IMS网络的功能实体介绍

http://blog.csdn.net/foolskindom/archive/2009/12/16/5018547.aspx

2.2 IMS实体和功能描述

本节讨论IMS实体和关键功能。这些实体可以被粗略的分为六大类：会话控制和路由实体族（CSCFs）、数据库实体（HSS、SLF）、互联实体 （BGCF、MGCF、IM-MGW、SGW）、服务相关实体（应用服务器、MRFC、MRFP）、支持性实体（THIG、SEG、PDF）和计费相关实 体。需要理解一个非常重要的事实，IMS标准没有详细描述网络实体的内部功能。例如，HSS内部有三个功能部分：IMS功能、CS域所需的必要功能和PS 域所需的必要功能。3GPP标准没有描述IMS功能部分PS功能部分如何交互。相反的，它描述实体间的接口和接口支持的功能（例如CSCF如何从HSS获 取用户数据）。2.3节将会介绍这些不同的接口。另外，GPRS网络中的功能体将会在本节结束部分介绍。

2.2.1 代理CSCF

代理呼叫会话控制功能实体（P-CSCF）是用户接入IMS过程中的第一个连接点。所有来自UE和发往UE的SIP信令消息流都会通过P- CSCF。就像它的名字表示的一样，P-CSCF像[RFC 3261]中定义的代理一样工作。这意味着P-CSCF会检查请求消息、并把它转发给选定的目的地，同时处理和转发应答消息。另外的，P-CSCF也可以 像[RFC 3261]中定义的用户代理（UA）一样工作。这种UA的角色用在当发生异常时发起释放会话（例如，依照基于服务的本地策略检测到了用户承载通道丢失了。 请参考3.9节）。也用在5.12.6节描述的处理注册的过程中，来建立独立的SIP事务（Transaction）。一个运营商的网络中可以有一个或者 许多P-CSCF。P-CSCF提供的功能在[3GPP TS 23.228、TS 24.229]中描述：

· 基于UE在请求消息中放置的域名，将SIP REGISTER消息转发给域的询问CSCF（I-CSCF）。5.5节更详细地描述了P-CSCF在转发消息之前应该做的处理（解析CSCF的一个地 址，或者让CSCF知道这个REGISTER消息不是在一个安全关联（security association）上收到的）。

· 向服务CSCF（S-CSCF）转发SIP请求消息和应答消息。第6章详细介绍了P-CSCF在转发一个除REGISTER之外的请求和应答消息给S-CSCF前应该做什么处理（例如，检查消息中使用的用户标识是正确的）。

· 向UE转发SIP请求消息和应答消息。第6章详细介绍了P-CSCF在转发一个除REGISTER之外的请求和应答消息给UE前应该做什么处理（例如，压缩消息）。

· 检测紧急呼叫的建立请求。IMS版本5中，P-CSCF返回一个SIP错误消息，380，指示UE应该去尝试CS CN。这个工作在版本6中继续进行定义，并且P-CSCF改变了原来的处理方式。P-CSCF会选择一个S-CSCF来处理这个紧急呼叫。这个选择是必要 的，因为在漫游的情况下，原来已分配的S-CSCF位于所属地网络。而这个位于所属地网络的S-CSCF不能够正确地将请求路由到正确的紧急处理中 心。（我们因该去找地理位置上近的紧急处理中心，也就是位于访问点网络中。）

· 发送计费相关的信息给计费采集功能实体（CCF）。

· 提供SIP消息的完整性保护，以及维护UE和P-CSCF间的安全关联。完整性保护是通过IPSec ESP来提供的。版本6还能提供保密性保护。3.6节解释IMS的安全的设计。第18章讨论安全相关的协议。

· 压缩和解压跟UE间的SIP消息。P-CSCF支持基于三个RFC标准的压缩：[RFC 3320]、[RFC 3485]和[RFC 3486]。3.16节、6.4节和19章更详细的描述SIP消息压缩[3GPP TS 24.229]。

· 向用户的登记处（S-CSCF）订阅注册事件。这用来下载隐式注册的公共用户标识，并且用来获取当网络发起注销时的通知。5.12.6节描述一个注册事件包。3.14节展示了隐式注册如何工作。5.14.3介绍了更多关于网络发起的注销的内容。

· 执行媒体控制策略。P-CSCF能够检查SDP的内容，并检查是否包含该用户所不允许的媒体和编结码。如果建议的SDP不符合运营商的策略，则P-CSCF拒绝这个请求，并给UE发送SIP错误消息488。运营商可能会由于带宽限制而想要通过这个特性来限制用户。

· 维持会话定时器。版本5没有提供一种手段来让有状态的代理来获知会话的状态。版本6通过引入会话定时器来修正了这个缺陷。这允许P-CSCF检测和释放被挂死的会话所耗尽的资源。

· 和策略控制实体（PDF）交互。PDF的责任是实现基于服务的本地策略（SBLP）。版本5中，PDF是P-CSCF中的一个逻辑部分。版本6中，PDF变成了从P-CSCF中独立出来的一个实体。

2.2.2 策略决定功能实体（PDF）

PDF的责任是基于从P-CSCF那儿获取的会话信息和媒体相关信息，来做策略方面的决定。它像SBLP协议中定义的策略决定点一样工作。SBLP中策略决定点的以下一些功能是需要支持的：

· 存储会话和媒体相关的信息（IP地址、端口号、带宽等）。

· 产生一个授权令牌用以标识这个PDF和会话。

· 当从GGSN收到承载通道授权请求时，基于存储的会话和媒体相关信息来提供一个是否授权的决定。

· 当会话被修改时，根据会话信息和媒体相关信息来更新授权决定。

· 在任何时刻撤销授权决定的能力。

· 使授权了的承载通道能够被使用的能力（例如PDP Context）。

· 维持授权的但阻止已授权承载通道被使用的能力。

· 当承载通道（例如PDP Context）丢失或者改变的时候通知P-CSCF。只有当承载通道从0 kbit/s增长或者降低到0 kbit/s时，才会发出修改指示。

· 把IMS计费标识符转发给GGSN，把GPRS计费标识符转发给P-CSCF。

2.2.3 询问点CSCF（I-CSCF）

I-CSCF是一个网络的入口点，所有通向这个网络中的用户的连接都会经过这个网络的I-CSCF。一个运营网络中可能有多个I-CSCF。I-CSCF提供的功能是：

· 联系HSS，并获取为一个用户提供服务的S-CSCF的名字。

· 根据从HSS那儿获取到的需要支持的能力，分配一个满足要求的S-CSCF。只有当前用户没有分配S-CSCF的情况下，才分配一个S-CSCF。这个过程在3.8节会更详细地讲述。

· 转发SIP请求或者应答消息给S-CSCF。

· 给CCF发送计费相关信息。

· 提供隐藏功能。I-CSCF可以包含一个叫做网络拓扑隐藏互联网关（THIG）的功能实体。THIG可以被用来对运营网络之外的部分隐藏网络的配置、能力和拓扑。

2.2.4 服务CSCF（S-CSCF）

S-CSCF位于所属地网络，是IMS的大脑。它为UE提供注册服务和会话控制。当UE加入一个会话的时候，S-CSCF维护会话的状态，并同服务 平台和计费功能实体打交道，以支持运营商所需的服务。在一个运营网络中，可能存在多个S-CSCF，各个S-CSCF也可能支持不同的能力和功能。更为具 体的，S-CSCF完成以下功能：

· 像[RFC 3261]中定义的注册中心一样处理注册请求。S-CSCF知道UE的IP地址，也知道它用来接入IMS的P-CSCF。

· 使用IMS认证和密钥协定（AKA）计划来对用户进行认证。IMS AKA认证计划能够实现UE和所属地网络的双向认证。

· 当用户注册或者处理发往一个未注册用户的请求时，从HSS下载用户信息和这个用户的服务相关信息。

· 将通往移动侧的通信路由给P-CSCF，将移动侧发起的通信路由给I-CSCF、出局网关控制功能实体（BGCF）或者应用服务器（AS）。

· 进行会话控制。S-CSCF可以像[RFC 3261]中定义的代理服务器和用户代理（UA）一样工作。

· 和服务平台交互。当收到一个请求或者应答消息的时候，判断是否要路由到某个AS作进一步处理。

· 使用[Draft-ietf-enum-rfc2916bis]描述的格式，通过域名解析服务器（DNS）将E.164形式的电话号码翻译成SIP URI。因为IMS内的SIP信令的路由只使用SIP URI，所以会需要这个翻译。

· 监管注册定时器。能够在需要的时候注销用户。

· 当运营商支持IMS紧急呼叫时，能够进行选择紧急处理中心。这是版本6的一个特性。

· 执行媒体控制策略。S-CSCF能够检查SDP的内容，并检查是否包含用户所不允许的媒体和编结码。如果消息里面建议的SDP不符合运营商的策略，则S- CSCF拒绝这个请求，并给UE发送SIP错误消息488。3.11节将展示媒体控制策略是怎么作为一个部分被包含在用户描述（user profile）里的。

· 维护会话定时器。版本5没有提供一种手段来让有状态的代理来获知会话的状态。版本6通过引入会话定时器来修正了这个缺陷。这允许S-CSCF检测和释放被挂死的会话所耗尽的资源。

· 为支持离线计费功能而向CCF发送计费相关信息。为支持在线计费功能而向在线计费系统（OCS）发送计费相关信息。

2.2.5 所属地订阅者服务器（HSS）

HSS是IMS中所有订阅者信息以及服务相关信息的主要存储设备。HSS中存储的主要数据包括用户标识符、注册信息、接入参数和服务触发信息[3GPP TS 23.002]。

用户标识符包含两个类型：私有用户标识符和公共用户标识符。私有用户标识符由所属地网络运营商分配，并用以注册和授权等目的。公共用户标识符是被其 他用户用来发起通话呼叫的。IMS接入参数用来建立会话，它包括用户认证、漫游授权和所分配的S-CSCF等信息。服务触发信息用以支持SIP服务的执 行。HSS同样能提供某个特定用户的对S-CSCF能力的要求。这个信息被I-CSCF用来为用户选择最合适的S-CSCF。

除了支持IMS相关的功能，HSS包含PS域和CS域所需的功能实体，即所属地位置注册服务器和认证中心（HLR/AUC）的功能子集。HSS的结构在下图中表示。不同HSS间的通信接口没有被标准化。

图 7 HSS的结构

HLR功能部分要求被用来为PS域的实体提供支持，例如SGSN和GGSN。这使得订阅者能够使用PS域的服务。同样的，HLR还提供对CS域中实 体的支持，例如MSC和MSC Server。这使得订阅者能够使用CS域的服务，并能够漫游到GSM/UMTS CS域网络中。

AUC为每个订阅者保存一个密钥，这个密钥被用来为订阅者动态的产生安全数据。这个安全数据被用来进行国际移动订阅者标识符（IMSI）和网络间的双向认证。这个安全数据还被用来提供UE和网络间无线路径上的数据的加密和完整性保护。

根据订阅者的数量、设备的能力和网络的组织，一个网络中可能有多个HSS。HSS和其它网络实体间存在多种接口。

2.2.6 订阅信息定位功能实体（SLF）

当一个网络中部署了多个可单独寻址的HSS时，SLF作为一种解决机制，使得I-CSCF、S-CSCF和AS能够找到给定用户标识符对应的用户订阅信息。

2.2.7 多媒体资源控制器（MRFC）

MRFC用来支持承载通道相关的服务，例如会议、用户通告或者承载通道的转码。MRFC解释从S-CSCF收来的SIP信令，并使用媒体网关控制协 议（MEGACO）指令来控制多媒体资源处理器（MRFP）。MRFC能够给CCF和OCS发送计费信息。第25章将展示MRFC如何在会议服务中使用。

2.2.8 多媒体资源处理器（MRFP）

MRFP提供MRFC要求和指示的用户层资源。MRFP提供如下功能：

· 接收到的媒体数据的混合操作（例如多方会议中的混音处理和画面处理）。

· 产生媒体（例如发出用户提示音）。

· 媒体处理（例如语音转码和媒体分析）[3GPP TS 23.228、TS 23.002]。

2.2.9 应用服务器（AS）

要记住层次化的设计中，AS不是一个纯粹的IMS实体。相反，它是属于IMS之上的功能部分。然而，AS还是在这里作为IMS的功能实体进行介绍。这是因为AS实体为IMS网络中提供多媒体增值服务。

AS位于所属地网络中或者在位于第三方。这里的第三方指示一个网络或者单独的一个AS。AS的主要功能是：

· 处理和影响从S-CSCF接收到的SIP会话。

· 发起SIP请求。

· 给CCF和OCS发送计费信息。

提供的服务不只是局限于基于SIP的服务。这是因为运营商为订阅者提供了访问基于CAMEL服务环境（CSE）和OSA的服务的能力[3GPP TS 23.228]。因此，“AS”是一个用来一般指代SIP AS、OSA服务器（OSC）和CAMEL IP多媒体服务交换功能实体（IM-SSF）的术语。

通过使用OSA，运营商可以利用一些服务能力特性来方便服务的开发，例如：呼叫控制、用户互操作、用户状态、数据会话控制、终端能力、账户管理、以 及计费和策略控制[3GPP TS 29.198]。OSA框架一个额外的好处是可以被用来作为用一种安全的方式为IMS提供第三方AS的标准化机制。这是因为OSA本身包含了发起访问、认 证、授权、注册和发现的特性（S-CSCF没有为第三方的安全访问IMS而提供认证和安全功能）。由于OSA服务的支持是由运营商来决定的，因此架构性方 面不应该让多个实体支持OSA协议和特性。所以OSA SCS被用来终结S-CSCF处过来SIP信令。OSA SCS使用OSA应用编程接口（API）来和真正的OSA应用服务器交互。

IM-SSF功能实体被引入IMS架构，用来支持遗留下来的在CAMEL服务环境（CSE）中开发的服务。它承载了CAMEL网络特性（触发器监测点、CAMEL服务交换有限状态机等），并同CAMEL应用部分（CAP）接口交互。

图 8 不同AS类型间的关系

SIP AS是基于SIP的服务器。它承担着广泛的多媒体增值服务。SIP AS可以被用来提供在线服务、短消息服务和会议服务。SIP服务器的不同功能将作为服务提供的一部分在8.3节和3.12.4节中更详细的讲述。

上图显示了不同功能实体间是如何连接的。从S-CSCF的角度来看，SIP AS、OSA SCS和IM-SSF有相同的接口行为。

一个AS可能只用来实现一种服务，而一个用户可能有多个服务，因此一个订阅者可能有一个或者多个AS。另外，一个或者多个AS都可能参与到一个会话 中。例如，一个运营商可能有一个AS来基于用户的选择来控制通向用户的通信量（在下午5点和早上7点间把所有的多媒体会话都重定向到一个应答电话），而有 另外一个AS来根据UE的能力（屏幕大小、像素大小等）来修改即时消息的内容。

2.2.10 出局网关控制器（BGCF）

BGCF负责选择在什么地方出局并进入CS域。选择的结果可能是在BGCF所在的网络中或者其它网络中出局。如果出局发生在BGCF所在的网络 中，BGCF选择一个MGCF来后续处理这个会话。如果出局发生在其它网络，则BGCF将会话传递到被选中网络的一个BGCF [3GPP TS 23.228]。实际选择的规则没有定义。另外，BGCF能够收集统计信息和向CCF报告计费信息。IMS和CS的互操作将在3.13节中描述。

2.2.11 媒体网关控制器（MGCF）

MGCF是用来实现IMS用户和CS用户间通信的功能实体。从CS过来的所有呼叫信令被发往MGCF。MGCF进行ISUP、BICC和SIP间的 协议转换，并把会话转发到IMS中。类似的，所用IMS侧发起的通往CS用户的会话都经过MGCF。MGCF还控制关联的用户层实体（即IMS-MGW） 的媒体通道。另外MGCF还能向CCF报告计费信息。IMS和CS的互操作将在3.13节中描述。

2.2.12 IMS媒体网关（IMS-MGW）

IMS-MGW提供CS网络（PSTN、GSM）和IMS间的用户层的链路。它终结从CS网络过来的承载通道和从骨干网络过来的媒体流（IP网络的 RTP流、ATM骨干网的AAL2/ATM连接），在两种网络之间进行转化，提供转码操作，如果需要的话还提供用户层的信号处理。另外，IMS-MGW能 够为CS用户提供信号音和提示音。IMS-MGW由MGCF来控制。

2.2.13 信令网关（SG）

SG被用来连接不同的信令网络，如基于SCTP/IP的信令网络和SS7信令网络。SGW进行在SS7上传输的信令和在IP上传输的（例如在 SIGTRAN SCTP/IP和SS7 MTP间）信令间的转换。SGW不解释消息的应用层部分（例如BICC、ISUP）。下图中只显示了ISUP，而BICC也是类似的。

图 9 SGW中的信令转换

2.2.14 安全网关（SEG）

为了保护安全域间控制层消息流的安全，消息流需要在进入或者离开安全域的时候通过一个SEG。安全域指代由单个行政管理 （administrative authority）所管理的网络，这和运营商网络边界相一致。SEG被放置在安全域的边界上，它被用来增强这个安全域通往其它安全域中SEG的安全策 略。网络中可能会有多个SEG，以避免单一点的出错或者为了提高性能。一个SEG可以被设定来和所有可达的其它安全域或者其中一个子集交互。安全域相关的 概念会在3.6.3节更透彻的讲述。

2.2.15 计费实体

不同的计费实体和相关的接口会在3.10节单独讲述。

2.2.16 GPRS实体

2.2.16.1 服务GPRS支持节点（SGSN）

SGSN把RAN连接到包交换核心网。它同时负责PS域中控制功能和通信流处理功能。控制功能包括两个主要方面：移动管理和会话管理。移动管理处理 UE的位置和状态，并认证订阅者和UE。会话管理处理连接许可控制和现有数据连接的变更。控制功能还监管3G服务和资源。通信流处理也是属于已会话管理的 一个部分。SGSN像一个网关一样工作，为用户数据提供隧道传输。换句话说，他在UE和GGSN之间传递用户通信量。作为这个功能的一部分，SGSN还确 保连接有合适的QoS保障。另外，SGSN还产生计费信息。

2.2.16.2 网关GPRS支持节点（GGSN）

GGSN提供和外部包交换网络的互联互通。GGSN的主要功能就是把UE连接到外部包交换网络，在那些网络里面会有基于IP的应用和服务。例如，外 部数据网可以是IMS或者是英特网。换句话说，GGSN把包含SIP消息的IP包从UE路由到P-CSCF，反之亦然。另外，GGSN还帮助把包含媒体的 IP包路由到目的地网络（例如，路由到被叫端的GGSN）。提供的互联服务通常在订阅者想接入网络的接入点上实现。大部分情况下，IMS都有自己的接入 点。当用户激活一个通往接入点（IMS）的承载通道（PDP context）的时候，GGSN会为UE分配一个动态IP地址。分配的IP将被UE用来作为IMS注册以及发起呼叫时所用的联系地址。另外，GGSN会 维护和监管用于IMS媒体流的PDP context的使用，并产生计费信息。

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书名：THE IMS IP Multimedia Concepts and Services in the Mobile Domain
出版社：John wiley & Sons, Ltd

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