬網絡運營商分配的用戶身份，用於註冊和受權等用途。而公共用戶身份用於其餘用戶向該用戶發起通訊請求。IMS接人蔘數用於會話創建，它包括諸如用戶認證、漫遊受權和分配S—CSCF的名字等。服務觸發信息使SIP服務得以執行。HSS也提供各個用戶對s—CSCF能力方面的特定要求，這個信息被I—CSCF用來爲用戶挑選最合適的S—CSCF。

　　在一個歸屬網絡中能夠有不止一個HSS，這依賴於用戶的數目、設備容量和網絡的架構。在HSS與其餘網絡實體之間存在多個參考點。

　　3．SLF

　　訂購關係定位功能SLF做爲一種地址解析機制，當網絡運營商部署了多個獨立可尋址的HSS時，這種機制使I-CSCF、S-CSCF和AS可以找到擁有給點用戶身份的訂購關係數據的HSS地址。

　　4．MRFC

　　多媒體資源功能控制器MRFC用於支持和承載相關的服務，例如會議、對用戶公告、進行承載代碼轉換等。MRFC解釋從S-CSCF收到的SIP信令，而且使用媒體網關控制協議指令來控制多媒體資源功能處理器MRFP。MRFC還可以發送計費信息給CCF和OCS。

　　5．MRFP

　　多媒體資源功能處理器MRFP提供被MRFC所請求和指示的用戶平面資源。MRFP具備下列功能：

　　(1)在MRFC的控制下進行媒體流及特殊資源的控制；

　　(2)在外部提供RTP／IP的媒體流鏈接和相關資源；

　　(3)支持多方媒體流的混合功能(如音頻／視頻多方會議)；

　　(4)支持媒體流發送源處理的功能(如多媒體公告)；

　　(5)支持媒體流的處理功能(如音頻的編解碼轉換、媒體分析)。

　　6．MGCF

　　媒體網關控制功能MGCF是使IMS用戶和CS用戶之間能夠進行通訊的網關。全部來自CS用戶的呼叫控制信令都指向MGCF，它負責進行ISDN用戶部分(ISUP)或承載無關呼叫控制(BICC)與SIP協議之間的轉換，而且將會話轉發給IMS。相似地，全部IMS發起到CS用戶的會話也通過MGCF。MGCF還控制與其關聯的用戶平面實體——IMS多媒體網關IMS—MGW中的媒體通道。另外，MGCF可以報告計費信息給CCF。

　　7．IMS—MGWIMS

　　多媒體網關功能IMS—MGW提供CS網絡和IMS之問的用戶平面鏈路，它直接受MGCF的控制。它終結來自CS網絡的承載信道和來自骨幹網(例如，IP網絡中的RTP流或者ATM骨幹網中的AAL2／ATM鏈接)的媒體流，執行這些終結之間的轉換，而且在須要時爲用戶平面進行代碼轉換和信號處理。另外，IMS-MGW可以提供音調和公告給CS用戶。

　　8．PDF

　　PDF根據AF(ApplicationFunction，如P—CSCF)的策略創建信息來決定策略。PDF的基本功能包括：

　　(1)支持來自AF的受權創建處理及向GGSN下發SBLP策略信息；

　　(2)支持來自AF或者GGSN的受權修改及向GGSN更新策略信息；

　　(3)支持來自AF或者GGSN的受權撤銷及策略信息刪除；

　　(4)爲AF和GGSN進行計費信息交換，支持ICID交換和GCID交換；

　　(5)支持策略門控功能，控制用戶的媒體流是否容許通過GGSN，以便爲計費和呼叫保持／恢復補充業務進行支撐；(6)指示的受權請求處理以及呼叫應答時受權信息的更新。

　　9．BGCF

　　出口網關控制功能BGCF負責選擇到CS域的出口的位置。所選擇的出口既能夠與BGCF處在同一網絡，又能夠是位於另外一個網絡。若是這個出口位於相同網絡，那麼BGCF選擇媒體網關控制功能(MGCF)進行進一步的會話處理；若是出口位於另外一個網絡，那麼BGCF將會話轉發到相應網絡的BGCF。另外，BGCF可以報告計費信息給CCF，而且收集統計信息。

　　10．SGW

　　信令網關SGW用於不一樣信令網的互連，做用相似於軟交換系統中的信令網關。SGW在基於No．7信令系統的信令傳輸和基於IP的信令傳輸之間進行傳輸層的雙向信令轉換。SGW不對應用層的消息進行解釋。

　　11．SEG

　　安全網關SEG是爲了保護IMS域的安全而引入的，控制平面的業務流在進入或者離開安全域以前要先經過安全網關。安全域是指由單一管理機構管理的網絡，通常來講，它的邊界就是運營商的邊界。SEG放在安全域的邊界，而且它針對目標安全域的其餘SEG執行本安全域的安全策略。網絡運營商能夠在其網絡中部署不止一個SEG，以免單點故障。。

　　12．AS

　　應用服務器AS是爲IMS提供各類業務邏輯的功能實體，與軟交換體系中的應用服務器的功能相同，這裏就不進行更多的介紹了。

　　13．GPRS實體

　　(1)SGSN

　　GPRS服務支持結點SGSN鏈接RAN和分組核心網。它負責爲PS域進行控制和提供服務處理功能。控制部分包括兩大主要功能：移動性管理和會話管理。移動性管理負責處理UE的位置和狀態，而且對用戶和UE進行認證。會話管理負責處理鏈接接納控制和處理現有數據鏈接中的任何變化，它也負責監督管理3G網絡的服務和資源，並且還負責對業務流的處理。SGSN做爲一個網關，負責用隧道來轉發用戶數據，即它在UE和GGSN之間中繼用戶業務流。做爲這個功能的一部分，SGSN也須要保證這些鏈接接收到適當的QoS；另外，SGSN還會生成計費信息。

　　(2)GGSN

　　GPRS網關支持結點GGSN提供與外部分組數據網之間的配合。GGSN的主要功能就是提供UE與外部數據網之間的鏈接，而基於IP的應用和服務位於外部數據網之中。例如，外部數據網能夠是IMS或者Internet。換句話，GGSN將包含SIP信令的IP包從UE轉發到P—CSCF。另外，GGSN負責將IMS媒體IP包向目標網絡轉發，例如目標網絡的GGSN。所提供的網絡互連服務經過接入點來實現，接入點與用戶但願鏈接的不一樣網絡相關。在大多數狀況下，IMS有其自身的接入點。當UE激活到一個接入點(IMS)的承載(PDP上下文)時，GGSN分配一個動態IP地址給UE。這個IP地址在IMS註冊並和UE發起一個會話時，做爲UE的聯繫地址。另外，GGSN還負責修正和管理IMS媒體業務流對PDP上下文的使用，而且生成計費信息。

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