IMS與網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)分析tzq.doc

IMS與網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)分析交換通信設(shè)計(jì)所 陶志強(qiáng)摘要：NGN是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的目標(biāo)，而IMS是下一代網(wǎng)絡(luò)融合中的關(guān)鍵技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹了3GPP 定義的IMS和基于IMS的NGN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并分析了IMS-NGN標(biāo)準(zhǔn)定義的一些問(wèn)題，最后給出了網(wǎng)絡(luò)融合的目標(biāo)和趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：IMS NGN 網(wǎng)絡(luò)融合51. 引言隨著我國(guó)電信市場(chǎng)的開(kāi)放和3G牌照的發(fā)放，我國(guó)傳統(tǒng)的電信運(yùn)營(yíng)商將都會(huì)成為具有固定網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的綜合運(yùn)營(yíng)商，因此如何實(shí)現(xiàn)下一帶網(wǎng)絡(luò)(NGN)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合已成為目前業(yè)界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。而采用SIP協(xié)議并與接入方式無(wú)關(guān)的IMS(IP based mulitmedia subsystem )技術(shù)以其在網(wǎng)絡(luò)融合方面的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。其中3GPP從R5以后主要的研究重點(diǎn)就在IMS域，而其他標(biāo)準(zhǔn)組織如ETSI、ITU-T等都已基本確定以基于IMS的架構(gòu)為基礎(chǔ)來(lái)做為下一代網(wǎng)絡(luò)的解決方案。2. IMSIMS是3GPP在R5版本中為了解決如何向移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶提供IP多媒體業(yè)務(wù)而提出來(lái)的。其主要特征是在R4核心網(wǎng)PS域基礎(chǔ)上增加一個(gè)基于IP的多媒體子系統(tǒng)(IMS)。IMS利用PS域來(lái)傳輸呼叫控制信令和承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)通用移動(dòng)性的支持。IMS獨(dú)立于CS域的，但保持與CS域的互通。從理論上講，3GPP在R4版本的基礎(chǔ)上提出IMS概念的最初想法主要是為了提供多媒體業(yè)務(wù)，而不是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的進(jìn)一步演進(jìn)。隨著時(shí)間的推移以及無(wú)線和終端全I(xiàn)P化，R4網(wǎng)絡(luò)中的MSC Server架構(gòu)將逐步退出，取而帶之的是IMS網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大和擴(kuò)張。因此3GPP在R6和R7版本對(duì)IMS做了進(jìn)一步的深入研究。圖1 3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)IMS在3GPP的定義中，主要包括了所有提供IP多媒體業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)相關(guān)功能實(shí)體，主要包括如下：l CSCFCSCF是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，支持SIP協(xié)議處理SIP會(huì)話。負(fù)責(zé)對(duì)用戶多媒體會(huì)話進(jìn)行處理，其功能包括多媒體會(huì)話控制、地址翻譯以及對(duì)業(yè)務(wù)協(xié)商進(jìn)行服務(wù)轉(zhuǎn)換等。CSCF在IMS中實(shí)現(xiàn)了多媒體呼叫中主要的軟交換控制功能。根據(jù)各自不同的功能不同可分為P-CSCF(Proxy-CSCF)、I-CSCF(Interrogating-CSCF)和S-CSCF(Serving-CSCF)。其中P-CSCF是UE(User Equipment)接入IMS系統(tǒng)的入口，主要功能是把UE發(fā)來(lái)的SIP注冊(cè)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給I-CSCF或把UE發(fā)來(lái)的SIP消息轉(zhuǎn)發(fā)給S-CSCF；I-CSCF位于歸屬域中，是從訪問(wèn)域到歸屬域的入口點(diǎn)，用來(lái)為每個(gè)呼叫選擇相應(yīng)的S-CSCF，主要實(shí)現(xiàn)為用戶指定S-CSCF來(lái)執(zhí)行SIP注冊(cè)、轉(zhuǎn)發(fā)從HSS獲取S-CSCF地址的SIP請(qǐng)求以及將其他網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)的SIP請(qǐng)求路由到S-CSCF等功能；S-CSCF與I-CSCF一起位于歸屬域中，是整個(gè)IMS的控制核心、IMS會(huì)話管理的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，控制呼叫和業(yè)務(wù)的相關(guān)狀態(tài)，與SCP中的應(yīng)用服務(wù)器互通。主要功能包括用來(lái)接受用戶注冊(cè)，進(jìn)行URI分析和重定向路由、觸發(fā)應(yīng)用服務(wù)器以及完成呼叫的控制和接續(xù)。S-CSCF維持了用戶位置和用戶SIP地址的綁定，S-CSCF包含有網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)上所需的狀態(tài)信息，以協(xié)助進(jìn)行IMS網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)、會(huì)話控制和業(yè)務(wù)支持等。l MGCF和IMS-MGWMGCF和IMS-MGW是IMS與CS域和PSTN互通的功能實(shí)體。MGCF負(fù)責(zé)進(jìn)行控制協(xié)議ISUP和BICC和SIP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換并且將會(huì)話轉(zhuǎn)發(fā)給IMS。IMS-MGW負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換CS網(wǎng)絡(luò)(PSTN,GSM)的承載信道和骨干網(wǎng)（如IP網(wǎng)絡(luò)中的RTP流或ATM網(wǎng)中AAL2/ATM連接）的媒體流之間的轉(zhuǎn)換，并且在需要時(shí)進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理。l MRFC和MRFPMRFC和MRFP是實(shí)現(xiàn)多方會(huì)議的功能實(shí)體，控制層面的MRFC解釋從S-CSCF收到的SIP信令，通過(guò)H.248控制MRFP。MRFC用于支持和承載相關(guān)的服務(wù)或者進(jìn)行承載代碼轉(zhuǎn)換。MRFP提供被MRFC所請(qǐng)求和指示的用戶平面資源，如輸入媒體流的混合等。l BGCFBGCF是IMS域與外部網(wǎng)絡(luò)的分界點(diǎn)，負(fù)責(zé)選擇到CS域的出口位置。l HSSHSS是所有和服務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)的主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，主要包括用戶身份、注冊(cè)信息、接入?yún)?shù)和服務(wù)出發(fā)信息。l PDFPDF負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)基于服務(wù)的本地策略(SBLP)，即根據(jù)從P-CSCF處獲得的會(huì)話和媒體相關(guān)信息來(lái)制定相應(yīng)的策略。在R5中，PDF是P-CSCF的一個(gè)邏輯實(shí)體；而在R6中PDF是一個(gè)獨(dú)立的功能。l SGWSGW用戶不同信令網(wǎng)的互聯(lián)，如基于SCTP/IP信令網(wǎng)和SS7的信令網(wǎng)之間的信令轉(zhuǎn)換。3. IMS-NGN按照ITU-T最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)Y.2001對(duì)NGN的定義為：“NGN是一個(gè)基于分組的網(wǎng)絡(luò)，它能夠提供包括電信業(yè)務(wù)在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)并能夠利用多種帶寬、有QOS支持能力的傳送技術(shù)；能夠?yàn)橛脩籼峁o(wú)限制接入到多個(gè)運(yùn)營(yíng)商；能夠支持普遍的移動(dòng)性，確保用戶的一致性、普遍的業(yè)務(wù)提供能力”。因此，從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)是NGN發(fā)展的趨勢(shì)。目前3GPP也正在研究基于IMS的固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合，首先考慮的固定接入是WLAN（R6）和xDSL（R7）。除了3GPP之外，還有很多標(biāo)準(zhǔn)化組織、電信運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備制造商開(kāi)始對(duì)NGN在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面進(jìn)行全面的研究，其中最主要的是ITU-T的FGNGN和ETSI的TISPAN。ITU在2004年6月成立了ITU-T FGNGN(NGN專(zhuān)題組)開(kāi)始對(duì)IMS進(jìn)行研究，涉及業(yè)務(wù)需求、功能體系架構(gòu)、移動(dòng)性管理、IP QOS、控制和信令能力、網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)以及IP承載能力要求等方面。歐洲ETSI在2003年9月把專(zhuān)門(mén)從事固網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的SPAN組織和進(jìn)行VOIP研究的TIPHON進(jìn)行合并，成立了TISPAN。2004年， ETSI TISPAN提出了NGN的主體架構(gòu)，目前正在制定NGN相關(guān)的規(guī)范，命名為T(mén)ISPAN_NGN Release 1，預(yù)計(jì)在2005年完成整個(gè)Release 1。ETSI TISPAN提出的NGN架構(gòu)包括應(yīng)用層、控制層、承載層和接入層。其中控制層面包括基于SIP會(huì)話的子系統(tǒng)、PSTN/ISDN仿真子系統(tǒng)、基于RTSP的子系統(tǒng)和提供其他多媒體業(yè)務(wù)的子系統(tǒng)，其中基于SIP會(huì)話的核心網(wǎng)子系統(tǒng)重用了IMS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并且盡可能重用IMS R6中的相關(guān)規(guī)范，但要求支持更多的接入方式，包括xDSL、WLAN、LAN、MAN等。此外，還定義了網(wǎng)絡(luò)附著子系統(tǒng)和資源準(zhǔn)如控制子系統(tǒng)(RACS)。ETSI TISPAN的這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是目前NGN的主要架構(gòu)，ITU-T的NGN架構(gòu)和ETSI TISPAN的基本相同。圖2 TISPAN IMS-NGN架構(gòu)l IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)IMS由提供IP多媒體業(yè)務(wù)、如話音、視頻、文本、聊天等所有架構(gòu)在分組傳送網(wǎng)上的核心網(wǎng)單元構(gòu)成，相關(guān)實(shí)體包括CSCF、MGCF、MRF等，參見(jiàn)第2節(jié)。l PSTN/ISDN仿真子系統(tǒng)PSTN/ISDN仿真子系統(tǒng)可為連接到IP網(wǎng)的傳統(tǒng)電話終端提供接入，這樣所有的PSTN/業(yè)務(wù)保持可用和一致，而終端用戶并不會(huì)意識(shí)到?jīng)]有連接到傳統(tǒng)的PSTN/ISDN網(wǎng)。l 流媒體子系統(tǒng)隨著寬帶接入即使的成熟，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)钠款i被打破和音頻、視頻的編解碼技術(shù)的進(jìn)步，基于流媒體傳輸?shù)膽?yīng)用得到了越來(lái)越多的的重視。流媒體子系統(tǒng)可為視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教學(xué)、交互游戲等業(yè)務(wù)的應(yīng)用和終端的接入。l 網(wǎng)絡(luò)附著子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)附著子系統(tǒng)主要提供IP地址分配、IP層的健全、網(wǎng)絡(luò)接入授權(quán)、接入網(wǎng)配置和IP層的位置管理等功能。l 資源準(zhǔn)如控制子系統(tǒng)RACS主要提供接納控制和關(guān)口控制功能（包含NAPT控制）。接納控制指根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的具體策略規(guī)則和實(shí)際的資源，檢查接入網(wǎng)附著子系統(tǒng)保存的簽約數(shù)據(jù)的授權(quán)，即校對(duì)被請(qǐng)求的帶寬與預(yù)定的帶寬和用戶使用的帶寬是否一致。關(guān)口控制功能包括根據(jù)IP地址/端口進(jìn)行分組包過(guò)濾、為上行和下行業(yè)務(wù)流進(jìn)行資源分配和帶寬預(yù)約、NAPT功能、使用率和QOS的測(cè)量檢測(cè)等。4. IMS-NGN標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)問(wèn)題IMS在3GPP的R5、R6標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)凍結(jié)，其基本的架構(gòu)在業(yè)界廣泛的技術(shù)討論中也得到了認(rèn)可，但是目前只是建立了NGN體系，在技術(shù)層面只是定義了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)于功能實(shí)體定義和工作流程等方面的工作還沒(méi)有真正開(kāi)始。在具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)和協(xié)議層面，由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)之間的差異，因此在原有的IMS基礎(chǔ)規(guī)范上還存在很多方面的問(wèn)題需要繼續(xù)研究和補(bǔ)充。l IMS要求使用IPv6，目的是為了解決IP地址資源短缺，但是目前的業(yè)務(wù)并不要求終端一定具有公用IPv6地址，完全可以使用私有IPv4地址來(lái)實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)。此外，IPv4在運(yùn)營(yíng)商的應(yīng)用也非常成熟。因此可以使用IPv4并考慮對(duì)與NAPT的支持，目前3GPP正在制定相應(yīng)的規(guī)范。l 在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)終端都配有UICC卡，其中包含了用戶的識(shí)別信息和一些加密和鑒權(quán)的算法，用戶可以通過(guò)AKA的鑒權(quán)機(jī)制進(jìn)行鑒權(quán)，但是固定終端是沒(méi)有UICC的，這就要考慮替代的鑒權(quán)過(guò)程。l 在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中由于空中接口的資源有限，為了節(jié)省空中資源需要進(jìn)行SIP壓縮，但是對(duì)于固定終端采用有線的接入方式，可以考慮把SIP壓縮作為可選項(xiàng)，從而降低對(duì)終端的要求。l 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)兩種接入方式的不同導(dǎo)致對(duì)于位置管理的區(qū)別，所以相應(yīng)的涉及位置信息的信令接口和計(jì)費(fèi)接口也需更改。l 對(duì)于移動(dòng)接入，移動(dòng)終端本身具有能完成QOS映射的機(jī)制，但是對(duì)于固定接入如xDSL就需要P-CSCF來(lái)代理實(shí)現(xiàn)。因此，兩者的接入網(wǎng)絡(luò)的資源預(yù)留程序是不同的。l 對(duì)于移動(dòng)接入而言，由于IMS是疊加在分組域之上的，所以IMS的安全也和分組域的安全是相對(duì)獨(dú)立的。即終端接入分組域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，分組域網(wǎng)絡(luò)首先對(duì)終端進(jìn)行鑒權(quán)，接入IMS時(shí)，還要再次進(jìn)行安全認(rèn)證。但是對(duì)于固網(wǎng)終端而言，簡(jiǎn)單的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)本身是沒(méi)有安全機(jī)制的，這將對(duì)IMS的安全造成挑戰(zhàn)。其次，對(duì)于固定接入而言，由于不存在類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中空中接口的鑒權(quán)，P-CSCF將直接暴露給固定終端，使得P-CSCF容易受到攻擊。因此相關(guān)的安全策略、安全管理以及域NAT/防火墻的互通方面還需研究和探討。l QOS保證在IMS-NGN的架構(gòu)下，核心網(wǎng)絡(luò)信令和數(shù)據(jù)都是基于IP承載，而且網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)也是“全I(xiàn)P”，但是QOS問(wèn)題一直是IP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，所以在IMS-NGN中也需要重點(diǎn)考慮。3GPP對(duì)信令層面的QOS控制做了充分了考慮，如在P-CSCF、PDF以及GGSN之間定義了QOS參數(shù)的映射和資源的預(yù)留機(jī)制，但是對(duì)承載層面的QOS仍需依靠承載網(wǎng)絡(luò)自身的QOS機(jī)制來(lái)保證，因此無(wú)法保證端到端的服務(wù)質(zhì)量。因此在ITU-T的NGN架構(gòu)里，RACS被引入進(jìn)來(lái)完成QOS的控制，其功能實(shí)體分布在應(yīng)用層、控制層、承載層和網(wǎng)絡(luò)邊緣，核心是資源的調(diào)度和管理機(jī)制。這樣，就導(dǎo)致增加新的接口和對(duì)原有接口的擴(kuò)展，從而通過(guò)這些接口來(lái)收集到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、資源狀態(tài)信息并控制資源的預(yù)留，真正實(shí)現(xiàn)QOS端到端的控制。l 業(yè)務(wù)和應(yīng)用ITU-T和TISPAN在NGN的Release 1中都將重用3GPP定義業(yè)務(wù)引擎和規(guī)范，從而提供3GPP的各種業(yè)務(wù)，如Presence、Messaging等。3GPP分別定義了SIP URI和Tel URI來(lái)標(biāo)識(shí)SIP呼叫和電話呼叫，但是TISPAN傾向于除電話以為的SIP呼叫都采用URI標(biāo)識(shí)，因此這個(gè)問(wèn)題還需進(jìn)一步討論。此外，部分業(yè)務(wù)引擎也要進(jìn)行修改以滿足固定終端和移動(dòng)終端的功能和行為特征的不同。以上是TISPAN和ITU-T在基于3GPP的IMS基礎(chǔ)上定義NGN規(guī)范研究的一些熱點(diǎn)問(wèn)題，此外還涉及到計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)互通、網(wǎng)絡(luò)編號(hào)、路由原則和其他一些問(wèn)題，此處不再一一列舉。5. 網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)絡(luò)融合是NGN的目標(biāo)，其含義是通過(guò)不同的終端在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)獲取信息和享受多樣化的業(yè)務(wù)。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，就要求網(wǎng)絡(luò)具有以下的特征。l 首先，應(yīng)用層與控制層分離，以便獲得業(yè)務(wù)與用戶的物理位置具備無(wú)關(guān)性；l 其次，控制層與傳送層分離，便于呼叫或會(huì)話的控制獨(dú)立于承載的控制，可實(shí)現(xiàn)基于不同承載提供相同的控制能力；l 再次，傳送層與接入層需要完全分離，使得無(wú)論何種終端、何種接入方式都可以共享同一承載網(wǎng)絡(luò)，從而充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，屏蔽網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。應(yīng)該看到，網(wǎng)絡(luò)融合是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，必須要綜合考慮保護(hù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的投資，并且能夠保證新舊網(wǎng)絡(luò)之間的平滑過(guò)渡。而目前移動(dòng)網(wǎng)和固定網(wǎng)還有各自的特殊需求和發(fā)展空間，短期內(nèi)還無(wú)法直接通過(guò)一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。因此現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是在網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)中融合，而不是對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合。對(duì)于演進(jìn)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有以下特征，以符合最終網(wǎng)絡(luò)融合的要求。l 承載和控制分離，網(wǎng)絡(luò)具有最大程度的可擴(kuò)展性；l 應(yīng)具有支持多業(yè)務(wù)的承載網(wǎng)絡(luò)，并能夠滿足高層業(yè)務(wù)對(duì)于QOS和安全性等方面的要求；l 具有支持多種接入模式的能力；l 能夠支持普遍的移動(dòng)性，具有融合型業(yè)務(wù)的提供能力；l 具有開(kāi)放的接口，可以提供第三方的業(yè)務(wù)平臺(tái)等。圖3 移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展根據(jù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)和融合的目標(biāo)，對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)而言，將毫無(wú)疑問(wèn)的按照3GPP定義的R5、R6、R7或者3GPP2定義的Release A、Release A的基于IMS的方