IP 多媒体子系统

IP多媒体子系统IMS1.前言在经历了十几年的高速发展后，移动运营商越来越认清了一条重要的规律，那就是电信业务必须不断地发展以不断满足经济发展以及人们生活、工作和娱乐的通信和信息需求。目前，Yahoo!Messenger和腾讯QQ等多媒体业务早已风靡全球。然而，它们是建立在固定Internet网络良好能力的基础上的，没有任何通信和接入的质量保证，因此，迅速开发移动IP多媒体业务是当前电信运营商的当务之急。IMS的全称是“IPMultimediaSubsystem”，即基于IP的多媒体系统，也称IP多媒体子系统。IMS系统为下一代基于IP的移动网络提供了面向分组数据包交换的多媒体服务及平台。它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。目前，IMS被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。但是，目前全球IMS网络多数处于初级阶段，应用方式也处于业界探讨当中。(IMS的概念引入)2.IMS的定位(技术特点和结构组成)IMS在3GPP(国际第三代移动通信组织)Release5版本中提出，，旨在提供增强型IP服务的一个全方位框架，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。它的初衷是以目前的全球移动系统通信（GSM）核心网络为基础，重点开发面向第三代移动系统的通信规范，及支持该系统的无线电接入技术。后来经过修改，其任务又涉及GSM规范及其相关无线电接入技术的维护与开发工作。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。（将软交换同IMS相比较，意在帮助理解IMS）一个IMS包括一个或多个CSCF（呼叫会话控制功能）、MGCF（媒体网关控制功能）、IMS媒体网关、MRFC（多媒体资源功能处理器）、SLF（订购关系定位功能）、中断网关控制功能和应用服务器。图IMS分层体系结构IMS主要使用了如下组件：归属用户服务、呼叫会话控制功能、安全网关、IP媒体服务器、及应用服务器。归属用户服务(HSS)主要存储用户和服务相关的数据，如用户身份、注册信息、接入参数和服务触发（service-triggering）信息等。HSS还具备：用户定位功能――定位分组和公共陆地移动网络（PLMN）的用户地址，并存储客户所使用的电话类型，及使用服务时所在位置等信息。身份验证功能――存储移动用户的密钥并可为每名用户生成动态密码。HSS通常存储了高达每名用户10KB的内容。所以一个支持100万名用户的HSS可能就需要64位线性寻址能力，以便能够快速地存取内存高速缓存中的信息。呼叫会话控制功能由几个“子组件”组成，它们负责处理所有与建立和结束呼叫相关的信令，以及基本的SIP讯息交换。CSCF还可以处理控制IP媒体本身的信令，以及会话初始化管理等。这些子组件包括代理CSCF（P-CSCF）、询问CSCF（I-CSCF）和服务CSCF（S-CSCF）。代理CSCF是用户设备的唯一连结点。用户发出的所有讯息均须经由P-CSCF进入IMS，P-CSCF执行如下功能：通过查询HSS来实现初步的安全保护验证SIP讯息执行IPSec完整性保护，以创建可信的讯息压缩讯息以减少延迟创建计费信息目前，P-CSCF一般位于归属网络中，未来也许会被移植到被访问网络。询问CSCF是归属网络内的第一连结点，I-CSCF负责联系HSS以便为具体用户确定服务-CSCF的位置。I-CSCF可能会提供一个拓扑隐藏网际网关（THIG），它可以通过加密SIP讯息中的一些内部IP地址和其它网络信息，帮助保护IMS网络拓扑。I-CSCF通常位于归属网络。如果使用THIG，则I-CSCF一般位于被访问网络。服务CSCF负责处理终端之间的所有SIP信令，并执行如下功能：提供SIP路由，具体是将公共用户身份（目前是电话号码，将来也许会改变）转换为终端IP地址，并向应用服务器发送讯息保持会话的畅通，将用户地址（例如，用户设备的IP地址）与SIP记录地址（公共用户身份）紧密相连控制会话阻止未授权用户使用服务S-CSCF总是位于归属网络。安全网关是电信网络之间，以及企业与电信网络之间的通信通道。它主要控制讯息在NAT（网络地址转换）服务器和防火墙的出入，也可能会承担一些其它的安全功能，如数据包过滤等。此外，安全网关还具备以下功能：强化IMS域之间的安全政策保护出入IMS域的控制平面讯息设置并维护IPSec安全关联（SA）IP媒体服务器具备所有的流媒体功能，可提供丰富的多媒体讯息：如视频、语音和文本。它负责管理相关的编码器（编码/解码）和流媒体的代码转换工作，以及回声消除、声音侦测和声音生成等工作。IP媒体服务器还能够提供流倍增和流广播，以满足会议应用的需要，它还可以连结至电路交换网络。应用服务器为IMS网络提供多媒体服务，它主要提供所有其它IMS组件如SIPServlet的访问权限。应用服务器也可用来部署新服务，由于IMS采用模块化架构，因此只需更换或升级应用服务器即可完成新服务部署。这样的战略完全不同于之前的垂直模式，在垂直模式中，服务总是作为单点解决方案来部署，每项服务都使用自己的一套专有设备。应用服务器可以位于归属网络，也可以位于第三方网络，如果位于第三方网络，它们就不能与HSS接合。因为应用服务器属于OSA（开放服务架构）应用服务器，所以它们可以安全地从外部网络接入IMS并连接到GSMCAMEL（移动增强逻辑定制应用）服务器。3.IMS的发展与应用3.1IMS标准的发展对IMS进行标准化的国际标准组织主要有3GPP和高级网络电信和互联网融合业务和协议（TISPAN）。3GPP侧重于从移动的角度对IMS进行研究，而TISPAN则侧重于从固定的角度对IMS提出需求，并统一由3GPP来完善。3GPP对IMS的标准化是按照R5版本、R6版本、R7版本……这个过程来发布的，IMS首次提出是在R5版本中，然后在R6、R7版本中进一步完善。R5版本主要侧重于对IMS基本结构、功能实体及实体间的流程方面的研究；而R6版本主要是侧重于IMS和外部网络的互通能力以及IMS对各种业务的支持能力等。相比于R5版本，R6版本的网络结构并没有发生改变，只是在业务能力上有所增加。在R5的基础上增加了部分业务特性，网络互通规范以及无线局域网接入特性等，其主要目的是促使IMS成为一个真正的可运营的网络技术。R7阶段更多的考虑了固定方面的特性要求，加强了对固定、移动融合的标准化制订。R5版本和R6版本分别在2002年和2005年被冻结，而R7版本也即将冻结。在TISPAN定义的NGN体系架构中，IMS是业务部件之一。TISPANIMS是在3GPPR6IMS核心规范的基础上对功能实体和协议进行扩展的，支持固定接入方式。TISPAN的工作方式和3GPP相似，都是分阶段发布不同版本。目前，TISPAN已经发布了R1版本相关规范，从固定的角度向3GPP提出对IMS的修改建议；R2版本目前还处于需求分析阶段。TISPAN在许多文档中都直接应用了3GPP的相关文档内容，而3GPPR7版本中的很多内容又都是在吸收了TISPAN的研究成果的基础上形成的，所以一方对文档内容的修改都将直接影响另一方。此外，部分先进的运营商（如德国电信、英国电信和法国电信）已经明确了未来网络和业务融合的战略目标，并开始特别关注基于IMS的网络融合研究。各大设备厂商也加大了对IMS在固网领域应用的研究，正积极参与并大力推进基于IMS的NGN的标准化工作。因此各个标准之间的协调一致的问题还需要进一步探讨。3.2IP媒体业务类型IMS是一个在分组域（PS）上的多媒体控制/呼叫控制平台，IMS使得PS具有电路域（CS）的部分功能，支持会话类和非会话类的多媒体业务。IMS为未来的多媒体应用提供了一个通用的业务平台，典型的业务如呈现、消息、会议、一键通等等。将不同的业务进行分组可以得到以下一些类型。（1）信息类业务，这类业务对用户来讲已经非常熟悉，而且目前为运营商带来了良好的收益，IMS的信息类业务将带给用户更多的选择，在享用这些信息类业务的同时，用户可以随心所欲而且费用低廉的使用其他媒介，比如视频和声音等，同时可以灵活的选用实时业务或非实时业务进行沟通。（2）多媒体呼叫话音业务，这类业务可以给用户在原有的话音业务操作和应用上带来全新的体验。（3）增强型呼叫管理，可以实现让用户自己来控制业务，让用户的沟通更加灵活。（4）群组业务，将不同的通信媒介聚合起来，为用户提供新的业务体验，而且IMS还可以对业务进行新的开发和组合；突破传统的一对一的通信方式限制，可以提供基于群组的通信方式。（5）信息共享，常见的邮件携带附件的沟通模式可以完成部分的信息共享功能，但是在许多情况下显得不够灵活，所以实时在线的信息共享通信应运而生，多个用户可以实时处理同一个数据文件。（6）在线娱乐，移动终端可以直接和信息资源互联，IMS方式可以更好地呈现信息的更新和沟通，并可以随着用户需求的增长对信息进行必要的过滤；对于用户的在线游戏，IMS可以为用户提供从单机游戏到多用户在线参与的在线娱乐方式，同时用户还可以采用多种多媒体来沟通交流。3.3IMS的主要应用随着IMS技术和产品的逐渐成熟，已经有一些运营商开始了IMS的商用，还有一些运营商在进行相关的测试。从目前的商用和测试情况看，移动运营商已经开始商用，而固网运营商还主要处于试验阶段。综合考虑，IMS的应用主要集中在以下几个方面。首先是在移动网络的应用，这类应用是移动运营商为了丰富移动网络的业务而开展的，主要是在移动网络的基础上用IMS来提供PoC、即时消息、视频共享等多媒体增值业务。应用重点集中在给企业客户提供IPCENTREX和公众客户的VoIP第二线业务。其次是固定运营商出于网络演进和业务的需要，通过IMS为企业用户提供融合的企业的应用（IPCENTREX业务），以及向固定宽带用户（例如ADSL用户）提供VoIP应用。第三种典型的应用是融合的应用，主要体现在WLAN和3G的融合，以实现语音业务的连续性。在这种方式