VoLTE经典学习笔记(主要流程详细解读)

作者：中国移动集团公司张阳（章末附作者介绍）作者微信公众号：网优小谈（wireless_talk）俗话说的好，一入豪门深似海，对于VoLTE这个新技术领域的学习认知也一样，相比传统的电信技术，它糅合了大量计算机互联网的理念，正可谓吸毒毁一生，学习VoLTE毁三代。但是任何复杂、先进的技术都是人类制定的，因此对于VoLTE的理解只要循序渐进，把握住总体脉络，以需求入手，应该也不是什么天方夜谭。本系列撰文拟从一个传统的无线优化工程师的思维入手，尝试逐步揭开VoLTE神秘的面纱。1重要网元和基础概念如果单从电信网络的眼光去看，VoLTE不过是承载在目前4G网络中的一种数据业务而已，只不过对于这种数据业务的QOS管理、调度需要引入新的系统或者功能进行管控，这也就是我们常常说的IPmultimediasubsystem（IP多媒体子系统）或者IMS域的职责。对于无线网络优化工程师来讲，VoLTE时代的来临对于传统的网优工作存在不小的挑战，因为大量的优化工作会从无线层面上移到业务层面的优化，熟悉一些IMS域核心网络的知识变得不可缺少。这一篇简单得从一些IMS域的重要网元以及基础概念入手。只能永远把艰辛的劳动看作是生命的必要；即使没有收获的指望，也心平气静地继续耕种。—平凡的世界IMS域核心网网元及接口IMS域核心网的网元、接口众多，如果单纯从IMS子系统的角度来看，各个网元、功能实体以及接口是如下这样的如果需要全部掌握了解，需要花费相当的功夫,所以理解这些网元不可能眉毛胡子一把抓，需要循序渐进。这里从IMS域内的协议流程需要涉及的网元入手，逐步进行摸索与理解。这里主要有5个功能实体Proxy-CSCF、Interrogating-CSCF、Serving-CSCF和BreakoutGatewayControlFunction、MultimediaResourceFunction（其中MRF包含两个逻辑网元MultimediaResourceFunctionController和MultimediaResourceFunctionProcessor）。Proxy-CSCF全称为Proxy-CallSessionControlFunction，只要是IMS域中涉及的会话流程，不可避免都要与P-CSCF、I-CSCF和S-CSCF这三个网元进行交互。P-CSCF比较好理解，类似一个代理服务器，主要负责接收服务请求并在IMS子网内部中转这些服务请求。如果需要中转到其他的域，则要通过本地出口节点（IBCF）这个网元去实现。P-CSCF不仅转发SIP注册消息，同时转发SIP消息到相应的SIP服务器（S-CSCF）。在转发SIP消息请求与反馈中，P-CSCF需要确保SIP消息中包含了当前UE所处接入网的信息。除此之外，P-CSCF还有一些功能，包括检测处理紧急呼叫请求、产生计费话单、对会话的安全性管控、执行SIP消息的压缩与解压缩、QoS管理、以及对于不同业务优先级的检测与处理。P-CSCF可以分别在拜访地网络以及归属地网络进行设置，当P-CSCF设置在拜访地网络，见下图这两种设置方式的区别在于，P-CSCF设置在拜访地网络时，需要通过IBCF功能实体与不同域的S-CSCF进行互联，而当P-CSCF设置在归属地网络时，需要通过“发现”机制被UE来确定进行信息交互，详见3GPP23.2285.1.1.0。简单的来看，P-CSCF功能实体起到了电信域与IMS域沟通互联的作用，而IBCF则是不同IMS域之间的联络节点。Interrogating-CSCFI-CSCF是用户接入IMS子系统的节点，这里容易和IBCF的功能混淆，其实这两个功能实体有类似之处，只不过I-CSCF作为本域接入点，而IBCF往往作为跨域（跨IMS域或者与IMS域与其他IP多媒体网络）的出口或者访问节点，这两个功能上不同的逻辑节点往往可以合设为一个物理节点。除了二者对于所处IMS子系统的逻辑位置的不同，二者还是有很多相似之处。例如I-CSCF在UE注册过程先从HSS获取S-CSCF的地址，然后将该S-CSCF分配给该UE用来SIP注册，之后将SIP请求或者反馈路由到注册的S-CSCF。I-CSCF在某些场景下还起到了地址翻译的作用，当需要进行HSS位置查询时，I-CSCF需要提前将SIP请求里的SIPURI转换成电信URI的格式，如果当某些场合不需要对用户寻址的时候，I-CSCF又可能起到了将电信URI翻译成SIPURI的作用。另外当会话的目的地并不在IMS域内，I-CSCF又可以将请求转发出去，实际起到了IBCF的作用，或者直接回复接入失败。I-CSCF域IBCF皆具有产生计费话单的功能，这为漫游结算提供了支撑。Serving-CSCFS-CSCF是IMS子系统中极为重要的功能实体，主要负责会话控制服务。在IMS子系统中，可能存在多个S-CSCF逻辑网元，并且这些逻辑网元有各自不同的功能。S-CSCF可执行如下功能1、通过从HSS获取的用户信息完成注册2、当UE在注册阶段上报支持GRUU能力，S-CSCF负责为UE分配唯一的P-GRUU，同时在每次重新注册时分配唯一对应的T-GRUU，并将该UE的GRUU分配情况反馈UE（当注册信息改变的时候，例如T-GRUU改变的时候，S-CSCF也需要及时通知用户），这有点类似EPS中MME在每次UE附着时为UE分配的TMSI的流程。3、在注册阶段，S-CSCF还应向P-CSCF和/或者UE提供基于公共用户标识的一些诸如用户优先级信息4、对于注册后的会话流程进行管理，例如，在获知用户被禁止接入信息后，可以将会话流程拒绝掉。同时，S-CSCF可以具备代理服务器或者用户代理的一些功能，例如中转服务请求或者独立产生、终止SIP流程。对于主叫会话发起的流程，S-CSCF首先通过呼叫用户的电话号码或者SIPURI获取呼叫用户所在网络的接入点地址，然后将SIP请求转发至该接入点。如果主叫用户和被叫用户均在同一运营商网络下，则将SIP请求转发至该网络下的I-CSCF网元。如果呼叫到PSTN网络或者CS域，则需要将SIP请求转发至BGCF网元。同时，S-CSCF需要确保主叫SIP请求和响应的内容符合IMS子网络通信服务定义。如果INVITE消息里面包含用户优先级设置或者相应的字符串，需要将这些信息同时转发转发。值得注意的一点，如果主叫请求来自于IMS内部的应用服务器，且该主叫请求所表征的用户并没有注册，那么S-CSCF需要先完成相应的注册流程，之后才会将来自应用服务器的这些请求进行相应的转发。对于被叫会话的流程，S-CSCF需要将SIP请求与响应转发至P-CSCF，如果被叫用户位于PSTN或者电信网络的CS域，S-CSCF需要修改SIP请求信息，并通过BGCF网元将请求或者反馈进行转发。如同对主叫会话流程的管理，在转发SIP请求或者反馈的时候，需要确保SIP消息的格式满足IMS子网络通信服务定义。如果是跨IMS域的请求转发，S-CSCF需要将请求通过IBCF网元进行路由转发。一如既往，S-CSCF也同样兼具产生计费话单功能。BreakoutGatewayControlFunctionBreakout这个英文单词的释义为“突围；中断”，因此也就隐含了两层意思，就是离开IMS域，中转到其他的域，例如PSTN/CS域等。BGCF起到了对被叫用户的识别以及路由。如果被叫用户是本网络的PSTN/CS域用户，BGCF将下一跳路由到本网MGCF，后续由MGCF进行与PSTN/CS域的交互。如果被叫用户是位于其他网络的PSTN/CS域用户，那么BGCF会首先将下一跳路由到其他网络的BGCF。如果被叫用户位于其他的IMS网络，BGCF会将消息路由到该IMS网络的I-CSCF（接入节点）。MultimediaResourceFunction多媒体资源功能可以被分成多媒体资源功能控制单元（MRFC）和多媒体资源功能处理单元（MRFP）两个逻辑网元，如下图所示电信网设计的基本架构思想是将控制面与业务面进行分离，例如在LTE核心网中，MME被设计用来进行信令层面的处理，而SGW/PGW则被设计用来对业务层面进行处理。IMS的核心网功能实现也存在类似的思想，就是IMS域的控制面（信令面）与业务面。对于信令的处理可以在以上介绍的网元中实现，如P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、BGCF等，对于媒体业务的处理主要位于应用服务器中（AS），MRF（含MRFC和MRFP）的主要功能是媒体流的处理以及提供相应的媒体资源，例如音频编码转换、媒体业务分析、多媒体放音等等。标识任何信令的交互首先涉及的是寻址或者基于用户、订阅业务的标识，例如电信网络中有IMSI、TMSI、P-TMSI、RNTI（RA-RNTI、P-RNTI、C-RNTI、SPS-RNTI）、GUTI等等常用的用户或者业务标识，在IMS域中同样存在类似的标识，主要有如下三种，PrivateUserIdentities、PublicUserIdentities,GloballyRoutableUserAgentURI(GRUU)。PrivateUserIdentities:该标识最大的特点不是区分用户，而是标识用户不同的订阅业务。因此，对于每个用户而言，都可以包含一个或者几个这样的私有用户标识，该标识并不被用来进行SIP消息的路由寻址，而是被用来进行注册、鉴权、管理和统计。私有标识由归属地网络运营商进行分配，遵循NetworkAccessIdentifier（网络访问标识）的格式，如果没有ISIM应用，通常该私有标识会从IMSI标识中继承。通常，该私有标识的格式为用户名@域，如果从IMSI中继承，则变成了”@ims.mnc.mcc.3gppnetwork.org”。除此之外，私有用户标识不是动态标识，而是对于该用户订阅业务的永久性标识，并且在归属地网络中对于该订阅业务始终有效。在IMS域注册/去注册阶段，该私有标识需要被鉴权，HSS与S-CSCF需要存储该私有标识一边区分用户信息PublicUserIdentities公共用户标识在IMS子系统内被用来进行用户间的通信。公共用户标识可以被任何用户使用，这就好比名片一样，是一种通用的载体格式。公共用户标识遵循SIPURI或者TelURI的格式，例如，当遵循SIPURI格式时，应表示为”sip:username@domain；如果遵循电信URI格式，则应表示为”tel:+,详见IETFRFC3966。一个用户可以包含一个或者多个公共用户标识，换言之，仅仅获得公共用户标识无法与用户进行映射。对于ISIM应用，至少需要安全的存储一个公共用户标识，但并不要求存贮该用户其他的公共用户标识。对于拥有同一化名的一组公共用户标识的操作，有点类似“一荣俱荣”，也就是需要对组内的公共用户标识进行同样的操作，这样的公共用户标识组需要分别被存储在HSS、AS（应用服务器）、S-CSCF以及UE中。在IMS主叫或者被叫会话流程中，公共用户标识需要提前被显式或隐式的注册，值得注意的是，在注册过程中，公共用户标识并不需要被鉴权。单从格式来讲，私有用户标识更像电信网中的IMSI，而公共用户标识则更像电信网中的电话号码或者计算机网络中的用户名，这也说明在注册过程中为什么只对私有用户标识进行鉴权，而仅仅是将公共用户标识作为通信的对象。GloballyRoutableUserAgentURI(GRUU)全局路由用户代理用户资源标识，顾名思义，该标识天生就是为了路由寻址而生的，之前提到，一个用户可能有多个公共用户标识，而且同一个公共用户标识也可以被多个用户使用，那么在寻址路由的时候仅仅依靠公共用户标识就可能产生误判（forking）。因此需要将该公共标识与特定的用户实体进行结合，因此这就是GRUU.GRUU分两种，公共GRUU、临时GRUU，前者映射公共用户标识，而后者只在IMS域注册状态下存在，与公共用户标识无关。公共GRUU与临时GRUU由IMS核心网在用户注册时对用户进行分配，SIP信令就是通过GRUU进行