KHÁI NIỆM IMS
IMS - thuật ngữ viết tắt của IP Multimedia Subsystem, là một phần của kiến trúc mạng thế hệ kế tiếp được cấu thành và phát triển bởi tổ chức 3GPP và 3GPP2 để hỗ trợ truyền thông đa phương tiện hội tụ giữa thoại, video, audio với dữ liệu và hội tụ truy nhập giữa 2G, 3G và 4G với mạng không dây.
IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy nhập nào.
IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có thể tương vận (interoperability) với nhau, là phần mạng được xây dựng bổ sung cho các mạng hiện tại nhằm thực hiện nhiệm vụ hội tụ mạng và cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho khách hàng đầu cuối.
KIẾN TRÚC PHÂN HỆ VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG IMS
Giới thiệu
IMS là một chuẩn dựa trên mạng viễn thông toàn IP mà nó sử dụng cả mạng có dây và không dây hiện tại với sự đa dạng các dịch vụ đa phương tiện bao gồm: audio,video, thoại , văn bản, và dữ liệu.
Kiến trúc và chức năng các phần tử trong IMS
IMS chúng ta cần chú ý một điều rằng 3GPP không chuẩn hóa các node mà là các chức năng Điều này có nghĩa rằng kiến trúc của IMS là sự tổ hợp của các chức năng được gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa.
Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp : lớp dịch vụ (lớp ứng dụng), lớp điều khiển(hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp truyền tải (hay lớp người dùng).
Hình 2.1 Kiến trúc phân lớp của IMS a Lớp dịch vụ: bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server). b Lớp điều khiển: bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi. c Lớp truyền tải: bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP Hai thực thể chức năng NASS và RACS địnhnghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên.
2.2.1.1 Máy chủ ứng dụng (Appication Server – AS)
AS là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ Tùy thuộc vào dịch vụ thực tế mà AS hoạt động trong chế độ SIP Proxy, SIP UA hay SIP B2BUA Các AS kết nối với S-CFCS thông qua giao tiếp SIP Có 3 loại AS: SIP AS, OSA-SCS, IM-SSF Các máy chủ OSA-SCS, IM-SSF đóng vai trò làm cầu nối để IMS giao tiếp với OSA và gsmSCF. Ngoài ra các máy chủ có thể được kết nối tới HSS để tải về hoặc gửi lên các thông tin dữ liệu của khách hàng SIP AS, OSA-SCS giao tiếp với HSS thông qua giao thức Diameter trong khi đó IM-SSF sử dụng giao tiếp MAP (Mobile Application Part).
AS có thể đặt ở mạng nhà hoặc ở mạng ngoài mà nhà điều hành mạng nhà xác nhận sự đồng ý dịch vụ Nếu AS đặt ở ngoài mạng nhà nó không tương tác với HSS Các AS được mô tả theo Hình 2.2:
Hình 2.2 Các máy chủ ứng dụng IMS
• SIPAS: Đây là AS thụ động thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý các dịch vụ đa phương tiện IP dựa trên nền SIP.
• Máy chủ tiềm trữ phục vụ OSA: OSA-SCS (Open Service Access –Service capability Server):AS này cung cấp một giao tiếp đến máy chủ ứng dụng truy nhập dịch vụ mở (OSA), thừa hưởng tất cả các tính năng của OAS đặc biệt là khả năng truy nhập bảo mật từ các mạng bên ngoài OSA-SCS giao tiếp với máy chủ ứng dụng OSA thông qua giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface).
• Chức năng chuyển mạch đa dịch vụ IP: IM-SSF (IP Multimedia Service SwitchingFunction):Đây là máy chủ ứng dụng đặc biệt cho phép IMS tái sử dụng lại dịch vụ logic cao cấp của những ứng dụng theo yêu cầu khách hàng mạng di động (CAMEL -Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic) mà đã được phát triển trong hệ thống GSM IM-SSF cho phép chức năng điều khiển dịch vụ GSM (GMSSCF –GSM Service Control Function) thực hiện điều khiển các phiên IMS IM-SSF giao tiếp với GMSCSF thông qua giao tiếp CAP (CAMEL Application Part).
2.2.1.2 Máy chủ quản lý Cơ sở dữ liệu (CSDL) HSS và SLF
• Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) là trung tâm lưu trữ cho thông tin người dùng, nó được phát triển từ HLR (Home Location Register) trong hệ thống GSM HSS là một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất các các thuê bao khách hàng Dữ liệu này bao gồm thông tin vị trí, thông tin bảo mật (bao gồm cả thông tin nhận thực và cho phép), thông tin hồ sơ thuê bao (bao gồm các dịch vụ mà người dùng đã đăng ký) và S-CSCF được phân bổ cho thuê bao…
Trong một mạng IMS có thể có nhiều hơn một HSS, thông thường HSS được xây dựng theo cơ chế có dự phòng để tránh bị mất thông tin khi có lỗi xảy ra.
• Chức năng định vị thuê bao SLF (Subscriber location Function) là một CSDL nhằm xác định thông tin của khách hàng đang được lưu trên HSS nào Chính vì vậy với những mạng mà chỉ có 1 HSS thì không yêu cầu phải có SLF, tuy nhiên trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF sẽ được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.
Cả HSS và SLF đều hoạt động theo giao thức Diameter với ứng dụng dành riêng cho IMS.
Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa phương tiện. Các chức năng của nó bao gồm:
2.2.2.1 Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF)
CSCF (Call Session Control Function) là đặc biệt cần thiết cho IMS, làm nhiệm vụ xử lý các bản tin báo hiệu SIP trong hệ thống IMS CSCF có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng như quản lý những tương tác dịch vụ của người dùng Tùy thuộc vào chức năng mà nhà khai thác cung cấp CSCF có 3 loại:
Hình 2.3 Kiến trúc các CSCF
• Proxy-CSCF (P-CSCF) là một proxy SIP Sở dĩ gọi là proxy vì nó có thể nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong hệ thống IMS P-CSCF là điểm kết nối đầu tiên (chức năng báo hiệu) giữa các đầu cuối IMS và mạng IMS - là điểm kết nối đầu tiên giữa hạ tầng IMS và người dùng IMS/SIP Theo quan điểm từ SIP thì P-CSCF đóng vai trò là một máy chủ outbound/inbound SIP Proxy, điều này có nghĩa rằng tất cả các yêu cầu khởi tạo phiên được xuất phát hoặc gửi đến một đầu cuối IMS đều phải chuyển giao qua P-CSCF sau đó nó thực hiện chuyển tiếp các bản tin SIP yêu cầu và đáp ứng tới hướng tương ứng. Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối Một P-CSCF được chỉ định cho một đầu cuối IMS trong suốt quá trình đăng ký và không thay đổi trong khoảng thời gian này Chức năng của P-CSCF bao gồm:
- P-CSCF nằm trên đường truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu trong hệ thống IMS.
Nó có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE, điều này ngăn chặn quá trình khởi tạo các bản tin không đúng theo khuôn dạng của SIP từ các đầu cuối IMS.
- P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị IMS của người dùng Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing, replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng.
- P-CSCF cũng bao gồm các chức năng nén và giải nén các bản tin SIP Cơ chế này giúp giảm được thời gian trễ khi truyền lan các bản tin SIP trong mạng, giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp.
- P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện.
- P-CSCF cũng tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ.
Các điểm tham chiếu IMS
Hình 2.8 Các điểm tham chiếu trong IMS Điểm tham chiếu IMS có nhiệm vụ là điểm nối giữa các thực thể trong và ngoài mạng IMS, trao đổi các thông tin và báo hiệu, tính năng của các điểm tham chiếu được mô tả trong Bảng 2.1. Điểm Thực thể
Mục đích Giao thức liên quan
Cr MRFC, AS MRFC nhận tư liệu (các kịch bản và tài nguyên) từ một AS HTTP
Cx I-CSCF, S-CSCF, Thông tin giữa HSS và I-CSCF/S-
Dh SIP AS, OSA, SCF, AS sử dụng để tìm chính xác HSS cần
Diameter IM-SSF, HSS thiết trong môi trường nhiều HSS
I-CSCF, S-CSCF, I-CSCF/S-CSCF sử dụng để tìm chính
Dx xác HSS cần thiết trong môi trường Diameter
Gm UE, P-CSCF Truyền tải tất cả các bản tin báo hiệu
SIP giữa UE và IMS SIP
Cho phép nhà khai thác điều khiển QoS
Go PDF, GGSN trong mặt phẳng người dùng và chuyển COPS đổi thông tin liên quan đến tính cước giữa IMS và mạng GPRS
P-CSCF, PDF Truyền tải thông tin liên quan đến
Gq quyết định chính sách giữa P-CSCF và Diameter
ISC S-CSCF, I-CSCF, Truyền tải tất cả các bản tin giữa AS và
MGCF chuyển đổi bản tin báo hiệu
Mg MGCF -ằ I-CSCF ISUP thành bản tin bỏo hiệu SIP và SIP chuyển tiếp tới I –CSCF
Mi S-CSCF -ằ BGCF Truyền tải thụng tin qua lại giữa S-
BGCF -> MGCF Truyền tải thông tin qua lại giữa BGCF
Mj và MGCF trong cùng một mạng lõi SIP
IMS Truyền tải thông tin qua lại giữa BGCF
Mk BGCF -> BGCF và MGCF thuộc các mạng IMS khác SIP
Mm I-CSCF, S-CSCF, Truyền tải thông tin qua lại giữa các mạng IP ngoài mạng IP và IMS SIP
Mn MGCF, IM-MGW Điều khiển tài nguyên trong mặt phẳng
Mp MRFC, MRFP Truyền tải thông tin qua lại giữa MRFP
Mr S-CSCF, MRFC Truyền tải thông tin qua lại giữa S-
Mw P-CSCF, I-CSCF, S- Truyền tải tất cả các bản tin báo hiệu
CSCF giữa các CSCF SIP
Các thực thể IMS sử dụng trong tính
Rf MGCF, AS, MRFC, Diameter cước offline đến OCS.
Ro AS, MRCF, OCS, S- AS, MRCF, S-CSCF sử dụng cho tính
CSCF cước trực tuyến tới OCS
Thông tin dịch vụ liên quan tính cước
Rx P-CSCF, AS, CRF động được chuyển giữa CRF và các Diameter thực thể IMS
Si IM-SSF, HSS Truyền tải tất cả các bản tin giữa IM-
Ut UE, AS (SIP AS, Cho phép UE quản lý các thông tin liên
OSA SCS, IM-SSF) qua đến dịch vụ của mình HTTP
Các giao thức chính được sử dụng trong IMS
Kiến trúc IMS do 3GPP phát triển dựa trên các giao thức IP được chuẩn hóa bởi IETF Giao thức IP bao gồm các giao thức về điều khiển phiên, các giao thức về chứng thực, cấp quyền và tính toán (AAA) và một số các giao thức khác.
2.4.1 Giao thức khởi tạo phiên (SIP)
SIP (Session Initiation Protocol) đã được chọn là giao thức khởi tạo phiên cho IMS, SIP được IETF chuẩn hóa trong RFC 3261 (Request for Command).
SIP tuân theo mô hình khách - chủ (client-server) Được thiết kế dựa trên các nguyên lý cơ bản từ hai giao thức HTTP, SMTP, nên SIP thừa kế hầu hết các đặc tính quan trọng của hai giao thức này.Điều này tạo ra sức mạnh cho nó bởi HTTP và SMTP là các giao thức đã rất thành công trong mạng Internet.Không giống như H323 và BICC, SIP không phân biệt giao diện người dùng tới mạng (User-to-Network) với giao diện mạng với mạng (Network-to-Network) Trong mô hình SIP chỉ có một giao thức duy nhất hoạt động thông suốt Ngoài ra SIP là một giao thức dưới dạng văn bản do đó nó dễ dàng mở rộng, gỡ rối và phát triển các dịch vụ.
SIP là một giao thức thuộc lớp ứng dụng được sử dụng cho việc thiết lập, điều chỉnh và kết cuối các phiên đa phương tiện trong một mạng IP Nó là một phần của kiến trúc đa phương tiện– màn hững giao thức vẫn đang được chuẩn hoá bởi IETF Các ứng dụng của nó bao gồm: voice, video, gaming, messagging, điều khiển cuộc gọi và presence.
Các thành phần trong SIP có thể phân loại thành các User Agent (UA) và các thành phần trung gian (là các servers).
Một UA là một điểm cuối của một cuộc gọi, nó gửi và nhận các yêu cầu và đáp ứng SIP, nó là điểm kết thúc của các dòng đang phương tiện nên thường nó còn được gọi là
UE UA bao gồm 2 phần:
- User Agent Client (UAC): còn được gọi là Calling Agent User là một ứng dụng có chức năng khởi tạo yêu cầu SIP.
- User Agent Server (UAS): còn gọi là Called Agent User tiếp nhận, gửi trả lại, từ chối yêu cầu và gửi đáp ứng về cho user gửi yêu cầu.
Hình 2.9 Các thành phần SIP
Các thành phần trung gian là các thực thể chuyển các bản tin SIP đến đích, chúng được sử dụng để định tuyến và gửi lại các yêu cầu Những server này bao gồm:
• Proxyserver: nhận và chuyển tiếp các yêu cầu Nó có thể biên dịch và viết lại bản tin mà không ảnh hướng đến trạng thái yêu cầu Một proxyserver có thể gửi một yêu cầu đến một số địa điểm tại cùng một thời điểm– đặc điểm này gọi là
“forkingproxy” Có 3 loại proxy server:
- dialog-statefullproxy: một proxy là dialog-statefull nếu nó duy trì trạng thái cuộc gọi từ yêu cầu khở itạ (INVITE) đến yêu cầu kết thúc (BYE)
- transaction-statefullproxy: là một proxy nếu nó có cơ cấu chuyển dịch trạng thái client và server trong quá trình yêu cầu
- statelessproxy: là một proxy mà chuyển tiếp mọi yêu cầu và đáp ứng mà nó nhận được.
• Redirectserver: ánh xạ địa chỉ yêu cầu thành đại chỉ mới và trả lại địa chỉ này về client Nó không khởi tạo một yêu cầu SIP và không chuyển các yêu cầu tới các server khác, không giống như proxy server.
• Locationserver: là server giữ vị trí của user.
• Registrarserver: là server chấp nhận các yêu cầu REGISTER Nó được sử dụng để tiếp nhận các đăng k ý từ UA đểcập nhật thông tin về vị trí của chúng.
Ngoài ra,còn có thêm 2 server được sử dụng để cung cấp dịch vụ cho các SIP user: Application server và Back-to-back-user-agent(B2BUA)
2.4.2 Giao thức hỗ trợ chứng thực, cấp quyền, tính cước Diameter (AAA)
Diameter dựa trên RFC 3588 được chọn là giao thức AAA trong mạng IMS. Diameter là một giao thức cho việc nhận thực , cấp phép,và tính cước (Authentication,Authorization and Accounting) (AAA),được xây dựng dựa trên giao thức RADIUS –ban đầu được sử dụng cung cấp AAA ,cho môi trường dial-up và truy nhập server đầu cuối Và khi các mạng mới ra đời, AAA Working Group đưa ra thêm một số yêu cầu cho AAA để có thể áp dụng và mạng truy nhập của nhìêu nhóm khác nhau:
- IP Routing for Wireless/Mobile Hosts WG (MPBILEIP)[RFC2977]
- Network Access Server Requirements WG (NASREG)[RFC3169]
- Roaming Operations WG(ROAMOPS)[RFC2477]
Giao thức Diameter thực ra được chia làm 2 phần: giao thức cơ sở Diameter và các ứng dụng Diameter Giao thức cơ sở cung cấp các yêu cầu tối thiểu của một giao thức AAA, phát các đơn vị dữ liệu Diameter ,khả năng thương thảo , xử lý lỗi,…Ứng dụng Diameter dựa trên giao thức cơ sở , định nghĩa các chức năng ứng dụng riêng Hiện nay, một số ứng dụng Diameter đã được đưa ra: Mobile IP, NASREQ, Extexsible Authentication Protocol (EAP), Diameter credit control và Diameter SIP application.
Giao thức cơ bản DIAMETER Quản lý phiên, peer to peer, tính cước và đại diện
Xác định các hỗ trợ cho TLS và phiên IP Ứng dụng server truy nhập Dịch vụ AAA cho NAS dịch vụ AAA cho NAS Hỗ trợ cho PPP CHAP và kết nối mạng mạng DIAMETER RADIUS/DIAMETER Ứng dụng IPv4 Mobile Dịch vụ AAA cho Mobile IPv4
Lý lịch truyền tải AAA Sử dung TCP và SCTP cho AAA Ứng dụng EAP Diameter Sử dụng DIAMETER cho cung cấp giao thức nhận thực mở rộng (EAP) tới những người sử dụng PPP. Ứng dụng quy tắc bản tin gốc Truyền tải các xác nhận X 509 giữa các điểm của
Bảng 2.2 Tài liệu về nhận thực trao quyền và thanh toán
Giao thức cơ sở Diameter sử dụng cả hai giao thức truyền tải TCP và SCTP Tuy nhiên SCTP được chọn nhiều hơn, nó thể chia nhiều luồng độclập vào trong một kết nối SCTP, thay vì giữ tất cả các luồng đó riêng như trong TCP.
2.4.3 Một vài ví dụ về hoạt động của SIP và DIAMETER trong IMS
SIP được lựa chọn làm báo hiệu trong mạng lõi IMS và giao thức Diameter được sử dụng cho nhận thực trao quyền và thanh toán. Để mô tả giao thức SIP và Diameter dựa trên các thủ tục báo hiệu trong lõi IMS trong hai ví dụ dưới đây Trong ví dụ thứ nhất chỉ ra một thủ tục khởi tạo đăng ký, cho rằng người dùng đã chuyển mạng sang mạng khách Thủ tục này bắt đầu với yêu cầu đăng ký SIP người dùng được gửi từ P-CSCF của mạng khách Vì băng thông vô tuyến hạn chế, bản tin được nén trước khi gửi đi bởi người dùng và được giải nén ở P-CSCF. Nếu có nhiều S-CSCF tồn tại trong mạng nhà của người sử dụng, một I-CSCF cần thiết để triển khai lựa chọn một S-CSCF phục vụ phiên của người dùng đó.Trong trường hợp
27 này P-CSCF quyết định một địa chỉ của I-CSCF mạng nhà của người dùng bằng cách sử dụng tên miền mạng nhà người dùng và chuyển bản tin REGISTER tới I-CSCF.Sau khi I- CSCF gửi đáp ứng nhận thực người dùng (UAR) tới HSS, HSS trả lại địa chỉ của khả thi của S-CSCF.I-CSCF lựa chọn một S-CSCF và chuyển bản tin đăng ký.
UE P-CSCF I-CSCF S-CSCF HSS
10 Điều khiển dịch vụ qua AS
Yêu cầu/Trả lời Yêu cầu
Hình 2.10 Luồng bản tin báo hiệu đăng kí
Trong lúc xác nhận đăng ký, S-CSCF lấy lại vector nhận dạng từ HSS qua giao thức Diameter Đáp ứng nhận thực đa phương tiện MAR và trả lại người dùng bản tin SIP 401 không được nhận thực mà có thể mang số liệu hỏi đáp nhận thực Sau khi tính toán đáp ứng nhận thực, người dùng gửi đến S-CSCF một bản tin đăng ký khác được mang bởi đáp ứng hỏi đáp.S-CSCF xác nhận lại đáp ứng và nếu đáp ứng đúng, nó tải xuống thuộc tính thuê bao từ HSS qua một đáp ứng yêu cầu chỉ định máy chủ SAR Diameter.S-CSCF có thể liên lạc với một Server ứng dụng để điều khiển dịch vụ như trong thuộc tính của thuê bao.trước khi trả lại bản tin 200 OK tới người sử dụng.
Mạng nhà bị gọi gọi
2 Điều khiển dịch vụ qua AS
3 SIP: Yêu cầu4.Diameter: LIR, LIA
6 Điều khiển dịch vụ qua AS
Yêu cầu/Trả lời Yêu cầu
Hình 2.11 Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên