Tìm hiểu hoạt động giao thức SIP trong IMS

Về cơ bản, hoạt độngđiều khiển bao gồm khởi tạo, thay đổi và kết thúc một phiên có liên quan đến các phần tử đa phương tiện như thoại, message, game trực tuyến… Ngoài ra giao thức khởi t

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

- -BÀI TIỂU LUẬN

MÔN HỌC: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI

LỚP D11VT1

Giảng viên hướng dẫn : Ths NGUYỄN THANH TRÀ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA VIỄN THÔNG I

- -BÀI TIỂU LUẬN

MÔN HỌC: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI

Đề tài : “ Tìm hiểu hoạt động giao thức SIP trong

IMS ” LỚP D11VT1

Giảng viên hướng dẫn : Ths NGUYỄN THANH TRÀ

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTNđang là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tin liên lạc Nhiều kiếntrúc mới đã ra đời trong quá trình phát triển hợp nhât các mạng với mục đích tạo ra mộtmạng IP duy nhất Phân hệ IP Multimedia Subsystem (IMS) là một trong những kiếntrúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó IMS trở thành một phân hệ trong mô hìnhmạng thế hệ mới (NGN) của tất cả các hãng sản xuất các thiết bị viễn thông và các tôchức chuẩn hóa trên thế giới Với IMS, người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờtính di động của mạng di động và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từmạng Internet IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạngInternet, là một phân hệ không thể thiếu trong kiến trúc NGN

IP Mutilmedia System (IMS) là một kiến trúc gồm nhiều chức năng được gắn kếtvới nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa nhằm cung cấpcác dịch vụ đaphương tiện qua vùng chuyển mạch gói IP cơ bản IMS được coi như kiến trúc choviệc hội tụ mạng thoại,dữ liệu và di động

Giao thức SIP là một giao thức mới xuất hiện nhằm phục vụ cho mạng điện thoại IPnhưng đã được ứng dụng rộng rãi Trong cấu trúc mạng NGN, SIP đã được chọn làmgiao thức báo hiệu chính, SIP rất được chú ý và ngày càng được sử dụng rộng rãi trongcác kiến trúc của mạng NGN Tháng 11 năm 2000, SIP được chấp nhận như một giaothức báo hiệu của 3GPP và trở thành một thành phần chính thức của cấu trúc IMS Đặcđiểm của SIP là đơn giản, mở, dễ dàng triển khai và tương thích với các giao thức IP

đã có

TỔNG QUAN TIỂU LUẬN

Trong nội dung bài Tiểu luận này, nhóm làm đề tài xin trình bày theo bố cục gồm 4chương chính:

Chương I: Giới thiệu tổng quan về giao thức SIP: giúp người đọc nắm được kiến

thức cơ bản về thành phần và các thủ tục hoạt động của SIP

Chương II: Giới thiệu tổng quan về IMS: giúp người đọc nắm được kiến trúc cơ bản

IMS, các phân lớp trong IMS

Chương III: Ứng dụng của SIP trong IMS: Sau khi tìm hiểu về SIP và IMS, nội

dung chương II sẽ trình bày hoạt động của SIP trong IMS, các thủ tục đăng ký, thiếplập phiên và giải phóng phiên

Chương IV: Hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 và triển khai mạng viễn thông Việt Nam: Trong xu thế địa chỉ Ipv4 đang dần cạn kiệt, Ipv6 được sử dụng rộng

rãi hơn, chương này chúng ta xem xét hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 nhưthế nào Bên cạnh đó, chúng ta khảo sát tình hình thực trạng IMS đang được triển khaitrên mạng viễn thông Việt Nam như thế nào

Nhóm làm đề tài đã cố gắng tìm hiểu đề tài qua các tài liệu để có những kiến thức làmnên bài tiểu luận này Tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót hay nhầm lẫn, rấtmong nhận được sự góp ý của Cô và các bạn đọc để nhóm hoàn thiện hơn nội dung bàitiểu luận, cũng như củng cố thêm kiến thức về chuyên đề

Xin chân thành cảm ơn!

Tiểu luận: Tìm hiểu giao thức SIP trong IMS

Nhóm 7_Lớp D11VT1

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU A TỔNG QUAN TIỂU LUẬN B

C DANH MỤC VIẾT TẮT F DANH MỤC HÌNH VẼ G

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN GIAO THỨC SIP 1

1.1 Định nghĩa 1

1.1.1 Chức năng của SIP 1

1.1.2 Các chức năng điều khiển của giao thức khởi tạo phiên (SIP) 2

1.1.3 Một số khái niệm trong SIP 2

1.2 Thành phần SIP 3

1.2.1 UA (User Agent): 4

1.2.2 Máy chủ mạng (Network Server) 5

1.2.3 Địa chỉ SIP 5

1.2.4 Cấu trúc bản tin SIP 5

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ IMS 8

2.1 Định nghĩa 8

2.2 Kiến trúc IMS 9

2.2.1 Lớp dịch vụ 12

2.2.2 Lớp lõi IMS 13

2.2.2.1 Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF) 13

a) P-CSCF (Proxy – CSCF) 14

b) I-CSCF (Interrogating – CSCF) 15

c) S-CSCF (Serving – CSCF) 16

2.2.2.2 Chức năng điều khiển kết nối mạng 17

a) Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) 17

b) Chức năng điều khiển cổng truyền thông (MGCF) .17

2.2.2.3 Chức năng tài nguyên truyền thông đa phương tiện (MRF) 18

2.2.3 Lớp truyền tải 18

2.2.3.1 NASS (Network Attachment Subsystem) .19

2.2.3.2 RACF (Resource & Admission Control Functionality) .19

a) S-PDF (Serving Policy Decision Function) 19

b) A-RACF (Access Resource and admission Control Function) 19

2.2.3.3 PSTN/CS Gateway 19

a) Chức năng cổng báo hiệu (SGW) 20

b) Chức năng cổng kết nối đa phương tiện (MGW) 20

c) IMS GW và TrGW .20

CHƯƠNG III: HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS 22

3.1 Đặc tính kỹ thuật của SIP 22

3.2 Thủ tục đăng ký 23

3.3 Thủ tục thiết lập phiên 25

3.3.1 Thủ tục khởi xướng phiên 27

3.3.2 Thủ tục từ S-CSCF tới S-CSCF 30

3.3.3 Thủ tục kết cuối Mobile 33

3.3.4 Tổng kết thủ tục thiết lập phiên 37

3.4 Thủ tục giải phóng phiên 38

3.5 Một số chuẩn mở rộng .40

3.5.1 Chuẩn nén SIGCOMP 40

3.5.2 Giao thức mô tả phiên SDP (Session Description Protocol) 42

3.5.3 Dự trữ tài nguyên (Resource Reservation) 43

CHƯƠNG IV: HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS TRÊN NỀN IPV6 VÀ TRIỂN KHAI TRONG MẠNG VIỄN THÔNG Ở VIỆT NAM 44

4.1 Hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 44

4.1.1 Sự liên kết mạng giữa Ipv4 và Ipv6 44

4.1.2 Trạng thái lưu lượng truyền thông và đẩy mạnh IPv6 46

4.1.3 Kết luận và giải pháp trong tương lai .48

4.2 Triển khai IMS tại Việt Nam 48

4.2.1 Giới thiệu về viễn thông Việt Nam 48

4.2.2 Triển khai IMS tại Việt Nam 50

KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

DANH MỤC VIẾT TẮT

Internet

dùng

internet

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: SIP trong mô hình TCP/IP 1

Hình 1.2: Cấu trúc của SIP 4

Hình 1.3: Sơ đồ User Agent 4

Hình 1.4: Cấu trúc bản tin SIP 6

Hình 2.1: Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông 8

Hình 2.2: Kiến trúc phân lớp của IMS 11

Hình 2.3: Kiến trúc IMS của 3GPP 11

Hình 2.4: Các máy chủ ứng dụng IMS 12

Hình 2.5: Kiến trúc các CSCF 14

Hình 2.6: Kiến trúc MRF 18

Hình 2.7: Kết nối IMS và mạng PSTN/CS 20

Hình 2.8: IMS-ALG và TrGW 21

Hình 3.1: Luồng bản tin báo hiệu đăng ký 23

Hình 3.2: Sự đăng ký IMS 25

Hình 3.3 Các thủ tục của phiên SIP 26

Hình 3.4: Thủ tục khởi xướng di động – Roaming 28

Hình 3.5 Thủ tục S-CSCF tới S-CSCF giữa hai mạng khác nhau .31

Hình 3.6 Thủ tục kết cuối mobile trong trường hợp chuyển mạng 35

Hình 3.7 Luồng gọi từ Mobile tới Mobile được đơn giản hóa 37

Hình 3.8 Thủ tục giải phóng phiên 38

Hình 4.1: Sự liên kết mạng giữa client IPv4 và IPv6 44

Hình 4.2: Sự liên kết mạng giữa Ipv4 và Ipv6 45

Hình 4.3: Đặc điểm ANAT của SBC 47

Hình 4.4: Biểu đồ thuê bao điện thoại cố định 49

Hình 4.5: Biểu đồ thuê bao di động 49

Hình 4.6: Biểu đồ người dùng sử dụng Internet 49

Hình 4.7: Mô hình triển khai hệ thống IMS của VNPT 50

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN GIAO THỨC SIP1.1 Định nghĩa

Giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol) là một giao thức báohiệu được thực hiện điều khiển phiên cho các kết nối đa dịch vụ Về cơ bản, hoạt độngđiều khiển bao gồm khởi tạo, thay đổi và kết thúc một phiên có liên quan đến các phần

tử đa phương tiện như thoại, message, game trực tuyến…

Ngoài ra giao thức khởi tạo phiên được sử dụng để thiết lập các phiên trong mạng

IP, một phiên có thể đơn giản là một cuộc điện thoại 2 chiều, một thông báo danh sáchcác tin nhắn hoặc một hội nghị sử dụng truyền thông đa chiều

Vị trí của SIP trong ngăn xếp giao thức đa phương tiện, SIP là một giao thức thuộc lớp ứng dụng trong mô hình TCP/IP

Hình 1.1: SIP trong mô hình TCP/IP

1.1.1 Chức năng của SIP

• Thứ nhất, nó kích thích sự phát triển của các mô hình ứng dụng và dịch vụ dựatrên Web Đây là một điều kiện thuân lợi đối với các nhà cung cấp dịch vụ do được sửdụng nguồn tài nguyên dồi dào các công cụ có sẵn và cũng thuận lợi đối với ngườidung vì họ đã quen thuộc với cách sử dụng Web

• Thứ hai là khả năng mở rộng, lí do và SIP là giao thức có tính phân bố cao, và là giao thức báo hiệu đồng cấp, khác với các giao thức báo hiệu truyền thống khác, đặc biệt là báo hiệu số 7(SS7) có tính xử lý tập trung cao, trong đó nó hoạt động của nó tập

trung tại một số điểm báo hiệu có cấu trúc mạng báo hiệu phức tạp; các phần tử SIPphân tán đến tận biên của mạng và được nhúng tới các điểm đầu cuối.

• Thứ ba là khả năng phổ cập của SIP Được phát triển bởi IETF, SIP kế thừa cácđặc điểm của 2 giao thức HTTP ( sử dụng cho web) và SMTP ( sử dụng cho e-mail).Dựa vào các nguyên tắc có được từ môi trường IP, SIP được thiết kế là giao thức độclập ứng dụng, có tính mềm dẻo và có khả năng áp dụng cho nhiều môi trường khácnhau và cung cấp các dịch vụ đa dạng

SIP là giao thức báo hiệu điều khiển thuộc lớp ứng dụng

Ưu điểm của SIP so với các giao thức báo hiệu khác đó chính là tính mềm dẻo, được thiết kế nhanh và đơn giản

1.1.2 Các chức năng điều khiển của giao thức khởi tạo phiên (SIP)

SIP hỗ trợ 5 chức năng điều khiển phiên sau:

• Định vị người dung ( User Location): Xác định vị trí thiết bị đầu cuối củakhách hàng

• Khả dụng người dùng ( User Availability): Xác định trạng thái sẵn sàng củathuê bảo bị gọi để thiết lập đường truyền

• Năng lực người dùng (User Capability): Xác định phương tiện và các thông sốđược sử dụng

• Thiết lập phiên ( Session setup): Thiết lập các thông số của phiên cho cả thuêbao chủ gọi và thuê bao bị gọi

• Quản lí phiên ( Session management): Tạo, kết thúc, sửa đổi phiên

1.1.3 Một số khái niệm trong SIP

• Cuộc gọi (Call): Một cuộc gọi bao gồm tất cả các thành viên được mời bởi mộttài nguyên chung

• Client: là một chương trình ứng dụng gửi đi các yêu cầu SIP ( request) Client

có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc không đến người sử dụng Client chứa trong cácProxy và UA( user agent)

• Server: là một chương trình ứng dụng có nhiệm vụ nhận các yêu cầu hợp lệ từcác dịch vụ và gửi trả lại đáp ứng Server có thể là Proxy, Redirect, UAS

• Đáp ứng kết thúc (Final Respond) : là đáp ứng kết thúc một phiên giao dịch SIP.Các bản tin đáp ứng :1xx là các bản tin chung, 2xx là bản tin đã nhận thành công,

3xx chuyển địa chỉ, 4xx yêu cầu không được đáp ứng hoặc bản tin đó chứa cúpháp bị lỗi, 5xx là sự cố của server, 6xx là sự cố toàn mạng.

• Lời mời (INVITATION): là yêu cầu được gửi từ User hoặc Server đề nghị thamgia vào một phiên hội thoại Một lời mời đầy đủ bao gồm một yêu cầu INVITEngay sau yêu cầu ACK (acknowledge)

• ACK: bản in này khẳng định client đã nhận được bản tin trả lời bản tin INVITE

• BYE: Bắt đầu và kết thúc một cuộc gọi

• CANCEL: hủy yêu cầu đang nằm trong hàng đợi

• REGISTER: đầu cuối SIP sử dụng bản tin này để đăng ký với REGISTRARSERVER

• OPTIONS: sử dụng để xác định năng lực của server

• Phiên (Session): theo đặc tả SDP ( giao thức mô tả phiên) thì một phiên đatruyền thông là tập hợp các người gửi và nhận cùng với dòng dữ liệu từ nơi gửiđến nơi nhận

• Bản tin: dữ liệu gửi giữa các phần tử SIP, nó như một phần của giao thức Có 2loại bản tin là bản tin yêu cầu (Request) và đáp ứng (Response)

• Yêu cầu (Request): là một bản tin được gửi từ client đến server và yêu cầu hoạtđộng

• Đáp ứng (Response): là bản tin được gửi từ server đến client chỉ ra trạng tháicủa yêu cầu gửi từ client đến server

• Proxy, Proxy server: hoạt động như một phần tử trung gian, đóng vai trò nhưServer, Client

1.2 Thành phần SIP

Giao thức SIP gồm 2 thành phần chính:

• Đại lý người dung ( User Agent)

• Máy chủ mạng (Network server)

Hình 1.2: Cấu trúc của SIP

1.2.1 UA (User Agent):

UA là hệ thống cuối cùng hoạt động trên nhân danh của người dùng, UA phải cókhả năng thiết lập một phiên của phương tiện này với các UA khác UA bao gồm UAC(User Agent Client) để thiết lập cuộc gọi và UAS (User Agent Server) dùng để kết thúccuộc gọi

UA có thể là máy điện thoại SIP hoặc máy tính chạy phần mềm đầu cuối SIP ( Điệnthoại SIP giống như điện thoại VoIP hoặc điện thoại mềm, các điện thoại này cho phépthực hiện cuộc gọi và sử dụng bằng công nghệ VoIP giao thức truyền giọng nói quaInternet, điện thoại SIP chạy trên phần cứng giống như điện thoại để bàn nhưng cũng

có thể nhận các cuộc qua Internet mà không cần phải sử dụng hệ thống PSTN truyềnthống, điện thoại SIP cũng có thể chạy trên phần mềm)

Hình 1.3: Sơ đồ User Agent

1.2.2 Máy chủ mạng (Network Server)

Máy chủ mạng bảo gồm:

• Máy chủ ủy quyền (Proxy Server): hoạt động như một phần tử trung gian, cũngnhư một client và server nhằm mục đích tạo ra các yêu cầu thay mặt cho các clientkhác

• Máy chủ định vị (Location Server): là phần mềm định vị thuê bao, cung cấpthông tin về những vị trí có thể của thuê bao bị gọi cho các phần mềm máy chủ ủyquyền mà máy chủ chuyển đổi địa chỉ

• Máy chủ chuyển đổi địa chỉ( Redirect Server): là phần mềm nhận yêu cầu SIP

và chuyển đổi địa chỉ SIP sang một địa chỉ khác và gửi lại đầu cuối

• Máy chủ đăng ký( Register Server): là phần mềm nhận các yêu cầu đăng ký, trong

nhiều trường hợp máy chủ đảm nhiệm luôn chức năng an ninh như xác nhận người dùng

1.2.3 Địa chỉ SIP

Địa chỉ SIP thường là URI với giản đồ SIP, hoặc là SIPs được sử dụng trong 1 sốtrường header như To, From, Contact để chỉ ra đích SIP URI chứa bản đồ SIP với dấu

‘:’ sau đó sẽ là địa chỉ có dạng n a m e @ d o m a i n hoặc địa chỉ IPv4, tiếp theo là dấu ‘:’sau

đó là post number, và sau là ‘;’, các thông số của URI được phân cách bởi dấu ‘;’

Ví dụ: sip: l op.D1 1V T1 @ tr a ns f or m or g : 5060; transport=udp; method=INVITE;ttl=1;maddr=240.101.102.103

Số cổng 5060 dành cho SIP, với SIP URI nếu như không có cổng, thì nó giả định là

5060, SIPs URI cổng được giả định là 5061

• Thông số truyền tải “transport” là UDP được sử dụng, các thông số transportkhác có thể là TCP,TLS

• Thông số Method được sử dụng để chỉ ra các phương thức được sử dụng Giá trịmặc định là INVITE Thông số này không có trong các trường header và from,nhưng có thể sử dụng trong header contact để đăng ký

• Thông số ttl(time to live) chỉ được sử dụng nếu như thống số maddr chứa địa chỉmulticast và thông số truyền tải chứa UDP Giá trị mặc định là 1

• Thông số maddr chứa các địa chỉ multicast khi mà các yêu cầu có thể chuyểnhướng

1.2.4 Cấu trúc bản tin SIP

Bản tin SIP có ba phần: startline, header, và message body:

Hình 1.4: Cấu trúc bản tin SIP

a) Startline:

Startline có 2 loại: Request và Response

Request Method Request – URI SIP – Version Response SIP-Version Status-Code Response-Phrase

B ả n g 1 1 : Cấ u t r ú c p h ầ n s t a r t l i n e t r o n g b ả n t i n S I P

b) Header:

SIP có 4 loại header: general header, entity header, request header, và respone

header 2 loại đầu xuất hiện trong cả 2 loại bản tin, 2 cái sau xuất hiện trong loại bản

tin là request hoặc response Một start line cho phép đi kèm với một hoặc nhiều header.Tùy theo bản tin là request hay response mà ta dùng header cho phù hợp

c) Message Body:

SIP message body: Phần thân (body) của bản tin SIP chứa những mô tả phiên giốngnhư phần mô tả trong SDP Một mô tả phiên gồm có 3 phần: mô tả phiên (a singlesession description), mô tả thời gian (zero or more time descriptions), and mô tả vềtruyển dẫn (zero or more media descriptions)

Session Description

Session

Descripton Descripton Time Descripton Media

B ả n g 1 2 : Cấ u t r ú c p h ầ n t h â n b ả n t i n S I P

2.1 Định nghĩa

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ IMS

IMS ( IP Multimedia Subsystem), là một phần của kiến trúc mạng thế hệ kế tiếp(NGN) và được cấu thành và phát triển bởi tổ chức 3GPP, 3GPP2 và tổ chức đứng đầumạng Internet là IETF để hỗ trợ truyền thông đa phương tiện hội tụ giữa các tín hiệuthoại, video, audio với dữ liệu và hội tụ truy nhập giữa mạng 2G, 3G và mạng khôngdây

IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phânphối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông quamạng 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 truyềnhình, cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX

IMS hồ trợ nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, bao gồm các dịch vụ nhắn tin tứcthời (Instant Messaging - IM), hội nghị truyền hình (Video Conferencing) và Videotheo yêu cầu (Video on Demand - VoD) IMS cũng có khả năng cung cấp các cơ chếxác thực và chuyển đổi giữa các mạng khác nhau cho khách hàng di động Do đó, các

tổ chức tiêu chuẩn như ITU, ETSI đã chọn IMS làm nền tảng cho mạng hội tụ

Hình 2.1: Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông

Một trong những mục đích đầu tiên của IMS là giúp cho việc quản lý mạng trởnên dễ dàng hơn bằng cách tách biệt chức năng điều khiển và chức năng vận tải thôngtin Một cách cụ thế, IMS là một mạng phủ (overlay), phân phối dịch vụ trên nền hạtầng chuyển mạch gói IMS cho phép chuyển dần từ mạng chuyển mạch kênh sangchuyển

mạch gói trên nền IP, tạo thuận lợi cho việc quản lý mạng thông tin di động Việc kếtnổi giữa mạng cố định và di động đã góp phần vào tiến trình hội tụ mạng viễn thôngtrong tương lai IMS cho phép người dùng có thế sử dụng một hay nhiều loại thiết bịkhác nhau, di chuyến từ mạng này sang mạng khác mà vẫn có thể dùng cùng một dịchvụ.

IMS sử dụng các giao thức đã được chuẩn hóa như SIP (điều khiển, thiết lậpphiên), 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 vệkhác nhau để ngăn chặn sự tấn công từ bên ngoài và kiểm soát người dùng truy nhập từcác mạng khác

Để các đầu cuối đường dây có thể truy nhập độc lập với vận hành và bảo dườngqua mạng Internet, phân hệ đa phương tiện IP đã cố gắng tương thích với các chuẩnIETF (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 thốngsang VoIP để tối ưu cho giá thành đầu tư và giá thành dịch vụ Tuy nhiên nếu chỉchuyển sang mỗi mạng VoIP thì vẫn không đủ đế giải quyết hết những lo âu về giáthành đầu tư, giá cước thu nhập mà còn phải tăng nhiêu chi phí mới Khi dịch vụ thoạichuyển sang mạng IP, nó sẽ trở thành một phần của bộ các dịch vụ truyền thônghướng kết nối đa phương tiện thời gian thực chạy trên mạng IP và cùng chia sẻ môhình hoạt động client- server chung như dịch vụ tin khẩn, cuộc gọi khẩn, hội nghịmạng và các dịch vụ VoIP,

3G Thêm vào đó để VoIP có thể hỗ trợ lớp các dịch vụ mới như dịch vụ đa phươngtiện, dịch vụ tích hợp thì cần có một nền tảng chuyền tiếp dịch vụ mới Nền tảng ở đâyđược chọn chính là IMS do 3GPP định nghĩa và phát triển Giải pháp của họ là kết hợpthoại thế hệ kế tiếp với hệ thống dữ liệu, phần mềm và các dịch vụ chuyên nghiệp đểđáp ứng hoạt động trên cả mạng dây và mạng không dây

2.2 Kiến trúc IMS

Với việc nghiên cứu và phát triển IMS, các yêu cầu cơ bản về cấu trúc của một hệthống IMS đã được đặt ra gồm:

• Hỗ trợ các phiên truyền thông đa phương tiện;

• Kết nối IP cho các thiết bị di động trên cả vùng mạng nhà và mạng khách;

• Đảm bảo chất lượng thông tin cho các phiên đa phương tiện;

• Hỗ trợ các chính sách sử dụng đúng tài nguyên yêu cầu;

• Đảm bảo an toàn thông tin trong các môi trường kết nối;

• Hỗ trợ chính sách tính cước;

• Thực hiện chuyển vùng linh hoạt, phối hợp kết nối với các mạng khác;

• Ứng dụng cơ chế điều khiển dịch vụ linh hoạt;

• Phân lớp cấu trúc và đa dạng hình thức truy nhập

Chính từ các yêu cầu đó, về kiến trúc IMS, tiêu chuẩn tổ chức 3GPP không chuẩnhóa các node mạng mà chuẩn hóa các chức năng Điều này có nghĩa rằng kiến trúc củaIMS là sự tổ hợp của các chức năng được gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đãđược chuẩn hóa Mục tiêu kiến trúc IMS là cung cấp nhiều giá trị gia tăng hơn cho nhàcung cấp mạng, người phát triển ứng dụng, người cung cấp dịch vụ cũng như người sửdụng các thiết bị đầu cuối Kiến trúc IMS giúp các dịch vụ mới được triển khai mộtcách nhanh chóng với chi phí thấp Với IMS, nhà cung cấp mạng sẽ không chỉ làmcông tác chuyển tải thông tin một cách đơn thuần mà trở thành tâm điểm trong việcphân phối dung lượng thông tin trong mạng, đóng vai trò quan trọng trong việc đảmbảo chất lượng dịch vụ cũng như kịp thời thay đổi để đáp ứng các tình huống khácnhau của khách hàng

Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp chức năng:

• Lớp dịch vụ, ứng dụng (Application plane)

• Lớp điều khiển (Control plane) hay là lớp IMS, IMS lõi

• Lớp truyền tải và người dùng (Transport & User plane)

Hình 2.2: Kiến trúc phân lớp của IMS

Hình 2.3: Kiến trúc IMS của 3GPP

Lớp dịch vụ: bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các

máy chủ thuê bao thường chú HSS ( Home Subscriber Server)

Lớp điều khiển: bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi Lớp truyền tải: bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng

truy nhập kết nối vào mạng lõi IP

2.2.1 Lớp dịch vụ

Máy chủ ứng dụng (Application Server - AS)

AS là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ Tùythuộc vào dịch vụ thực tế mà AS hoạt động trong chế độ SIP Proxy, SIP UA hay SIPB2BUA 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 đế IMSgiao tiếp với OSA và gsmSCF

Ngoài ra các máy chủ có thể được kết nối tới HSS đề tải về hoặc gửi lên cácthông tin dữ liệu của khách hàng SIP AS, OSA-SCS giao tiếp với HSS thông quagiao thức Diameter trong khi đó IM-SSF sử dụng giao tiếp MAP (Mobile ApplicationPart)

AS có thể đặt ở mạng nhà hoặc ở mạng ngoài mà nhà điều hành mạng nhà xácnhận sự đồng ý dịch vụ Nếu AS đặt ở ngoài mạng nhà, nó không tương tác với HSS.Các AS được mô tả như sau:

Hình 2.4: 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 ĨP dựa trên nền SIP

Máy chủ tiềm trữ phục vụ OSA: OSA-SCS (Open Service Access -Servicecapability Server): AS này cung cấp một giao tiếp đến máy chủ ứng dụng truy nhậpdịch vụ mở (OSA), thừa hưởng tất cả các tính năng của OAS đặc biệt là khả năng truynhập bảo mật từ các mạng bên ngoài OSA-SCS giao tiếp với máy chủ ứng dụng OSAthông qua giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface)

Chức năng chuyển mạch đa dịch vụ IP: IM-SSF (IP Multimedia ServiceSwitching 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 đượcphát 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).

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 trungtâm lưu trừ cho thông tin người dùng, nó được phát triển từ HLR (Home LocationRegister) trong hệ thống GSM HSS là một cư sớ dữ liệu lưu trữ thông tin của tất cáccác thuê bao khách hàng Dữ liệu này bao gồm thông tin vị trí, thông tin bảo mật (baogồm 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 đượcxây dựng theo cơ chế có dự phòng để tránh bị mất thông tin khi có lồi xảy ra

Chức năng định vị thuê bao SLF (Subscriber location Function) là một CSDLnhằm xác định thông tin của khách hàng đang được lưu trên HSS nào Chính vì vậy vớinhững mạng mà chỉ có 1 HSS thì không yêu cầu phải có SLF, tuy nhiên trong trườnghợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF sẽ đượcthiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng

tiện Các chức năng của nó bao gồm:

2.2.2.1 Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF)

CSCF (Call Session Control Function) - Chức năng này là đặc biệt cần thiết choIMS, làm nhiệm vụ xử lý các bản tin báo hiệu SIP trong hệ thống IMS CSCF cónhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hồ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng nhưquản lý những tương tác dịch vụ của người dùng Tùy thuộc vào chức năng mà nhàkhai thác cung cấp CSCF có 3 loại:

• CSCF ủy quyền - P-CSCF (Proxy-CSCF).

• CSCF tham vẫn - I-CSCF (Interrogating-CSCF).

Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCFtrong mạng mà nó đang kết nối Một P-CSCF được chỉ định cho một đầu cuối IMStrong suốt quá trình đăng ký và không thay đổi trong khoảng thời gian này

Chức năng của P-CSCF bao gồm:

 P-CSCF nằm trên đường truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu trong

hệ thống IMS Nó có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào

 P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tiếp các yêu cầu từ UE đến máychủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP

về UE, điều này ngăn chặn quá trình khởi tạo các bản tin không đúng theokhuôn dạng của SĨP từ các đầu cuối IMS

 P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết

bị IMS của người dùng Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing,replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng

 P-CSCF cũng bao gồm các chức năng nén và giải nén các bản tin SIP Cơchế này giúp giảm được thời gian trễ khi truyền lan các bản tin SIP trong mạng,giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độthấp

 P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (PolicyDecision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phươngtiện

 P-CSCF cũng tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ

 P-CSCF có thể được đặt trong mạng chủ hoặc mạng khách, đối với mạng

di động dựa trên nền GPRS, P-CSCF luôn được đặt cùng vị trí với nút hỗ trợcổng vào ra GPRS (GGSN - Gateway GPRS Support Node)

b) I-CSCF (Interrogating – CSCF)

CSCF truy vấn là một SIP Proxy nằm tại biên của vùng quản lý Trong

hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ, I-CSCF là điểm liên lạc cho tất cảcác kết nổi hướng đến một UE nằm trong mạng đó Địa chỉ IP của I- CSCFđược chứa trong máy chủ DNS của hệ thống Chức năng của I-CSCF bao gồm:

 Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến CSCF tương ứng Để làm được điều này, I-CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông quaDIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng Nếu nhưchưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCFcho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP Ngược lại, I-CSCF sẽ định tuyến thôngđiệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằmtrong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác

S- I-CSCF còn mã hoá các phần của các thông điệp SIP mà chứa các thôngtin nhạy cảm về vùng như: số lượng server trong vùng, tên DNS hay dung lượngcủa chúng Chức năng này còn được gọi là THIG, nó thường không được triểnkhai bởi hầu hết các mạng

 I-CSCF thường đặt trong mạng chủ.Trong một vài trường hợp đặc biệt(I- CSCF có tính năng THIG) nó có thể được đặt ở một mạng khách

Số lượng I-CSCF trong một mạng tùy thuộc vào quy mô và độ dư của mạng đó.

c) S-CSCF (Serving – CSCF)

CSCF phục vụ là một nút trung tâm của hệ thống báo tín hiệu IMS S-CSCF vậnhành giống như một máy chủ SIP nhưng nó bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch

vụ Các chức năng chính của S-CSCF bao gồm:

 Tiến hành các đăng ký SIP nhằm thiết lập mối liên hệ giữa địa chỉ ngườidùng (địa chỉ IP của thiết bị) với địa chỉ SIP S-CSCF đóng vai trò như một máychủ Registar trong hệ thống SIP, có nghĩa là S-CSCF duy trì một liên kết giữa vịtrí người dùng (như địa chỉ IP mà người dùng login vào hệ thống) và bản ghi địachỉ SIP của người dùng

 S-CSCF tham gia trong tất cả các quá trình báo hiệu từ hệ thống IMS vềngười dùng

 Nó có thể kiếm tra bất kỳ thông điệp nào nếu muốn

 S-CSCF giữ vai trò quyết định chọn lựa AS nào sẽ cung cấp dịch vụ chongười dùng Nó giữ vai trò định tuyến dịch vụ thông qua việc sử dụng giải phápDNS/ENUM (Electronic Numbering)

 S-CSCF thực hiện các chính sách của nhà cung cấp dịch vụ S-CSCFtương tác với máy chủ AS để yêu cầu các hồ trợ dịch vụ cho khách hàng S-CSCF liên lạc với HSS để lấy thông tin, cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng

và tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ

 Nhận thực người dùng bằng cơ chế nhận thực và đồng thuận khoá IMS(AKA) giữa UE và mạng nhà

 Tải thông tin người dùng và dữ liệu liên quan đến dịch vụ từ HSS trongsuốt quá trình đăng ký hoặc khi xử lý một yêu cầu tới người dùng không đượcđăng ký

 Định tuyến lưu lượng đầu cuối di động tới P-CSCF và định tuyến lưulượng khởi xướng từ di động tới I-CSCF, thực thể chức năng điều khiển cổngthoát BGCF) hay máy chủ ứng dụng (AS)

 Thực hiện chức năng điều khiển phiên S-CSCF có thể hoạt động giốngnhư một máy chủ đại diện

 Tương tác với các nền tảng dịch vụ

 Phiên dịch số E.164 tới URI dùng để nhận dạng tài nguyên hợp nhất sửdụng cơ chế phiên dịch hệ thống tên miền (DNS) Chức năng này là cần thiết doviệc định tuyến cho một bản tin SIP trong IMS chỉ sử dụng các SIP URI, nghĩa

là trong trường hợp một khách hàng quay một số điện thoại thay vì sử dụng SIPURI thì S-CSCF phải sử dụng các dịch vụ phiên dịch số

 Giám sát bộ định thời đăng ký và có thể đăng ký lại khi cần

 Thực hiện kiểm tra phương tiện S-CSCF có thể kiểm tra nội dung tải tinSDP và kiểm tra xem nó chứa các loại phương tiện hay codec Khi SDP khôngphù hợp với chính sách của nhà điều hành hoặc yêu cầu dịch vụ của khách hàngthì SCSCF sẽ loại bỏ yêu cầu và gửi đi bản tin báo lỗi SIP

 Duy trì bộ đinh thời phiên Nó cho phép S-CSCF phát hiện và giải phóngcác tài nguyện do các phiên đang chiếm dụng

 Tạo và gửi thông tin tính cước tới nút tính cước CCF để tính cước offline

và tới hệ thống OCS để tính cước online

S-CSCF luôn được đặt trong mạng chủ Số lượng S-CSCF trong một mạng phụthuộc vào quy mô và độ dư của mạng đó Mỗi S-CSCF chỉ phục vụ cho một số lượngthiết bị đầu cuối IMS nhất định

2.2.2.2 Chức năng điều khiển kết nối mạng

a) Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF)

BGCF (Breakout Gateway Control Function) chịu trách nhiệm lựa chọn mạngPSTN hoặc mạng chuyển mạch kênh (CSN) mà lưu lượng trong IMS sẽ được địnhtuyến sang Quá trình này có thể lựa chọn ra lối thoát trong chính mạng cấp phátBGCF hoặc lối thoát tới mạng khác Trong trường hợp thứ nhất, BGCF sẽ lựa chọnmột thực thể chức năng MGCF để xử lý phiên Trường hợp thứ hai, BGCF sẽ chuyểntiếp phiên tới BGCF khác trong mạng được lựa chọn Ngoài ra, BGCF cũng có chứcnăng gửi thông tin tính cước tới CCF

b) Chức năng điều khiển cổng truyền thông (MGCF).

MGCF ( Media Gateway Control Function) là thành phần cổng nối của PSTNhay CS và mạng IMS Nút này có nhiệm vụ quản lý cổng đa phương tiện, bao hàm cácchức năng như: liên lạc với S-CSCF để quản lý các cuộc gọi trên kênh phương tiện,làm trung gian chuyển đổi (conversion) giữa giao thức báo hiệu ISUP và SIP MGCFquản

lý một hay nhiều IM-MGW (IP Multimedia-Media Gateway) IM-MGW sẽ tương tácvới MGCF đế quản lý tài nguyên IM-MGW đóng vai trò là điểm chuyển đồi nội dung

đa phương tiện giữa mạng chuyến nối gói và chuyên nối mạch khi thông tin truyền từmạng này sang mạng khác

2.2.2.3 Chức năng tài nguyên truyền thông đa phương tiện (MRF)

Kiến trúc liên quan đến chức năng tài nguyên đa phương tiện MRF (MediaResource Function) được thể hiện trong hình sau:

Hình 2.6: Kiến trúc MRF

Chức năng này cung cấp tài nguyên truyền thông trong mạng chủ với khả năngvận hành thông báo, pha trộn luồng dừ liệu, chuyến đôi các loại mã khác nhau và sắpxếp dữ liệu đã được phân tích trong hệ thống IMS MRF luôn được đặt trong mạng chủIMS

Chức năng quản lý tài nguyên đa phương tiện MRF (Media Resource Function)

có thể phân ra thành 2 thành phần: MRFC (Media Resource Function Controller) vàMRFP (Media Resource Function Processor)

 MRFC có vai trò quản lý tài nguyên cho các dòng dừ liệu đa phương tiệntrong MRFP (Media Resource Function Processor), giải mã thông điệp đến từmáy chủ ứng dụng AS truyền qua S-CSCF, điều khiển MRFP tương ứngcũng như tham gia vào quá trình tính cước

 MRFP đóng vai trò quan trọng trong việc thích ứng nội dụng dịch vụ,chuyển đổi định dạng (transcoding) nội dung

2.2.3 Lớp truyền tải

Chúng ta xem NASS và RACF là 2 thành phần thuộc lớp vận tải Vài trò của 2 thành phần này được miêu tả dưới đây:

2.2.3.1 NASS (Network Attachment Subsystem).

Chức năng chính của NASS bao gồm:

 Cung cấp một cách linh hoạt địa chỉ ĨP cũng như các thông sổ cấu hình khác cho UE (sử dụng DHCP)

 Nhận thực người dùng trước và trong quá trình cấp phát địa chỉ IP

 Cấp phép cho mạng truy nhập dựa trên hồ sơ mạng

 Quản lý định vị người dùng

 Hỗ trợ quá trình di động và roaming của người dùng

2.2.3.2 RACF (Resource & Admission Control Functionality).

RACF bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch vụ(S- PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF)

a) S-PDF (Serving Policy Decision Function)

Dưới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy)bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển nhũng quyết định này tới A-RACF.S- DPF cung cấp một cách nhìn trừu tượng về các chức năng truyền tải với nội dunghay các dịch vụ ứng dụng Bằng cách sử dụng S-DPF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nênđộc lập với việc xử lý dịch vụ

b) A-RACF (Access Resource and admission Control Function)

nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF A-RACF sẽ sử dụng thông tin QoSnhận được tù’ S-PDF để quyết định chấp nhận hay không chấp nhận kết nối A-RACFcũng thực hiện chức năng đặt trước tài nguyên và điều khiển các thực thểNAT/Firewall

2.2.3.3 PSTN/CS Gateway

PSTN Gateway cung cấp giao diện đến mạng chuyển mạch kênh, cho phép cácđầu cuối IMS có thể thực hiện và nhận các cuộc gọi đến và từ PSTN (hoặc bất cứ mạngchuyên mạch kênh nào)

IMS kết nổi tới mạng PSTN/CS thông qua cổng giao tiếp PSTN chức năngnày được phân chia thành 3 chức năng nhỏ: SGW, MGCF, MGW như trong hìnhsau:

Hình 2.7: Kết nối IMS và mạng PSTN/CS

a) Chức năng cổng báo hiệu (SGW)

SGW (Signalling Gateway Function) được sử dụng để kết nối các mạng báohiệu khác nhau ví dụ mạng báo hiệu SCTP/ IP và mạng báo hiệu SS7 Chức năng cổngbáo hiệu có thể triển khai như một thực thể đứng một mình hoặc bên trong một thựcthể khác Các luồng phiên trong đặc tả này không thể hiện SGW nhưng khi làm việcvới PSTN hay miền chuyển mạch kênh thì cần có một SGW để chuyển đổi truyền tảibáo hiệu

b) Chức năng cổng kết nối đa phương tiện (MGW)

Cổng kết nối đa phương tiện MGW (Media gateway function) có thể kết thúccác kênh mang từ mạng chuyển mạch kênh và các luồng phương tiện từ mạng chuyểnmạch gói (ví dụ dòng RTP trong mạng IP) IMSMGW có thể hỗ trợ chuyển đổiphương tiện điều khiển mạng và xử lí tải trọng (ví dụ mã hóa, triệt vọng, cầu hội nghị)

c) IMS GW và TrGW.

Như đã trình bày, IMS hỗ trợ hai phiên bản IP là IPv4 và IPv6 Tại một số điềmcủa một phiên, sự liên mạng giữa hai phiên bản này có thê xảy ra Đê có thê chuyênđôi giữa IPv4 và IPv6 mà không cần một thiết bị hỗ trợ nào, IMS có thêm hai thực thểchức năng đổ cung cấp quá trình chuyển đổi, đó là: IMS Application LayerGateway(IMS- ALG) và Transition Gateway (TrGW)

Hình 2.8 thể hiện mối quan về giữa IMS-ALG, TrGW và các phần của IMS.IMS-ALG đóng vai trò như một SIP B2BUA để duy trì 2 phần báo hiệu độc lập, mộthướng đến mạng IMS và một hướng đến mạng khác Mỗi phần này chạy trên 2phiên bản IP khác nhau

Hình 2.8: IMS-ALG và TrGW

Thêm nữa, IMS-ALG sẽ viết lại SDP bằng cách thay đồi địa chỉ IP và so portđược tạo bởi đầu cuối với một hay nhiều địa chỉ IP và port được cấp phát bởi TrGW.IMS- ALG tương tác với I-CSCF cho lun lượng vào và với S-CSCF cho lun lượng raqua giao diện

TrGW thực sự là một NAT-PT/NAPT-PT (Network Address Port Protocol Translator) Nó được cấu hình với một pool của IPv4 được tự động cấp phátcho một phiên TrGW thực hiện việc chuyển đổi tại mặt bàng phương tiện (như RTP,RTCP)