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IP多媒體子系統

電信架構框架

IP多媒體子系統（IP Multimedia Subsystem，IMS）或IP多媒體核心網絡子系統（IP Multimedia Core Network Subsystem, IMCNS）是一個基於互聯網協定提供多媒體業務的體系架構。傳統流動電話使用類電路交換網絡提供語音通話服務，而非使用電腦封包交換通訊方式的網絡。雖然已有很多方式在智能電話上提供網絡電話與其他互聯網多媒體服務，但並未形成行業標準，IMS則為此提供了一個標準化體系架構。

IMS的最初的版本（3GPP Rel-5）主要是給出了一種基於GPRS來實現互聯網協定多媒體業務的方法。在這個版本的基礎上，3GPP、3GPP2以及TISPAN進行了進一步的更新，以支援GPRS之外，諸如WLAN、CDMA2000和固定電話線等其他接入方式。

IMS在設計時優先使用屬於IETF的協定，比如，對談發起協定。援引3GPP的說法，IMS並非刻意將應用標準化，而是幫助無線和有線終端的多媒體和通話應用提供一個接入方法，藉此，輔助移動固網融合。方式是使用一個獨立的控制層將網絡接入的工作從服務層剝離出來。理論上講，服務不再需要控制器，因為有單獨的控制層負責統籌。但從實踐情況看，此舉並未對布網開銷與複雜程度有太大幫助。

有線與無線網絡中功能與IMS重疊的服務包括通用訪問網絡、軟交換和SIP，可將上述服務混合使用達到替代IMS的效果。

現今有太多內容取得/繞過傳統網絡營辦商與他人聯絡的方式，因此IMS的作用受到挑戰。

基於IMS達成全球標準的例子可見多媒體通話，這是VoLTE和富通訊解決方案（又被稱作joyn或進階訊息服務）的基礎。

歷史

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  • IMS最初是由一個名為3G.IP的行業討論區組織所定義的，並於1999年的成型。3G.IP開發的IMS架構後來被帶入3GPP，成為其3G移動系統標準化工作的一部分。IMS的第一次出現是在3GPP標準版本5中，首次在3G網絡中引入了分組域的多媒體業務，但主要是基於GPRS。
  • 3GPP2（另一個3G標準化組織）基於3GPP IMS構建了他們的CDMA2000多媒體域（Multimedia Domain，MMD），為IMS增加了CDMA2000接入。
  • 3GPP標準第6版加入了與WLAN的互動，支援用戶通過WLAN接入IMS。
  • 3GPP標準第7版，與TISPAN R1.1版本一起，增加了對固定網絡的支援。AGCF（Access Gateway control function）和PES（PSTN Emulation Service）被引入，以繼承PSTN的業務和終端。

架構

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3GPP / TISPAN IMS 架構網絡。

以下將簡述上圖所列的各個功能組。

IP多媒體核心子系統是由一系統功能組組成的。各個功能組之間由一組標準介面聯鏈起來，組成一個IMS管理網絡。一個功能組並非是一個節點（即硬件實體）：它的實現方式是開放的，允許將多個功能組布署在一個節點，亦允許一個功能組由多個節點實現。考慮到容量、負載均衡和管理等方面，還允許在一個網絡存在有多個相同的功能組。

網絡訪問

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用戶有多種途徑訪問IMS，最普遍的是使用互聯網協定（IP）。IMS終端（如移動電話、個人數碼助理（PDA）以及電腦）只需要使用IP協定並且運行會話發起協定（SIP）用戶代理，就可以直接訪問IMS，即使他們已經漫遊到其它國家或網絡。

IMS支援網絡訪問途徑有：

固定線路訪問（如數碼用戶線路（DSL）、纜線數據機以及以太網），移動訪問（如WCDMA、CDMA2000、GSM以及GPRS），無線訪問（如WLAN和WiMAX）。

另外像普通老式電話服務，H.323和非IMS相容的網絡電話系統等電話系統可以通過閘道器接入IMS。

核心網絡

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歸屬用戶伺服器（HSS - Home Subscriber Server）

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歸屬用戶伺服器是一個核心的用戶數據庫。它為IMS網絡中實際管理通話的實體提供支援。如存取用戶相關的資訊（稱之為用戶組態），對用戶認證和授權以及 提供用戶位置IP位址等相關資訊。它和GSM的歸屬位置暫存器（HLR - Home Location Regiser）和認證中心（AuC - Authentication Centre）相似。

在同時使用多個HSS時，需要用戶位置功能組（SLF - Subscriber Location Function）對映用戶儲存的位置。即當查詢某個用戶組態時，由SLF指出哪個HSS儲存了這個用戶組態。

用戶標識
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IMS可以使用多種用戶標識：IP多媒體私有標識（IMPI - IP Multimedia Private Identity），IP多媒體公共標識（IMPU - IP Multimedia PUblic Identity），全域可路游用戶代理統一資源識別碼（GRUU - Globally Routable User Agent URI），通配公共用戶標識（Wildcarded PUblic User Identity）。IMPI和IMPU是一種統一資源識別碼（URI），它可以是數字（Tel URI，如 tel: +1-555-123-4567），也可以是字元識別碼（SIP URI，如sip:john.doe@example.com）。

IP多媒體私有標識（IMPI）
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IP多媒體私有標識是一種由主網絡操作者永久性分派的全域性標識，它可以用於註冊、認證、管理和計費等用途。每個IMS用戶可以有多個IMPI。

IP多媒體公有標識（IMPU）
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當IMS用戶想要和其他用戶通訊時，需要使用IP多媒體公有標識（它可以寫在那個人的名片上）。IMS允許一個IMPI上綁定多個IMPU。IMPU也可以和其它電話共用（就像一個家庭使用一個電話號碼）。

全域可路由用戶代理統一資源識別碼（GRUU）
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全域可路由用戶代理統一資源識別碼是一個由IMPU和UE實例組成的識別碼。IMS中有兩類GRUU：公共GRUU(P-GRUU)和臨時GRUU(T-GRUU)

  • P-GRUU 明示了用戶的IMPU並且長期有效
  • T-GRUU 隱藏了用戶的IMPU。當用戶顯式注銷T-GRUU或者過了有效期時，T-GRUU就會失效。
通配公共用戶標識（Wildcarded PUblic User Identity）
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通配公共用戶標識表示一組相似的IMPU。

HSS用戶數據庫儲存用戶的IMPU，IMPI，國際移動用戶識別碼（IMSI），MSISDN，用戶服務組態，服務開關和其它資訊。

呼叫對談控制功能（CSCF - Call Session Control Function）

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會話發起協定（SIP）伺服器和代理共同實現通話控制功能，稱之為CSCF。它們在IMS系統中處理SIP訊號封包。

  • 代理-CSCF（P-CSCF）是一個SIP代理，作為與IMS終端直聯通訊點。它可以設置在公網中也可以設置在IMS本網中。某些網絡在這個功能組中可能使用了會談邊界控制器（SBC）。P-CSCF其核心是一個特殊的SBC。該SBC使用的用戶網絡介面不僅保護網絡，也保護了IMS終端。在IMS終端和P-CSCF之間傳遞加密訊號時，使用附加的SBC是毫無意義同時也是不可用的。終端可以使用DHCP協定來找到它的P-CSCF，也可以使用組態（如出廠設置、3GPP IMS管理對象）、或是記錄在ISIM中、或是在PDP環境（GPRS PDP Context）中賦值。
    • 它在IMS終端註冊之前就被分派給IMS終端，並且在註冊期間不會改變。
    • 它位於所有訊號的通路，可以檢查所有的訊號。IMS終端必須忽略任何其它未加密的訊號。
    • 它提供用戶的認證，並且為IMS終端建立一個IPsec或TLS連接。這樣可以阻止欺騙攻擊和重放攻擊，並且保護用戶的私隱。
    • 它檢查訊號，確保IMS終端沒有企圖作弊（比如改變通常訊號路游，不遵守IMS網絡路游策略）。
    • 它也可以使用SigComp（英語：SigComp）壓縮和解壓縮SIP資訊，以降低較慢的無線電鏈路的負載。
    • 它也可以加入策略決擇功能（PDF - Policy Decision Function）。它可以允許媒體水平的資源（如QoS）可以達到媒體水平。它也可以用作策略控制、帶寬管理等等。PDF也可以作為獨立的功能組。
    • 它也產生費用記錄。
  • 服務-CSCF（S-CSCF）。從訊號層面的來看，S-CSCF是IMS子系統的核心節點。它雖然是SIP伺服器，但也負責會話的控制。它永遠設置在IMS本網絡中，徑直地使用Cx和Dx介面訪問HSS。它從HSS下載用戶組態並且上載用戶與S-CSCF關聯資訊。（出於對處理用戶組態效率的考慮，S-CSCF會在其本地快取用戶組態。但它不會在本地對用戶組態進行更改。）所有必要的用戶組態資訊都會從HSS那裏載入。
    • 它負責處理SIP註冊。它會將用戶位置（如終端的IP位址）和SIP位址進行綁定。
    • 它位於所有在它那裏註冊的用戶所發出的訊號資訊的通路上，可以檢查所有的資訊。
    • 它負責決定SIP資訊將抵達哪一個應用服務處理，以完成應用服務。
    • 它提供路游服務，通常是使用電子號碼（英語：Electronic Numbering）（ENUM - Electronic Numbering）尋找
    • 它執行網絡運營商的策略
    • 出於分散式負載和高可靠性的原因，IMS網絡中允許設置多個S-CSCF。這種情況下，由HSS在用戶組態記錄哪一個S-CSCF被關聯到該用戶，而後由I-CSCF來查詢這些記錄。
  • 詢問-CSCF（I-CSCF）是另一個位於管理域邊緣的功能組。它的IP位址通過DNS發佈，所以遠程伺服器可以尋找到它，並把它作為向它所在的域傳遞SIP包的跳點。
    • 它查詢HSS，獲取S-CSCF的地址並且分派給用戶以完成SIP註冊。
    • 它也為S-CSCF傳遞SIP請求和回應。
    • 直到IMS第6版，它是可以用來把內網隱藏起來，使外部網絡無法獲取內部網絡的資訊（加密部分SIP資訊）。這裏稱之為隱藏內部網絡拓撲閘道器（THIG - Topology Hiding Inter-network Gateway）。從第7版開始，這個功能從I-CSCF移走，作為互聯邊界控制功能組（IBCF - Interconnection Border Control Function）的一部分。IBCF被用作外部網絡的閘道器，提供NAT和防火墻功能。IBCF實際上是NNI（英語：NNI）的會談邊界控制器的裁剪版本。

應用伺服器（AS - Application Server）

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SIP應用伺服器負責和提供服務。它與S-CSCF之間使用會話發起協定（SIP）。由3GPP開發的語音持續呼叫功能（英語：Voice call continuity）（VCC Server）就是一個應用伺服器的典型案例。基於具體的服務不同，AS可以選擇不同的SIP模式，如SIP代理模式，SIP用戶代理（UA - User agent）模式和SIP B2BUA（英語：B2BUA）模式。AS可以設置在IMS本網內也可以設置在外部的第三方網絡。如果位於本網，它還可以使用Sh或Si介面查詢HSS。

  • SIP AS：負責和提供IMS具體服務
  • IP多媒體切換功能（IM-SSF - IP Multimedia Service Switching Function）：SIP和CAP之間的介面，用以與CAMEL應用伺服器通訊。
  • OSA服務效能伺服器（OSA SCS - OSA Service Capability Server）：SIP和OSA框架之間的介面。
功能模型
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AD-ILCM和AS-OLCM用來儲存事務狀態並且可以根據特定服務的需要儲存會話狀態。對於S-CSCF來說，AS-ILCM介面是輸入端，AS-OLCM介面是輸出端。應用邏輯提供服務和AS-ILCM、AS-OLCM之間的互動。

公共服務標識（PSI - Public Service Identity）
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公共服務標識是用來標識應用服務提供的服務。作為用戶標識，PSI可以提供SIP和Tel URI兩種標識格式。PSI通常被HSS以完整PSI或通配PSI儲存。

  • 完整PSI包含完整的PSI標識，可以直接用來路游。
  • 通配PSI表達一組PSI標識。

媒體伺服器

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媒體資源功能組（MRF - Media Resource Function）提供與媒體相關的功能，包括媒體處理（如混音）、播放撥號音和語音提示。

MRF可以進一步劃分為媒體資源功能控制器（MRFC - Media Reource Function Controller）和媒體資源功能處理器（MRFP - Media Resource Function Processor）。

  • MRFC是訊號層面的節點，它根據來自AS和S-CSCF的資訊來操控MRFP。
  • MRFP是媒體層面的節點，用來混合、產生或者處理媒體流。它也可以管理共用資源的訪問權限。

媒體資源協商器（MRB - Media Resource Broker）是一個功能實體。負責收集已經發佈的MRF資訊，並且向AS這樣的資訊消費實體提供適當的MRF資訊。MRB通常有兩個模式：

  • 查詢模式：AS主動查詢MRB相應的媒體並且建立使用MRB回應的呼叫。
  • 線性模式：AS向MRB傳送SIP INVITE，由MRB建立呼叫。

出口閘道器控制功能

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出口閘道器控制功能（BGCF - Breakout Gateway Control Function）是一個SIP代理，它處理來自S-CSCF的路由請求。BGCF有基於電話號碼的路由功能，用來選擇與PSTN網絡的介面點。當BGCF發現被叫網絡位於一個PSTN網絡時，BGCF就選擇一個媒體閘道器控制功能(MGCF)，將對談路由到MGCF，MGCF負責與PSTN網絡互動。

媒體閘道器控制功能

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媒體閘道器控制功能（MGCF - Media Gateway Control Function）完成IMS網絡與PSTN網絡之間的呼叫控制協定轉換。主要是將SIP訊息轉換成ISUP訊息。並控制IM-MGW中媒體信道，管理PSTN網絡的承載和與IMS網絡的IP流間的連接。

介面描述

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介面名稱 IMS entities 描述 協定

Cr

MRFC, AS

Used by MRFC to fetch documents (scripts and other resources) from an AS

HTTP over dedicated TCP/SCTP channels

Cx

I-CSCF, S-CSCF, HSS

Used to communicate between I-CSCF/S-CSCF and HSS

Diameter

Dh

SIP AS, OSA, SCF, IM-SSF, HSS

Used by AS to find a correct HSS in a multi-HSS environment

Diameter

Dx

I-CSCF, S-CSCF, SLF

由 I-CSCF/S-CSCF 使用於 找尋正確的 HSS 在 multi-HSS environment

Diameter

Gm

UE, P-CSCF

用於 UE 與 CSCFs 之間交換訊息

SIP

Go

PDF, GGSN

Allows operators to control QoS in a user plane and exchange charging correlation information between IMS and GPRS network

COPS (Rel5), Diameter (Rel6+)

Gq

P-CSCF, PDF

Used to exchange policy decisions-related information between P-CSCF and PDF

Diameter

ISC

S-CSCF, I-CSCF, AS

用於 CSCF 與 AS 之間交換訊息

SIP

Ma

I-CSCF -> AS

Used to directly forward SIP requests which are destinated to a Public Service Identity hosted by the AS

SIP

Mg

MGCF -> I-CSCF

MGCF converts ISUP signalling to SIP signalling and forwards SIP signalling to I-CSCF

SIP

Mi

S-CSCF -> BGCF

用於 S-CSCF 與 BGCF 之間交換訊息

SIP

Mj

BGCF -> MGCF

Used to exchange messages between BGCF and MGCF in the same IMS network

SIP

Mk

BGCF -> BGCF

Used to exchange messages between BGCFs in different IMS networks

SIP

Mm

I-CSCF, S-CSCF, external IP network

Used for exchanging messages between IMS and external IP networks

SIP

Mn

MGCF, IM-MGW

允許 user-plane resources 的控制

H.248

Mp

MRFC, MRFP

用於 MRFC 與 MRFP 之間交換訊息

H.248

Mr

S-CSCF, MRFC

S-CSCF and MRFC 之間交換訊息

SIP

Mw

P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF

Used to exchange messages between CSCFs

SIP

Rf

P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF, BGCF, MRFC, MGCF, AS

Used to exchange offline charging information with CCF

Diameter

Ro

AS, MRFC

Used to exchange online charging information with ECF

Diameter

Sh

SIP AS, OSA SCS, HSS

Used to exchange information between SIP AS/OSA SCS and HSS

Diameter

Si

IM-SSF, HSS

用於 IM-SSF 與 HSS 之間交換訊息

MAP

Sr

MRFC, AS

Used by MRFC to fetch documents (scripts and other resources) from an AS

HTTP

Ut

UE, AS (SIP AS, OSA SCS, IM-SSF)

Facilitates the management of subscriber information related to services and settings

HTTP(s), XCAP

另外，IMS要求一組垂直的介面規範來提供以下特性：

  • 普遍的介面，在應用伺服器上用於帳務、安全、簽訂服務的數據、業務控制以及用來給諸如presence functions等的「積木」提供服務。
  • 協調後的和加強的QoS
  • 在操作員控制下的基於對談的媒體關守
  • 在各種業務、對談和傳輸層間關聯的帳務和付費

以上這些能力導致IMSs有別於通常的對談控制的互聯網應用。一個IMS是一種模型，在這種模型中，網絡操作員和業務分別提供方控制網絡和業務的接入，與此同時消費者會有消費賬單。網絡是完全透明的，並且所有的服務由終點（endpoint）提供——這與通常的互聯網模型相反。至少在理論上，這種更易控制的環境導致的結果是：用戶因為QoS、單一登入和客戶服務而享受到了更好的體驗。


參見

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參考文獻

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