Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng viễn thông Việt Nam

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số bất đối xứng AS Application Server Máy chủ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer BTS Base Transceiver Station Trạm gốc CDMA Cod

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN NGỌC CƯƠNG

NGHIÊN CỨU, ÁP DỤNG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG

TIỆN IP TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN NGỌC CƯƠNG

NGHIÊN CỨU, ÁP DỤNG PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG

TIỆN IP TRONG MẠNG VIỄN THÔNG

VIỆT NAM

Ngành : Công nghệ Điện tử - Viễn thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Quốc Tuấn

HÀ NỘI – 2012

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 3

LỜI CAM ĐOAN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11

LỜI MỞ ĐẦU 13

Chương 1 Nghiên cứu kiến trúc IMS 15

1.1 Xu hướng hội tụ mạng viễn thông 15

1.2 Quá trình chuẩn hóa IMS của 3GPP 18

1.3 Kiến trúc IM 19

1.4 Các khối chức năng cơ bản trong mạng lõi IMS 23

1.4.1 Các phần tử cơ sở dữ liệu 23

1.4.1.1 HSS (Home Subcriber Server) 23

1.4.1.2 SLF (Subscription Locator Function) 23

1.4.2 Các phần tử điều khiển IMS 24

1.4.2.1 P-CSCF (Proxy-CSCF) 25

1.4.2.2 I-CSCF (Interrogating-CSCF ) 25

1.4.2.3 S-CSCF (Serving-CSCF) 26

1.4.3 Các phần tử điều khiển kết nối liên mạng 26

1.4.3.1 MGCF (Media Gateway Control Function) 26

1.4.3.2 BGCF (Breakout Gateway Control Function) 27

1.4.3.3 SGW (Signalling gateway function) 28

1.4.4 Phần tử dịch vụ IMS 29

1.4.5 Các phần tử tài nguyên 30

1.4.5.1 MRF (Media Resource Function) 30

1.4.5.2 MGW (Media gateway function) 31

1.5 Các điểm tham chiếu IMS 31

Chương 2 Một số giao thức cơ bản và xử lý luồng trong IMS 33

2.1 Giao thức SIP 33

2.1.1 Tổng quan về giao thức SIP 33

2.1.2 Cấu trúc SIP 33

2.1.2.1 Server 33

2.1.2.2 Client 34

2.1.3 Bản tin SIP 35

2.1.4 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP 35

2.1.5 Tính năng của SIP 38

2.1.5.1 Tích hợp với các giao thức đã có của IETF 39

2.1.5.2 Đơn giản và có khả năng mở rộng 39

2.1.5.3 Hỗ trợ tối đa sự di động của đầu cuối 39

2.1.5.4 Dễ dàng tạo tính năng mới và dịch vụ mới 40

2.2 Giao thức Diameter 40

2.2.1 Tổng quan về giao thức Diameter 40

2.2.2 Cấu trúc giao thức Diameter 41

2.2.2.1 Diameter Relay Agent 41

2.2.2.2 Diameter Proxy Agent 42

2.2.2.3 Diameter Redirect Agent 42

2.2.2.4 Diameter Translation Agent 43

2.2.3 Bản tin 43

2.2.3.1 Cấu trúc Diameter header 43

2.2.3.2 Cấu trúc AVP 44

2.2.4 Bảo mật trong bản tin Diameter 46

2.2.5 Khả năng kiểm soát lỗi của giao thức Diameter 46

2.3 Giao thức COPS 47

2.3.1 Tổng quan về giao thức COPS 47

2.3.2 Chức năng chính của COPS 48

2.3.2.1 Bản tin COPS 49

2.3.2.2 Object format 49

2.4 Giao thức Megaco/H.248 51

2.4.1 Tổng quan về giao thức Megaco/H.248 51

2.4.2 Cấu trúc Gateway trong Megaco/H.248 52

2.4.3 Termination và Context 52

2.4.3.1 Termination 52

2.4.3.2 Context 52

2.4.4 Một số lệnh của Megaco/H.248 53

2.4.5 Hoạt động của Megaco/H.248 54

2.5 Các luồng xử lý trong IMS 55

2.5.1 Đăng ký vào mạng IMS 55

2.5.1.1 Đăng ký mới 55

2.5.1.2 Đăng ký lại 58

2.5.2 Xóa đăng ký 58

2.5.2.1 Xóa đăng ký khởi tạo bởi UE 58

2.5.2.2 Xóa đăng ký khởi tạo mạng 60

2.5.3 Thủ tục thiết lập phiên 65

2.5.3.1 Thủ tục thiết lập phiên giữa thuê bao thuộc hai mạng IMS 65

2.5.3.2 Thiết lập phiên giữa thuê bao thuộc mạng IMS và mạng PSTN 68

Chương 3 Giải pháp triển khai IMS tại VNPT 71

3.1 Giới thiệu viễn thông Việt Nam 71

3.2 Kiến trúc mạng viễn thông Việt Nam 73

3.3 Tình hình triển khai NGN ở Việt Nam 74

3.4 Giải pháp triển khai IMS tại VNPT 77

3.4.1 Tổng quan giải pháp triển khai IMS 77

3.4.2 Kiến trúc triển khai hệ thống IMS của VNPT 82

3.4.3 Dịch vụ VoIP triển khai trên IMS 84

3.5 Mô phỏng trên Open IMS Core 86

3.5.1 Giới thiệu chung OPEN IMS Core 86

3.5.2 Triển khai mô hình mô phỏng 89

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

PHỤ LỤC 98

ADSL Asymmetric Digital

Subscriber Line

Đường dây thuê bao số bất đối xứng

AS Application Server Máy chủ ứng dụng

ATM Asynchronous Transfer

BTS Base Transceiver Station Trạm gốc

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CSCF Call Session Controller

Dịch vụ vô tuyến gói thông thường

GSM Global System for Mobile

Communications

Hệ thống thông tin đi động toàn cầu

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

HSS Home Subscriber Server Máy chủ thuê bao thường trú

I-CSCF Interrogating-CSCF CSCF tham vấn

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện các kỹ sư điện và điện tử

IETF Internet Engineering Task

Force

Nhóm đặc trách kĩ thuật Internet

IM Instant Messaging Nhắn tin tức thời

IMS-MGW IP Multimedia

Subsystem-Media Gateway Function

Chức năng cổng vào ra truyền thông -phân hệ đa phương tiện IP IM-SSF IP Multimedia Service

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISC IMS Service Control Giao diện điều khiển dịch vụ IMS ISDN Integrated Services Digital

Network

Mạng số đa dịch vụ tích hợp

MGW Media Gateway Function Chức năng cổng vào ra truyền

thông MGCF Media Gateway Control

Chức năng điều khiển tài nguyên

đa phương tiện NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau

OMA Open Mobile Alliance Liên minh di động mở

OSA Open Services

Architecture

Kiến trúc các dịch vụ mở

OSP Operator Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ

PEP Policy Enforcement Point Chính sách thực thi điểm

PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói

Policy Decision Point Điểm quyết định chính sách

PSTN Public Switched

Telephone Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RACF Resource Access Control

SGW Signalling Gateway Cổng vào ra báo hiệu

SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên

SLF Subscription Locator

Function

Chức năng bộ định vị sự thuê bao

TD-CDMA Time Division/Code

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian/phân chia theo mã

TDM Time-Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo thời gian

UE User Equipment Thiết bị của người dùng

VNPT Vietnam Posts and

Telecommunications Group

Tập đoàn Bưu chính Viễn thông Việt Nam

VoIP Voice over IP Thoại qua IP

WLAN Wireless Local Area

Network

Mạng nội vùng không dây

xDSL Digital Subscriber Line Các công nghệ đường dây thuê bao

số

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông 17

Hình 2.9 Cấu trúc bản tin trong giao thức Diameter 43

Hình 2.13 Lỗi ứng dụng trong giao thức Diameter 46

Hình 2.17 Megaco/H.248 kết nối điều khiển Gateway 51

Hình 2.18 Cấu trúc Gateway trong Megaco/H.248 52

Hình 2.22 Xóa đăng ký với người dùng đã được đăng ký 59 Hình 2.23 Xóa đăng ký khởi tạo mạng - hết thời gian đăng ký 62 Hình 2.24 Xóa đăng ký ứng dụng khởi mạng - quản lý 63 Hình 2.25 Xóa đăng ký ứng dụng khởi tạo mạng bởi S-CSCF 64 Hình 2.26 Thủ tục phục vụ tới phục vụ - các nhà khai thác khác nhau 66 Hình 2.27 Thủ tục từ Serving tới PSTN - Cùng nhà khai thác mạng 69 Hình 3.1 Biểu đồ số thuê bao điện thoại cố định 71 Hình 3.2 Biểu đồ số thuê bao điện thoại di động 71 Hình 3.3 Biểu đồ doanh thu trong ngành viễn thông 72 Hình 3.4 Thuê bao dịch vụ điện thoại cố định của các doanh nghiệp 73 Hình 3.5 Thuê bao dịch vụ điện thoại di động của các doanh nghiệp 73 Hình 3.6 Thuê bao dịch vụ truy nhập Internet của các doanh nghiệp 73

Hình 3.8 Cấu hình mạng NGN của VNPT năm 2010 76 Hình 3.9 Mô hình giải pháp của Alcatel Lucent 78 Hình 3.10 Cấu hình mạng IMS – Alcatel Lucent 30 Hình 3.11 Mô hình triển khai hệ thống IMS của VNPT 83

Hiện tại và trong thời gian tới nhu cầu phát triển các loại hình dịch vụ thoại, phi thoại, Internet và đặc biệt là các loại hình dịch vụ băng rộng ngày một tăng và không thể tách rời đời sống xã hội Để thỏa mãn nhu cầu đó mạng viễn thông đòi hỏi phải có cấu trúc hiện đại linh hoạt và nhất là thỏa mãn mọi nhu cầu về dịch vụ đa phương tiện Mạng phải có tổ chức đơn giản nhưng có nhiều chức năng Mạng, dịch vụ và đầu cuối phải được tích hợp thì mới có khả năng cung cấp dịch vụ băng rộng đa phương tiện cho khách hàng

Công nghệ mạng đã trải qua các giai đoạn chuyển đổi từ tương tự sang số,

từ chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói IP, từ mạng số tích hợp băng hẹp sang mạng số tích hợp băng rộng để có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng dịch vụ cho người dùng đầu cuối Mặc dù vậy mạng hiện tại vẫn không thỏa mãn hết được nhu cầu của khách hàng Chính vì vậy cần có một tổ chức mạng mới tập hợp được tất cả các ưu điểm của mạng viễn thông hiện tại và phải đáp ứng được các nhu cầu truyền thông trong tương lai

Chính sự phát triển với tốc độ chóng mặt của các dịch vụ đa phương tiện với yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực công nghệ viễn thông Cùng với đó, sự phát triển nhanh chóng của các mạng di động và cố định, các mạng truyền dẫn qua vệ tinh đã làm nảy sinh các ý tưởng về khả năng hội tụ các mạng này Đó là khởi nguồn để phân hệ đa truyền thông IP IMS ra đời và phát triển Các nhà khai thác viễn thông lớn ở Việt nam như VNPT, Vietel đang từng bước triển khai các công nghệ này vào mạng của mình

Vậy, đối với các nhà khai thác tại Việt Nam việc lựa chọn lộ trình như thế nào, sử dụng giải pháp của hãng nào đang là sự quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ Nhận thức được điều đó, tôi đã quyết định lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu, áp dụng phân hệ đa phương tiện IP trong mạng viễn thông Việt Nam” làm luận văn tốt nghiệp

Luận văn gồm có 3 chương:

Chương 1: Xu hướng hội tụ mạng viễn thông, lợi ích mà IMS mang lại, tiến trình chuẩn hóa IMS của 3GPP Phần tiếp theo nghiên cứu về các yêu cầu kỹ thuật trong hệ thống mạng và kiến trúc IMS, các khối chức năng, các thực thể liên quan trong kiến trúc IMS

Chương 2: Nghiên cứu khái quát các giao thức sử dụng phổ biến như: SIP, Diameter, COPS, Megaco/H.248 và phân tích từng bước hoạt động của phân hệ IMS trong việc thiết lập và điều khiển các phiên dịch vụ trong IMS

Chương 3: Phân tích hiện trạng mạng viễn thông Việt Nam hiện nay và tình hình triển khai IMS của VNPT cũng như mô hình các dịch vụ IMS, từ

đó xây dựng và mô phỏng mô hình dịch vụ IMS

Do nội dung kiến thức của đề tài rất mới, khả năng còn hạn chế nên luận văn này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo và đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện và được áp dụng vào thực tế mang lại hiệu quả cao

Chương 1 Nghiên cứu kiến trúc IMS

1.1 Xu hướng hội tụ mạng viễn thông

Trong mạng viễn thông hiện tại, các công nghệ được sử dụng chủ yếu bao gồm: chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, chuyển mạch bản tin, công nghệ ATM, chuyển mạch khung, mạng số đa dịch vụ tích hợp ISDN, Fast Ethernet, Token ring, các dịch vụ số liệu phân tán dựa trên cáp quang FDDI Bên cạnh đó, các công nghệ mới cũng đã được áp dụng hiện nay như: SONET/SDH, xDSL và B-ISDN, các công nghệ truy nhập vô tuyến như CDMA, TDMA, FDMA, Wifi, Wimax, …

Các công nghệ trên đây đều có những giải pháp kĩ thuật và những hệ thống hỗ trợ trên chính hệ thống của mình Khi có nhiều công nghệ mạng sẽ dẫn đến tăng trưởng các phần tử mạng và do vậy sẽ làm tăng sự phức tạp trong đồng

bộ và công tác quản lí, hơn nữa các nhà khai thác mạng khác nhau lại sử dụng các công nghệ và các chuẩn khác nhau do vậy dẫn đến việc tồn tại nhiều mạng riêng rẽ Đây là vấn đề thách thức thực tế với mạng viễn thông hiện nay

Như vậy, các mạng đơn lẻ trước đây như di động, mạng thoại truyền thống, mạng truyền dữ liệu, mạng Internet, mạng không dây… chỉ cung cấp được các dịch vụ đơn lẻ Ví dụ như trong mạng chuyển mạch điện thoại công cộng PSTN, một cuộc nối được thiết lập giữa hai thuê bao thông qua quá trình trao đổi khe thời gian cố định trong suốt quá trình cuộc gọi Kiểu mạng này phù hợp cho dịch vụ thoại vì chúng có tốc độ bit không đổi và thông tin có tính thời gian thực cao Với các ứng dụng truyền dữ liệu, việc sử dụng riêng một kênh thông tin để truyền là rất lãng phí về tài nguyên và không phù hợp với yêu cầu

sử dụng

Với các mạng di động hiện nay mặc dù có tốc độ phát triển rất nhanh tuy nhiên dịch vụ mà nhà khai thác mạng di động cung cấp cho người dùng vẫn chủ yếu là dịch vụ thoại truyền thống kết hợp với dịch vụ bản tin ngắn Bên cạnh đó,

có các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ thấp và giá thành dịch vụ cao và chưa đáp ứng được nhu cầu truyền thông đa phương tiện của người dùng

Tương tự như vậy mạng chuyển mạch gói là rất hữu hiệu cho việc chuyển thông tin số liệu nhưng lại không phù hợp cho truyền thoại do chưa kiểm soát được độ trễ truyền thông tin và tỷ lệ thất thoát gói tin

Một giải pháp để giải quyết vấn đề này là tạo ra một mạng tích hợp có thể cung cấp nhiều loại hình dịch vụ có yêu cầu băng thông, thời gian thực và chất lượng dịch vụ khác nhau

Bước đầu tiên trong hướng đi này là phát triển ISDN băng hẹp cung cấp báo hiệu kênh chung giữa các người sử dụng cho tất cả các dịch vụ thoại và số liệu Trong khi đó vẫn duy trì sự riêng biệt giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói tại trạm trung gian Người dùng được cung cấp các truy nhập số tốc độ 2B+D cho cả thoại và số liệu cùng với 16 Bbps cho báo hiệu và các dịch vụ chuyển mạch gói Tuy nhiên hướng phát triển này dần dần bộc lộ yếu điểm khi nhu cầu dịch vụ băng thông rộng ngày càng phát triển Tốc độ truy nhập 2B+D

là quá thấp so với nhu cầu dịch vụ băng rộng hiện nay

ISDN ngày càng thể hiện nhược điểm không thể đáp ứng được nhu cầu truyền thông, trong khi đó công nghệ truyền dẫn và công nghệ điện tử VLSI ngày càng phát triển và xuất hiện công nghệ mới có khả năng truyền tải cao được đánh giá là có nhiều hứa hẹn để truyền dẫn cả thoại và dữ liệu đó là ATM

đã đưa ra một hướng mới để phát triển ISDN băng hẹp thành ISDN băng rộng (B-ISDN) B-ISDN cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói theo kiểu đơn phương tiện, đa phương tiện, theo kiểu hướng kết nối hay phi kết nối và theo cấu hình đơn hướng hoặc đa hướng

Tuy nhiên khi triển khai B-ISDN với công nghệ nền tảng là ATM thì vấn

đề giá thành xây dựng mạng lại lớn vì B-ISDN không tận dụng tối đa nền tảng mạng hiện có Do vậy không đáp ứng kịp thời cho nhu cầu sử dụng dịch vụ của người dùng

Từ tình hình mạng viễn thông hiện nay và sự bùng nổ về nhu cầu dịch vụ băng rộng, việc xây dựng một mạng cung cấp đa loại hình dịch vụ tốc độ cao băng thông lớn là vấn đề tất yếu của các nhà khai thác mạng

ISDN, B-ISDN đều có nhược điểm khi được triển khai để cung cấp dịch

vụ tốc độ cao băng thông lớn cho người dùng Vấn đề đặt ra là mô hình mạng nào có thể khắc phục được nhược điểm của hai mạng trên trong khi vẫn có thể cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho người dùng

Để thực hiện được điều trên các tổ chức chuẩn hóa viễn thông đã nghiên cứu và đưa ra mô hình mạng hội tụ có khả năng cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho người dùng trong khi đó giá thành và thời gian xây dựng mạng là rẻ nhất và nhanh nhất đó chính là mạng IMS/NGN

Lợi ích của IMS:

- Đối với người dùng, dịch vụ dựa trên IMS cho phép liên lạc người với người và người với nội dung thông tin theo một loạt các phương thức - bao gồm

cả giọng nói, văn bản, hình ảnh và video, hoặc sự kết hợp của các phương thức trên một cách cá nhân hóa cao và kiểm soát tốt

- Đối với các nhà khai thác, IMS tiến thêm một bước nữa về khái niệm kiến trúc nhiều lớp bằng cách định nghĩa một kiến trúc nằm ngang, nơi mà dịch

vụ được triển khai và các chức năng phổ biến có thể được tái sử dụng cho nhiều ứng dụng Kiến trúc nằm ngang trong IMS còn xác định khả năng tương tác và chuyển vùng, cung cấp điều khiển truyền tải, tính cước và bảo mật Hơn thế nữa,

nó cũng được tích hợp với các mạng thoại và dữ liệu hiện tại, trong khi áp dụng nhiều thành tựu quan trọng của ngành CNTT Điều này làm cho IMS trở thành một khả năng then chốt cho sự hội tụ di động cố định

Với những lý do trên, IMS sẽ trở thành giải pháp ưu tiên cho các nhà khai thác cố định và di động kinh doanh đa phương tiện

Hình 1.1 Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông

Trên thực tế sự hội tụ đã và đang diễn ra Các công nghệ của mạng 2,5G/3G và WLAN cho phép tạo kết nối sử dụng các dịch vụ băng rộng Một số dịch vụ trước kia chỉ được cung cấp thông qua một nhà khai thác mạng, giờ đã

có thể được cung cấp thông qua nhà khai thác mạng sử dụng công nghệ khác Ví

dụ như dịch vụ SMS đã được cung cấp cho cả điện thoại cố định, di động và Internet Sự hội tụ trên xuất phát từ yêu cầu cụ thể về một dịch vụ nào đó Để có thể cung cấp đồng thời dịch vụ như vậy phải có phương án cụ thể triển khai cho từng dịch vụ Đó là xu hướng đang phát triển mạnh

1.2 Quá trình chuẩn hóa IMS của 3GPP

IMS được định nghĩa như sau: “IMS là kiến trúc toàn cầu, độc lập với truy nhập; điều khiển dịch vụ và kết nối dựa trên giao thức IP Kiến trúc này cho phép cung cấp nhiều loại dịch vụ đa phương tiện tới người dùng thông qua các giao thức thông dụng trên Internet”

IMS được dự án hợp tác về viễn thông thế hệ thứ 3 (3GPP-3rd

Generation Partnership Project) giới thiệu đầu tiên trong phiên bản thứ 5 (Release 5) vào tháng 3/2002 với các tính năng xử lý cuộc gọi cơ bản IMS được mô tả là một cấu trúc chuẩn hóa truy nhập không giới hạn trên nền IP, có khả năng thích ứng với các mạng thoại, số liệu và di động Cùng với 3GPP, trong năm 2002 3GPP2 cũng đưa ra chuẩn hóa IMS của riêng mình Về cơ bản 3GPP IMS và 3GPP2 là giống nhau tuy nhiên giữa chúng cũng có một vài khác biệt như là giải pháp tính cước hay hỗ trợ các phiên bản IP

Đầu năm 2004, 3GPP tiếp tục chuẩn hóa IMS với Release 6 Phiên bản này tập trung sửa chữa các thiếu sót ở Release 5 (tính cước, quản lý chất lượng dịch vụ) và bổ sung một số đặc tính mới (hỗ trợ truy nhập từ các mạng khác nhau) Release 6 được hoàn thành vào tháng 3/2005 Những kết quả chuẩn hóa IMS trong Release 6 của 3GPP được ETSI TISPAN sử dụng để thực hiện chuẩn hóa phiên bản NGN R1 Đây được coi như một sự khởi đầu cho hội tụ cố định -

di động trong IMS

Release 7 được 3GPP chuẩn hóa theo 3 pha và được hoàn thiện vào khoảng tháng 3-9/2007 hỗ trợ cho truy nhập với mạng băng rộng cố định Tháng 6/2007, ETSI TISPAN kết hợp với 3GPP để tiếp tục chuẩn hóa xây dựng cấu trúc mạng IMS chung nhằm hỗ trợ các kết nối cố định và các dịch vụ mới như IPTV Cấu trúc này được chuẩn hóa bắt đầu từ phiên bản Release 8 Hiện nay phiên bản này vẫn đang được tiếp tục hoàn thiện

Đầu năm 2008 phiên bản Release 9 bắt đầu được chuẩn hóa với một số tính năng như: Giải pháp cho dịch vụ thoại và video trong miền chuyển mạch kênh, tính năng hỗ trợ di động WiMAX - LTE, WiMAX - UMTS

Ngoài 02 tổ chức chuẩn hóa trên, Liên minh Di động mở OMA (Open Mobile Alliance) cũng đóng vai trò quan trọng trong tiến trình phát triển các dịch vụ IMS Tuy nhiên, trong khi 3GPP và 3GPP2 tiếp tục phát triển và chuẩn hóa kiến trúc lõi IMS, xây dựng các dịch vụ cơ bản IMS như là thoại, video và dịch vụ hội nghị, thì OMA tập trung phát triển sáng tạo, thiết kế nhiều ứng dụng

và dịch vụ khác nhau trên đỉnh của kiến trúc IMS

1.3 Kiến trúc IMS

Kiến trúc của một hệ thống IMS được chia thành bốn lớp bao gồm:

Hình 1.2 Mô hình kiến trúc IMS

Lớp ứng dụng: bao gồm các máy chủ ứng dụng và thực hiện các dịch vụ

giá trị gia tăng cho người sử dụng Tiêu chuẩn IMS định nghĩa ra các thực thể khởi tạo dịch vụ chung (chẳng hạn như quản lý danh sách nhóm và sự hiện diện) được thực hiện như các dịch vụ trong một máy chủ ứng dụng SIP

Lớp điều khiển: (hay còn gọi là lớp IMS lõi): bao gồm các máy chủ điều

khiển mạng để quản lý cuộc gọi hoặc thiết lập phiên, sửa đổi và giải phóng Chức năng quan trọng nhất trong số này là CSCF (Call Session Control Function), còn được biết đến như một máy chủ SIP Lớp này cũng có một bộ đầy đủ các chức năng hỗ trợ, chẳng hạn như dữ liệu, tính cước và khai thác và quản lý Kết nối với những nhà khai thác khác hay các loại mạng khác được quản lý bởi các cổng biên giới

Lớp kết nối: bao gồm các bộ định tuyến và chuyển mạch, cả cho mạng

xương sống và mạng truy cập

Lớp quản lý: bao gồm các máy chủ và các phần mềm quản lý cung cấp

các công cụ giúp việc vận hành, khai thác và bảo dưỡng hệ thống một cách thuận tiện và tự động hóa cao

Mô hình kiến trúc IMS được chuẩn hóa theo 3GPP thể hiện qua hình 1.3

Hình 1.3 Kiến trúc IMS của 3GPP

* IMS của một số tổ chức tiêu chuẩn khác

Bên cạnh 3GPP, các tổ chức khác như IETF, ITU-T, ARIB, ETSI và các công ty điện tử - viễn thông như NEC, MOTOROLA,SIEMEN cũng nghiên cứu và đưa ra các chuẩn của mình

Mô hình IMS trong NGN của ETSI đưa ra như hình 1.4

Hình 1.4 Kiến trúc IMS của ETSI Với kiến trúc IMS của ETSI, so với kiến trúc của 3GPP thì một số khối chức năng được thêm vào để thực hiện chức năng tương tác với các mạng IP

khác như IWF, SPDF, I-BCF, SGF Còn lại các thành phần cơ sở dữ liệu HSS, thành phần điều khiển IMS gồm P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF; thành phần điều khiển tương tác như MGCF, BGCF, SGW; các thành phần tương tác như OSA-SCS, OSA-AS, IM-SSF, CSE; các thành phần tài nguyên MRF; thành phần tương tác phương tiện MGW; và các giao diện trong mạng đều tương tự như kiến trúc của 3GPP

ITU-T cũng đưa ra mô hình IMS của mình được trình bày trên hình 1.5

P-CSCF MGCF

Cx Mw Mk

Mi Mg PSTN

Mp

Mw Mr

Mn

Mj

Hình 1.5 Kiến trúc IMS của ITU-T Các đặc điểm giống và khác nhau trong kiến trúc IMS của ba tổ chức ITU-T, IETF và 3GPP có thể được tổng kết như bảng 1.1

P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF

Các thành phần điều khiển tài nguyên và điều khiển tương tác BGCF, MGCF,

Thành phần cơ sở

dữ liệu HSS Các thành phần điều khiển IMS:

P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF

Các thành phần điều khiển tài nguyên và điều khiển tương tác BGCF, MGCF,

Có các phần tử chức năng như 3GPP và ITU-T nhưng bổ sung thêm phân hệ điều khiển chấp nhận

và tài nguyên (RACS) chứa các khối chức năng IWF, I-BCF, SGF, SPDF để thực

SGW Các thành phần tài nguyên và tương tác phương tiện MGF, MGW

SGW Các thành phần tài nguyên và tương tác phương tiện MGF, MGW

hiện tương tác với các mạng trước đây

Quan điểm xây

dựng

Cung cấp dịch vụ

đa phương tiện cho các đầu cuối 3G

Cung cấp dịch vụ

đa phương tiện cho các đầu cuối PSTN/ ISDN

Cung cấp dịch vụ

đa phương tiện cho các trạm (host)

Cách tiếp cận IMS của mỗi tổ chức khác nhau là khác nhau, ITU-T định hướng xây dựng mạng NGN của mình từ nền tảng mạng cố định, IETF lại xây dựng NGN với nền tảng là mạng Internet còn 3GPP xây dựng NGN với nền tảng mạng di động 3G Dù lựa chọn nền tảng nào đi nữa, khi xây dựng NGN thì tất cả các mạng hiện tại như 3G, Internet, hay PSTN/ISDN đều hội tụ chung thành một mạng duy nhất để cung cấp đa loại hình dịch vụ tới người dùng đầu cuối

Tuy nhiên vấn đề lựa chọn nền tảng để xây dựng NGN sẽ quyết định tốc

độ thành công khi xây dựng NGN

PSTN/ ISDN hiện nay đã phát triển toàn cầu, số lượng thuê bao hiện đang chiếm ưu thế hơn hẳn so với các thuê bao di động hay internet Nhưng với cơ sở công nghệ mạng thì vẫn dựa trên nền mạng chuyển mạch kênh và đầu cuối cố định không có khả năng đáp ứng các dịch vụ thông minh, hơn nữa mạng truy nhập vẫn chưa số hóa hoàn toàn do vậy khả năng truyền tải tốc độ cao băng thông lớn với mạng cố định đã bộc lộ nhiều khuyết điểm

Internet hiện nay có tốc độ phát triển nhanh nhất, chỉ trong khoảng thời gian cỡ 10 năm, internet đã phát triển toàn cầu Nền tảng công nghệ cho Internet dựa trên công nghệ gói IP do vậy Internet được coi là mạng dữ liệu có khả năng truyền tài lớn nhất Tuy nhiên, mong muốn của người dùng không phải là chỉ truyền dữ liệu, họ còn cần các dịch vụ thời gian thực và hướng kết nối Khi yêu cầu này đặt ra với internet rõ ràng Internet không thể đáp ứng

Từ hiện trạng mạng như vậy, giải pháp để cải thiện mạng viễn thông là kết hợp ưu điểm tốc độ bit cố đinh, hướng kết nối và đảm bảo tính thời gian thực cao của PSTN/ ISDN với những ưu điểm khả năng truyển tải lớn, tiết kiệm tài nguyên mạng, đầu cuối thông minh của mạng internet và loại bỏ những nhược điểm của các mạng này cho đến nay vẫn là một giải pháp tốt

Mạng 3G hiện nay có tốc độ phát triển vượt bậc, mặc dù ra đời sau PSTN/ ISDN và Internet nhưng 3G đã phát triển mức toàn cầu (UMTS) 3G được xây dựng trên nền mạng thông minh PLMN, 3G còn thông minh hơn nữa Với các

công nghệ truy nhập tiên tiến như TDMA, CDMA và đầu cuối thông minh, 3G

đã cho phép người dùng đầu cuối vừa có khả năng sử dụng dịch vụ thời gian thực lại có khả năng truyền tải và truy nhập dữ liệu

Như vậy so với PSTN/ ISDN và Internet thì 3G đã thực hiện được bước đầu trong tiến trình hội nhập dịch vụ thoại và dữ liệu Điều này đã tạo cơ hội rất thuận tiện để 3G tiến đến NGN

1.4 Các khối chức năng cơ bản trong mạng lõi IMS [10]

1.4.1 Các phần tử cơ sở dữ liệu

1.4.1.1 HSS (Home Subcriber Server)

Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS có thể xem như là một cải tiến của bộ đăng ký định vị thường trú HLR và AuC trong mạng GSM HSS là một

cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất cả thuê bao và những thông tin dịch vụ liên quan đến thuê bao Nó chứa đựng các thông tin như nhận dạng người dùng, tên của S-CSCF gán cho người dùng, hồ sơ chuyển vùng, thông số chứng thực cũng như thông tin về dịch vụ thuê bao Thông tin nhận dạng người dùng gồm khóa nhận dạng riêng và khóa nhận dạng chung Khóa nhận dạng riêng được tạo

ra bởi nhà khai thác mạng và được dùng với mục đích đăng ký và chứng thực Khóa nhận dạng người dùng chung được sử dụng để truyền thông giữa các người dùng HSS cũng đáp ứng địa chỉ một S-CSCF nếu có yêu cầu trong thủ tục đăng ký Hơn nữa, HSS còn thực hiện những chính sách hệ thống như lưu trữ thông tin hoặc xóa thông tin những UE không hợp lệ

HSS phải hỗ trợ những thành phần của miền PS như SGSN và GGSN Điều này giúp các thuê bao của IMS có thể sử dụng dịch vụ của miền PS và ngược lại Tương tự, do HSS đóng vai trò như HLR nên cũng hỗ trợ các thành phần của miền CS như MSC, BSC Điều này cho phép các thuê bao IMS có thể truy cập đến các dịch vụ của miền CS và hỗ trợ chuyển vùng trên toàn hệ thống GSM/UMTS Như một AuC, HSS lưu trữ khóa bí mật của mỗi thuê bao, cái này dùng để chứng thực khi đăng ký vào mạng và mã hóa dữ liệu cho mỗi thuê bao

di động Tùy thuộc vào số lượng thuê bao mà có thể có nhiều HSS trong một mạng IMS HSS tiếp xúc với CSCF thông qua điểm tham chiếu Cx và tiếp xúc với AS thông qua điểm tham chiếu Sh

1.4.1.2 SLF (Subscription Locator Function)

Trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị SLF sẽ được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng

Hình 1.6 SLF chỉ định HSS phù hợp

Để tìm được địa chỉ của HSS, I-CSCF hoặc S-CSCF phải gửi đến SLF bản tin yêu cầu LIR Hình trên mô tả quá trình tìm ra địa chỉ HSS phù hợp khi I-CSCF nhận được bản tin INVITE trong trường hợp mạng có ba HSS

Cả HSS và SLF đều hoạt động theo giao thức Diameter với ứng dụng dành riêng cho IMS

1.4.2 Các phần tử điều khiển IMS

Chức năng điều khiển cuộc gọi CSCF có 3 loại: Proxy-CSCF (P-CSCF), Serving-CSCF (S-CSCF) và Interrogating-CSCF (I-CSCF) Mỗi CSCF có chức năng riêng Chức năng chung của CSCF là tham gia trong suốt quá trình đăng ký

và thiết lập phiên giữa các thực thể IMS Hơn nữa, những thành phần này còn có chức năng gửi dữ liệu tính cước đến Server tính cước

1.4.2.1 P-CSCF (Proxy-CSCF)

P-CSCF đóng vai trò như một máy chủ SIP, là điểm đầu tiên liên lạc giữa đầu cuối IMS và mạng IMS Nó có thể được đặt ở mạng khách (trong toàn bộ mạng IMS) hoặc mạng chủ Một vài mạng có thể sử dụng thiết bị kiểm soát biên giới phiên SBC (Session Border Controller) để thực hiện chức năng này Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải gửi đăng ký tới P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối Địa chỉ của P-CSCF được truy cập thông qua giao thức DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) hoặc sẽ được cung cấp khi người dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP (Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động tế bào

Chức năng của P-CSCF bao gồm:

+ P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tải các yêu cầu từ người dùng đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như bản tin phản hồi từ máy chủ SIP

về người dùng

+ P-CSCF được gán cho đầu cuối IMS trong suốt quá trình đăng ký, và không thay đổi trong suốt quá trình đăng ký

+ P-CSCF nằm trên đường đi của tất cả các bản tin báo hiệu và có thể được gán vào mỗi bản tin

+ P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị đầu cuối IMS của người dùng P-CSCF 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 có thể nén và giải nén các bản tin SIP dùng sigcomp, để giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp (hay giảm độ trễ khi truyền trên các kênh có băng thông hẹp)

+ 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

1.4.2.2 I-CSCF (Interrogating-CSCF )

I-CSCF là một máy chủ SIP khác được đặt ở biên của miền quản trị Địa chỉ IP của I-CSCF được công bố trong tên miền hệ thống, vì thế các máy chủ ứng dụng ở xa có thể tìm thấy I-CSCF và sử dụng I-CSCF như một điểm chuyển tiếp cho các gói tin SIP tới miền này

Các chức năng của I-CSCF bao gồm:

+ Định tuyến bản tin yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến CSCF tương ứng Để làm được điều này, I-CSCF sẽ truy vấn HSS thông qua giao diện Diameter Cx để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng (giao diện Dx được dùng để từ I-CSCF tới SLF để định vị HSS cần thiết) Nếu như chưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCF cho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP

S-+ Ngược lại, I-CSCF sẽ định tuyến bản tin yêu cầu SIP hoặc bản tin trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác I-CSCF luôn luôn được đặt tại mạng chủ, trong một số trường hợp như THIG (Topology Hiding Inter-network Gateway), I-CSCF được đặt tại mạng khách là tốt nhất

1.4.2.3 S-CSCF (Serving-CSCF)

S-CSCF là một nút trung tâm của hệ thống báo hiệu IMS S-CSCF vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng nó cũng bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ Thêm vào việc thực hiện chức năng là một máy chủ SIP thì nó cũng đóng vai trò như một trung tâm đăng ký SIP Điều này có nghĩa là nó duy trì mối liên hệ giữa vị trí của người dùng (nói cách khác là địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối mà người dùng đăng nhập) với địa chỉ SIP của người dùng đó (cũng được biết đến như là định danh chung của người dùng) Cũng giống như I-CSCF, S-CSCF cũng thực thi một giao diện diameter với HSS Lý do chính của

việc sử dụng giao diện với HSS là:

Để tải các vector nhận thực của người dùng đang cố gắng truy cập mạng

từ HSS S-CSCF sử dụng vector này để nhận thực người dùng

Để tải hồ sơ người dùng từ HSS Hồ sơ người dùng bao gồm các triggers

có thể làm cho bản tin SIP được định tuyến qua một hoặc vài máy chủ ứng dụng

Để khai báo với HSS về S-CSCF được cấp cho người dùng trong suốt quá trình đăng ký

Tất cả các bản tin báo hiệu SIP mà đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi qua S-CSCF S-CSCF sẽ kiểm tra mỗi bản tin SIP và quyết định xem liệu bản tin báo hiệu này nên đi qua một hay nhiều máy chủ ứng dụng trên đường đi tới đích cuối cùng của nó Các máy chủ ứng dụng này sẽ cung cấp các khả năng về một dịch vụ tới người dùng Một chức năng chính của S-CSCF là cung cấp dịch vụ định tuyến bản tin SIP Nếu người dùng quay số điện thoại thay vì sử dụng SIPURI (Uniform Resource Identifier) thì S-CSCF cung cấp một dịch vụ chuyển đổi, thường dựa trên chuẩn DNS E.164 Number Translation (DNS/ENUM) S-CSCF cũng tác động vào chính sách mạng của nhà cung cấp Ví dụ, một người dùng có thể không có quyền thiết lập một phiên cụ thể nào cả S-CSCF tránh cho người dùng thực hiện các chức năng không được cho phép Một mạng thường bao gồm một số các S-CSCF cho mục đích mở rộng và dự phòng Mỗi S-CSCF phục vụ một số lượng đầu cuối tùy thuộc vào dung lượng của nó S-CSCF luôn luôn được đặt tại mạng chủ (được mô tả trong RFC-2916)

1.4.3 Các phần tử điều khiển kết nối liên mạng

1.4.3.1 MGCF (Media Gateway Control Function)

MGCF là thành phần cổng nối của PSTN hay CS và mạng IMS Nút này

có nhiệm vụ quản lý các cổng đa phương tiện, tương tác với S-CSCF để quản lý các cuộc gọi trên kênh đa phương tiện Nó thực hiện chuyển đổi giao thức và

ánh xạ SIP thành ISUP hoặc BICC Ngoài ra, MGCF còn điều khiển nguồn tài nguyên trong MGW Giao thức sử dụng giữa MGCF và MGW là Megaco/H.248

IMS hỗ trợ cả 2 phiên bản IPv4 và IPv6, do vậy tại một thời điểm trong một phiên đa phương tiện hay truyền thông vấn đề liên mạng giữa 2 phiên bản

IP này có thể xẩy ra Để tiến trình liên mạng giữa 2 phiên bản không cần hỗ trợ của các thiết bị đầu cuối, IMS bổ sung thêm 2 chức năng mới cho phép chuyển đổi cả 2 phiên bản IP Chức năng này được gọi là cổng lớp ứng dụng IMS (ALG-Application Layer Gateway) và cổng chuyển đổi (TrGW - Transition Gateway)

Hình 1.7 Liên kết với mạng IP phiên bản khác nhau IMS-ALG hoạt động như 1 SIP B2BUA thực hiện 2 giai đoạn báo hiệu với phiên bản IP khác nhau, một hướng về mạng IMS, một hướng ra mạng ngoài Bên cạnh đó IMS-ALG còn thực hiện sửa lại địa chỉ IP và số port trong giao thức đặc tả phiên SDP (Session Description Protocol) để cho phép dữ liệu được định tuyến thông qua TrGW

TrGW thực tế là một bộ chuyển đổi giao thức NAT-PT/NAPT-PT (Network Address Port Translator - Protocol Translator) TrGW được cấu hình với chức năng tự động cấp phát địa chỉ IPv4 cho các phiên IP TrGW cũng thực hiện chức năng chuyển đổi giữa IPv4 và IPv6 tại mức dữ liệu phương tiện (RTP hay RTCP)

1.4.3.2 BGCF (Breakout Gateway Control Function)

Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) có nhiệm vụ lựa chọn mạng PSTN hoặc mạng chuyển mạch kênh (CSN) mà lưu lượng trong IMS sẽ được định tuyến sang Nếu BGCF xác định được rằng lưu lượng chuyển mạng

đó sẽ tới mạng PSTN hay CSN nằm trong cùng mạng với BGCF thì nó sẽ lựa chọn một MGCF để đáp ứng cho liên mạng với PSTN hay CSN Nếu lưu lượng cần truyền tới một mạng không nằm cùng mạng với BGCF thì BGCF sẽ gửi báo hiệu phiên này tới BGCF đang quản lý mạng đích đó

BGCF thực hiện các chức năng như sau:

+ Lựa chọn mạng đang tương tác với PSTN hay CS CN Nếu như sự tương tác ở trong một mạng khác thì BGCF sẽ gửi báo hiệu SIP tới BGCF của mạng đó Nếu như sự tương tác nằm trong một mạng khác và nhà khai thác yêu cầu ẩn cấu hình mạng đó thì BGCF gửi báo hiệu SIP thông qua một I-CSCF (THIG) về phía BGCF của mạng đó

+ Lựa chọn MGCF trong mạng đang tương tác với PSTN hoặc CS CN và gửi báo hiệu SIP tới MGCF đó Điều này không thể sử dụng khi tương tác nằm trong một mạng khác

IMS kết nối tới mạng PSTN/CS thông qua cổng giao tiếp PSTN chức năng này được phân chia thành 3 chức năng nhỏ: SGW, MGCF, MGW như trong hình 1.8

Hình 1.8 Kết nối IMS và mạng PSTN/CS

1.4.3.3 SGW (Signalling gateway function)

SGW (cổng báo hiệu) chức năng được sử dụng để kết nối các mạng báo hiệu khác nhau ví dụ mạng báo hiệu SCTP/ IP và mạng báo hiệu SS7 Chức năng cổng báo hiệu có thể triển khai như một thực thể đứng một mình hoặc bên trong một thực thể khác Các luồng phiên trong đặc tả này không thể hiện SGW nhưng khi làm việc với PSTN hay miền chuyển mạch kênh thì cần có một SGW

để chuyển đổi truyền tải báo hiệu SGW được triển khai như hai node logic sau:

Cổng báo hiệu chuyển mạng (R-SGW)

Vai trò của R-SGW liên quan đến chuyển mạng từ/ tới miền chuyển mạch kênh 2G/ R99 và miền GPRS tới/ từ miền dịch vụ thoại MUTS R00 và miền GPRS UMTS Để chuyển mạng đúng cách R-SGW thực hiện chuyển đổi báo hiệu tại lớp transport

Cổng báo hiệu truyền tải T-SGW (Transport Singnalling Gateway)

Thành phần này trong mạng R4/5 là các điểm kết cuối PSTN/PLMN trong một mạng xác định Nó ánh xạ báo hiệu cuộc gọi từ/ tới PSTN/ PLMN lên mạng mang IP và gửi nó từ/ tới MGCF

Hình 1.9 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

OSA-SCS (Open Service Access - Service capability Server): Máy chủ

tiềm trữ phục vụ OSA

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)

IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function): Chức năng chuyển

mạch đa dịch vụ IP

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 (gsmSCF – GSM Service Control Function) thực hiện điều khiển các phiên IMS IM-SSF giao tiếp với gsmCSF thông qua giao tiếp CAP (CAMEL Application Part)

1.4.5 Các phần tử tài nguyên

1.4.5.1 MRF (Media Resource Function)

MRF (Chức năng đa phương tiện) được phân thành bộ điều khiển chức năng tài nguyên đa phương tiện MRFC (Media Resource Function Controller)

và bộ xử lí chức năng tài nguyên đa phương tiện MRFP (Media Resource Function Processor) MRFC là khối trực tiếp giao tiếp với AS qua giao thức SIP

và với S-CSCF qua giao thức Megaco/H.248 MRFP nhận thông tin điều khiển

từ MRFC và giao tiếp với các thành phần của mạng truyền dẫn MRF có vai trò quan trọng trong hội nghị đa điểm để phân bố tài nguyên hợp lý

MRFC nhận báo hiệu điều khiển cuộc gọi qua giao thức SIP MRFC cần thiết cho việc hỗ trợ những dịch vụ, như hội nghị, những thông báo tới người dùng hoặc chuyển mã kênh mang MRFC chuyển báo hiệu SIP nhận được từ S-CSCF qua điểm tham chiếu Mr và sử dụng những chỉ dẫn Megaco/H.248 để điều khiển MRFP MRFC có thể gửi thông tin thanh toán tới CCF và OCS

MRFP cung cấp những tài nguyên mặt phẳng người dùng được yêu cầu và chỉ dẫn bởi MRFC MRFP thực hiện những chức năng liên quan đến media như phát và trộn media, thích ứng nội dung dịch vụ, chuyển đổi định dạng nội dung,…

Hình 1.10 Chức năng điều khiển thông tin đa phương tiện MRF

1.4.5.2 MGW (Media gateway function)

MGW (Cổng kết nối đa phương tiện) có thể kết thúc các kênh mang từ mạng chuyển mạch kênh và các luồng phương tiện từ mạng chuyển mạch gói (ví

dụ dòng RTP trong mạng IP) IMS-MGW có thể hỗ trợ chuyển đổi phương tiện điều khiển mạng và xử lí tải trọng (ví dụ mã hóa, triệt vọng, cầu hội nghị)

IMS-MGW sẽ được cung cấp tài nguyên cần thiết để hỗ trợ các phương tiện truyền tải UMTS/ GSM Hơn nữa IMS-MGW còn phải bổ sung thêm nhiều

bộ mã hóa và các giao thức khung và hỗ trợ các chức năng đặc tả di động

1.5 Các điểm tham chiếu 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

Bảng 1.2 Các điểm tham chiếu liên kết các chức năng trong mạng lõi IMS

Diameter

Dx I-CSCF, S-CSCF,

SLF

I-CSCF/S-CSCF sử dụng để tìm chính xác HSS cần thiết trong môi trường nhiều HSS

Diameter

Gm UE, P-CSCF Truyền tải tất cả các bản tin báo

hiệu SIP giữa UE và IMS SIP

Go PDF, GGSN

Cho phép nhà khai thác điều khiển QoS trong mặt phẳng người dùng và chuyển đổi thông tin liên quan đến tính cước giữa

COPS

IMS và mạng GPRS

Gq P-CSCF, PDF

Truyền tải thông tin liên quan đến quyết định chính sách giữa P-CSCF và PDF

SIP

Mk BGCF -> BGCF

Truyền tải thông tin qua lại giữa BGCF và MGCF thuộc các mạng IMS khác nhau

Ro AS, MRCF, OCS,

S-CSCF

AS, MRCF, S-CSCF sử dụng cho tính cước trực tuyến tới OCS Diameter

Rx P-CSCF, AS, CRF

Thông tin dịch vụ liên quan tính cước động được chuyển giữa CRF và các thực thể IMS

Chương 2 Một số giao thức cơ bản và xử lý luồng trong IMS

Trong kiến trúc IMS các điểm tham chiếu chuẩn được định nghĩa và ở mỗi giao diện sẽ sử dụng các giao thức báo hiệu tương ứng

2.1.1 Tổng quan về giao thức SIP

SIP là giao thức khởi tạo phiên, dùng để thiết lập, sửa đổi và kết thúc các cuộc gọi điện thoại VoIP SIP được phát triển bởi IETF và ban hành trong tài liệu RFC 3261 vào tháng 5 năm 2003

SIP có thể sử dụng cho rất nhiều các dịch vụ khác nhau trong mạng IP như dịch vụ tin nhắn, thoại, hội nghị thoại, hội nghị truyền hình, email, dạy học

từ xa, quảng bá, … SIP sử dụng khuôn dạng text, một khuôn dạng thường gặp trong mạng IP Nó kế thừa các các nguyên lý và khái niệm của các giao thức Internet như HTTP và SMTP SIP sử dụng một số kiểu bản tin và các trường header của HTTP, xác định nội dung luồng thông tin theo header

2.1.2 Cấu trúc SIP

2.1.2.1 Máy chủ

Là một chương trình ứng dụng chấp nhận các bản tin yêu cầu từ máy khách để phục vụ các yêu cầu này và gửi trả các đáp ứng cho các yêu cầu đó Ta

có các loại máy chủ sau:

Người dùng là thiết bị đầu cuối trong mạng SIP, có thể là một máy điện

thoại SIP, có thể là máy tính chạy phần mềm đầu cuối SIP

Máy chủ ủy quyền: là một chương trình trung gian, hoạt động như là một

máy chủ và một máy khách cho mục đích tạo các yêu cầu thay mặt cho các máy khách khác Các yêu cầu được phục vụ bên trong hoặc truyền chúng đến các máy chủ khác Một máy chủ ủy quyền có thể dịch và nếu cần thiết có thể tạo lại các bản tin yêu cầu SIP trước khi chuyển chúng đến máy chủ khác hoặc người dùng

Máy chủ định vị: là phần mềm định vị thuê bao, cung cấp thông tin về

những vị trí có thể của thuê bao bị gọi cho các phần mềm máy chủ ủy quyền và máy chủ chuyển đổi địa chỉ

Máy chủ chuyển đổi địa chỉ: là phần mềm nhận yêu cầu SIP và chuyển

đổi địa chỉ SIP sang một số địa chỉ khác và gửi lại cho đầu cuối Không giống như máy chủ ủy quyền, máy chủ chuyển đổi địa chỉ không bao giờ hoạt động

như một đầu cuối, tức là không gửi đi bất cứ yêu cầu nào Máy chủ chuyển đổi địa chỉ cũng không nhận hoặc huỷ cuộc gọi

Máy chủ đăng ký: là phần mềm nhận các yêu cầu đăng ký Trong nhiều

trường hợp máy chủ đăng ký đảm nhiệm luôn một số chức năng an ninh như xác nhận người sử dụng Thông thường máy chủ đăng ký được cài đặt cùng với máy chủ ủy quyền và máy chủ hay địa chỉ hoặc cung cấp dịch vụ định vị thuê bao Mỗi lần đầu cuối được bật lên (ví dụ máy điện thoại hoặc phần mềm SIP) thì đầu cuối lại đăng ký với máy chủ Nếu đầu cuối cần thông báo cho máy chủ về địa điểm của mình thì bản tin đăng ký cũng được gửi đi Nói chung các đầu cuối đều thực hiện việc đăng ký lại một cách định kỳ

Trong IMS, HSS đóng vai trò như một máy chủ đăng ký chứa cơ sở dữ liệu về thuê bao và dịch vụ thuê bao đã đăng ký S-CSCF chính là máy chủ định

vị, đảm nhiệm phục vụ một nhóm thuê bao trong mạng đó hoặc chuyển vùng sang mạng IMS I-CSCF thực hiện chức năng như một máy chủ chuyển đổi địa chỉ, giao tiếp với S-CSCF của mạng khác khi UE sử dụng dịch vụ liên mạng

Hình 2.1 Cấu trúc SIP

2.1.2.2 Máy khách

Máy khách trong giao thức SIP chính là các thiết bị mà người dùng sử dụng để khởi tạo yêu cầu SIP đến các máy chủ Thiết bị này có thể là các thiết bị phần cứng hỗ trợ chuẩn SIP như điện thoại IP hay là phần mềm hỗ trợ chuẩn SIP như Express Talk, Sidefisk,… hay hỗ trợ cả IMS như: Mercuro IMS Client, UCT Client, OpenIC_Lite,

INVITE Khởi tạo một phiên

ACK Khẳng định rằng client đã nhận được bản tin đáp ứng cho bản tin INVITE BYE Yêu cầu kết thúc phiên

CANCEL Yêu cầu kết thúc phiên

REGISTER Đầu cuối SIP đăng ký với máy chủ đăng ký

OPTIONS Đầu cuối SIP đăng ký với máy chủ đăng ký

INFO Sử dụng để tải các thông tin Bảng 2.2 Bản tin đáp ứng SIP

1xx Các bản tin chung 2xx Thành công

3xx Chuyển địa chỉ 4xx Yêu cầu không được đáp ứng 5xx Sự cố Server

6xx Sự cố toàn mạng

2.1.4 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP

Trước tiên ta tìm hiểu hoạt động của máy chủ ủy quyền và máy chủ chuyển đổi

+ Hoạt động của máy chủ ủy quyền

Hoạt động của máy chủ ủy quyền được trình bày như trong hình 2.2 Client SIP userA@yahoo.com gửi bản tin đăng ký cho userB@hotmail.com để mời tham gia cuộc gọi

Hình 2.2 Mô tả hoạt động của máy chủ ủy quyền Các bước như sau:

Bước 1: userA@yahoo.com gửi bản tin INVITE cho UserB ở miền hotmail.com, bản tin này đến máy chủ ủy quyền SIP của miền hotmail.com (Bản tin INVITE có thể đi từ Máy chủ ủy quyền SIP của miền yahoo.com và được Proxy này chuyển đến Máy chủ ủy quyền của miền hotmail.com)

Bước 2: Máy chủ ủy quyền của miền hotmail.com sẽ tham khảo máy chủ định vị (Location server) để quyết định vị trí hiện tại của UserB

Bước 3: Server định vị trả lại vị trí hiện tại của UserB (giả sử là UserB@hotmail.com)

Bước 4: Máy chủ ủy quyền gửi bản tin INVITE tới userB@hotmail.com Máy chủ ủy quyền thêm địa chỉ của nó trong một trường của bản tin INVITE

Bước 5: UAS của UserB đáp ứng cho server Proxy với bản tin 200 OK Bước 6: Máy chủ ủy quyền gửi đáp ứng 200 OK trở về userA@yahoo.com

Bước 7: userA@yahoo.com gửi bản tin ACK cho UserB thông qua máy chủ ủy quyền

Bước 8: Máy chủ ủy quyền huyển bản tin ACK cho userB@hostmail.com Bước 9: Sau khi cả hai bên đồng ý tham dự cuộc gọi, một kênh RTP/RTCP được mở giữa hai điểm cuối để truyền tín hiệu thoại

Bước 10: Sau khi quá trình truyền dẫn hoàn tất, phiên làm việc bị xóa bằng cách sử dụng bản tin BYE và ACK giữa hai điểm cuối

Hoạt động của máy chủ chuyển đổi địa chỉ:

Hình 2.3 Mô tả hoạt động của máy chủ chuyển đổi địa chỉ

Bước 4: Máy chủ chuyển đổi địa chỉ trả lại địa chỉ của B đến người gọi A

Nó không phát yêu cầu INVITE như máy chủ ủy quyền

Bước 5: User Agent bên A gửi lại bản tin ACK đến Máy chủ chuyển đổi địa chỉ để xác nhận sự trao đổi thành công

Bước 6: Người gọi A gửi yêu cầu INVITE trực tiếp đến địa chỉ được trả lại bởi Máy chủ chuyển đổi địa chỉ (đến B) Người bị gọi B đáp ứng với chỉ thị thành công (200 OK), và người gọi đáp trả bản tin ACK xác nhận Cuộc gọi được thiết lập

Ngoài ra SIP còn có các mô hình hoạt động liên mạng với SS7 (đến PSTN) hoặc là liên mạng với chồng giao thức H.323

Tổng quát lại trong mạng SIP quá trình thiết lập và hủy một phiên kết nối: Quá trình thiết lập và hủy cuộc gọi SIP cơ bản được mô tả trong hình 2.4

1 Đăng ký, khởi tạo và định vị đầu cuối

2 Xác định phương tiện của cuộc gọi, tức là mô tả phiên mà đầu cuối được mời tham gia

3 Xác định mong muốn của đầu cuối bị gọi, trả lời hay không Phía bị gọi phải gửi bản tin xác nhận chấp thuận cuộc gọi hay từ chối

4 Thiết lập cuộc gọi

5 Thay đổi hay điều khiển cuộc gọi (ví dụ nhƣ chuyển cuộc gọi)

6 Hủy cuộc gọi

Hình 2.4 Thiết lập và hủy cuộc gọi SIP

2.1.5 Tính năng của SIP

Giao thức SIP đƣợc thiết kế với những chỉ tiêu sau: Tích hợp với các giao thức đã có của IETF Đơn giản và có khả năng mở rộng Hỗ trợ tối đa sự di động của đầu cuối Dễ dàng tạo tính năng mới cho dịch vụ

2.1.5.1 Tích hợp với các giao thức đã có của IETF

Các giao thức khác của IETF có thể xây dựng để xây dựng những ứng dụng SIP SIP có thể hoạt động cùng với nhiều giao thức như:

- RSVP (Resource Reservation Protocol): Giao thức giành trước tài nguyên mạng

- RTP (Real-time transport Protocol): Giao thức truyền tải thời gian thực

- RTSP (Real Time Streaming Protocol): Giao thức tạo luồng thời gian thực

- SAP (Session Advertisement Protocol): Giao thức thông báo trong phiên kết nối

- SDP (Session Description Protocol): Giao thức mô tả phiên kết nối đa phương tiện

- MIME (Multipurpose Internet Mail Extension - Mở rộng thư tín Internet

đa mục đích): Giao thức thư điện tử

- HTTP (Hypertext Transfer Protocol): Giao thức truyền siêu văn bản

- COPS (Common Open Policy Service): Dịch vụ chính sách mở chung

- OSP (Open Settlement Protocol): Giao thức thỏa thuận mở

2.1.5.2 Đơn giản và có khả năng mở rộng

SIP có rất ít bản tin, không có các chức năng thừa nhưng SIP có thể sử dụng để thiết lập những phiên kết nối phức tạp như hội nghị… Đơn giản, gọn nhẹ, dựa trên khuôn dạng văn bản, SIP là giao thức ra đời sau và đã khắc phục được điểm yếu của nhiều giao thức trước đây

Các phần mềm của máy chủ ủy quyền, máy chủ đăng ký, máy chủ chuyển đổi địa chỉ, máy chủ định vị… có thể chạy trên các máy chủ khác nhau và việc cài đặt thêm máy chủ hoàn toàn không ảnh hưởng đến các máy chủ đã có Chính

vì thế hệ thống chuyển mạch SIP có thể dễ dàng nâng cấp

2.1.5.3 Hỗ trợ tối đa sự di động của đầu cuối

Do có máy chủ ủy quyền, máy chủ đăng ký và máy chủ chuyển đổi địa chỉ

hệ thống luôn nắm được địa điểm chính xác của thuê bao Thí dụ thuê bao với địa chỉ ptit@vnpt.com.vn có thể nhận được cuộc gọi thoại hay thông điệp ở bất

cứ địa điểm nào qua bất cứ đầu cuối nào như máy tính để bàn, máy xách tay, điện thoại SIP… Với SIP rất nhiều dịch vụ di động mới được hỗ trợ

2.1.5.4 Dễ dàng tạo tính năng mới và dịch vụ mới

Là giao thức khởi tạo phiên trong mạng chuyển mạch gói SIP cho phép tạo ra những tính năng mới hay dịch vụ mới một cách nhanh chóng Ngôn ngữ

xử lý cuộc gọi (Call Processing Language) và Giao diện cổng kết nối chung (Common Gateway Interface) là một số công cụ để thực hiện điều này SIP hỗ trợ các dịch vụ thoại như chờ cuộc gọi, chuyển tiếp cuộc gọi, khóa cuộc gọi… (call waiting, call forwarding, call blocking…), hỗ trợ thông điệp thống nhất…

2.2 Giao thức Diameter [10]

2.2.1 Tổng quan về giao thức Diameter

Ban đầu, người dùng muốn truy cập vào internet đến một Server cụ thể nào đó, người đó phải cung cấp thông tin về người sử dụng và mật khẩu Trong hầu hết các trường hợp, thông tin về người sử dụng và mật khẩu không được lưu

ở máy chủ đáp ứng truy cập mà được lưu ở một nơi khác Do đó nảy sinh vấn đề cần một giao thức truyền thông đáng tin cậy để trao đổi thông tin giữa máy chủ truy cập và máy lưu thông tin về người sử dụng và mật khẩu Vì thế, vào 1995 RADIUS ra đời, được dùng để chứng thực, quản lý quyền truy cập dịch vụ, thông tin tài khoản người dùng

Khi công nghệ di động ngày càng phát triển thì RADIUS không đáp ứng được yêu cầu về QoS và không hỗ trợ chuyển vùng Điều này là một trở ngại lớn trong sự phát triển dịch vụ Một yêu cầu đặt ra là tìm ra một công nghệ mới không chỉ đáp ứng được tính năng của RADIUS mà còn khắc phục được những nhược điểm của giao thức này Đến 1996, IETF chuẩn hóa Diameter trong RFC

3588 Giao thức này thỏa mãn các yêu cầu đặt ra ở trên

Hình 2.5 Giao thức Diameter

Giao thức Diameter chia ra 2 phần: Diameter Base Protocol và Diameter Application Diameter Base Protocol cần thiết cho việc phân phối các đơn vị dữ liệu, khả năng thương lượng, kiểm soát lỗi và khả năng mở rộng Diameter Application định nghĩa những ứng dụng dữ liệu riêng Tại thời điểm này, ngoài ứng dụng chuẩn trong RFC3588, một số ứng dụng đã được định nghĩa như: Mobile IP, NASREQ, EAP, Diameter điều khiển tính phí và ứng dụng Diameter trong giao thức SIP,… Diameter là giao thức truyền thông hoạt động trên giao diện Sh giữa HSS, AS, S-CSCF

2.2.2 Cấu trúc giao thức Diameter

Trong Diameter có 3 thành phần chính là Server, Client và Agent Client

là một thiết bị ở biên, thực hiện các truy vấn và sử dụng dịch vụ Một Diameter Agent thực hiện chức năng như một Proxy, Relay, Redirect Agent và dịch các bản tin Diameter Server quản lý các yêu cầu về AAA cho một hệ thống

2.2.2.1 Diameter Relay Agent

Diameter Relay Agent là một thực thể chấp nhận các yêu cầu và định tuyến các bản tin đến một thực thể khác dựa trên thông tin tìm được trong bản tin như tên miền đích đến của bản tin Thông tin định tuyến này được thực hiện dựa vào bảng định tuyến được lưu trữ tại các nút mạng Bảng định tuyến này chứa các trường sau: tên miền, mã ứng dụng, hoạt động cục bộ, nhận dạng Server, cấu hình tĩnh hoặc động, thời gian hết hạn

Mã ứng dụng được dùng như trường quan trọng thứ 2 để tìm kiếm một entry Trường hoạt động cục bộ chứa một trong bốn giá trị: Local, Relay, Proxy, Redirect Dựa vào trường này mà Diamter Relay sẽ biết xử lý gói tin hay chuyển tiếp gói tin Trường nhận dạng Server để xác định nút mạng kế tiếp cần đi đến Cấu hình tĩnh hay động cho biết entry này được cấu hình tĩnh hoặc tự động tìm

ra nút kết tiếp Nếu là cấu hình động thì có thời gian hết hạn mà entry đó phải được cập nhật lại

Tổng hợp những yêu cầu đến các miền khác nhau và phân bố gói tin đến đích thích hợp giúp giảm nhẹ cấu hình máy chủ truy cập cũng như thuận tiện cho việc thay thế, thêm hoặc bỏ máy chủ truy cập

Diameter Relay Agent thay đổi bản tin bằng cách chèn vào hoặc bỏ các thông tin định tuyến mà không thay đổi bất kì phần nào khác của bản tin Relay Agent sẽ không duy trì trạng thái phiên mà chỉ duy trì trạng thái giao dịch để thực hiện chức năng Accouting

2.2.2.2 Diameter Proxy Agent

Giống như Relay, Proxy Agent định tuyến các bản tin Diameter sử dụng bảng định tuyến Tuy nhiên, giữa hai thành phần có sự khác nhau về cách thay đổi bản tin để thực hiện chính sách

Hình 2.6 Diameter Proxy Agent định tuyến các bản tin dựa vào bảng định tuyến

2.2.2.3 Diameter Redirect Agent

Hình 2.7 Diameter Redirect Agent Diameter Reditect Agent thực hiện việc định tuyến các bản tin sang tên miền khác Nó cũng sử dụng bảng định tuyến để xác định chặng tiếp theo của đường đi đến đích đã được yêu cầu Thay vì tự định tuyến những yêu cầu, Redirect Agent sẽ đáp ứng lại địa chỉ của chặng kết tiếp để Proxy Agent định tuyến