phân hệ đa phương tiện IP ÍM

Mục tiêu của đề tài này là tìm hiểu tổng quan về IMS, kiến trúc phân hệ - các giao thức IMS, các dịch vụ có thể được triển khai trong đó, phân tích những ưu nhược điểm và khả năng triển

MỤC LỤC

1.1 Xu hướng phát triển của dịch vụ và mạng viễn thông 7

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tin liên lạc Nhiều kiến trúc mới đã ra đời trong quá trình phát triển hợp nhất các mạng với mục đích tạo ra một mạng

IP duy nhất Phân hệ IP Multimedia Subsystem (IMS) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó IMS trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thế hệ mới (NGN) của tất cả các hãng sản xuất các thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩn hóa trên thế giới Với IMS, người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờ tính di động của mạng di động

và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từ mạng Internet IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạng Internet, là một phân hệ không thể thiếu trong kiến trúc NGN

Trong bối cảnh như vậy việc triển khai đề tài ”Phân hệ đa phương tiện IMS (IP Multimedia Subsystem)" là rất cần thiết Mục tiêu của đề tài này là tìm hiểu tổng quan về IMS, kiến trúc phân hệ - các giao thức IMS, các dịch vụ có thể được triển khai trong đó, phân tích những ưu nhược điểm và khả năng triển khai IMS trong NGN, qua đó có thể hiểu

và thấy được tầm quan trọng của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng tương lai

Nội dung của chuyên đề bao gồm:

● Chương 1: Tổng quan về IMS

● Chương 2: Kiến trúc phân hệ và các giao thức trong IMS

● Chương 3: Các yêu cầu và ứng dụng IMS

Do quá trình thực hiện chuyên đề chỉ dựa trên lý thuyết và tìm hiểu tài liệu, chưa được tiếp xúc thực tế và có các mô hình thực tiễn để tiếp cận và còn hạn chế về mặt thời gian nên nhiều vấn đề chưa thể trình bày rõ và chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của thầy và các bạn để chuyên đề được hoàn chỉnh

Hà Nội, tháng 10 năm 2011.

Nhóm thực hiện chuyên đề

CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3GPP 3 Generation Partnership Project Dự án hợp tác thế hệ 3

AAA Authentication, Authorization,

Accounting

Nhận thự trao quyền và thanh toán

API Application program interface Giao diện lập trình ứng dụng

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền tải không đồng

bộBGCF Breakout gateway controll

funtion

Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng

CAMEL Customized Application for

Mobile Network services Enhanced Logic

Mạng Logic cao cấp của những ứng dụng

CCF Call Control Function Chức năng điều khiển phiên cuộc

gọiCDR Call Detail Record Bản ghi chi tiết cuộc gọi

CLEC Competitive Local Exchange

Carrier

Nhà cung cấp tổng đài nội hạt cạnh tranh

CSCF Call session control function Chức năng điều khiển phiên cuộc

gọi DHCP Dynamic Host Configuration

Protocol

Giao thức cấu hình host động

DNS Domain Name System Hệ thống tên miền

ETSI European Telecommunication

Standard Institute

Viện chuẩn viễn thông châu Âu

GGSN Gateway GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS cổng

GSM Golbal System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu

HSS Home subscriber server Server thuê bao nhà

I-CSCF Interrogating – CSCF CSCF – truy vấn

IEC Inter Exchange Carrier Nhà cung cấp dịch vụ liên tổng đàiIETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kĩ thuật Inernet

IM CN SS IP Multimedia Core Network

Subsystem

Phân hệ mạng lõi đa phương tiện IP

IMS IP Multimedia subsystem Phân hệ đa phương tiện IP

IMSI International Mobile Subscriber

Identifier

Nhận dạng thuê bao di động toàn cầu

MRFC Multimedia Resource Function

Bộ xử lý tài nguyên đa phương tiện

OSA Open services Architecture Kiến trúc dịc vụ mở

PCF Policy Control Function Chức năng điều khiển hợp đồng

PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng

PSTN Public Switch Telephone

Network

Mạng điện thoại công cộng

SBC Session Border Control Điều khiển phiên trung gian

SCS Service Capability Server Server có khả năng phục vụ

SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phiên

SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS phục vụ

SIM Subsciber Identifier Modul Khối nhận dạng thuê bao

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên

SLF Subscriber Locator Function Chức năng vị trí thuê bao

SSF Service Switching Function Chức năng chuyển mạch dịch vụ

THIG Topology Hiding Interwork

Gateway

Cổng tương tác ẩn giao thức

Telecommunication System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

URL Universal Resource Locator Vị trí tài nguyên toàn cầu

ETSI European Telecommunications

Standards Institute

Viện chuẩn hoá viễn thông Châu Âu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Các xu hướng phát triển mạng viễn thông

Hình 1.2: Xu hướng phát triển mạng và dịch vụ

Hình 1.3: Xu hướng tiến hoá lên mạng NGN của các mạng hiện tại

Hình 1.4: Chiến lược phát triển mạng NGN

Hình 1.5: Sự hội tụ các mạng viễn thông hiện tại

Hình 1.6: Phát triển mạng NGN trên cơ sở mạng hiện có

Hình 1.7: Phát triển mới mạng NGN

Hình 1.8: Khả năng hội tụ mạng của IMS

Hình 1.9: Vị trí của IMS trong mạng NGN

Hình 2.1: Kiến trúc phân lớp của IMS

Hình 2.2: Các máy chủ ứng dụng IMS

Hình 2.3: Kiến trúc các CSCF

Hình 2.4: Kiến trúc MRF

Hình 2.5: Kết nối IMS và mạng PSTN/CS.

Hình 2.6: IMS-ALG và TrGW

Hình 2.7: mạng truy nhập tới IMS

Hình 2.8: Các điểm tham chiếu trong IMS

Hình 2.9: Các thành phần SIP

Hình 2.10: Luồng bản tin báo hiệu

Hình 2.11: Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên đăng ký

Hình 3.1: Push to talk over Cellular

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh các công nghệ sử dụng trong mạng truyền thống và mạng NGN

Bảng 2.1: Các điểm tham chiếu liên kết các chức năng trong mạng lõi IMS

Bảng 2.2: Tài liệu về nhận thực trao quyền và thanh toán

Chương 1: Tổng quan về IMS

1.1 Xu hướng phát triển của dịch vụ và mạng viễn thông

1.1.1 Xu hướng phát triển của viễn thông

Cùng với sự phát triển không của khoa học kỹ thuật, thì Điện tử - Viễn thông là một lĩnh vực có những phát triển vượt bậc đạt được những thành tựu to lớn, công nghệ tiên tiến

đã và đang được áp dụng vào thực tế đáp ứng được yêu cầu về chất lượng, đa dịch vụ và khả năng dung lượng cung cấp

Những xu hướng phát triển công nghệ đã và đang tiếp cận nhau, đan xen lẫn nhau nhằm cho phép mạng lưới thoả mãn tốt hơn các nhu cầu của khách hàng trong tương lai Thị trường viễn thông trên thế giới đang đứng trong xu thế cạnh tranh và phát triển hướng tới mạng viễn thông toàn cầu tạo ra khả năng kết nối đa dịch vụ trên phạm vi toàn thế giới Xu hướng phát triển công nghệ điện tử-viễn thông-tin học ngày nay trên thế giới được ITU thể hiện một cách tổng quát trong hình sau:

Hình 1.1: Các xu hướng phát triển mạng viễn thông

Trong đó các dịch vụ viễn thông được chia thành hai loại:

- Hoạt động hướng kết nối

- Hoạt động không kết nối

Hoạt động hướng kết nối: Các cuộc gọi trong mạng viễn thông, PSTN, ISDN là các hoạt động hướng kết nối, các cuộc gọi được thực hiện với trình tự: thiết lập cuộc gọi (quay số-xác nhận kết nối)-gửi và nhận thông tin-kết thúc Với chất lượng mạng tốt, các hoạt động hướng kết nối luôn luôn đảm bảo chất lượng dịch vụ thông tin Công nghệ ATM phát triển cho phép phát triển các dịch vụ băng rộng và nâng cao chất lượng dịch vụ

Hoạt động không kết nối: Khác với các cuộc gọi quay số trực tiếp theo phương thức hướng kết nối, các hoạt động thông tin dựa trên giao thức IP như việc truy nhập Internet không yêu cầu việc xác lập trước các kết nối, vì vậy chất lượng dịch vụ có thể không được đảm bảo Tuy nhiên do tính đơn giản, tiện lợi với chi phí thấp, các dịch vụ thông tin theo phương thức hoạt động không kết nối phát triển rất mạnh theo xu hướng nâng cao chất lượng dịch vụ và tiến tới cạnh tranh với các dịch vụ thông tin theo phương thức hướng kết nối

Hai xu hướng phát triển này dần tiếp cận và hội tụ với nhau tiến tới ra đời công nghệ ATM/IP

Sự phát triển mạnh mẽ của nhu cầu dịch vụ và các công nghệ mới tác động trực tiếp đến sự phát triển cấu trúc mạng.

Hình 1.2: Xu hướng phát triển mạng và dịch vụ

1.1.2.Mạng viễn thông trên con đường tiến tới NGN

Trong nhiều năm gần đây, nền công nghiệp Viễn thông đang đứng trước một lựa

chọn để phát triển công nghệ cơ bản nào và sử dụng mạng gì để hỗ trợ công nghệ

mạng đó Khái niệm mạng thế hệ sau NGN ra đời cùng với việc tái kiến trúc mạng, tận dụng các ưu thế về công nghệ tiên tiến của các công nghệ đã có nhằm đưa ra nhiều dịch vụ mới, mang lại lợi ích cho nhà khai thác và đáp ứng nhu cầu của người sử dụng

Một chiến lược để phát triển từ mạng hiện tại sang kiến trúc mạng mới là rất quan trọng nhằm giảm thiểu yêu cầu đầu tư trong giai đoạn chuyển tiếp, sớm tận dụng được các ưu điểm của mạng NGN Tuy nhiên bất kỳ bước đi nào trong tiến trình chuyển tiếp này cũng cần tạo điều kiện dễ dàng hơn cho bước phát triển chung lên NGN dựa trên nền chuyển mạch gói Bất cứ một chiến lược phát triển nào cũng cần phải tận dụng lại cơ sở hạ tầng mạng truyền thống bên cạnh các thành phần mạng mới

Các nguyên tắc cơ bản để xây dựng mạng NGN như sau:

- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú đa dạng, đa dịch vụ, đa phương tiện

- Kiến trúc mạng đơn giản

- Hiệu quả sử dụng mạng, chất lượng mạng cao và giảm thiểu các chi phí khai thác bảo dưỡng.

- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các thành phần, các dịch vụ mới

- Tính linh hoạt cao, và năng lực tồn tại mạnh

Xu hướng phát triển lên mạng NGN từ các mạng hiện tại được thể hiện trong hình sau:

Hình 1.3: Xu hướng tiến hoá lên mạng NGN của các mạng hiện tại

Trong hình, ta thấy các mạng viễn thông hiện tại gồm nhiều mạng riêng lẻ kết hợp lại với nhau thành một mạng tổng hợp nhằm mục đích đáp ứng các dịch vụ riêng lẻ Do đó, việc xây dựng mạng NGN phải đảm bảo các tiêu chí sau:

1.Mạng NGN có khả năng hỗ trợ tất cả các dịch vụ của các mạng hiện tại trên nền

mạng Internet

2 Mạng NGN phải hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ của nhiều nhà cung cấp khác nhau Mỗi nhà cung cấp hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ độc lập Có thể sử dụng các giao thức khác nhau

3 Mạng NGN phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối cho cả mạng di động và cố định

Vì vậy, mạng NGN được xây dựng từ các mạng hiện tại (phát triển thêm chuyển mạch gói) kết hợp với mạng Internet (hỗ trợ thêm QoS) Chiến lược phát triển sang mạng NGN được thể hiện như trong hình vẽ sau:

Hình 1.4: Chiến lược phát triển mạng NGN

Để thực hiện việc chuyển dịch này một cách thuận lợi từ mạng viễn thông hiện có sang mạng NGN thì việc chuyển dịch phải thực hiện ở 3 mức

Trước hết, việc chuyển dịch phải được thực hiện ở lớp truy nhập và truyền dẫn hai lớp này bao gồm lớp vật lý, lớp 2 và lớp 3 nếu chọn công nghệ IP cho mạng thế hệ mới

- Lớp vật lý sử dụng công nghệ truyền dẫn quang

- Công nghệ truyền tải IP/MPLS làm nền cho lớp 3

- Công nghệ ở lớp 2 phải đảm bảo:

+ Càng đơn giản càng tốt

+ Đặc biệt tăng hiệu năng đối với truyền tải gói

+ Khả năng giám sát chất lượng, giám sát và sử lỗi

Xây dựng mạng truy nhập băng rộng (như xDSL, LAN, Modem cable…) để có thể cung cấp phương thức truy nhập tốc độ cao hướng đến phân nhóm cho thuê bao, cho phép truy nhập chung với tốc độ cao hơn hiện nay

Thứ hai, là chuyển dịch mạng đường dài (mạng truyền dẫn) Sử dụng cổng mạng trung

kế tích hợp hoặc độc lập, chuyển đến mạng IP hoặc ATM, rồi sử dụng chuyển mạch mềm

để điều khiển luồng và cung cấp dịch vụ Sử dụng phương thức này có thể tránh được vấn

đề tắc nghẽn trong chuyển mạch kênh

Hình 1.5: Sự hội tụ các mạng viễn thông hiện tại

Các công nghệ mạng được sử dụng trong mạng NGN bao gồm các công nghệ mạng trong các mạng truyền thống và các công nghệ mạng mới với hiệu năng cao hơn So sánh các công nghệ trong mạng truyền thống và mạng NGN ta có bảng sau:

- GSM vô tuyến

- Cáp quang

- Cáp xoắn đôi băng hẹp

- Truy nhập vô tuyến GSM

- Vệ tinhChuyển mạch

trục

- Truyền dẫn quang PDH

- Truyền dẫn quang SONET SDH

- Truyền dẫn quang SONET SDH

- Hệ thống quang ghép kênh theo bước sóng WDM

Bảng 1.1: So sánh các công nghệ sử dụng trong mạng truyền thống và mạng NGN

Thứ ba, sự chuyển dịch trong mạng nội hạt Các dịch vụ trong mạng NGN rất phong phú, bao gồm cả dịch vụ băng hẹp lẫn dịch vụ băng rộng đa phương tiện Để có thể sử dụng được tối đa các dịch vụ này, mạng nội hạt phải chuyển dịch từ truy nhập băng hẹp sang truy nhập băng rộng Các truy nhập qua cáp xoắn đôi băng hẹp được thay thế bằng các truy nhập qua ADSL, Modem cable, đặc biệt là triển khai hệ thống Fiber to the Home Hơn nữa, các tổng đài điện thoại có rất nhiều giá máy và lưu trữ cơ sở dữ liệu thuê bao rất lớn, nên việc nâng cấp cũng gặp rất nhiều khó khắn Nên khi chuyển dịch yêu cầu phải sử dụng tối ưu cơ

sở dữ liệu hiện có

Trên cơ sở nguyên tắc tổ chức như vậy, các phương thức xây dựng, phát triển mạng thế

hệ sau NGN có thể chia thành hai khuynh hướng như sau:

1) Phát triển dịch vụ mới trên cơ sở mạng hiện có tiến tới phát triển mạng NGN Đây là

xu hướng đối với những nước có

- Mạng viễn thông đã và đang phát triển hiện đại hoá

- Các dịch vụ hiện tại đã phát triển trên cơ sở mạng hiện có

- Có các nhu cầu phát triển dịch vụ mới

Hình 1.6: Phát triển mạng NGN trên cơ sở mạng hiện có

Như vậy theo hướng này, mạng NGN được phát triển theo nhu cầu dịch vụ trên cơ sở mạng hiện tại

2) Xây dựng mới mạng NGN

Hình 1.7: Phát triển mới mạng NGN

- Mạng NGN được xây dựng với nhiệm vụ trước mắt là đảm bảo các nhu cầu về dịch

vụ mạng hiện nay

- Tiến tới phát triển các nhu cầu về dịch vụ mới

- Các dịch vụ mới được triển khai trên mạng NGN

Đây là xu hướng phát triển của những nước có mạng viễn thông chưa được hiện đại hoá, các nhu cầu chủ yếu là các dịch vụ viễn thông cơ bản hiện tại, chưa có nhiều nhu cầu

dịch vụ mới Con đường phát triển lên NGN là xây dựng mới hoàn toàn tiến thẳng lên NGN.

1.2 Tổng quan về IMS

1.2.1 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

IMS hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, bao gồm các dịch vụ nhắn tin tức thời (Instant Messaging - IM), hội nghị truyền hình (Video Conferencing) và Video theo yêu cầu (Video on Demand - VoD) IMS cũng có khả năng cung cấp các cơ chế xác thực và chuyển đổi giữa các mạng khác nhau cho khách hàng di động Sau đó, các tổ chức chuẩn hóa như ITU, ETSI đã chọn IMS làm nền tảng cho mạng hội tụ

Hình 1.8 Khả năng hội tụ mạng của IMS.

Một trong những mục đích đầu tiên của IMS là giúp cho việc quản lý mạng trở nên dễ dàng hơn bằng cách tách biệt chức năng điều khiển và chức năng vận tải thông tin Một cách cụ thể, IMS là một mạng phủ (overlay), phân phối dịch vụ trên nền hạ tầng chuyển nối gói IMS cho phép chuyển dần từ mạng chuyển nối mạch sang chuyển nối gói trên nền IP, tạo thuận lợi cho việc quản lý mạng thông tin di động Việc kết nối giữa mạng cố định và di động đã góp phần vào tiến trình hội tụ mạng viễn thông trong tương lai IMS cho phép người dùng có thể sử dụng một hay nhiều loại thiết bị khác nhau, di chuyển từ mạng này sang mạng khác mà vẫn có thể dùng cùng một dịch vụ

IMS sử dụng các giao thức đã được chuẩn hóa như SIP (điều khiển, thiết lập phiên), COPS (để đảm bảo QoS) và Diameter (cung cấp các cơ chế nhận thực, xác thực và truy nhập CSDL thuê bao) IMS có khả năng bảo mật tốt với nhiều cơ chế bảo vệ khác nhau để ngăn chặn sự tấn công từ bên ngoài và kiểm soát người dùng truy nhập từ các mạng khác

Để các đầu cuối đường dây có thể truy nhập độc lập với vận hành và bảo dưỡng qua mạng Internet, phân hệ đa phương tiện IP đã cố gắng tương thích với các chuẩn IETF (chuẩn Internet) Trong một số trường hợp là lấy chuẩn giao thức của IETF, do đó các giao diện này tương thích hợp lý với các chuẩn Internet ví dụ như giao thức SIP

Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang chuyển dịch vụ thoại truyền thống sang VoIP để tối ưu cho giá thành đầu tư và giá thành dịch vụ Tuy nhiên nếu chỉ chuyển sang mỗi mạng VoIP thì vẫn không đủ để giải quyết hết những lo âu về giá thành đầu tư, giá

cước thu nhập và còn phải tăng nhiều chi phí mới Khi dịch vụ thoại chuyển sang mạng IP,

nó sẽ trở thành một phần của bộ các dịch vụ truyền thông hướng kết nối đa phương tiện thời gian thực chạy trên mạng IP và cùng chia sẽ một sự sắp xếp client-server chung như dịch vụ tin khẩn, cuộc gọi khẩn, hội nghị mạng và các dịch vụ VoIP, 3G … Thêm vào đó để VoIP

có thể hỗ trợ lớp các dịch vụ mới như dịch vụ đa phương tiện, dịch vụ tích hợp thì cần có một nền tảng chuyển tiếp dịch vụ mới Nền tảng ở đây được chọn chính là IMS (IP Multimedia Subsystem) do 3GPP định nghĩa và phát triển Giải pháp của họ là thoại thế hệ

kế tiếp với hệ thống dữ liệu, phần mềm và các dịch vụ chuyên nghiệp, để đáp ứng mạng cần hoạt động cả mạng đường dây và mạng không dây

1.2.2 Sự cần thiết của IMS trong mạng NGN

IMS (IP Multimedia Subsystem )là một phần trong kiến trúc của mạng thế hệ kế tiếp NGN.Vị trí của IMS trong mạng thế hệ sau NGN được thể hiện trong hình vẽ sau :

Hình 1.9.Vị trí của IMS trong mạng NGN

IMS là một kiến trúc mạng mà định nghĩa từng phần tử chức năng Mỗi phần tử chức năng không bao gồm mối liên kết một một với phần tử vật lý Một số phần tử chức năng có thể hợp nhất trong một phần tử vật lý Kiến trúc dịch vụ định nghĩa phương pháp chuẩn cho

dịch vụ được giới thiệu trong khi mạng lõi định nghĩa sự tương tác giữa các phần tử chức năng.

+ IMS là phân hệ đa phương tiện IP Tuy nhiên chúng ta cần nó để cung cấp dịch vụ ngoài dịch vụ thoại cơ bản Có thể là thoại, video, hoặc hình ảnh hoặc một sự kết hợp tương quan giữa hai hoặc nhiều loại

+ IMS bắt đầu với 3GPP và ETSI, cả hai đều có nguồn gốc từ Châu Âu Để giới thiệu IMS ở Mỹ có một vài điều thông phải thông qua mà sẽ điều chỉnh cho thích hợp với đặc trưng của Mỹ

+ IMS dựa vào các chuẩn hóa hiện nay được phát triển của IETF Tổ chức trình bày IMS cũng tác động tới IETF để tác động tích cực, làm phát triển các chuẩn mới

cần tiến cho hoàn thiện IMS

+ Hội tụ Cố định – Di động là một từ mới lan truyền trong công nghiệp Ứng dụng của IMS được mong đợi của các mạng không dây, đường dây, cable, các công trình và các mạng khác

+ Một trong các thuộc tính chủ yếu, mà có thể phải trả nhiều hơn trong mạng không dây

+ Hội tụ dịch vụ Cung cấp dịch vụ truyền thông đa phương tiện trên nền gói IP

+ Hội tụ đầu cuối

1.3 Lịch sử phát triển IMS

IMS là một kiến trúc xuất hiện đầu tiên trong giải pháp phát triển các mạng 2G lên mạng 3G Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động (GSM) được chuẩn hoá hoàn toàn bởi Viện các chuẩn viễn thông Châu Âu (ETSI) vào năm 1998 ETSI cũng định nghĩa kiến trúc mạng GPRS Cùng năm đó, 3GPP cũng đưa ra hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba bao gồm: các mạng đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (WCDMA), đa truy nhập vô tuyến

phân chia theo mã/phân chia theo thời gian (TD-CDMA) và giải pháp mạng lõi GSM Hầu hết công việc và lý thuyết nền tảng của 3GPP đưa ra được kế thừa từ các nhóm di động của ETSI Release IMS đầu tiên mà 3GPP đưa ra là Release 99 [3GPP R99].

3GPP Release 99 (3GPP R99)

Release IMS đầu tiên được đưa ra vào tháng 12 năm 1999, nhưng mãi đến tháng 3 năm

2001 mới được hoàn thiện hoàn toàn về cả chức năng cũng như những lý thuyết cơ bản Sở

dĩ Release 99 được hoàn thiện nhanh chóng như vậy là vì việc chuẩn hoá được phân chia giữa hai tổ chức: 3GPP và ETSI SMG Trong đó, 3GPP chịu trách nhiệm phát triển các dịch

vụ, kiến trúc hệ thống, truy nhập vô tuyến WCDMA, TD-CDMA và mạng lõi chung còn ETSI SMG chịu trách nhiệm phát triển truy nhập vô tuyến với tốc độ dữ liệu tăng cường cho tiến trình toàn cầu (EDGE)/GSM

Truy nhập vô tuyến WCDMA là sự tăng cường có ý nghĩa quan trọng nhất cho hệ thống 3G dựa trên GSM trong R99 Ngoài WCDMA thì UTRAN (mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS) cũng đã đưa ra giao diện Iu Giao diện này so với các giao diện Gb và A có hai sự khác nhau đó là: tốc độ chuyển mã cho Iu được thực hiện trong mạng lõi còn trong GSM được thực hiện ở chức năng logic BTS (trạm thu phát gốc); quá trình mật mã và quản

lý tính di động mức tế bào cho giao diện Iu được thực hiện trong bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) còn trong GSM chúng được thực hiện trong nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN) cho các dịch vụ GPRS

Kiến trúc dịch vụ mở (OSA) được đưa ra để tạo dịch vụ Mục tiêu của khía cạnh dịch

vụ là dừng chuẩn hoá các dịch vụ mới và tập trung vào phát triển khả năng dịch vụ hiện tại

3GPP Release 4

Sau Release 1999, 3GPP đã bắt đầu đưa ra Release 2000 với khái niệm toàn IP, sau

đó đổi lại thành IMS IMS không thể được hoàn thành trong năm 2000 Do đó, Release

2000 được chia thành Release 4 và Release 5

Release 4 được đưa ra vào tháng 3 năm 2001 và được hoàn thành mà chưa có IMS Các chức năng mới có ý nghĩa quan trọng trong Release 4 của 3GPP là: khái niệm MSC Server-MGW, các giao thức mạng lõi truyền tải IP, phần tử tăng cường các tín hiệu quyết định đường truyền - LCS (Line Conditioning Signals) cho UTRAN và truyền tin đa phương tiện và mặt bằng người dùng Gb truyền tải IP

3GPP Release 5 và Release 6

Cuối cùng R5 đã đưa IMS vào như một trong các chuẩn của 3GPP IMS hỗ trợ kiến trúc dựa trên truy cập IP độc lập mà tương tác với các mạng thoại và dữ liệu hiện tại cho cả người dùng cố định (ví dụ như PSTN, ISDN, Internet) và di động (ví dụ như GSM, CDMA) Kiến trúc IMS thiết lập truyền thông IP peer-to-peer cho tất cả các loại client với QoS yêu cầu Ngoài sự quản lý phiên, kiến trúc IMS bổ sung các chức năng cần thiết cho việc hoàn thành phân phối dịch vụ (ví dụ như đăng ký, an ninh, cước phí, điều khiển kênh mang, chuyển vùng) Nói chung, IMS sẽ hình thành trái tim của mạng lõi IP

R5 được hoàn thành bởi 3GPP vào tháng 3 năm 2002 nhưng nhiều đặc tính chưa được hoàn thiện và bị trì hoãn sang Release tiếp theo – R6 Nội dung công việc tiếp tục được hoàn thiện và 21 tháng sau đã có một số thay đổi thể hiện trong R5 IMS

R6 IMS sẽ bổ sung thiết sót trong R5 IMS và đưa ra các đặc tính mới R6 được hoàn thành vào năm 2004 chỉ ra một số đặc tính quan trọng của R5 và các thuật ngữ trì hoàn trong R6 cho thấy 3GPP đã định nghĩa một kiến trúc cho các dịch vụ đa phương tiện IP dựa trên SIP Nó bao gồm chức năng của các phần tử logic, các phần tử kết nối, giao thức lựa chọn và các thủ tục

Điều quan trọng thực sự chính là tối ưu cho việc thiết kế môi trường truyền thông di động theo mẫu nhận thực và trao quyền người dùng dựa trên các quy tắc xác định, nhận dạng tính di động tại giao diện mạng-người dùng cho việc nén các bản tin, an ninh và các cơ chế điều khiển chính sách SIP cho phép phát hiện tổn thất và khôi phục vô tuyến Hơn nữa, các khía cạnh quan trọng từ cái nhìn của nhà khai thác là việc đánh địa chỉ trong khi triển khai kiến trúc, như khung tính cước và điều khiển dịch vụ và chính sách

1.4 Ưu nhược điểm của IMS

1.4.1 Ưu điểm của IMS

IMS cho phép người dùng có thể sử dụng sử dụng một hay nhiều loại thiết bị khác nhau, di chuyển từ mạng này sang mạng khác mà vẫn có thể dùng cùng một dịch vụ

Kiến trúc IMS cung cấp nhiều giá trị gia tăng cho nhà cung cấp mạng, người phát triển ứng dụng, người cung cấp dịch vụ cũng như người sử dụng các thiết bị đầu cuối Kiến trúc IMS giúp các dịch vụ mới được triển khai một cách nhanh chóng với chi phí thấp IMS cung cấp khả năng tính cước phức tạp hơn nhiều so với hệ thống tài khoản trả trước hay trả

sau, ví dụ như việc tính cước theo từng dịch vụ sử dụng hay phân chia cước giữa các nhà cung cấp dịch vụ và nhà cung cấp mạng Khách hàng sẽ chỉ nhận một bảng tính cước phí duy nhất từ một nhà cung cấp mạng thường trú IMS hứa hẹn mang đến nhiều dịch vụ đa phương tiên, giàu bản sắc theo yêu cầu và sở thích của từng khách hàng, do đó tăng sự trải nghiệm của khách hàng (customer experience).

Với IMS, nhà cung cấp mạng sẽ không chỉ làm công tác vận tải thông tin một cách đơn thuần mà trở thành tâm điểm trong việc phấn phối dung lượng thông tin trong mạng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như kịp thời thay đổi

để đáp ứng các tình huống khác nhau của khách hàng

Tóm lại: IMS tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc xây dựng và

triển khai các ứng dụng mới, giúp nhà cung cấp mạng giảm chi phí triển khai, vận hành và quản lý, đồng thời tăng lợi nhuận nhờ các dịch vụ mới Và cuối cùng IMS mang lại những dịch vụ mới hướng đến sự tiện nghi cho khách hàng

1.4.2 Nhược điểm của IMS

IMS đang thiếu một mô hình kinh doanh có sức thuyết phục để các nhà cung cấp mạng chấp nhận triển khai IMS Điểm nối bật của IMS là hướng đến một mô hình mạng hội

tụ Tuy nhiên, điều này không dễ dàng thuyết phục một nhà cung cấp mạng triển khai IMS Với IMS, khách hàng đăng ký với một nhà cung cấp mạng (network operator) có thể dùng dịch vụ của nhiều nhà cung cấp dịch vụ (service providers) khác nhau Do vậy, IMS sẽ dẫn đến sự cạnh tranh giữa nhà cung cấp mạng và những nhà cung cấp dịch vụ nội dung của thế giới Internet (Microsoft, Google…) Thay vì tăng thêm lợi nhuận nhờ các dịch vụ giá trị gia tăng, nhà cung cấp mạng có thể sẽ phải chịu thất bại trong việc cạnh tranh với các nhà cung cấp dịch vụ Do vậy, nhiều nhà cung cấp mạng đang còn rất dè dặt khi quyết định triển khai IMS Đây là một vấn đề mang tính chiến lược chứ không phải là một vấn đề về công nghệ

Về mặt kỹ thuật, một trong những điểm yếu mà nhiều người nhắc đến nhiều nhất là tính bảo mật của IMS Trong các yếu tố về bảo mật có thể kể đến các vấn đề liên quan đến quản lý nhận dạng người dùng bao gồm các lỗi như Call ID spoofing, ăn cắp ID, tấn cống DoS/DDoS, spam Điểm yếu bảo mật nằm ở thiết bị SIP vì nó chưa có một cơ chế chứng nhận thực tốt như trong mạng thông tin di động tế bào (ví dụ bảo mật qua SIM) Thêm vào

đó là sự hội tụ giữa nhiều loại hình mạng cũng gây không ít khó khăn trong việc quản lý bảo

IMS hướng đến hội tụ, hướng đến việc nhiều hệ thống, nhiều mạng có thể tương vận với nhau Tuy nhiên, đây cũng chính là một khó khăn mà IMS đang gặp phải Việc các thiết

bị có nguồn gốc từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tương vận được với nhau không phải là một điều dễ dàng Bên cạnh đó, nhiều giao thức cũng chưa được chấp nhận và triển khai rộng rãi, ví dụ như trường hợp của giao thức DIAMETER

IMS chỉ tập trung đến quản lý dịch vụ, do đó thiếu các ứng dụng “hấp dẫn” mang đặc thù riêng của IMS Đa phần các dịch vụ mà IMS hiện đang hỗ trợ đều có thể thực hiện được không cần đến IMS (ví dụ sử dụng SIP) Hệ thống IMS khá phức tạp và chi phí để triển khai một hệ thống như thế là không nhỏ Bên cạnh đó, hiện chưa có giải pháp cho việc chuyển tiếp dần từ mạng hiện tại lên IMS Và một câu hỏi đặt ra là liệu các nhà cung cấp mạng có thể sử dụng lại những dịch vụ đã tồn tại mà không cần phải thay đổi quá nhiều IMS hướng đến dịch vụ đa phương tiện, tuy nhiên tính đến thời điểm này các dịch vụ như P2P, IPTV, VPN còn chưa được tích hợp và chuẩn hóa trên nền IMS

Mặc dù IMS nhắm đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ nhưng việc đảm bảo chất lượng dịch vụ khi chuyển đổi từ loại hình mạng này sang loại hình mạng khác (trong môi trường mạng hội tụ), hay từ mạng của nhà cung cấp mạng này sang mạng của nhà cung cấp mạng khác vẫn còn là một vấn đế chưa được giải quyết Kiến trúc IMS thiếu một thực thể trung tâm để quản lý tài nguyên chung Bài toán quản lý di động, chuyển giao giữa nhiều loại hình mạng khác nhau, cũng đặt ra những khó khăn nhất định cho việc cung cấp quản lý dịch vụ IMS

Bên cạnh các chức năng kể trên, muốn vận hành tốt IMS cần phải có các chức năng theo dõi, quản lý và sữa lỗi của hệ thống Trong môi trường mạng hội tụ, nếu một cuộc gọi

bị rớt, chưa có một cơ chế nào để có thể xác định vị trí diễn ra lỗi (debugging)

IMS là một giải pháp hứa hẹn cho việc quản lý dịch vụ trong thế hệ mạng tiếp theo IMS là một bước đi mang tính chiến lược lâu dài của nhiều công ty và tập đoàn viễn thông Trong thời gian ngắn sắp tới, sẽ còn nhiều thay đổi xoay quanh giải pháp IMS nhằm hoàn thiện những điểm yếu của nó Tất cả những giải pháp IMS hiện tại chỉ là một giải pháp sớm (early IMS), giải pháp IMS đầy đủ (full IMS) vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chuẩn hóa

1.5 Kết luận chương 1.

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về IMS, những khái niệm cơ bản liên quan đến IMS, trình bày về xu hướng phát triển của IMS trong lĩnh vực dịch vụ của viễn thông, những ưu điểm và những hạn chế khi sử dụng IMS

Chương 2: Kiến trúc phân hệ và các giao thức trong IMS

2.1 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

2.2 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 định nghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên

2.2.1 Lớp dịch vụ.

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.

• SIP AS: 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 Switching

Function): 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 cư 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.

2.2.2 Lớp lõi 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 - Call Session Control Function).

Chức năng này 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:

- P-CSCF (Proxy-CSCF)

- I-CSCF (Interrogating-CSCF)

- S-CSCF (Serving-CSCF)

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