作者:gnuhpc
出处:http://www.cnblogs.com/gnuhpc/
1.移动网络的发展--引子
20世纪80年代,商业性移动通信网络得到发展
第一代移动通信系统:TACS、NMT等模拟系统
第二代移动通信系统:GSM、IS-95、DECT、IS-136等数字系统,目前建设的2G移动网络使用两种主要技术,GSM网络使用TDMA技术,大约占70%,IS-95网络基于CDMA技术,大约占25%。
1992年开始对3G移动通信系统进行研究:R99、R4、R5、R6、R7、R8、R9……
2G (GSM), 基于电路交换
2.5G (GPRS), 引入分组交换
3G时代的到来
1992年ETSI发起对即将到来的3G移动通信系统进行研究。采用2GHz附近的频率,支持多种空中接口:
支持分组数据业务,采用通用体系结构——UMTS(由3GPP负责制定),已有6个版本: 3GPP R99、R4、R5、R6、R7和R8
具体的:
3G (R99), 引入全新的UTRAN
3G (R4),电路域采用移动软交换
3G (R5), 引入IMS域
3G (R6),引入WLAN接入
3G (R7), 功能增强:
2.IMS与现有通信系统之间的关系
标准化组织在IMS上的协作
3.IMS与软交换
IMS在3GPPRelease 5版本中提出,是对IP多媒体业务进行控制的网络核心层逻辑功能实体的总称。3GPP R5主要定义IMS的核心结构,网元功能、接口和流程等内容:R6版本增加了部分IMS业务特性、IMS与其他网络的互通规范和无线局域网(WLAN)接入特性等;R7版本加强了对固定、移动融合的标准化制订,要求IMS支持数字用户线(xDSL)、电缆调制解调器等固定接入方式。
软交换技术从1998年就开始出现并且已经历了实验、商用等多个发展阶段,目前已比较成熟。全球范围早已有多家电信运营商开展了软交换试验,发展至今,软交换技术已经具备了替代电路交换机的能力,并具备一定的宽带多媒体业务能力。在软交换技术已发展如此成熟的今天,IMS的出路在何方?又该如何发展和定位呢?首先需要对IMS和软交换进行较为全面的比较和分析。
如果从采用的基础技术上看,IMS和软交换有很大的相似性:都是基于IP分组网;都实现了控制与承载的分离;大部分的协议都是相似或者完全相同的;许多网关设备和终端设备甚至是可以通用的。
IMS和软交换最大的区别在于以下几个方面。
(1)在软交换控制与承载分离的基础上,IMS更进一步的实现了呼叫控制层和业务控制层的分离;
(2)IMS起源于移动通信网络的应用,因此充分考虑了对移动性的支持,并增加了外置数据库——归属用户服务器(HSS),用于用户鉴权和保护用户业务触发规则;
(3)IMS全部采用会话初始协议(SIP)作为呼叫控制和业务控制的信令,而在软交换中,SIP只是可用于呼叫控制的多种协议的一种,更多的使用媒体网关协议(MGCP)和H.248协议。
总体来讲,IMS和软交换的区别主要是在网络构架上。软交换网络体系基于主从控制的特点,使得其与具体的接入手段关系密切,而IMS体系由于终端与核心侧采用基于IP承载的SIP协议,IP技术与承载媒体无关的特性使得IMS体系可以支持各类接入方式,从而使得IMS的应用范围从最初始的移动网逐步扩大到固定领域。此外,由于IMS体系架构可以支持移动性管理并且具有一定的服务质量(QoS)保障机制,因此IMS技术相比于软交换的优势还体现在宽带用户的漫游管理和QoS保障方面。
3.IMS的特点和体系结构
1)特点:
2)分层体系结构:
3)功能实体简要归类
a)会话管理和路由类
b)数据库
c)网间配合实体
d)服务
e)支撑实体
f)计费
4.功能实体详解
1)应用服务器
AS位于用户的归属网络或第三方网络
根据提供业务的方式不同,AS分三类
2)CSCF——Call Session Control Function
IMS系统中完成呼叫控制功能的核心组件,主要功能:信令路由,会话管理,资源分配,安全认证,业务触发,计费控制。
a)P-CSCF:代理呼叫会话控制功能
IMS系统中用户的第一个接触点 ,主要功能:
b)I-CSCF:问询呼叫会话控制功能
运营商归属网络中为所有连接到该运营商网络的用户的连接提供的一个联系点,主要功能:
c)S-CSCF:服务呼叫会话控制功能
IMS的核心所在,位于归属网络,提供注册和呼叫控制服务,主要功能:
d)HSS:归属用户服务器
IMS中所有与用户和业务相关数据的主要存储器,主要数据包括:用户身份、注册信息、接入参数、业务触发信息。
HSS功能包括三部分:
e)MRF:媒体资源功能,多用于多方会话
MRFC:媒体资源功能控制器--对IMS域内部的媒体资源进行控制,通过H.248协议维护、控制MRFP中的媒体资源,与S-CSCF交互,间接接受AS的控制,向CCF或OCS提供计费信息。
MRFP:媒体资源功能处理器--对IMS域内部的媒体资源进行处理,接受MRFC的控制:H.248,完成对媒体流的编解码、转换、混合和播放等功能。
f)网关功能
5.参考点
6.IMS的主要协议
主要是SIP,SDP,H.248/Megaco,Diameter。
1)IMS对SIP的扩展
SIP压缩:SigComp
安全
CSCF路由
网络发起的呼叫释放
RFC3455定义了专用于3GPP IMS的SIP头
P-Charging-Vector
P-Charging-Function-Address
P-Visited-Network-ID
P-Access-Network-Info
P-Associated-URI
2)Diameter协议
Diameter是IETF开发的用于认证、授权和计费(AAA)的协议,基于远程拨入用户认证服务(RADIUS)协议构建而成。
Diameter基本协议基于RFC3588,客户/服务器协议,传递Diameter数据单元、协商能力集、处理错误并提供可扩展性,基于TCP或SCTP进行传输。
Diameter应用:定义了特定应用的功能和数据单元,有Diameter移动IP应用和Diameter SIP应用,应用于IMS系统。
3)Diameter SIP应用
定义了一个被SIP服务器用来实现对不同SIP资源进行授权的应用。
应用的接口:
7.IMS标识
1)IMS用户标识:私有用户身份和公共用户身份
a)私有用户身份:
由归属网络运营商定义的具有唯一性的全球身份,可用于在归属网络中从网络的角度唯一地标识用户。私有用户身份并不是标识用户本身,而是标识了用户与运营商的订购/签约关系,主要用于注册过程中对用户进行认证,也可以用于计费和管理目的。存储在ISIM (身份模块) 应用中,采用NAI (网络接入标识符) 的形式:form_user@realm 。
b)公共用户身份:
IMS网络中的用户身份,用于请求与其他用户进行通信时使用的身份,可以被公布到号码簿、主页等上,ISIM中至少要存储一个公共用户身份。通过注册过程在网络中注册,网络不对公共用户身份进行认证,公共用户身份的两种形式:SIP URI sip:[email protected] 、 tel URL tel:+358 50 1234567。
公共用户身份与私有用户身份之间的关系:
c)公共业务身份:
公共业务身份,对AS提供的业务进行标识,由用户根据需要在AS中创建,使用之前不需要进行注册。采用SIP URI形式,如标识消息列表业务的公共业务身份:sip:[email protected]
d)网络实体标识:
处理SIP路由的网络节点通过SIP URI标识,例子: sip:[email protected]。
2)IMS身份模块——ISIM
ISIM是位于UICC上的应用,用于存储由运营商提供的IMS专用数据。
8.IMS的业务控制机制
1)IMS 用户配置
用户与运营商确定订购关系时,由运营商给用户分配IMS用户配置,永久存储在HSS中。
2)初始过滤规则
初始过滤规则用来表示业务触发信息,描述了S-CSCF何时将到来的SIP消息进一步路由到一个特定的应用服务器。
初始过滤规则的创建:
初始过滤规则在用户获得IMS订购关系时创建
创建初始过滤规则需要考虑的问题:触发点是什么?当触发点被匹配时,正确的AS是什么?各初始过滤规则的优先级是什么?如果应用服务器没有应答,应该怎么做?
初始过滤规则的结构:
3)IMS业务提供
IMS本身不是业务,而是基于SIP的控制体系,IMS业务触发由S-CSCF完成。IMS为业务的提供提供了必要的方法,包含3个步骤:
4)AS的选择与AS的行为
AS的选择(业务控制):S-CSCF下载初始过滤规则,注册阶段完成;S-CSCF进行业务控制,选择AS;存在多个过滤规则时,需要进行多次业务控制。
AS的可能行为:UAC、UAS、Proxy Server、Redirect Server、B2BUA。
9.IMS的典型流程
1)P-CSCF的发现
a)使用DHCP和DNS发现P-CSCF:IP-CAN作为DHCP中继代理,通过DHCP机制给出P-CSCF的域名或IP地址
b)使用PDP上下文激活信令发现P-CSCF
2)用户注册/注销
注册:特点是归属域注册,注册前后及注册期间的信息存储:
a)用户初始注册:
b)用户刷新注册/注销:
c)隐性注册
通过一次注册过程注册多个公共用户身份的机制。需先在HSS中定义隐性注册集,通过订阅/通知机制,UE可以获得隐性注册的公共用户身份。
d)多个UE共享单个公共用户身份进行通信
前提:IMS支持多个UE注册相同的公共用户身份
多个UE共享单个公共用户身份的方法:
3)会话建立
漫游移动发起端MO:
归属移动发起端MO:
漫游移动终止端MT:
归属移动终止端MT:
4)会话建立(S-CSCF到S-CSCF)
a)会话的发起和终止由不同的网络运营商来服务
b)会话的发起和终止由相同网络运营商来服务
c)IMS会话建立
d)PSTN->IMS
e)IMS-> PSTN
附:IMS典型网络互通架构
网络类型1:演进ISP
提供电话、VoD和标准ISP业务,通过热点也完成对无线的接入,所有的业务最终都由IMS进行控制。
网络类型2:传统电信运行商
其中一部分是软交换与PSTN互通,其中的应用服务器可以被其他网络结构使用。
网络类型3:3GPP移动网络
主要是接入方式的不同,GERAN或UTRAN。
网络类型4:WIMAX
这里没有IMS域,它是由一些SIP服务器等完成相应功能的。
以下是摘自http://blog.ixpub.net/html/96/12690296-146875.html的一篇关于IMS和软交换的对比,写的不错:
由于软交换并未完全实现业务与控制的分离,因此传统的基本业务和一些补充业务仍然是通过软交换来实现(方式一)。但对于更多的增值业务,软交换还提供了多种方式进行业务提供,如图1所示。
图1软义换多方式业务提供示意图
方式二:智能网业务方式。业务逻辑在SCP中驻留和运行,软交换设备实现业务交换功能(SSP)触发智能业务到智能网SCP,与SCP配合实现智能网提供的业务。
方式三:SIP应用服务器方式。由运营商提供SIP应用服务器,其中的业务逻辑可直接访问和控制软交换设备提供的网络能力,通常实现运营商的自营业务。
方式四:第三方应用服务器方式。由运营商或者第三方服务提供商提供Parlay应用服务器,而运营商提供业务能力网关,Parlay应用服务器中的业务逻辑通过业务能力网关间接访问和控制软交换设备提供的网络能力,多用于运营商与第三方合作的业务,也可用于运营商自营业务。
在IMS系统中,实现了业务与控制的完全分离,所有的业务都是通过应用服务器来提供的,业务逻辑驻留于应用服务器中,用户数据统一存储在HSS,如图2所示。图中的应用服务器包括三类:SIP应用服务器,OSA应用服务器及IM-SSF。SIP应用服务器(SIP AS)用于实现基于SIP的增值应用;SIP/OSA应用服务器(SIP/OSA AS)通过OSA业务能力服务器(OSA SCS)与IMS核心网进行交互;而IM-SSF用于支持IMS用户使用现有智能网的能力。目前IM-SSF支持使用CAMEL的业务能力,为考虑固定网络的智能网业务,IM-SSF的功能可以扩展到对INAP的支持。
图2IMS业务架构
在这一架构中,IMS的核心网元S-CSCF只通过ISC接口与应用平台交互,从而使得业务接口和触发方式得以标准化,进而获得更好的开放性。对三种应用服务器的具体应用如下:
(1)基于SIP的应用服务器(SIP AS)
SIP应用服务器和S-CSCF之间直接利用SIP及其扩展的呼叫信令协议,因此不需要进行呼叫信令协议之间的转换工作。另外由于基于SIP可以非常方便的实现语音、数据以及视频等多媒体类的会话,因此基于SIP的应用服务器可以高效率的提供各种新型的融合业务。
(2)基于OSA的应用服务器(OSA SCS)
在对第三方应用方面,IMS采用Parlay/OSA API。在Parlay/OSA API中,提供给应用的网络功能实体被定义为若干业务能力特征(SCF)的集合,由业务能力服务器(SCS)支持,这些SCF为应用开发提供了必要的网络接入功能。第三方应用服务器通过Parlay/OSA API和SCS相连接,而OSA SCS则在第三方应用服务器和S-CSCF之间负责API和ISC之间的映射。
(3)基于智能网的业务服务器(IM-SSF)
现有的移动智能网以及固定智能网都已经提供了丰富的智能网业务,并且有着庞大的用户群,为了兼容已有的网络资源,实现技术和服务提供的平滑过渡,IMS需要接入现有的智能网,并且还可以实现将现有智能网的业务延伸到IMS用户。目前通过IM-SSF接入现有移动智能网CAMEL已经完备。从CAMEL角度来看,IM SSF是智能网的服务交换节点SSP,相当于CAMEL中业务交换功能SSF和呼叫控制功能CCF。IM SSF在S-CSCF和CAMEL之间实现SIP消息和CAP信令的映射。为支持固定智能网,IM-SSF需要支持INAP协议,相关的研究还正在进行中。
从上面的分析可以看出,软交换和IMS都可以实现智能网提供业务和应用服务器提供业务,并且都可以开放接口给第三方使用,供第三方开发业务。但是由于软交换与不同的业务平台之间采用的接口不同,而IMS则统一采用ISC接口,另外对于IMS,由于3GPP,OMA等组织形成了大量的基于应用服务器的业务规范,并可以作为业务引擎,供其他的业务调用。因此IMS在业务提供的方便性、灵活性以及扩展性等方面都显示出了优势。
软交换触发机制有两类:
(1)基于智能网的触发机制
软交换可作为 SSP,根据用户的主叫属性以及被叫属性( DP点触发)完成业务触发,在 SCP或者应用服务器的智能业务逻辑控制下实现智能业务。
(2)基于应用服务器的触发机制
根据用户的profile或呼叫相关信息触发到应用服务器。应用服务器提供标准接口与前端服务器连接,接受来自前端服务器的业务触发信息和交互业务处理过程的信息。业务触发信息可能包括鉴权信息(如主叫号码、账号、密码)、发起方主机IP地址、被叫号码、业务标识、业务配置信息。
IMS的业务触发机制是基于iFC(Initial Filter Criteria)实现的。业务的触发在S-CSCF中完成,业务数据在注册阶段从HSS中下载到S-CSCF中,包括Initial Filter Criteria。在收到用户会话请求后,S-CSCF首先检查Initial Filter Criteria中的触发标准是否满足,然后再进行到用户的路由和呼叫控制。如果满足则通过ISC接口的SIP消息,将业务触发到对应的业务平台。业务平台然后根据业务的既定逻辑流程,通过SIP消息对S-CSCF中的业务进行后续控制。
从上述分析可以看出,软交换的业务触发机制表现为多样性,既有基于传统智能网模式的又有基于用户业务数据的。而对于基于应用服务器的业务,软交换与IMS的业务触发机制有很多的相似之处,但由于软交换在标准化方面的局限性,造成了业务触发方面无法规范化,也就决定了其在实际应用中只能由设备供应商自行提供解决方案。相比较,IMS就提供了比较完善的标准化,从而使得业务实现和互通更加规范统一。
尽管基于软交换和基于IMS都可以提供宽带多媒体类的业务,但由于软交换在提供宽带多媒体业务方面缺乏相关的规范,因此现有的各种业务多是厂家基于自己的平台进行开发的,并对协议进行了私有扩展,业务之间的互通性较差。而在IMS网络架构下,由于IMS的业务规范好,各种部件的标准化程度高,因此业务之间的互通性好。下面以目前最常用的即时消息(IM)和状态呈现(Presence)两种业务的流程说明其区别:
以国内某主流软交换提供厂商为例,在其基于软交换实现宽带多媒体业务时,用户与业务应用服务器采用HTTP和SIP两种消息的进行交互。对于数据业务采用HTTP协议,用户可使用Web客户端,最大程度实现业务的可达性,另外可通过HTTPS,实现安全的传输机制。对于媒体业务采用SIP,完成与呼叫相关的业务处理。为完成用户与应用服务器之间消息的实时传送,该厂商对HTTP协议进行了修改,实现用户Web浏览器与应用服务器之间建立一条持续的HTTP连接(Persistent HTTP connection)。采用这种方式实现即时消息和状态通知的流程如图3、4所示:
图3基于软交换的业务流程示意:即时消息
图 4基于软交换的业务流程示意:状态通知
对于基于IMS提供的业务,由于目前业务的标准化程度高,特别是IMSinOMA Enabler规范的实施,更好的协调了OMA与3GPP/3GPP2的IMS之间的合作关系,目前已经发布了Presence,PoC,XDMS等一系列符合IMSinOMA框架的规范,成为业界遵循的标准。例如对于即时消息,在SIP消息中定义了Message消息可以直接用于即时消息的传递,具体流程如图5所示:
图 5基于 IMS的业务流程示意:即时消息( Page-Mode)
对于Presence业务,则规定了状态订阅使用SIP的SUBSCRIBE消息,状态更新使用SIP的PUBLISH消息,状态更新通知使用SIP的NOTIFY消息。如果用户的状态有更新,则通过PUBLISH消息更新自己的状态信息到Presence服务器;用户希望知道好友的状态,需要首先到Presence服务器订阅好友的状态,Presence服务器对用户进行权限检查,如果好友允许该用户知道自己的状态信息,好友的状态变化后,Presence服务器再把状态变化信息通知给用户。业务流程如下面的图6、7所示:
图 6基于 IMS的业务流程示意:发布状态( Publish)
图 7基于 IMS的业务流程示意:订阅 /通知状态变化( Subscriber/Notify)
因此从业务流程上可以看出,尽管基于软交换与基于 IMS都使用了 SIP协议,但在使用的信令消息上有一定的区别。另外在具体的信令消息参数上也有所不同