Nghiên cứu kiến trúc và dịch vụ IMS trong các mạng thế hệ mới

giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - LUËN V¡N TH¹C Sü KHOA HäC Nghiên cứu kiến trúc dịch vụ Ims mạng hệ Ngành: kỹ thuật điện tử M số: đoàn thị quế Ngời hớng dẫn khoa học: TS NGUYễN NAM QUÂN Hà Nội Năm 2009 i LI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ khoa học tơi nghiên cứu thực hướng dẫn TS Nguyễn Nam Quân Nếu có sai phạm, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Người làm cam đoan Đoàn Thị Quế ii MỤC LỤC MỤC LỤC .ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGN VÀ PHÂN HỆ IMS 1.1 Giới thiệu 1.2 Mạng viễn thông hệ (NGN) 1.2.1 Khái niệm NGN 1.2.2 Cấu trúc chức NGN 1.2.3 Vị trí, vai trị phân hệ IMS kiến trúc NGN 10 1.3 Kết chương 13 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC IMS 14 2.1 Các yêu cầu kiến trúc 14 2.1.1 Thiết lập phiên IP Multimedia 14 2.1.2 Hỗ trợ kết nối IP 14 2.1.3 Cơ chế đảm bảo QoS cho dịch vụ IP Multimedia 16 2.1.4 Bảo mật trao đổi 17 2.1.5 Tính cước 17 2.1.6 Hỗ trợ chuyển vùng 19 2.1.7 Liên làm việc với mạng khác 20 2.1.8 Hỗ trợ điều khiển dịch vụ 21 2.1.9 Phát triển dịch vụ 21 2.1.10 Thiết kế phân lớp 22 2.1.11 Truy nhập độc lập 23 2.2 Các giao thức sử dụng IMS 24 iii 2.2.1 Giao thức điều khiển phiên SIP 24 2.2.2 Giao thức Diameter 36 2.2.3 2.3 Các giao thức khác 39 Các thực thể chức kiến trúc IMS 39 2.3.1 Các thực thể điều khiển phiên, gọi (CSCFs) 40 2.3.2 Các thực thể sở liệu (HSS, SLF) 45 2.3.3 Máy chủ ứng dụng (AS) 47 2.3.4 Thực thể quản lý tài nguyên đa phương tiện (MRF) 48 2.3.5 Các thực thể thực chức tương tác với mạng (BGCF, MGCF, IMS-MGW, SGW) 49 2.3.6 Thực thể IMS-ALG TrGW 51 2.4 Một số giao diện kiến trúc IMS 52 2.4.1 Giao diện Gm 52 2.4.2 Giao diện Mw 53 2.4.3 Giao diện ISC 54 2.4.4 Giao diện Cx 55 2.4.5 Giao diện Mr 57 2.4.6 Giao diện Mp 57 2.5 Định danh IMS 59 2.6 2.5.1 Định danh chung 60 2.5.2 Định danh riêng 61 2.5.3 Mối quan hệ định danh chung định danh riêng 61 Tiêu chuẩn lọc, hồ sơ người dùng hồ sơ dịch vụ 62 2.7 Kết chương 67 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG DỊCH VỤ GIÁ TRỊ GIA TĂNG TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IMS 69 3.1 Kiến trúc phân phối dịch vụ IMS 69 iv 3.2 Một số dịch vụ giá trị gia tăng xây dựng kiến trúc IMS 70 3.2.1 Presence 70 3.2.2 Conferencing 78 3.2.3 Messaging 82 3.3 Kết chương 87 CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG DỊCH VỤ INSTANT MESSAGING TRÊN NỀN IMS 88 4.1 Giới thiệu chung phần mềm OpenIMS FOKUS 88 4.2 Thực mô dịch vụ instant messaging IMS 91 4.2.1 Mơ hình triển khai dịch vụ 91 4.2.2 Kết thực 91 KẾT LUẬN 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 TÓM TẮT LUẬN VĂN 97 SUMMARY 98 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt 3GPP AAA API Từ gốc Nghĩa tiếng Việt The 3rd Generation Tổ chức (dự án) chuẩn hoá mạng Partnership Project di động 3G Authentication/Authorizati Nhận thực, Cấp quyền, Thanh on/Accounting toán Application Program Giao diện chương trình ứng dụng Interface AS Application Server Máy chủ ứng dụng ATM Asynchronous Transfer Phương thức truyền không đồng Mode AuC Authentication Center Trung tâm nhận thực BGCF Breakout Gateway Control Chức điều khiển cổng Function chuyển tiếp Customized Applications Logic mở rộng dịch vụ cho mạng for Mobile network di động CAMEL Enhanced Logic CDMA Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã Access COPS Comon Open Policy Giao thức trao đổi thơng tin Service sách dịch vụ CS Circuit Switched Chuyển mạch kênh CSCF Call Session Control Chức điều khiển phiên Function DNS Domain Name System Hệ thống tên miền ETSI European Viện chuẩn hố viễn thơng châu vi Telecommunication Âu Standards Institute GGSN Gateway GPRS Support Nút hỗ trợ cổng GPRS Node GPRS General Packet Radio Dịch vụ vơ tuyến gói chung Service HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú HSS Home Subcriber Server Máy chủ chứa liệu thuê bao mạng nhà HTTP Hyper Text Transfer Giao thức truyền siêu văn Protocol I - CSCF Interrogating CSCF CSCF thực chức định tuyến IETF Internet Engineering Task Nhóm đặc trách kỹ thuật Internet Force iFC Initial filter criteria Tiêu chuẩn lọc khởi tạo IM CN IP Multimedia Core Mạng lõi đa phương tiện IP Network IMS IMS-ALG IMSI Internet Protocol (IP) Phân hệ đa phương tiện Multimedia Subsystem giao thức IP IMS Application Level Cổng chuyển tiếp mức ứng Gateway dụng mạng lõi IMS International Mobile Chỉ số thuê bao di động quốc tế Subscriber Identifier IP Internet Protocol Giao thức Internet IPv4 Internet Protocol version Giao thức IP phiên IPv6 Internet Protocol version Giao thức IP phiên vii ISDN Integrated Services Digital Mạng số tích hợp đa dịch vụ Network ITU-T Telecommunication Bộ phận chuẩn hoá viễn thông Standardization Sector of - Tổ chức Viễn thông quốc tế the International Telecommunication Union MGCF Media Gateway Control Chức điều khiển cổng Function phương tiện MGW Media Gateway Function Chức cổng phương tiện MRFC Multimedia Resource Bộ điều khiển chức tài Function Controller nguyên đa phương tiện Multimedia Resource Bộ xử lý chức tài nguyên đa Function Processor phương tiện MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động NGN Next Generation Network Mạng hệ LAN Local Area Network Mạng cục OSA Open Service Architecture Kiến trúc dịch vụ mở P - CSCF Proxy CSCF CSCF chức làm Proxy PDF Policy Decision Function Chức định sách PS Packet Switched Chuyển mạch gói QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RTCP Real-time Transport Giao thức điều khiển truyền Control Protocol liệu thời gian thực Real-time Transport Giao thức truyền liệu theo thời Protocol gian thực S - CSCF Serving CSCF CSCF phục vụ SCE Service Creation Môi trường kiến tạo dịch vụ MRFP RTP viii Environment SCS Service Capability Server Server tính phục vụ SDH Synchronous Digital Phân cấp số đồng Hierachy SDP Session Description Giao thức mô tả phiên Protocol SDS Service Developing Thực thể hỗ trợ phát triển dịch vụ Support SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên SLF Subscriber Locator Chức định vị thuê bao Function SGSN Serving GPRS Support Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS Node SGW Signalling Gateway Chức cổng báo hiệu Function TCP Transmission Control Giao thức điều khiển truyền dẫn Protocol TISPAN THIG Telecoms & Internet Tổ chức chuẩn hoá cho mạng tiên converged Services and tiến sử dụng giao thức Protocols for Advanced dịch vụ hội tụ cho mạng Viễn Networking thông mạng Internet Topology Hiding Inter- Cổng liên mạng ẩn cấu hình network Gateway TLS Transmission Layer Bảo mật lớp truyền dẫn Security TrGW Transition Gateway Thành phần chuyển đổi phiên IP ix UDP User Datagram Protocol Giao thức liệu người dùng UE User Equipment Đầu cuối thuê bao URI Uniform Resource Định danh tài nguyên Identifier WDM Wavelength Division Ghép kênh phân chia theo bước Multiplexing sóng DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các tin yêu cầu SIP 31 Bảng 2.2: Các tin đáp ứng SIP 33 Bảng 2.3: Các thực thể IMS giao diện tương ứng 57 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Phân hệ IMS hội tụ mạng Hình 1.2: Các lớp chức NGN Hình 1.3: Cấu trúc chức mạng NGN theo 3GPP/TISPAN 10 Hình 1.4: Kiến trúc IMS NGN 13 Hình 2.1: Các khả lựa chọn kết nối IMS người sử dụng chuyển vùng 15 Hình 2.2: Tổng quan bảo mật IMS 17 Hình 2.3: Tổng quan tính cước IMS 18 Hình 2.4: Sự lựa chọn chuyển vùng IMS/CS 19 Hình 2.5: Kiến trúc phân lớp IMS 22 Hình 2.6: Hỗ trợ truy nhập độc lập IMS 23 Hình 2.7: SIP Proxy Server 28 84 lưu lại tin người dùng đăng ký server gửi bant in nhắn tới người dùng Thông thường tin nhắn thường gửi đến địa nhận dạng công cộng người dùng Tuy nhiên, người dùng gửi tin nhắn riêng lẻ tới vài người nhận sử dụng server danh sách Một người dùng IMS tạo bí danh, sử dụng địa SIP có dạng nhận dạng dịch vụ cơng cộng (PSI) tạo bí danh với tập hợp SIP URI Bất MESSAGE request gửi tới PSI tương ứng với danh sách này, request định tuyến tới server danh sách Server danh sách nhận tin nhắn tạo request cho thành viên danh sách Hình 3.13: Ví dụ dịch vụ cung cấp tin nhắn tức thời 85 Hình 3.13 ví dụ dịch vụ cung cấp cho khách hàng sử dụng tin nhắn tức thời Trong ví dụ này, AS đóng vai trò điều khiển hệ thống voicemail AS quan tâm người dùng đăng nhập vào mạng IMS, để AS thơng báo tới người dùng voicemail mà người dùng chưa nhận Dịch vụ thực sau: - Người dùng đăng ký với mạng IMS thông thường - Khi đăng ký thành cơng S – CSCF đánh giá lọc tiêu chuẩn Một lọc tiêu chuẩn thị S-CSCF cần phải thực đăng ký thành viên thứ ba với AS khác - S-CSCF gửi đăng ký tới AS Mục đích đăng ký nhằm báo cho AS biết người dùng đăng nhập thành công vào mạng IMS - Sau nhận đăng ký (21), AS tạo tin MESSAGE request chứa đựng vài thông tin hữu ích, địa website để người dùng vào website để lấy voicemail… 3.2.3.4 Messaging dựa phiên Trong chế độ người dùng tham gia phiên mà phiên nội dung media chủ yếu tin nhắn văn ngắn Cũng phiên thông thường khác, phiên tin nhắn tồn từ thành phần tham gia bắt đầu phiên Sau phiên thiết lập luồng tin trực tiếp từ người dùng đến người dùng khác Messaging dựa phiên ngang hàng giống với gọi thoại thông thường, với khác nội dung media chủ yếu tin nhắn Phiên kết hợp với phiên media khác Giao thức sử dụng để truyền tải tin nhắn phiên Message Session Relay Protocol (MSRP) MSRP giao thức dựa text Các tin MSRP request response, không giống giao thức SIP, MSRP 86 request trả lời MSRP respone Hiện có ba method định nghĩa MSRP, là: + Send: Gửi tin nhắn với kích thước tuỳ ý từ điểm cuối tới điểm cuối + Report: Một điểm cuối điểm chuyển tiếp cung cấp thông báo truyền tải tin nhắn + AUTH: Được sử dụng điểm cuối để nhận thực MSRP sử dụng TCP (Transmission Control Protocol) giao thức cho tầng transport mang liệu đóng gói theo kiểu MIME (Multipurpose Internet Mail Extension) Tin nhắn có kích thước tuỳ ý đặc điểm giao thức MSRP có khẳ truyền tin kích thước lớn chia thành gói nhỏ để truyền đi, sau gói nhỏ tự động ghép lại phía người nhận Hình 3.14 thể luồng tin điển hình phiên tin nhắn Hình 3.14: Luồng tin điển hình messaging dựa phiên 87 3.3 Kết chương Trên sở lý thuyết cho việc xây dựng số dịch vụ giá trị gia tăng kiến trúc IMS Đây dịch vụ cuối cùng, nhà cung cấp dịch vụ phát triển dịch vụ cách dễ dàng dựa tảng dịch vụ IMS Trong mơ hình kiến trúc dịch vụ IMS, kiến trúc linh hoạt có tính mở kiến trúc OSA, giúp cho nhà cung cấp thứ chủ động việc xây dựng, phát triển triển khai dịch vụ Việc phát triển gateway cho NGN bước ban đầu lộ trình phát triển kiến trúc OSA cho NGN/IMS 88 CHƯƠNG 4: THỰC HIỆN MÔ PHỎNG DỊCH VỤ INSTANT MESSAGING TRÊN NỀN IMS 4.1 Giới thiệu chung phần mềm OpenIMS FOKUS OpenIMS dự án triển khai IMS mã nguồn mở FOKUS (Fraunhofer Institute for Open Communication Systems) Dự án mã nguồn mở OPENIMS nhằm mục đích đáp ứng thiếu hụt phần mềm mã nguồn mở cho IMS với giải pháp linh động mở rộng Mục đích tạo cộng đồng nhà phát triển cho phần core mạng NGN Phần mềm mã nguồn mở cho phép phát triển dịch vụ IMS thử nghiệm khái niệm xung quanh phần IMS core Hình 4.1 mơ tả thành phần OpenIMS Hình 4.1: Các thành phần OpenIMS * Open Source IMS Core: Đây phần lõi OpenIMS, gồm có thành phần : + HSS (Home Subcriber Server): Trong OpenIMS gọi FHoSS 89 + Call Session Control Functions ( CSCFs ): Là khối trung tâm mã nguồn mở Open Source IMS Core, khối điều khiển báo hiệu IMS OpenIMSCore đưa website http://openimscore.org/ Được phát triển website http://developer.berlios.de/projects/openimscore/ *Đầu cuối IMS (IMS Client): Trong tất thành phần OpenIMS, IMS client thành phần định đánh giá thành cơng IMS Nó hoạt động môi trường đa ứng dụng để chứng minh khả phát triển dịch vụ mạng IMS Có nhiều phần mềm IMS Client, khung OpenIMS Client FOKUS cung cấp giao diện lập trình cho nhà phát triển dịch vụ IMS Đặc điểm OpenIMS Client: + Xây dựng IMS API chuẩn + Có khả thay đổi cách mềm dẻo theo yêu cầu + Tương thích đa (Windows XP, Windows CE, Linux) + Được triển khai Java NET + Dễ dàng kết nối với thiết bị khác + Tuân theo chuẩn IEFT, 3GPP, TISPAN… Hình 4.2: OpenIMS Client chạy lần 90 Khi OpenIMS Client khởi động lần đầu tiên, cửa sổ cho phép cấu hình Phần User Profile ta cấu hình thơng số sau: + Display name: Tên ngưởi sử dụng dùng ứng dụng + Public Identity: Nhận dạng cơng cộng, ví dụ sip:ha@open-ims.test + Private Identity: Nhận dạng cá nhân, ví dụ ha@open-ims.test + Secret Key: Chìa khóa bảo mật, sử dụng trình chứng thực mạng Phần Server profile cho phép ta cấu hình: + Proxy IP: địa IP máy chủ P-CSCF mạng, ví dụ 192.168.7.97 + Port Nr: Số cổng P-CSCF mạng, ví dụ 4060 + Realm : Tên miền mạng IMS, ví dụ open-ims.test * Open IMS SIP AS ( SIPSEE – Sip Servlet Execution Environment ) Đây SIP Application Server cung cấp hội tụ môi trường dịch vụ SIP HTTP cho việc xây dựng dịch vụ * Parlay X Gateway (OCS-X) Cho phép nhà phát triển dịch vụ tạo ứng dụng qua web * IMS Management Kiến trúc IMS Management để quản lý điều khiển thành phần cần cho mạng lõi IMS * XML Document Management Server ( XDMS) Máy chủ cung cấp hướng dẫn người dung thông tin dịch vụ cách truy cập… * Media Server: Hỗ trợ dịch vụ : + Voicemail, lưu lại tin gửi vào mail 91 + Hội thảo ( Conferencing ) + Nhạc chờ 4.2 Thực mô dịch vụ instant messaging IMS Phần thực việc mô liên quan đến đề tài, dựa phần mềm OPENIMS để thực dịch vụ Instant Messaging người dùng 4.2.1 Mơ hình triển khai dịch vụ Hình 4.3: Mơ hình thực dịch vụ instant messaging IMS 4.2.2 Kết thực Để chạy dịch vụ instant messaging, phải chạy khối core bao gồm P-CSCF, I-CSCF, S-CSCF FhoSS, đặt cấu hình cho IMS client Hai IMS client sử dụng để thực dịch vụ Messaging alice@ims.hut.vn bob@ims.hut.vn Tiếp đến tiến hành đăng ký để đăng nhập vào hệ thống cho IMS Client Sau client thực đăng ký tới hệ thống, trạng thái hai client available 92 Hình 4.4: Trạng thái người dùng máy Alice client Hình 4.5: Trạng thái người dùng máy Bob client Trên máy Alice client, tab Instant Messaging, gõ vào địa URI Bob Và bấm Start Chat 93 Hình 4.6: Gõ địa URI Bob máy Alice client Xuất cửa sổ instant messaging Alice, gõ nội dung tin nhắn ấn nút Start chat, tin nhắn gửi tới Bob Hình 4.7: cửa sổ instant messaging Alice Nội dung tin nhắn cửa sổ instant messaging hình 4.8 94 Hình 4.8: Nội dung tin nhắn 95 KẾT LUẬN Những kết đạt luận văn: - Phân tích vai trị hội tụ mạng tích hợp dịch vụ IMS mạng NGN - Phân tích chức thực thể kiến trúc mạng lõi IMS Đồng thời trình bày chi tiết giao thức SIP, giao thức báo hiệu sử dụng IMS - Phân tích cấu trúc phân phối dịch vụ, tảng dịch vụ, chế kích hoạt dịch vụ IMS - Đưa sở lý thuyết xây dựng dịch vụ giá trị gia tăng IMS dịch vụ: presence, conferencing, messaging dịch vụ tương lai trở nên phổ biến cho người dùng di động mạng 3G - Thực mô dịch vụ Instant messaging sử dụng phần mềm mã nguồn mở OPEN IMS Những hướng nghiên cứu tiếp theo: Do thời gian có hạn, luận văn dừng lại việc nghiên cứu lý thuyết kiến trúc IMS, sở lý thuyết xây dựng số dịch vụ giá trị gia tăng IMS dựa theo tài liệu chuẩn gần 3GPP, IETF, ESTI/TISPAN Trong thời gian tới, luận văn tiếp tục cập nhật chuẩn IMS, tìm hiểu thêm sở lý thuyết xây dựng dịch vụ IPTV IMS, dịch vụ tương lai mang lại nguồn doanh thu lớn cho nhà khai thác viễn thông Đồng thời, sở lý thuyết xây dựng dịch vụ nghiên cứu được, luận văn tiến hành phát triển số dịch vụ media ứng dụng NGN 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Ngô Mỹ Hạnh (2006), Mạng hệ sau tiến trình chuyển đổi, NXB Bưu Điện, Hà Nội Tiếng Anh [2] 3GPP, http:// www.3gpp org/ftp/Specs [3] 3GPP TS 23.002: “Network Architecture” [4] 3GPP TS 23.221: “Architectural requirements” [5] 3GPP TS 22.228: “Service requirements for the IP multimedia core network subsystem” [6] ESTI/T ISPAN, http:// www etsi.org/tispan [7] IETF, http:// www ietf org/rfc [8] IETF RFC 3261: Session Initiation Protocol [9] IETF RFC 3588: Diameter command Protocol [10] ITU-T, http://www.itu.int [11] http://www.openimscore.org [12] Gonzalo Camarillo and Miguel A.Garcia-Martin, The 3G IP Multimedia Subsystem (IMS): Merging the Internet and the Cellular Worlds, Second Edition, John Wiley & Sons, 2006 [13] Miika Poikselka, Georg Mayer, Hisham Khartabil and Aki Niemi, The IMS: IP Multimedia Concepts and Services, Second Edition, John Wiley & Sons, 2006 97 TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày chương: Chương 1: Giới thiệu xu hướng phát triển mạng viễn thông, vai trò IMS hợp mạng Chương giới thiệu tổng quan cấu trúc NGN để thấy vị trí, vai trị IMS – 3GPP kiến trúc Chương 2: Nghiên cứu kiến trúc IMS theo tiêu chuẩn 3GPP bao gồm: yêu cầu kiến trúc, giao thức sử dụng, thực thể mạng, chức thực thể số giao diện quan trọng kiến trúc IMS Chương 3: Trình bày cấu trúc phân phối dịch vụ, tảng dịch vụ, sở lý thuyết xây dựng dịch vụ giá trị gia tăng (presence, conferencing, messaging) IMS Chương 4: Giới thiệu phần mềm mã nguồn mở OPEN IMS FOKUS Thực mô dịch vụ Instant messaging IMS client sử dụng phần mềm OPEN IMS 98 SUMMARY Content of the thesis is presented in four chapters: Chapter 1: Introduction on development trend of telecommunication networks, role of IMS in converged networks This chapter also presented an overview of NGN architecture in order to indicate the position and the role of IMS - 3GPP in this architecture Chapter 2: Research on the architecture of the 3GPP IMS standard, including: architectural requirements on the protocols to be used, the network entities, the functions of the entities and reference points (interfaces) between the network entities Chapter 3: Understanding on the structure of service distribution, the service platform, basis of theory building value added services (presence, conferencing, messaging services) based on the IMS Chapter 4: Introduction on open source software (Open IMS) of the FOKUS Sumulation of Instant messaging service between two IMS clients using OPEN IMS ... CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG DỊCH VỤ GIÁ TRỊ GIA TĂNG TRÊN NỀN KIẾN TRÚC IMS 69 3.1 Kiến trúc phân phối dịch vụ IMS 69 iv 3.2 Một số dịch vụ giá trị gia tăng xây dựng kiến trúc IMS 70 3.2.1 Presence... mạnh IMS lựa chọn IMS phần kiến trúc mạng thệ NGN mà họ xây dựng Hình 1.3: Cấu trúc chức mạng NGN theo 3GPP/TISPAN Trong cấu trúc mạng NGN thể hình 1.3, phân hệ IMS nằm lớp điều khiển dịch vụ thực... tới nhà cung cấp dịch vụ khác − Nhìn từ phía UE, dịch vụ hội tụ thành dịch vụ chung − Hội tụ dịch vụ mạng cố định mạng di động − Các chức liên quan đến dịch vụ độc lập với công nghệ lớp Như NGN