第七章 IP多媒体子系统技术

现代交换原理与实践第七章IP多媒体子系统技术本章主要内容7.1概述7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的发展现状与应用7.1概述7.1.1IMS的发展历程7.1.2IMS的特点7.1.3IMS与软交换的比较IP多媒体子系统（IPMultimediaSubsystem，IMS）是一种全新的多媒体业务形式，能够满足终端用户更新颖、更多样化的多媒体业务的需求，是近年来电信行业关注的一个焦点，得到了政府、标准化组织、电信运营商、电信设备提供商等的重视。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。7.1.1IMS的发展历程固定网络和移动网络融合，需要新的体系架构新的体系架构应该满足以下三个方面的要求 –应能提供电信级的QoS保证 –应能提供融合各类网络能力的综合业务 –应能对业务进行有效而灵活的计费3GPP将蜂窝移动通信网技术和Internet技术有机地结合了起来，在Release5版本中提出的支持IP多媒体业务的子系统（IPMultimediaSubsystem，IMS）技术标准。7.1概述IMS的应用主要有以下几种类型:（1）给移动用户提供多媒体业务，Cingular、T-Mobile、TIM、CSL等移动运营商均采用此应用模式。（2）给企业用户提供融合的企业应用，Sprint、西班牙电信、SBC等运营商采用此方式为企业用户提供IPCentrex业务。（3）固定运营商给宽带用户提供VoIP业务，BellSouth、KPN、Telefonica等固定运营商采用此模式为宽带用户提供VoIP的第二线业务。（4）综合运营商为用户提供的固定和移动融合的IMS，比较热门的业务是Wi-Fi与移动网的业务切换。Cingular（移动）和SBC（固定）计划近期向企业提供Wi-FiVoIP与WCDMA电路域语音的切换，已经能够实现Wi-Fi到WCDMA的单向切换。BT和FT完成了类似业务的测试，但是实现方案有所不同。7.1.2IMS的特点

1．接入无关性IMS支持多种固定/移动接入方式的融合，支持无缝的移动性和业务连续性，为全业务运营提供了便利。IMS是一个独立于接入技术的基于IP的标准体系，与现存的语音和数据网络都可以互通，而不管是固定用户还是移动用户。IMS网络的用户与网络是通过IP连通的，即通过IP-CAN（IPConnectivityAccessNetwork）来连接。2．基于SIP协议IMS使用SIP作为唯一的会话控制协议。为了实现接入的独立性，IMS采用SIP作为会话控制协议，这是因为SIP协议本身是一个端到端的应用协议，与接入方式无关。此外，由于SIP是由IETF提出的使用于Internet上的协议，因此，使用SIP协议也增强了IMS与Internet的互操作性。3．针对移动通信环境的优化因为3GPP最初提出IMS是要用于3G的核心网中的，所以IMS体系针对移动通信环境进行了充分的考虑，包括基于移动身份的用户认证和授权、用户网络接口上SIP消息压缩的确切规则、允许无线丢失与恢复检测的安全和策略控制机制。4．提供丰富的组合业务IMS在个人业务实现方面采用比传统网络更加面向用户的方法。对用户而言，IMS业务以高度个性化和可管理的方式支持个人与个人，以及个人与信息内容之间的多媒体通信，包括语音、文本、图片和视频或这些媒体的组合。5．网络融合的平台IMS的出现使得网络融合成为可能。除与接入方式无关的特性外，IMS还具有商用网络必须拥有的一些能力，包括计费、QoS控制和安全策略等，IMS从提出起就对这些方面进行了充分的考虑。正因为如此，IMS才能够被运营商接受并被运营商寄予厚望。6．归属地控制IMS采用归属地控制，区别于软交换的拜访地控制，与用户相关的数据信息只保存在用户归属地，用户鉴权认证、呼叫控制和业务控制都由归属地网络完成，从而保证业务提供的一致性，易于实现私有业务的扩展，促进归属运营商积极提供吸引用户的业务。7．业务提供能力IMS将业务层与控制层完全分离，有利于灵活、快速地提供各种业务应用，更利于业务的融合。另外，IMS的业务还可以通过开放的应用编程接口提供给第三方，可以为广大用户开发出更加丰富多彩的应用。8．安全机制IMS网络部署了多种安全接入机制、安全域间信令保护机制及网络拓扑隐藏机制。7.1.3IMS与软交换的比较IMS和软交换最大的区别在于以下几方面。（1）在软交换控制与承载分离的基础上，IMS更进一步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中的一种，更多地使用媒体网关协议（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，所以具有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的应用范围从最初的移动网逐步扩大到固定网领域。此外，由于IMS体系架构可以支持移动性管理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。本章主要内容7.1概述7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的发展现状与应用7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.2.1IMS体系结构IMS体系结构和呼叫会话控制功能（CallSessionControlFunction，CSCF）（IMS体系的核心）的设计利用了软交换技术，实现了业务与控制相分离、呼叫控制与媒体传输相分离。IMS虽然是3GPP为移动用户接入多媒体服务而开发的系统，但由于它全面融合了IP域的技术，并在开发阶段就和其他组织进行密切合作，因此，IMS实际已经不仅仅局限于只为移动用户提供服务了。IMS体系结构如图7.1所示。

在IMS体系结构中，底层为承载层，用于提供IMSSIP会话的接入和传输，承载网必须是基于分组交换的。

中间层为控制层，由网络控制服务器组成，完成IMS多媒体呼叫会话过程中的信令控制功能，其中包括用户注册、鉴权、会话控制、路由选择、业务触发、承载面服务质量保证、媒体资源控制及网络互通等功能。

最上面一层是业务层，业务层与控制层完全分离，主要由各种不同的应用服务器组成，除在IMS网络内实现各种基本业务和补充业务（SIP-AS方式）外，还可以将传统的窄带智能网业务接入IMS网络中（IM-SSF方式），并为第三方业务的开发提供标准的开放应用编程接口（OSA-SCS方式），从而使第三方应用提供商可以在不了解具体网络协议的情况下开发出丰富多彩的个性化业务。7.2.2IMS主要功能实体IMS的主要功能实体可以分为5类：呼叫会话控制功能实体、用户数据管理和认证鉴权功能实体、媒体资源功能实体、业务控制功能实体及互通功能实体。呼叫会话控制功能实体1）代理CSCF（P-CSCF）P-CSCF是连接IMS终端和IMS网络的入口节点，所有IMS终端发起和终止于IMS终端的SIP信令都要通过P-CSCF。P-CSCF实际上扮演了一个代理服务器的角色，它接收SIP请求与响应，并向IMS网络或IMS用户转发。同时P-CSCF还可以作为一个UA，在异常条件下，它可以终结或独立产生一个SIP事务。P-CSCF可以处于拜访网络，也可以处于归属网络。2）查询CSCF（I-CSCF）I-CSCF是处于拜访网络中的IMS终端进入本地IMS网络域的入口节点。I-CSCF路由外地终端的SIP请求和响应至本地S-CSCF。I-CSCF处于归属网络，在特殊情况下，也可以处于拜访网络。3）服务CSCF（S-CSCF）S-CSCF是SIP信令平面的中心节点，其作用类似软交换系统中的软交换设备，为IMS终端执行会话控制服务并保持会话状态。S-CSCF检查所有通过的SIP信令，决定是否需要访问应用服务器，并将信令转发至最终目的地。S-CSCF还提供SIP路由服务，路由SIP请求或响应到PSTN域或CS域。S-CSCF总是处于归属网络。2.用户数据管理和认证鉴权功能实体1）HSS归属用户服务器（HSS）是用于存储用户相关信息的服务器。HSS包含在处理媒体会话时所需的用户相关签约数据，包括：位置信息、安全信息（包括鉴权和授权信息）、用户业务属性信息（包括用户的签约业务信息），以及分配给用户的服务CSCF（S-CSCF）信息。当一个HSS需要处理的用户数过多时，网络中就需要部署多个HSS。但是与一个特定用户相关的数据必须存在一个HSS中。只有一个HSS的网络不需要部署签约定位功能。如果网络中有多个HSS，那么就需要一个SLF。2）SLFSLF是一个简单的数据库，它用于将用户地址映射到HSS。当节点查询SLF时，输入用户地址，会查到包含该用户信息的HSS。在多HSS网络环境中，这种机制可以使I-CSCF、S-CSCF和AS确定包含某用户数据的HSS的域名。3.媒体资源功能实体（MRF）MRF在归属网络中提供媒体资源。MRF向归属网络提供语音播放、混合媒体流、实现不同编解码器转换、获取统计信息，以及进行媒体分析等能力。MRF进一步分为信令面节点MRFC和媒体面节点MRFP。MRFC通过H.248协议来控制MRFP中的资源，由MRFP实现所有与媒体相关的功能，例如，媒体播放和媒体混合。

MRF总处于归属网络，为用户提供语音播放等相关功能。4.业务控制功能实体应用服务器（AS）是一个提供增值多媒体业务的SIP实体。它包括SIP应用服务器（SIPAS）、IP多媒体业务交换功能（IPMultimedia-ServiceSwitchingFunction，IM-SSF）和开放业务接入的业务能力服务器（OpenServiceAccess-ServiceCapabilityServers，OSA-SCS）3类，分别用来支持运营商IMS网络直接提供的SIP业务、CAMEL业务环境（CSE）提供的传统移动智能网业务和第三方提供的业务。5.互通类网元1）出口网关控制功能BGCF是一个具有路由功能的SIP实体，是IMS域与外部网络的分界点。当IMS终端向PSTN/CS域发起呼叫时，由BGCF决定向哪个网络转发信令：如果目的PSTN/CS域为本地域，BGCF向与本地PSTN/CS域接口的MGCF转发信令；否则，向外地域的一个BGCF转发信令。2）媒体网关控制功能MGCF是IMS网络与传统电路交换网实现互通的功能实体，主要负责控制层面信令的互通。一方面它负责协议的转换，将SIP协议映射成在IP上承载的ISUP或者BICC。另一方面，它通过H.248协议实现对MGW的控制。3）信令网关SGW负责底层协议转换，比如将通过SCTP/IP承载的ISUP或BICC转换为由MTP承载（7号信令承载）的ISUP或BICC。4）媒体网关MGW主要完成IMS网络与电路交换网之间的媒体转换。MGW的一侧能通过RTP协议发送或者接收IMS媒体，另一侧通过一条或者多条PCM连接到CS网络。另外，当IMS终端不支持CS侧的编解码时，MGW还执行码型转换：通常场景是IMS终端使用AMR编解码器，而PSTN终端使用G.711编解码器。5）IMS应用层网关（IMS-ALG）和转换网关（TrGW）IMS-ALG和TrGW负责对IPv4和IPv6网络之间的协议进行转换，从而实现互通。其中，IMS-ALG负责处理控制面信令，即SIP和SDP消息；TrGW用于处理媒体面业务，例如RTP和RTCP。图7.2IMS各功能实体的关系本章主要内容7.1概述7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的发展现状与应用7.3.1IMS的主要协议1．SIP协议SIP协议是由IETF制定的一个在IP网络上进行多媒体通信的应用层控制协议，被用来创建、修改和终结一个或多个参与者参与的会话进程。这些会话包括Internet多媒体会议、Internet电话、远程教育及远程医疗等。2．Diameter协议由于鉴权、认证和计费（AAA）体制是网络运营的基础，而Diameter协议是由IETF基于RADIUS（RemoteAuthenticationDialInUserService，远程拨入用户认证服务）开发的认证、授权和计费协议。Diameter协议包括基本协议、NAS（NetworkAccessService，网络接入服务）协议、EAP（ExtensibleAuthenticationProtocol，可扩展认证协议）、MIP（MobileIP，移动IP）、CMS（CryptographicMessageSyntax，密码消息语法）协议等。Diameter协议支持移动IP、NAS请求、移动代理的认证、授权和计费工作，协议的实现与RADIUS类似。7.3IMS的接口3．COPS协议COPS协议是IETF开发的一种简单的查询和响应协议，主要用于在策略服务器（策略决策点PDP）与其客户机（策略执行点PEP）之间交换策略信息。4．H.248协议H.248协议是IETF、ITU-T制定的媒体网关控制协议，用于MGC和MGW之间的通信，是实现MGC对MGW控制的一个非对等协议。接口作用协议Gm接口用于UE和CSCF之间的通信，主要完成UE注册、鉴权和会话控制。SIP协议Mw接口用于连接不同CSCF，在各类CSCF之间转发注册、会话控制及其他事务处理消息。SIP协议Cx接口用于CSCF和HSS之间的通信Diameter协议Mg接口用于S－CSCF与MGCF之间，实现主叫用户S－CSCF到各MGCF以及各MGCF到被叫用户S-CSCF的SIP会话双向路由功能。SIP协议7.3.2IMS的主要接口接口作用协议Mi接口用在IMS网络和CS域互通时，在CSCF和BGCF之间传递会话控制信令。SIP协议Mk接口允许BGCF将会话控制信令转发到另一个BGCF。SIP协议Mm接口用于CSCF与其他IP网络之间，负责接收并处理一个SIP服务器或终端的会话请求。SIP协议Mj接口用在IMS网络和CS域互通时，在BGCF和MGCF之间传递会话控制信令。SIP协议Mn接口用于MGCF和IM－MGW之间，完成灵活的连接处理，支持不同的呼叫模型和不同的媒体处理，以及IMS－MGW物理结点上资源的动态共享。H.248协议接口作用协议Mr接口用于CSCF与MRCF之间，由CSCF将来自SIPAS的资源请求消息转发到MRFC，由MRFC最终控制MRFP完成与IMS终端用户之间的用户面承载建立。SIP协议Mp接口用于MRFC与MRFP之间，MRFC通过该接口控制MRFP处理媒体资源。H.248协议Dx接口用于CSCF和SLF之间的通信，确定用户签约数据所在的HSS的地址。Diameter协议Gq接口用于P－CSCF与PDF之间传输策略配置信息。Diameter协议Go接口用于PDF与GGSN之间完成PDF在GGSN里承载策略的应用。COPS协议本章主要内容7.1概述7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的发展现状与应用7.4.1IMS入口的发现7.4IMS的通信流程由于P-CSCF是终端UE在IMS网络中的第一个连接点，因此，在UE接入IMS网络之前，首先需要获得P-CSCF的IP地址信息。而UE找到这些地址的机制称为P-CSCF的发现机制。在国际标准中，规定了两种入口点发现机制：静态机制和动态机制。图7.3使用PDP关联激活信令发现P-CSCF的过程图7.4DHCP+DNS查询过程（1）UE发出注册请求。（2）P-CSCF通过DNS得到UE归属网的I-CSCF。（3）P-CSCF把注册信息转给I-CSCF。（4）I-CSCF查询HSS，为UE选择一个S-CSCF。（5）I-CSCF将注册信息转给S-CSCF。（6）S-CSCF从HSS中得到UE的认证信息。（7）S-CSCF会发现UE没有授权，因此，它会从HSS中获取认证信息并用“401未授权”应答来质疑UE，并通过I-CSCF和P-CSCF将“401未授权”消息转发给UE。（8）UE会计算这个质疑的应答，给P-CSCF发一个新的包含这个应答的注册请求，并重复（2）～（5）步。（9）S-CSCF检查这个应答，如果正确，则认证通过，S-CSCF通知HSS存储UE的注册信息。（10）S-CSCF从HSS中下载UE数据和业务信息。（11）S-CSCF通知AS进行第三方业务注册。（12）AS从HSS中得到UE数据。（13）P-CSCF向S-CSCF订阅注册事件通知。（14）UE向S-CSCF订阅注册事件通知。7.4.2注册过程会话流程中包括媒体的协商过程（包括媒体类型和编码方式的协商）和双方的资源预留过程。7.4.3会话的基本建立流程（1）用户A产生一个SIPINVITE请求，并通过Gm接口发送给P-CSCF。（2）P-CSCF对这个请求进行一定的处理。

（3）被叫网络中的I-CSCF会通过Mw接口接收这个请求。（4）I-CSCF通过Cx接口联系HSS，以获取为被叫提供服务的S-CSCF。（5）INVITE请求又通过I-CSCF的Mw接口发送给被叫的S-CSCF。（6）这个S-CSCF负责处理收到的会话，这可能包含和AS的交互，并最终通过Mw接口发送给P-CSCF。（7）在进一步处理之后（如压缩和私密检查），P-CSCF通过Gm接口将INVITE请求转发给用户B。（8）～（13）用户B产生一个应答消息，即183SessionProgress（183会话进行中），这个应答消息沿着刚才建立好的路径（用户B→P-CSCF→S-CSCF→I-CSCF→S-CSCF→P-CSCF→用户A）反方向发送给用户A。在几次消息交互后，两个用户都完成了会话的建立，并可以开始真正的上层应用服务了。在会话建立的过程中，运营商可能会控制用来传输媒体的承载通道。本章主要内容7.1概述7.2IMS的体系结构和主要功能实体7.3IMS的接口7.4IMS的通信流程7.5IMS的发展现状与应用从网络架构上来看，IMS能力的开放可以分为以下两种：➢向上开放能力：IMS提供标准的协议接口，面向一些大型应用网站，如淘宝、网易网站开发人员针对具体的业务应用进行逻辑开发，通过IMS网络接口实现业务功能，如点击拨号等业务。➢SDK向下开放能力：面对未来500亿用户物联网市场空间，运营商需要有所作为，但需要规避直接介入的途径，应该着眼于物联网市场所需的基本通信诉求。通过开放的模式将通信基础能力提供给物联网用户，供其提升终端能力，并提供专业的可运营、可管理的电信级服务，在双赢的前提下，使500亿“物”自然地延伸为电信网络的新型用户。例如，机顶盒嵌入RCS以实现家庭视频通信，普通摄像头嵌入RCS音/视频能力以实现个人视频业务，普通门铃嵌入Video能力以实现小区安防，以及正在蓬勃发展的车联网通信等。7.5IMS的发展现状与应用IMS是一个在分组（PS）域上的多媒体控制/呼叫控制平台，使得分组域具有电路域的部分功能，既要保证传统网络业务能力的继承，又要不断地推出更新颖的业务。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