Nền tảng dịch vụ thế hệ mới

Đề tài 5: Kiến trúc IMS IMS ( IP MULTIMEDIA SUBSYSTEM) MỤC LỤC 1 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS I.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG IMS .3 1.Khái niệm IMS 3 2.Mạng hội tụ 4 4.Các yêu cầu trong hệ thống IMS 5 4.1Thiết lập các phiên đa phương tiện IP .6 4.2Quản lý đảm bảo chất lượng dịch vụ - QoS .6 4.3Hỗ trợ liên mạng 6 4.4Chuyển vùng .7 4.5Điều khiển dịch vụ 7 4.6Tạo dịch vụ nhanh chóng và đa truy nhập .7 4.7PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN TRÊN NỀN IP .8 5.Ưu nhược điểm hệ thống IMS .8 a.Ưu điểm: 8 b.Nhược điểm: 9 III.KẾT LUẬN .26 TÀI LIỆU THAM KHẢO 27 2 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG IMS Mạng viễn thông thế hệ mới – NGN (Next Generation Network) đã trở thành xu hướng của nhiều nước trên thế giới do những lợi ích của nó cả về kinh tế và kỹ thuật trong việc cung cấp các dịch vụ đa phương tiện. NGN bắt đầu được xây dựng với mô hình chuyển mạch mềm (Softswitch) và đã thu được một số thành công nhất định. Nhưng từ khi 3GPP giới thiệu IMS (Phân hệ đa phương tiện IP – IP Multimedia Subsystem) thì IMS đã chứng tỏ được khả năng vượt trội hơn so với mô hình sử dụng Softswitch về nhiều mặt, và IMS dần trở thành tiêu chuẩn chung để xây dựng mạng NGN ngày nay. Cùng trên xu hướng phát triển đó các mạng viễn thông tại Việt nam đang từng bước được xây dựng theo định hướng tiến tới mạng hội tụ NGN. 1. Khái niệm IMS. IMS (IP multimedia subsystem) 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. Các dịch vụ này có thể chia thành ba loại sau: • Dịch vụ không yêu cầu thời gian thực như tin nhắn đa phương tiên MMS. • Dịch vụ gần thời gian thực như Push to talk, dịch vụ game. • Dịch vụ thời gian thực như thoại, audio/video, hội nghị truyền hình. IMS có khả năng hội tụ mạng cố định và không dây FMC. IMS thực hiện được điều này nhờ cấu trúc phân lớp ngang tức là các lớp độc lập với nhau Hệ thống IMS gồm 3 lớp: Lớp dịch vụ, lớp điều khiển và lớp vận tải: - Lớp dịch vụ bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server). - Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi. - Lớp vận tải bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP. Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên. 3 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS 2. Mạng hội tụ Hình 1: Mạng hội tụ - Hội tụ mạng : sử dụng chung hạ tầng mạng cho các dịch vụ cố định và di động - Hội tụ dịch vụ: có thể truy nhập đến cùng một dịch vụ từ các loại thiết bị và mạng khác nhau.Hội tụ thiết bị khách hàng: một thiết bị duy nhất có thể dùng để truy nhập tới các dịch vụ khác nhau được các mạng khác nhau cung cấp. 3. Tiến trình phát triển của IMS Phân hệ đa phương tiện IP (IMS – IP Multimedia Subsystem) là một kiến trúc mạng lõi dựa trên nền IP được sử dụng cho mục đích phân phối các dịch vụ đa phương tiện. Kiến trúc IMS cho phép kết kết nối với nhiều loại mạng truy nhập khác nhau (có thể là mạng di động 2G/3G, mạng WiFi, mạng WiMAX, mạng cố định, .). 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. 4 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS 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 dụng 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. Song song với đó 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 (CS – Circuit Switch), 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. 4. Các yêu cầu trong hệ thống IMS Có thể thấy rằng mục tiêu xây dựng mạng IMS nhằm: Tổ hợp các xu hướng công nghệ mới nhất; Hiện thực Internet di động; Tạo cơ sở hạ tầng chung để triển khai nhiều dịch vụ đa phương tiên; Tạo một cơ chế tăng lợi nhuận nhờ việc bổ sung dịch vụ trên mạng di động. Để đạt được mục tiêu đó 3GPP đưa ra 6 yêu cầu cơ bản cho mạng lõi IMS như sau: Hỗ trợ thiết lập các phiên đa phương tiện IP; Hỗ trợ cơ chế thảo thuận chất lượng dịch vụ QoS; Hỗ trợ tính năng liên mạng với các mạng Internet và mạng chuyển mạch kênh; Hỗ trợ chuyển vùng (roaming); Hỗ trợ điều khiển dịch vụ phân phối đến khách hàng; Hỗ trợ nhanh chóng khởi tạo dịch vụ mà không yêu cầu phải hợp chuẩn. 5 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS 4.1Thiết lập các phiên đa phương tiện IP IMS có thể phân phát nhiều dịch vụ trong đó có cả dịch vụ truyền thông audio và video. Yêu cầu là cần thiết để IMS hỗ trợ cung cấp các phiên đa phương tiện trên các mạng chuyển mạch gói. Các truyền thông đa phương tiện trước đây cũng đã được 3GPP chuẩn hóa trong các phiên bản trước, tuy nhiên nó có thiên hướng cho mạng chuyển mạch kênh chứ không phải dành cho mạng chuyển mạch gói. 4.2Quản lý đảm bảo chất lượng dịch vụ - QoS Một yêu cầu đặc biệt quan trọng của IMS đó là phải có khả năng cho phép đầu cuối người dùng (UE) thỏa thuận một mức QoS xác định. QoS của một phiên giao dịch được xác định bởi tập các hệ số, như là tốc độ bít, cỡ gói, kiểu dữ liệu, băng thông lớn nhất… mà hệ thống có thể phân bổ tới người dùng dựa trên thông tin khách hàng hay năng lực hiện tại của mạng. Sau khi thỏa thuận các thông số tại mức ứng dụng nhất định, UE thực hiện chiếm dụng tài nguyên tương ứng trong môi trường mạng. Khi kết nối end-to-end QoS được thiết lập, UE mã hóa và đóng gói các kiểu dữ liệu với giao thức tương ứng và gửi chúng tới mạng truyền tải và truy nhập thông qua giao thức lớp truyền tải dựa trên nền IP. IMS cũng cho phép các nhà khai thác điều khiển mức QoS đến người dùng chính vì lẽ đó các nhà khai thác có thể phân loại khách hàng của mình thành các nhóm khác nhau. 4.3Hỗ trợ liên mạng Yêu cầu liên kết với Internet là bắt buộc trong xây dựng cấu trúc khung làm việc của IMS, với việc liên kết với Internet, số lượng tiềm năng nguồn và đích cho các phiên đa phương tiện sẽ tăng đột ngột. IMS cũng được yêu cầu liên kết tới các mạng chuyển mạch kênh như là PSTN hoặc các mạng di động tế bào. Các đầu cuối IMS hỗ trợ audio/video sẽ được ra mắt đầu tiên trên thị trường, các đầu cuối này có thể kết nối tới cả các mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. Khi người dùng muốn thực hiện một cuộc gọi tới một thuê bao PSTN hoặc thuê bao di động, các đầu cuối IMS lựa chọn trong miền chuyển mạch kênh. Chính vì vậy, vấn đề liên mạng với một mạng chuyển mạch kênh không được yêu cầu nghiêm ngặt lắm mặc dù phần lớn các cầu cuối IMS cũng sẽ hỗ trợ miền chuyển mạch kênh. Vấn đề liên kết với các mạng chuyển mạch kênh có thể xem như là một yêu cầu về lâu về dài. Thông thường vấn đề liên mạng với mạng chuyển mạch kênh chỉ đòi hỏi khi mà các đầu cuối IMS chỉ thích ứng với mạng chuyển mạch gói. 6 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS 4.4Chuyển vùng Chuyển vùng là nhu cầu chung từ các mạng di động tổ ong thế hệ 2 khi mà thuê bao phải chuyển vùng sang các mạng khác (ví dụ như khi thuê bao đi du lịch ra nước ngoài). Đây là yêu cầu thiết yếu và đương nhiên hệ thống IMS được thừa hưởng yêu cầu này, cho phép khách hàng chuyển vùng khi di chuyển đến các quốc gia khác tất nhiên điều này chỉ được thực hiện khi có sự thỏa thuận giữa các nhà khai thác tại mạng chủ và khách. 4.5Điều khiển dịch vụ Thông thường các nhà khai thác muốn áp đặt các chính sách để phân phối dịch vụ tới khách hàng. Về cơ bản có 2 loại chính sách như sau: - Chính sách chung áp dụng cho tất cả khách hàng. - Chính sách riêng cho từng khác hàng đặc biệt. Chính sách đầu tiên bao gồm một tập những hạn chế mà áp dụng tới tất cả người dùng trong mạng. Ví dụ nhà khai thác muốn hạn chế băng thông tín hiệu thoại thông qua sử dụng mã hóa thoại có băng thông thấp như AMR (Quy định trong chuẩn 3GPP TS 26.071) chứ không dùng chuẩn mã hóa thoại băng rộng G.711 (Chuẩn mã hóa của ITU-T 64 Kbps) trong mạng của họ. Chính sách thứ 2 bao gồm một tập các chính sách mà chỉ bó buộc trong từng người dùng nhất định. Ví dụ như một khách hàng nào đó mà trong bảng đăng kí sử dụng dịch vụ IMS nhưng không sử dụng dịch vụ video. Trong trường hợp họ cố gắng khởi tạo một phiên đa phương tiện mà có dịch vụ video thì nhà khai thác thực hiện ngăn cản quá trình thiết lập phiên đó mặc dù phần lớn các đầu cuối IMS đều hỗ trợ tính năng cung cấp dịch vụ video. Chính sách này là tuân theo cơ sở bản đăng kí sử dụng dịch vụ của người dùng với nhà cung cấp. 4.6Tạo dịch vụ nhanh chóng và đa truy nhập Yêu cầu này có tác động lớn trong việc thiết kế cấu trúc của hệ thống IMS, nó chỉ ra rằng các dịch vụ IMS không cần thiết phải được chuẩn hóa. Điều này đánh dấu một mốc quan trọng trong việc thiết kế mạng di động tổ ong bởi vì trước đây mỗi một dịch vụ đơn lẻ hoặc là cần chuẩn hóa hoặc có đăng ký độc quyền. Ngay cả khi dịch vụ đã được chuẩn hóa thì không có gì có thể đảm bảo rằng dịch vụ vẫn tiếp tục duy trì khi mà người dùng chuyển vùng sang mạng khác. Một ví dụ điển hình mọi người thường thấy trong mạng GSM là các cuộc gọi có thể bị chuyển tới hộp thư thoại khi mà người dùng di chuyển tới một quốc gia khác. 7 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS Mục đích của IMS giảm thời gian để đưa ra một dịch vụ mới. Trước đây việc chuẩn hóa dịch vụ và thực hiện kiểm tra năng lực dịch vụ là nguyên nhân gây trễ đáng kể. Với IMS để giảm thời gian này, người ta chuẩn hóa các năng lực dịch vụ thay cho việc chuẩn hóa dịch vụ như trước đây. IMS cũng chỉ là một mạng IP và nó giống với bất kỳ mạng IP nào khác. Nó làm việc ở lớp thấp và có truy nhập độc lập. Bất kỳ mạng truy nhập nào cũng có thể kết nối tới IMS. Ví dụ như là kết nối từ mạng truy nhập vô tuyến nội hạt WLAN, từ ADSL, HFC hoặc truy nhập từ modem. 4.7PHÂN HỆ ĐA PHƯƠNG TIỆN TRÊN NỀN IP 5. Ưu nhược điểm hệ thống IMS a. Ưu điểm: - Thuận tiện và dễ sử dụng - IMS cho phép người sử dụng có thể truy nhập dễ dàng và an toàn vào mạng đa phương tiện thông qua phương thức đăng nhập một lần dựa trên ISIM. Mặc dù ban đầu đây là phương thức được tiêu chuẩn hoá cho các dịch vụ chuyển mạch gói của UMTS, các phương thức nhận thực và cho phép dựa trên SIM khác có thể được sử dụng. - IMS được thiết kế cho phép kết hợp một cách linh hoạt, bổ sung hoặc loại bỏ các loại hình đa phương tiện khác nhau sau khi cuộc gọi được thiết lập.Việc kết hợp linh hoạt và dễ dàng này sẽ mở ra triển vọng cho các dịch vụ mới, và tạo điều kiện cho các dịch vụ này được người dùng dễ chấp nhận hơn. - Tính hiệu quả của người sử dụng IMS đang sử dụng cơ chế “always-on”, một cơ chế đã được đưa vào bởi công nghệ GPRS, rút ngắn thời gian thiết lập cuộc gọi trong các dịch vụ như nhắn tin tức thời, nhấn để nói. Một cơ chế khác cũng làm giảm thời gian thiết lập phiên là cơ chế nén báo hiệu SIP. Ngoài ra cơ chế này còn giúp giảm thiểu tài nguyên vô tuyến cần thiết. - Do IMS hỗ trợ nhiều công nghệ truy nhập (UMTS chuyển mạch gói, GPRS, WLAN).Việc hỗ trợ vài công nghệ truy cập và mạng khác nhau (di động, cố định, DN) thông qua cơ sở mạng kiểm soát chung, IMS sẽ tạo điều kiện đưa ra các dịch vụ mới, tăng hiệu quả của người sử dụng đặc biệt trong lĩnh vực kinh doanh 8 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS b. Nhược điểm: - Về mặt kỹ thuật, một trong những điểm yếu mà nhiều người nhắc đến nhiều nhất là tính bảo mật của IMS. Trong các yếu tố về bảo mật có thể kể đến các vấn đề liên quan đến quản lý nhận dạng người dùng bao gồm các lỗi như Call ID spoofing, ăn cắp ID, tấn công DoS/DDoS, spam. Điểm yếu bảo mật nằm ở thiết bị SIP vì nó chưa có một cơ chế chứng thực tốt như trong mạng thông tin di động tế bào (ví dụ bảo mật qua SIM) . Thêm vào đó là sự hội tụ giữa nhiều loại hình mạng cũng gây không ít khó khăn trong việc quản lý bảo mật. Hiện tại, Release 8 của 3GPP đang xem xét một cách nghiêm túc vấn đề bảo mật này. - Về mặt ứng dụng, IMS hướng đến hội tụ, hướng đến việc nhiều hệ thống, nhiều mạng có thể tương vận với nhau. Tuy nhiên, việc các thiết bị có nguồn gốc từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tương vận được với nhau không phải là một điều dễ dàng. Bên cạnh đó, nhiều giao thức cũng chưa được chấp nhận và triển khai rộng rãi, ví dụ như trường hợp của giao thức DIAMETER. - Về mặt dịch vụ, IMS chỉ tập trung đến quản lý dịch vụ, do đó thiếu các ứng dụng “hấp dẫn” mang đặc thù riêng của IMS. Hệ thống IMS khá phức tạp và chi phí để triển khai một hệ thống như thế là không nhỏ. Bên cạnh đó, hiện chưa có giải pháp cho việc chuyển tiếp dần từ mạng hiện tại lên IMS - Về chất lượng dịch vụ, mặc dù IMS nhắm đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ nhưng việc đảm bảo chất lượng dịch vụ khi chuyển đổi từ loại hình mạng này sang loại hình mạng khác (trong môi trường mạng hội tụ), hay từ mạng của nhà cung cấp mạng này sang mạng của nhà cung cấp mạng khác vẫn còn là một vấn đế chưa được giải quyết. Kiến trúc IMS thiếu một thực thể trung tâm để quản lý tài nguyên chung. II. KIẾN TRÚC VỀ IMS Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp : lớp ứng dụng (Application Plane), lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) (Signalling Plane) và lớp vận tải (Transport Plane) (hay lớp người dùng). 9 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng Đề tài 5: Kiến trúc IMS • Lớp dịch vụ bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server). • Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi. • Lớp vận tải bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP. Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên. Hình 2 : Kiến trúc IMS 1. Application Plane Máy chủ ứng dụng AS (Application Server) là nơi chứa đựng và vận hành các dịch vụ IMS. AS tương tác với S-CSCF thông qua giao thức SIP để cung cấp dịch vụ đến người dùng. Máy chủ VCC (Voice Call Continuity), đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, là một ví dụ về máy chủ ứng dụng AS. AS có thể thuộc mạng thường trú hay thuộc một mạng thứ ba nào đó. Nếu AS là một phần của mạng thường trú, nó có thể giao tiếp trực tiếp với HSS thông qua giao thức DIAMETER để cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng (user profiles). AS có thể cung cấp các dịch vụ như quản lý sự hiện diện (presence) của người dùng trên mạng, quản lý quá trình hội thảo trực tuyến, tính cước trực tuyến… 10 Nguyễn Ngọc Quyến – Bùi Xuân Linh GVHD: TS.Nguyễn Tài Hưng