Nghiên cứu IMS và ứng dụng cung cấp các dịch vụ băng rộng cho mạng viễn thông của VNPT

MỞ ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin thì sự bùng nổ về các dịch vụ tiện ích trên mạng viễn thông và internet là tất yếu, đặc biệt đối với thị trường đ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

Nguyễn Hoàng Dương

NGHIÊN CỨU IMS VÀ ỨNG DỤNG CUNG CẤP CÁC DỊCH VỤ BĂNG RỘNG CHO MẠNG VIỄN THÔNG CỦA VNPT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: T.s Hoàng Văn Võ

Phản biện 1: Ts.Hoàng Ứng Huyền

Phản biện 2: PGS.Ts Lê Nhật Thăng

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: giờ ngày 15 tháng 02 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin thì sự bùng nổ về các dịch vụ tiện ích trên mạng viễn thông và internet là tất yếu, đặc biệt đối với thị trường đầy tiềm năng như nước ta Để đáp ứng được sự phát triển vượt bậc đó, mạng viễn thông cần phải có khả năng linh hoạt cao, tốc độ truyền dẫn lớn, băng thông rộng, đa dịch vụ đáp ứng mọi nhu cầu trao đổi thông tin của xã hội Trong đó đẩy mạnh phát triển các dịch vụ ứng dụng trên hạ tầng băng rộng, hội tụ các dịch vụ về mọi mặt, phát triển các dịch vụ mới phù hợp với xu hướng hội

tụ công nghệ dịch vụ Viễn thông

Trong đó, IP là công nghệ mang tính hội tụ cao, giúp cho nhà khai thác dịch vụ viễn thông cung cấp đa dạng dịch vụ trên một hạ tầng mạng duy nhất

Xu hướng phát triển mạng NGN hiện nay theo hướng toàn IP với việc sử dụng phân hệ IMS (IP Multimedia Subsystem – Phân hệ đa phương tiện IP) cho phép nhiều mạng truy nhập khác, bao gồm cả mạng di động lẫn mạng cố định, cung cấp các dịch vụ băng rộng một cách nhanh chóng, kết nối với nhau thông qua lớp dịch vụ chung để cung cấp các gói dịch vụ hội tụ

Hiện nay, VNPT đã triển khai IMS để cung cấp dịch vụ điện thoại cố định trên toàn bộ các tỉnh thành, nhưng chưa được đồng bộ và tận dụng hết khả năng của hệ thống Do đó, việc nghiên cứu đề xuất các phương án triển khai các dịch vụ băng rộng trên nền mạng NGN IMS cho VNPT là một vấn đề cấp thiết

Trước thực trạng như vậy, học viên đề xuất « Nghiên cứu IMS và ứng dụng cung cấp các dịch vụ băng rộng cho mạng viễn thông của VNPT»

CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ IMS

Mục tiêu của chương này nhằm giới thiệu xu hướng phát triển mạng viễn thông, xu hướng phát triển các dịch vụ viễn thông, giới thiệu tổng quan về NGN-IMS và khả năng cung cấp các dịch vụ băng rộng của IMS

1.1 Xu hướng phát triển mạng viễn thông

Môi trường kinh doanh ngày càng mang tính cạnh tranh và phức tạp hơn bao giờ hết Bảo đảm chất lượng dịch vụ trở thành tiêu chí sống còn, là nguyên nhân dẫn tới thành công của các nhà cung cấp dịch vụ Song song với xu thế này, nhu cầu cũng ngày càng gia tăng đối với các dịch vụ truyền thông mới, đòi hỏi khả năng đáp ứng việc cung cấp dịch vụ hoặc tăng tính cạnh tranh Chính là vậy một mạng viễn thông mới ra đời phải đảm bảo sự hội tụ của 3 yếu tố:

- Hội tụ dịch vụ

- Hội tụ về thiết bị đầu cuối

- Hội tụ hạ tầng

1.2 Xu hướng phát triển dịch vụ viễn thông

Ngày nay, mong muốn của rất nhiều khách hàng là được triển khai các dịch vụ mới đặc biệt là các dịch vụ băng rộng, tích hợp các dịch vụ trên cùng một đường dây thuê bao, tích hợp

đa chức năng của mạng trong khoảng thời gian ngắn nhất

Dịch vụ băng rộng:

Theo xu hướng phát triển trên thế giới, nhu cầu về các dịch vụ băng thông rộng như: truy nhập Internet tốc độ cao, truyền hình theo yêu cầu (Video on Demand), truyền hình HD sẽ còn tăng cao trong tương lai, hình thành các mạng riêng ảo (VPN) có tốc độ cao, Webhosting…và di động là động lực thúc đẩy sự phát triển của xã hội

Sự phát triển của NGN

NGN là bước tiếp theo trong lĩnh vực truyền thông trên thế giới NGN là sự hội tụ các mạng vào một kết cấu thống nhất để hình thành một mạng chung, thông minh, hiệu quả cho phép truy nhập mang tính toàn cầu, tích hợp nhiều công nghệ mới, ứng dụng mới và mở đường cho các cơ hội kinh doanh phát triển hơn Thuật ngữ NGN nói chung được sử dụng để đặt tên cho một cấu trúc mạng ở đó các cơ sở hạ tầng dịch vụ được nhà cung cấp hội tụ về công nghệ thông tin và viễn thông trên đó

Vai trò của IMS trong NGN

Hiện nay, IMS là sự lựa chọn tối ưu cho việc phân phát dịch vụ hội tụ và đa phương tiện, cũng như cho phép cung cấp các dịch vụ IP trên cả mạng di động và cố định

IMS là một chuẩn dựa trên mạng IP sử dụng cả mạng cố định và không dây, cung cấp các dịch vụ đa phương tiện bao gồm: audio, video, thoại, văn bản và dữ liệu

IMS là hạt nhân và là trung tâm của NGN-IMS được thể hiện như Hình 1.22:

Hình 1.2 : Vị trí của IMS trong mạng NGN-IMS

1.4 Khả năng phát triển dịch vụ băng rộng trên mạng NGN-IMS

Với cấu trúc phân lớp, sử dụng các chuẩn của giao thức Internet, các cổng kết nối cùng cổng báo hieenuj với các mạng truy nhập khác nhau, vì vậy NGN-IMS đáp ứng phát triển các dịch vụ băng rộng

Hình 1.3 trình bày kiến trúc mạng NGN-IMS theo ETSI TISPAN, bao gồm 2 tầng chính

là tầng truyền tải và tầng dịch vụ Tầng truyền tải sẽ đảm nhận trách nhiệm cung cấp đường đường truyền tốt nhất đáp ứng được yêu cầu hoạt động của dịch vụ.Tầng dịch vụ đảm nhận việc điều khiển hoạt động của dịch vụ

Hình 1.3: Kiến trúc phân lớp trong mạng viễn thông NGN-IMS Kết chương

Nội dung chương này đã đề cập được xu hướng phát triển mạng và các dịch vụ viễn thông hiện nay để thấy được những bất cập về các công nghệ mạng cũ đơn lẻ và các dịch vụ đơn lẻ, đối với sự bùng phát về nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng của người dùng đầu cuối Đặc biệt là các dịch vụ băng rộng trong tương lai là cần phải: hội tụ mạng, hội tụ dịch vụ

và hội tụ thiết bị đầu cuối và sự phát triển và hội tụ của các dịch vụ băng rộng là rất lớn vì vậy triển khai IMS để cung cấp và hội tụ các dịch vụ băng rộng trên mạng NGN-IMS là một tất yếu của VNPT

CHƯƠNG 2-CÔNG NGHỆ IMS VÀ KHẢ NĂNG CUNG CẤP CÁC DỊCH VỤ BĂNG RỘNG

IMS là phân hệ đa phương tiện IP là nền tảng hạ tầng công nghệ chung nhằm cung cấp các dịch vụ đa phương tiện cho khách hàng, IMS dựa trên hai yếu tố cơ bản là công nghệ IP và các giao thức chính như: SIP, Diameter, COPS

2.1 IMS: Các định nghĩa liên quan và tính năng

2.1.1 Công nghệ IP

2.1.1.1 Tổng quan

Công nghệ IP được đánh giá là công nghệ mang tính hội tụ cao, giúp cho các nhà khai thác dịch vụ viễn thông cung cấp đa dạng dịch vụ trên một hạ tầng mạng duy nhất IP đã trở

thành công nghệ viễn thông được lựa chọn trong suốt thập kỷ qua cùng với sự bùng nổ của Internet Sự gia tăng về số lượng máy tính cá nhân, kết nối băng thông rộng, cũng như các ứng dụng trên nền IP ngày càng trở nên đa dạng

2.1.1.2 Sự phát triển của công nghệ IP

Kể từ khi chính thức được đưa vào sử dụng và được định nghĩa trong kiến nghị RFC791 năm 1981 đến nay, không gian địa chỉ IPv4 ngày càng chật hẹp và bộc lộ nhiều điểm yếu của Ipv4

 Hạn chế của địa chỉ IPv4 và sự ra đời của IPv6

Hiện nay nhu cầu sử dụng Internet đang bùng nổ mạnh tại các khu vực đông dân cư đặc biệt là khu vực Châu Á

Để giải quyết vấn đề cạn kiệt địa chỉ IPv4, một giải pháp công nghệ mới mang tên IPv6

ra đời IPv6 hay Internet Protocol version 6 ra đời không những giải quyết được vấn đề cạn kiệt địa chỉ mà còn khắc phục được những hạn chế của IPv4 và cung cấp thêm những thuộc tính vượt trội

2.1.2 Giao thức SIP

2.1.2.1 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, …

là các thiết bị phần cứng hổ trợ chuẩn SIP như điện thoại IP hay là phần mềm hổ trợ chuẩn SIP như Express Talk, Sidefisk,…

 Bản tin SIP

SIP sử dụng các bản tin để khởi tạo, hiệu chỉnh và kết thúc phiên giữa các người dùng

2.1.2.3 Tính năng của SIP

Giao thức SIP được 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, dỗ trợ tối đa sự

di động của đầu cuối, dễ dàng tạo tính năng mới và dịch vụ mới

2.1.3 Giao thức Diameter

2.1.3.1 Tổng quan về 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 là giao thức truyền thông hoạt động trên giao diện Sh giữa HSS, AS, S-CSCF

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 va dịch các bản tin Diameter Server quản lý các yêu cầu về AAA cho một hệ thống

2.1.3.3 Bản tin

Bản tin Diameter chứa một header và một số cặp giá trị thuộc tính AVP

2.1.3.4 Bảo mật trong bản tin Diameter

Để bảo mật, khuyến nghị rằng nên sử dụng IPSec ở các nút trong cùng một miền như giữa Client và Proxy và sử dụng TSL để bảo mật khi có giao dịch giữa các miền với nhau

2.1.3.5 Khả năng kiểm soát lỗi của giao thức Diameter

Lỗi trong giao thức Diameter chia thành 2 loại: lỗi giao thức và lỗi ứng dụng

2.1.4 COPS Giao thức COPS

2.1.4.1 Tổng quan về giao thức COPS

COPS là giao thức được IETF chuẩn hóa nhằm thực hiện việc quản lý, cấu hình và áp đặt chính sách Giao thức này hoạt động theo mô hình Client-Server

2.1.4.2 Chức năng chính của COPS

Giao thức này giao việc cho Client hỗ trợ cho mô hình Client/Server Trong đó Client sẽ gửi những bản tin: yêu cầu, cập nhật, và xóa tới PDP và PDP gửi trả những quyết định cho PEP

2.1.4.3 Bản tin COPS Gồm có header và phần tải tin

2.1.5 IMS và các tính năng

- Là phân hệ đa phương tiện IP có một kiến trúc mạng lõi dựa trên nền IP được xây dựng với mục đích phân phối các dịch vụ đa phương tiện, hội tụ di động – cố định và kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau (mạng di động 2G/3G, WiFi, xDSL, MAN-E, G-PON,…) được thể hiện qua Hình 2.4

Hình 2.4 IMS và các tính năng

- IMS có khả năng hội tụ mạng cố định và không dây FMC

- IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA, xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, WLAN, WiMAX IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau

có thể tương vận với nhau

- Có nhiều Server dịch vụ tính năng mạnh

- Quản lý mạng và dịch vụ, Hội tụ tính cước

- Hỗ trợ nhiều dịch vụ băng rộng và đa phương tiện: Các dịch vụ chất lượng cao như

truy nhập internet tốc độ cao, hội nghị truyền hình, PoC, VoIP…

- Hỗ trợ nâng cao các dịch vụ mới: Các công ty thứ ba có thể đưa ra các dịch vụ mới

- Nâng cao chất lượng dịch vụ băng rộng và hội tụ các dịch vụ

- Theo chuẩn truy nhập của 3GPP: Thiết bị truy nhập có thể là điện thoại di động (2G,

2.5G, 3G), ngoài ra có mạng cố định (LAN, MAN, ), mạng không dây cố định (WLAN) hay mạng cố định băng rộng (xDSL, FTTx)

- Nâng cao QoS và bảo mật: Hỗ trợ thêm QoS liên mạng với các mạng đa phương tiện IP

ngoài Sử dụng các máy chủ xác thực, cấp quyền để nâng cao tính bảo mật

- Khai thác lợi nhuận tối đa từ mạng băng rộng và di động

- Hỗ trợ mở rộng các giao diện IMS (theo chuẩn 3GPP): Đặc biệt là các giao diện giữa

nhà khai thác mạng di động và đối tác thứ 3, giao diện nhà quản trị mạng di động

2.2 Cấu trúc cơ bản và các khối chức năng của IMS, NGN-IMS

2.2.1 Kiến trúc tổng thế IMS

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

Hình Error! No text of specified style in document 5 Kiến trúc IMS theo 3GPP [5]

Kiến trúc IMS theo 3GPP có cấu trúc như hình 2.5 Các thành phần chính bao gồm:

Cơ sở dữ liệu: HSS (Home Subscriber Server) và SLF (Subscriber Location Funtion)

HSS là trung tâm lưu trữ cho thông tin người dùng, tất cả dữ liệu cần thiết của thuê bao

để thực hiện kết nối

Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF – Call Session Control Funtion): Chức năng này

là đặc biệt cần thiết cho IMS, xử lý các bản tin báo hiệu SIP trong hệ thống IMS

Các máy chủ ứng dụng: Máy chủ ứng dụng (Appication Server - AS) là một thành phần

SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ

Chức năng điều khiển cổng vào ra BGCF:(Breakout Gateway Control Function) thực

chất là một máy chủ SIP cung cấp chức năng định tuyến BGCF chỉ được sử dụng trong phiên được khởi tạo bởi một đầu cuối IMS và một thuê bao trong mạng chuyển mạch kênh như là PSTN

2.2.2 Kiến trúc phân hệ IMS

Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp : lớp ứng dụng, lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp vận tải (hay lớp người dùng)

Hình 2.6 Kiến trúc phân hệ IMS

2.2.2.1 Lớp ứng dụng

Gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server)

a Máy chủ ứng dụng

Hình 2.7 Máy chủ ứng dụng

b Cơ sở dữ liệu HSS và SLF

Hình 2.8 Cơ sở dữ liệu HSS/UPSF

HSS (Home Subscriber Server) là trung tâm lưu trữ dữ liệu các thông tin liên quan đến người dùng

SLF là một cơ sở dữ liệu đơn giản ánh xạ địa chỉ người dùng tới HSS quản lý tương ứng 2.2.2.2 Lớp điều khiển

Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa phương tiện CSCF được phân ra 3 loại : Serving-CSCF, Proxy-CSCF và Interogating-CSCF

Hình 2.9 Khối chức năng CSCF

Proxy-CSCF (P-CSCF) là một proxy SIP 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 Đây là điểm kết nối đầu tiên giữa hạ tầng IMS và người dùng IMS/SIP

Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối Địa chỉ của P-CSCF được truy cập thông qua giao thức DHCP Chức năng của P-CSCF bao gồm:

 P-CSCF xác thực người dùng, thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị đầu cuối

 Nén và giải nén các thông điệp SIP, đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện

 Tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ

Serving-CSCF (S-CSCF) là một nút trung tâm của hệ thống báo hiệu của IMS, vận hành giống như một máy chủ SIP, chức năng quản lý phiên dịch vụ Các chức năng chính của S-CSCF bao gồm:

 Đăng ký SIP nhằm thiết lập mối liên hệ giữa địa chỉ người dùng và máy chủ SIP

 Tham gia trong tất cả các quá trình báo hiệu từ hệ thống IMS với người dùng

 Quyết định chọn lựa AS nào sẽ cung cấp dịch vụ cho người dùng

 Thực hiện các chính sách của nhà cung cấp dịch vụ

Interrogating-CSCF (I-CSCF) trong hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ là điểm liên lạc cho tất cả các kết nối hướng đến một UE nằm trong mạng đó Địa chỉ IP của I-CSCF được công bố 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 S-CSCF tương ứng, I-CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông qua DIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng

 Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời SIP đến một CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác

S-CSCF/I-BGCF (Breakout Gateway Control Function) là một máy chủ SIP chứa đựng chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại Được sử dụng khi một thiết bị IMS thực hiện cuộc gọi đến mạng điện thoại cố định truyền thống PSTN

Hình 2.10 Khối chức năng BGCF

MGCF ( Media Gateway Control Function) có nhiệm vụ quản lý cổng phương tiện, bao hàm các chức 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

Hình 2.11 Khối chức năng MGCF