(TIỂU LUẬN) CHUYÊN đề đề tài KIẾN TRÚC và GIAO THỨC của IMS

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I CHUYÊN ĐỀ ĐỀ TÀI: KIẾN TRÚC VÀ GIAO THỨC CỦA IMS NHĨM 01 Giảng viên: TS HỒNG TRỌNG MINH Sinh viên: Đoàn Văn Phúc - B18DCVT323 Đinh Thị Thanh - B18DCVT395 Bùi Đức Thắng - B18DCVT407 Hà Nội, 10/2021 MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT KHÁI NIỆM IMS KIẾN TRÚC PHÂN HỆ VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG IMS 2.1 Giới thiệu 2.2 Kiến trúc chức phần tử IMS .8 2.2.1 Lớp dịch vụ 2.2.1.1 Máy chủ ứng dụng (Appication Server – AS) 2.2.1.2 Máy chủ quản lý Cơ sở liệu (CSDL) HSS SLF 11 2.2.2 Lớp lõi IMS 11 2.2.2.1 Chức điều khiển phiên gọi (CSCF) 11 2.2.2.2 Chức điều khiển cổng vào (BGCF) 14 2.2.2.3 Chức điều khiển cổng truyền thông (MGCF) 15 2.2.2.4 Chức tài nguyên truyền thông (MRF) 15 2.2.3 Lớp truyền tải 16 2.2.3.1 NASS (Network Attachment Subsystem) 16 2.2.3.2 RACF (Resource & Admission Control Functionality) 17 2.2.3.3 PSTN/CSGateway 17 2.2.3.4 IMSGW TrGW 18 2.2.3.5 Mạng truy nhập 19 2.3 Các điểm tham chiếu IMS 21 2.4 Các giao thức sử dụng IMS 24 2.4.1 Giao thức khởi tạo phiên (SIP) 24 2.4.2 Giao thức hỗ trợ chứng thực, cấp quyền, tính cước Diameter (AAA) .26 2.4.3 Một vài ví dụ hoạt động SIP DIAMETER IMS 27 2.4.4 Các giao thức khác 30 KẾT LUẬN 31 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động mạng PSTN vấn đề quan tâm hàng đầu lĩnh vực thông tin liên lạc Nhiều kiến trúc đời trình phát triển hợp mạng với mục đích tạo mạng IP Phân hệ IP Multimedia Subsystem (IMS) kiến trúc đời xu phát triển IMS trở thành phân hệ mơ hình mạng hệ (NGN) tất hãng sản xuất thiết bị viễn thông tổ chức chuẩn hóa giới Với IMS, người dùng liên lạc khắp nơi nhờ tính di động mạng di động đồng thời sử dụng dịch vụ hấp dẫn từ mạng Internet IMS thực trở thành chìa khóa để hợp mạng di động mạng Internet, phân hệ thiếu kiến trúc NGN Trong bối cảnh việc triển khai đề tài "Phân hệ đa phương tiện IMS (IP Multimedia Subsystem)" cần thiết Mục tiêu tiểu luận tìm hiểu tổng quan IMS, kiến trúc phân hệ - giao thức IMS, dịch vụ triển khai đó, phân tích ưu nhược điểm khả triển khai IMS NGN, qua hiểu thấy tầm quan trọng phân hệ IMS kiến trúc mạng tương lai Nội dung chuyên đề bao gồm: • Tổng quan IMS • Kiến trúc IMS • Các giao thức IMS Do trình thực chuyên đề dựa lý thuyết tìm hiểu tài liệu, chưa tiếp xúc thực tế có mơ hình thực tiễn để tiếp cận hạn chế mặt thời gian nên nhiều vấn đề chưa thể trình bày rõ chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong thơng cảm đóng góp ý kiến thầy bạn để đề tài hoàn chỉnh Nhóm xin chân thành cảm ơn! CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt 3GPP AAA A A API A AS A ATM A BGCF B fu BS B CAMEL C M E CCF C CDR C CLEC C C CN C CS C CSCF C DHCP D P DNS D ETSI E S GGSN G GSM G HSS H I-CSCF In IEC In IETF In IM IP IM CN SS IP S IMS IP IMSI In Id IP In IP-CAN IP N ISDN In N ISDN In N ISIM IM ITU-T In T T S LEC L MGCF M F MGF M MMS M MRFC M C MRFP M P OSA O PCF P P-CSCF P PDN P PDP P PLMN P PSTN P N RAB R S – CSCF S SBC S SCS S SDP S SGSN S SGW S SIM S SIP S SLF S SSF S THIG T G UE U UMTS U T URL U USIM U ETSI E S KHÁI NIỆM IMS IMS - thuật ngữ viết tắt IP Multimedia Subsystem, phần kiến trúc mạng hệ cấu thành phát triển tổ chức 3GPP 3GPP2 để hỗ trợ truyền thông đa phương tiện hội tụ thoại, video, audio với liệu hội tụ truy nhập 2G, 3G 4G với mạng không dây IMS kiến trúc mạng nhằm tạo thuận tiện cho việc phát triển phân phối dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, họ kết nối thông qua mạng truy nhập IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, truy nhập vơ tuyến băng rộng WLAN, WiMAX IMS tạo điều kiện cho hệ thống mạng khác tương vận (interoperability) với nhau, phần mạng xây dựng bổ sung cho mạng nhằm thực nhiệm vụ hội tụ mạng cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho khách hàng đầu cuối KIẾN TRÚC PHÂN HỆ VÀ CÁC GIAO THỨC TRONG IMS 2.1 Giới thiệu IMS chuẩn dựa mạng viễn thông tồn IP mà sử dụng mạng có dây không dây với đa dạng dịch vụ đa phương tiện bao gồm: audio, video, thoại , văn bản, liệu 2.2 Kiến trúc chức phần tử IMS IMS cần ý điều 3GPP khơng chuẩn hóa node mà chức Điều có nghĩa kiến trúc IMS tổ hợp chức gắn kết với thông qua giao tiếp chuẩn hóa Kiến trúc IMS phân thành lớp : lớp dịch vụ (lớp ứng dụng), lớp điều khiển (hay gọi lớp IMS hay IMS lõi) lớp truyền tải (hay lớp người dùng) Hình 2.1 Kiến trúc phân lớp IMS a Lớp dịch vụ: bao gồm máy chủ ứng dụng AS (Application Server) máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) b Lớp điều khiển: bao gồm nhiều hệ thống có hệ thống IMS lõi c Lớp truyền tải: bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP Hai thực thể chức NASS RACS địnhnghĩa TISPAN xem thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển 2.2.1 Lớp dịch vụ 2.2.1.1 Máy chủ ứng dụng (Appication Server – AS) AS thành phần SIP, thực chức tiếp nhận xử lý dịch vụ Tùy thuộc vào dịch vụ thực tế mà AS hoạt động chế độ SIP Proxy, SIP UA hay SIP B2BUA Các AS kết nối với S-CFCS thơng qua giao tiếp SIP Có loại AS: SIP AS, OSA-SCS, IM-SSF Các máy chủ OSA-SCS, IM-SSF đóng vai trị làm cầu nối để IMS giao tiếp với OSA gsmSCF Ngồi máy chủ kết nối tới HSS để tải gửi lên thông tin liệu khách hàng SIP AS, OSA-SCS giao tiếp với HSS thông qua giao thức Diameter IM-SSF sử dụng giao tiếp MAP (Mobile Application Part) AS đặt mạng nhà mạng mà nhà điều hành mạng nhà xác nhận đồng ý dịch vụ Nếu AS đặt ngồi mạng nhà khơng tương tác với HSS Các AS mơ tả theo Hình 2.2: Hình 2.2 Các máy chủ ứng dụng IMS • SIPAS: Đây AS thụ động thực chức tiếp nhận xử lý dịch vụ đa phương tiện IP dựa SIP • Máy chủ tiềm trữ phục vụ OSA: OSA-SCS (Open Service Access –Service capability Server):AS cung cấp giao tiếp đến máy chủ ứng dụng truy nhập dịch vụ mở (OSA), thừa hưởng tất tính OAS đặc biệt khả truy nhập bảo mật từ mạng bên OSA-SCS giao tiếp với máy chủ ứng dụng OSA thông qua giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface) • Chức chuyển mạch đa dịch vụ IP: IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function):Đây máy chủ ứng dụng đặc biệt cho phép IMS tái sử dụng lại dịch vụ logic cao cấp ứng dụng theo yêu cầu khách hàng mạng di động (CAMEL Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic) mà phát triển hệ thống GSM IM-SSF cho phép chức điều khiển dịch vụ GSM (GMSSCF – GSM Service Control Function) thực điều khiển phiên IMS IM-SSF giao tiếp với GMSCSF thông qua giao tiếp CAP (CAMEL Application Part) 10 IMS-ALG đóng vai trị SIPB2BUA để trì phần báo hiệu độc lập, hướng đến mạng IMS hướng đến mạng khác Mỗi phần chạy phiên IP khác Hình 2.6 IMS-ALG TrGW Thêm nữa, IMS-ALG viết lại SDP cách thay đổi địa IP số port tạo đầu cuối với hay nhiều địa IP port cấp phát TrGW IMS- ALG tương tác với –CSCF cho lưu lượng vào với S-CSCF cho lưu lượng qua giao diện Mx TrGW thực NAT-PT/NAPT-PT (Network Address Port Translator- Protocol Translator) Nó cấu hình vớ pool IPv4 tự động cấp phát cho phiên TrGW thực việc chuyển đổi mặt phương tiện (như RTP, RTCP) 2.2.3.5 Mạng truy nhập Truy nhập đến mạng lõi thông qua border Gateway (GGSN/PDG/BAS): + Với GPRS/UMTS, GGSN nhận thực UE điều khiển việc thiết lập kênh phương tiện cách sử dụng PDP SGSN kết nối RAN đến mạng lõi Nó có nhiệm vụ thực chức điều khiển xử lý lưu lượng cho mạng PS Phần điều khiển gồm hai chức chính: quản lý thay đổi quản lý phiên 19 Hình 2.7 Mạng truy nhập tới IMS Quản lý thay đổi giám sát vị trí trạng thái UE nhận thực thuê bao UE Quản lý phiên xử lý điều khiển cho phép kết nối thay đổi kết nối liệu có Xử lý lưu lượng phần quản lý phiên GGSN cung cấp liên kết với mạng liệu gói bên ngồi (IMS hay Internet) Nói cách khác GGSN định tuyến gói IP chứa báo hiệu SIP từ UE đến P-CSCF +Với WLAN, PDG điều khiển việc thiết lập tunnel thông qua mạng truy nhập đến UE Những tunnel có bảo mật khơng có QoS +Với GPPR elease hỗ trợ kết nối IP mạng truy nhập hữu tuyến qua DSL hay Cable 20 2.3 Các điểm tham chiếu IMS Hình 2.8 Các điểm tham chiếu IMS Điểm tham chiếu IMS có nhiệm vụ điểm nối thực thể mạng IMS, trao đổi thơng tin báo hiệu, tính điểm tham chiếu mô tả Bảng 2.1 Điểm Cr Cx Dh Dx Gm Go Gq ISC Mg Mi Mj Mk Mm Mn Mp Mr Mw Rf Ro Rx Si Ut Bảng 2.1 Các điểm tham chiếu liên kết chức mạng lõi IMS 23 2.4 Các giao thức sử dụng IMS Kiến trúc IMS 3GPP phát triển dựa giao thức IP chuẩn hóa IETF Giao thức IP bao gồm giao thức điều khiển phiên, giao thức chứng thực, cấp quyền tính tốn (AAA) số giao thức khác 2.4.1 Giao thức khởi tạo phiên (SIP) SIP (Session Initiation Protocol) chọn giao thức khởi tạo phiên cho IMS, SIP IETF chuẩn hóa RFC 3261 (Request for Command) SIP tn theo mơ hình khách - chủ (client-server) Được thiết kế dựa nguyên lý từ hai giao thức HTTP, SMTP, nên SIP thừa kế hầu hết đặc tính quan trọng hai giao thức này.Điều tạo sức mạnh cho HTTP SMTP giao thức thành công mạng Internet.Không giống H323 BICC, SIP không phân biệt giao diện người dùng tới mạng (User-to-Network) với giao diện mạng với mạng (Network-to-Network) Trong mơ hình SIP có giao thức hoạt động thơng suốt Ngồi SIP giao thức dạng văn dễ dàng mở rộng, gỡ rối phát triển dịch vụ SIP giao thức thuộc lớp ứng dụng sử dụng cho việc thiết lập, điều chỉnh kết cuối phiên đa phương tiện mạng IP Nó phần kiến trúc đa phương tiện– hững giao thức chuẩn hoá IETF Các ứng dụng bao gồm: voice, video, gaming, messagging, điều khiển gọi presence Các thành phần SIP phân loại thành User Agent (UA) thành phần trung gian (là servers) Một UA điểm cuối gọi, gửi nhận yêu cầu đáp ứng SIP, điểm kết thúc dịng phương tiện nên thường cịn gọi UE UA bao gồm phần: - User Agent Client (UAC): gọi Calling Agent User ứng dụng có chức khởi tạo yêu cầu SIP 24 - User Agent Server (UAS): gọi Called Agent User tiếp nhận, gửi trả lại, từ chối yêu cầu gửi đáp ứng cho user gửi yêu cầu Hình 2.9 Các thành phần SIP Các thành phần trung gian thực thể chuyển tin SIP đến đích, chúng sử dụng để định tuyến gửi lại yêu cầu Những server bao gồm: • Proxyserver: nhận chuyển tiếp yêu cầu Nó biên dịch viết lại tin mà không ảnh hướng đến trạng thái yêu cầu Một proxyserver gửi yêu cầu đến số địa điểm thời điểm– đặc điểm gọi “forkingproxy” Có loại proxy server: - dialog-statefullproxy: proxy dialog-statefull trì trạng thái gọi từ yêu cầu khở itạ (INVITE) đến yêu cầu kết thúc (BYE) - transaction-statefullproxy: proxy có cấu chuyển dịch trạng thái client server trình yêu cầu - statelessproxy: proxy mà chuyển tiếp yêu cầu đáp ứng mà nhận • Redirectserver: ánh xạ địa yêu cầu thành đại trả lại địa client Nó khơng khởi tạo u cầu SIP không chuyển yêu cầu tới server khác, khơng giống proxy server • Locationserver: server giữ vị trí user 25 • Registrarserver: server chấp nhận yêu cầu REGISTER Nó sử dụng để tiếp nhận đăng k ý từ UA đểcập nhật thơng tin vị trí chúng Ngồi ra,cịn có thêm server sử dụng để cung cấp dịch vụ cho SIP user: Application server Back-to-back-user-agent(B2BUA) 2.4.2 Giao thức hỗ trợ chứng thực, cấp quyền, tính cước Diameter (AAA) Diameter dựa RFC 3588 chọn giao thức AAA mạng IMS Diameter giao thức cho việc nhận thực , cấp phép,và tính cước (Authentication,Authorization and Accounting) (AAA),được xây dựng dựa giao thức RADIUS –ban đầu sử dụng cung cấp AAA ,cho môi trường dial-up truy nhập server đầu cuối Và mạng đời, AAA Working Group đưa thêm số yêu cầu cho AAA để áp dụng mạng truy nhập 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] - Telecommunications Industry Association (TIA) Giao thức Diameter thực chia làm phần: giao thức sở Diameter ứng dụng Diameter Giao thức sở cung cấp yêu cầu tối thiểu giao thức AAA, phát đơn vị liệu Diameter ,khả thương thảo , xử lý lỗi,…Ứng dụng Diameter dựa giao thức sở , định nghĩa chức ứng dụng riêng Hiện nay, số ứng dụng Diameter đưa ra: Mobile IP, NASREQ, Extexsible Authentication Protocol (EAP), Diameter credit control Diameter SIP application 26 Ứng dụng server truy nhập dịch vụ AAA cho NAS mạng DIAMETER Ứng dụng IPv4 Mobile Diameter Lý lịch truyền tải AAA Ứng dụng EAP Diameter Ứng dụng quy tắc tin gốc DIAMETER Bảng 2.2 Tài liệu nhận thực trao quyền toán Giao thức sở Diameter sử dụng hai giao thức truyền tải TCP SCTP Tuy nhiên SCTP chọn nhiều hơn, thể chia nhiều luồng độclập vào kết nối SCTP, thay giữ tất luồng riêng TCP 2.4.3 Một vài ví dụ hoạt động SIP DIAMETER IMS SIP lựa chọn làm báo hiệu mạng lõi IMS giao thức Diameter sử dụng cho nhận thực trao quyền tốn Để mơ tả giao thức SIP Diameter dựa thủ tục báo hiệu lõi IMS hai ví dụ Trong ví dụ thứ thủ tục khởi tạo đăng ký, cho người dùng chuyển mạng sang mạng khách Thủ tục bắt đầu với yêu cầu đăng ký SIP người dùng gửi từ P-CSCF mạng khách Vì băng thơng vơ tuyến hạn chế, tin nén trước gửi người dùng giải nén P-CSCF Nếu có nhiều S-CSCF tồn mạng nhà người sử dụng, I-CSCF cần thiết để triển khai lựa chọn S-CSCF phục vụ phiên người dùng đó.Trong trường hợp 27 P-CSCF định địa I-CSCF mạng nhà người dùng cách sử dụng tên miền mạng nhà người dùng chuyển tin REGISTER tới I-CSCF.Sau ICSCF gửi đáp ứng nhận thực người dùng (UAR) tới HSS, HSS trả lại địa khả thi S-CSCF.I-CSCF lựa chọn S-CSCF chuyển tin đăng ký UE P-CSCF SIP: đăn SIP: đăn Yêu cầu/Trả lời Hình 2.10 Luồng 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 trả lại người dùng tin SIP 401 không nhận thực mà mang số liệu hỏi đáp nhận thực Sau tính tốn đáp ứng nhận thực, người dùng gửi đến S-CSCF tin đăng ký khác mang đáp ứng hỏi đáp.S-CSCF xác nhận lại đáp ứng đáp ứng đúng, tải xuống thuộc tính thuê bao từ HSS qua đáp ứng yêu cầu định máy chủ SAR Diameter.S-CSCF liên lạc với Server ứng dụng để điều khiển dịch vụ thuộc tính thuê bao.trước trả lại tin 200 OK tới người sử dụng 28 Mạng nhà chủ gọi S-CSCF SIP: Yêu cầu Điều khiển dịch vụ qua AS SIP: Yêu cầu4.Diameter: LIR, LIA SIP: Yêu cầu Điều khiển dịch vụ qua AS SIP: Yêu cầu SIP: 183 Phát triển phiên SIP: 200 OK 10 SIP: Xác nhận Yêu cầu/Trả lời Yêu cầu Trả lời Hình 2.11 Luồng tin báo hiệu thiết lập phiên Trong ví dụ thứ hai luồng báo hiệu thiết lập phiên hai người dùng IMS, cho có nhiều S-CSCF triển khai Một thủ tục thiết lập phiên trình việc tìm phần tử mạng thành phần báo hiệu Khi định tuyến tin đăng ký, ICSCF người bị gọi truy vấn HSS người bị gọi để tìm địa S-CSCF định qua tin Diameter yêu cầu thông tin vị trí LIR HSS đáp ứng lại tin Diameter trả lời thơng tin vị trí LIA Trước gửi tin đăng ký, S-CSCF chủ gọi người bị gọi liên lạc với Server ứng dụng để điều khiển dịch vụ tính cước cho dịch vụ tải xuống đăng ký người dùng Kỹ thuật phân giải địa định tuyến tin SIP chuẩn sử dụng để định tuyến tin đăng ký từ chủ gọi tới UE bị gọi tất các đường Các đường nhận UE chủ gọi, P-CSCF mạng khách chủ gọi, SCSCF mạng khách chủ gọi, I-CSCF bị gọi, S-CSCF bị gọi, P-CSCF mạng khách bị gọi UE bị gọi Bản tin trở lại từ UE bị gọi theo đường ngược lại Thủ tục thoả thuận phiên cung cấp trả lời kiểm soát thời điểm Điều hoàn thành qua giao thức mô tả phiên SDP mang thân tin SIP (ví dụ tin đăng ký với mời gọi tin 200 OK với trả lời) 29 2.4.4 Các giao thức khác Bên cạnh SIP Diameter, IMS sử dụng nhiều giao thức khác như: Giao thức dịch vụ sách mở thơng thường COPS (Common Open Policy Service) dùng để truyền tải sách điểm định dịch vụ PDPs (Policy Decision Points) điểm thực sách (Policy Enforcement Points) H.248 (ITU-T khuyến nghị H.248) sử dụng nút báo hiệu để điều khiển nút mặt phẳng media RTP (Real-Time Transport Protocol, RFC 3550) RCTP (RTP Control Protocol, RFC 3550) dùng để truyền tải media video audio… 30 KẾT LUẬN IMS tiêu điểm thảo luận tổ chức chuẩn hóa viễn thơng cơng ty điện tử tin học, với phạm vi đề tài trình bày hết khía cạnh IMS, đề tài đưa nhìn tổng quan IMS, qua thấy vai trị chức kiến trúc mạng NGN Việc xây dựng mạng lõi IMS kiến trúc NGN nhu cầu tất yếu, phù hợp với xu phát triển ngành viễn thông, mở cánh cửa cho hội tụ di động – cố định với khả đa truy nhập cung cấp nhiều loại hình dịch vụ khác tảng mạng nhất, đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng Trong tiến trình phát triển chuẩn hóa IMS, cịn nhiều vấn đề cần tìm hiểu Hướng phát triển đề tài sâu vào tìm hiểu thủ tục giao diện IMS để hỗ trợ ứng dụng đa phương tiện IP, nghiên cứu đưa giải pháp cho vấn đề bảo mật IMS… Do trình thực chuyên đề dựa lý thuyết tìm hiểu tài liệu, chưa tiếp xúc thực tế có mơ hình thực tiễn để tiếp cận hạn chế mặt thời gian nên nhiều vấn đề chưa thể trình bày rõ chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong thơng cảm đóng góp ý kiến thầy bạn để tiểu luận hồn chỉnh Nhóm xin chân thành cảm ơn! 31 ... triển khai IMS NGN, qua hiểu thấy tầm quan trọng phân hệ IMS kiến trúc mạng tương lai Nội dung chuyên đề bao gồm: • Tổng quan IMS • Kiến trúc IMS • Các giao thức IMS Do trình thực chuyên đề dựa lý... liên kết chức mạng lõi IMS 23 2.4 Các giao thức sử dụng IMS Kiến trúc IMS 3GPP phát triển dựa giao thức IP chuẩn hóa IETF Giao thức IP bao gồm giao thức điều khiển phiên, giao thức chứng thực, cấp... bản, liệu 2.2 Kiến trúc chức phần tử IMS IMS cần ý điều 3GPP khơng chuẩn hóa node mà chức Điều có nghĩa kiến trúc IMS tổ hợp chức gắn kết với thông qua giao tiếp chuẩn hóa Kiến trúc IMS phân thành