2.3.2. Cấu trúc IMS của 3GPP
Hình 2.10 minh hoạ kiến trúc IMS (từ R5 đến R7) do tổ chức 3GPP đề xuất và được TISPAN chấp nhận. Phân hệ IMS là lớp nằm ở giữa và bao gồm các khối chức năng như hình dưới đây.
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).
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.
Tại thời điểm hiện tại, kiến trúc cuối cùng của IMS chưa được thống nhất. Tuy nhiên về cơ bản nó sẽ vẫn dựa trên các thành phần như miêu tả trong hình 2.10.Một điểm đáng lưu ý là kiến trúc IMS là một kiến trúc chức năng, tức là các thực thể được định nghĩa dựa theo các chức năng của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể được thiết kế trên cùng một thiết bị phần cứng.
2.3.2. ETSI-TISPAN
Kiến trúc phần Core IMS trong kiến trúc NGN của ETSI được minh hoạ trong hình dưới đây.
Kiến trúc NGN của TISPAN bổ sung thêm hai khối chức năng mới so với IMS của 3GPP là phần Kết nối mạng (Network Attachment Subsystem – NASS) và Điều khiển truy nhập và tài nguyên (Resource and Admission Control Subsystem – RACS).
Hình 2.11: Core IMS trong phiên bản NGN release 1 (Nguồn ETSI TISPAN)
NASS
Khối chức năng này có nhiệm vụ thực hiện quá trình đăng ký tại mức truy nhập và khởi tạo thiết bị đầu cuối để truy nhập vào dịch vụ NGN:
Cung cấp chức năng nhận diện và xác thực ở mức mạng, quản lý vùng địa chỉ IP của mạng truy nhập và nhận thực phiên truy nhập,
O ther IP Net w or ks
IP Transport (Access and Core)
T-MGF I-BGF AS HSS IBCF A-BGF P-CSCF S-CSCF BGCF I-CSCF SLF Charging Functions IWF UE « Core IMS » Mw Mw Mw/Mk/Mm Mr Mg Mj Mi Mp Mn Gm Gq ISC Cx Dx Dh Sh Ic Rf/Ro Rf/Ro Cx Ib Ia Id PSTN /ISD N SGF MRFC MGCF MRFP
Resource and Admission Control Subsystem Network Attachment Subsystem If Ie Mi Mw O ther IP Net w or ks
IP Transport (Access and Core)
T-MGF I-BGF AS HSS IBCF A-BGF P-CSCF S-CSCF BGCF I-CSCF SLF Charging Functions IWF UE « Core IMS » Mw Mw Mw/Mk/Mm Mr Mg Mj Mi Mp Mn Gm Gq ISC Cx Dx Dh Sh Ic Rf/Ro Rf/Ro Cx Ib Ia Id PSTN /ISD N SGF MRFC MGCF MRFP
Resource and Admission Control Subsystem Network Attachment Subsystem If Ie Mi Mw
Thông báo điểm truy nhập dịch vụ và ứng dụng cho người dùng cuối.
RACS
Khối này có nhiệm vụ điều khiển truy nhập và điều khiển cổng bao gồm chức năng điều khiển chuyển đổi địa chỉ và cổng mạng (NAPT) và DSCP (Differentiated Services field code point). Điều khiển truy nhập bao gồm việc kiểm tra xác thực người dùng dựa trên profile thông qua khối NASS, cấp phép cho người sử dụng dựa trên profile, chính sách riêng của nhà cung cấp và tài nguyên mạng hiện có.
Khối RACS phối hợp với chức năng truyền tải để điều khiển một hay nhiều chức năng trên lớp truyền tải như:
Lọc gói tin.
Phân loại lưu lượng.
Đánh dấu và kiểm soát lưu lượng.
Dành riêng và phân bổ băng thông.
NAPT.
Chống spoofing địa chỉ IP.
Vượt NAPT/tường lửa.
Tính cước (usage metering).
2.3.3. 3GPP2
Kiến trúc IMS của 3GPP2 được thể hiện trong Hình 2-28. IMS là một phần trong kiến trúc MMD (IP Multimedia Domain) của 3GPP2. Về cơ bản, IMS của 3GPP2 giống với IMS của 3GPP. Do vậy, phần này chỉ trình bày một cách tổng quan. Kiến trúc MMD có khả năng hỗ trợ PDS và IMS. PDS cung cấp các dịch vụ chuyển mạch gói nói chung, IMS cung cấp các dịch vụ đa phương tiện. Có thể thấy trên hình 2.10, phần lớn các thành phần và giao diện trong kiến trúc IMS của 3GPP2 giống như của 3GPP. Tập hợp của AAA và các CSDL khác cung cấp chức năng của HSS. CSCF cũng là một SIP server và giao diện ISC cũng dựa trên giao thức SIP. So sánh với Hình 2.10, 3GPP2 cũng có OSA AS và SIP AS, tuy nhiên, lại không có CAMEL.
Hình 2.12: Kiến trúc IMS của 3GPP2
2.4. Tổng quan về các thành phần trong cấu trúc mạng hội tụ
Dịch vụ Điều khiển Truyền tải IP Cố định Không dây Di động Hình 2.13: Kiến trúc mạng hội tụ
Kiến trúc chức năng mạng FMC được mô tả dưới đây tuân theo mô hình tham chiếu chung của ITU-T cho mạng thế hệ kế tiếp (ITU-T Recommendation Y.2011: "General principles and general reference model for next generation networks".) và theo mô hình IMS của TISPAN. Kiến trúc này có thể phân làm 4 lớp: Lớp quản lý ứng dụng, lớp điều khiển, lớp truyền tải IP và lớp mạng truy nhập.
2.4.1. Lớp quản lý ứng dụng
Thành phần: bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server), máy chủ đa
phương tiện, lưu trữ thông tin người sử dụng, các khối chức năng điều khiển tính cước CCF (Charging Controller Function),…
Các chức năng :
a. Chức năng máy chủ ứng dụng AS (Application Server)
Server ứng dụng (AS) là nơi thực hiện các dịch vụ, giao diện với S-CSCF thông qua báo hiệu SIP. Đây là cơ sở để bên cung cấp dịch vụ có thể dễ dàng tích hợp và triển khai các dịch vụ giá trị gia tăng của họ trên cơ sở hạ tầng IMS.
Tuỳ thuộc vào dịch vụ cụ thể, Server ứng dụng có thể hoạt động ở chế độ SIP proxy, SIP UA hoặc SIP B2BUA. Server ứng dụng có thể được đặt tại mạng chủ hoặc mạng của bên thứ ba. Dựa trên giao diện giữa AS và S-CSCF mà nó có thể được phân ra làm các loại sau:
SIP AS: server ứng dụng IMS chuẩn.
OSA-SCS: server ứng dụng OSA dùng Parlay API.
IM-SSF: server ứng dụng CAMEL dùng giao thức CAP.
b. Chức năng máy chủ đa phương tiện
Khối MRF (Media Resource Function) cung cấp các chức năng đa phương tiện như:
Đưa ra các thông báo (thoại hoặc video).
Hội nghị đa phương tiện (trộn nhiều luồng thoại và video).
TTS (Text-to-speech conversation) và nhận dạng tiếng nói.
Chuyển đổi thông tin đa phương tiện (chuyển đổi giữa các codecs với nhau). MRF lại được phân ra làm một số loại. MRFC (Media Resource Function Controller) là chức năng của phần báo hiệu, có nhiệm vụ của SIP UA đối với S- CSCF và điều khiển phần MRFP qua giao diện H.248. MRFP (Media Resource Function Processor) là chức năng của phần chuyển tải, thực hiện các chức năng liên quan đến thoại/video.
c. Chức năng lưu trữ thông tin người sử dụng (UPSF)
Chức năng lưu giữ thông tin người sử dụng (UPSF) chịu trách nhiệm lưu giữ thông tin liên quan đến người sử dụng sau:
Thông tin nhận dạng người sử dụng mức dịch vụ, thông tin đánh số và thông tin đánh địa chỉ.
Thông tin an ninh người sử dụng mức dịch vụ: thông tin điều khiển truy nhập cho nhận thực và cấp quyền.
Thông tin vị trí người sử dụng tại mức liên kết nối: UPSF hỗ trợ đăng ký người sử dụng, và lưu trữ thông tin vị trí liên hệ thống....
Thông tin người sử dụng mức dịch vụ
UPSF có thể lưu trữ thông tin người sử dụng liên quan tới một hay nhiều phân hệ điều khiển dịch vụ và ứng dụng.
UPSF không chứa các thông tin liên quan đến kết nối IP. Những thông tin như vậy được lưu trong phân hệ NASS. Tuy nhiên, cũng có trường hợp UPSF có thể được đặt cùng với chức năng cơ sở dữ liệu của NASS.
Tập con của UPSF lưu giữ thông tin liên quan tới IMS là tương đương với tập con của thực thể HSS.
HSS (Home Subscriber Server) là cơ sở dữ liệu gốc có chức năng hỗ trợ các thành phần khác của IMS có nhiệm vụ xử lý các phiên kết nối. HSS chứa các thông tin thuê bao (profile của thuê bao), thực hiện việc xác thực thuê bao, và cung cấp các thông tin về vị trí hiện tại của thuê bao. Nói một cách khác, nó có chức năng tương tự như của HLR và AUC của hệ thống GSM.
Chức năng SLF (Subscriber Location Function) được thực hiện khi nhiều HSS được sử dụng. HSS và SLF đều phải hỗ trợ giao thức DIAMETER
d. Chức năng tính cước
Việc tính cước ngoại tuyến được sử dụng cho các thuê bao trả sau. Tính cước trực tuyến được dùng cho các dịch vụ trả trước. Một phiên kết nối có thể được tính cước cả ngoại tuyến lẫn trực tuyến.
Đối với tính cước ngoại tuyến, tất cả các thành phần SIP của mạng (P-CSCF, I- CSCF, S-CSCF, BGCF, MRFC, MGCF, AS) sử dụng giao diện Rf của DIAMETER để gửi các thông tin cước đến khối CCF (Charging Collector Function) đặt tại trong cùng vùng mạng với chúng. CCF sẽ thu thập toàn bộ các thông tin cước để xây dựng một bản ghi cước CDR và gửi đến hệ thống tính cước của mạng. Mỗi phiên
kết nối được gán một ID riêng (hay còn gọi là ICID – IMS Charging Identity). Tham số IOI (Inter Operator Identifier) sẽ cho biết mạng khởi tạo và mạng kết cuối của phiên kết nối. Mỗi mạng có hệ thống tính cước riêng. Các hệ thống tính cước của các vùng mạng khác nhau sẽ có thể trao đổi thông tin với nhau để có thể tính cước các cuộc gọi chuyển vùng.
Đối với tính cước trực tuyến, S-CSCF trao đổi trực tiếp với SCF (Session Charging Function) – có chức năng của một server ứng dụng SIP thông thường. SCF có thể báo hiệu để S-CSCF kết thúc phiên kết nối đang hoạt động nếu tài khoản thuê bao đã hết tiền. Server ứng dụng và MRFC thông tin đến khối ECF (Event Charging Function) qua giao diện DIAMETER Ro với hai trường hợp sau:
Ở chế độ IEC (Immediate Event Charging), một số tiền được ECF trừ ngay khỏi tài khoản, sau đó, MRFC hay server ứng dụng sẽ được cho phép cung cấp dịch vụ. Nếu tài khoản hết tiền thì dịch vụ sẽ bị khoá.
Ở chế độ ECUR (Event Charging with Unit Reservation), ECF để dành một số tiền nhất định trong tài khoản thuê bao và sau đó cho phép MRFC hoặc AS cung cấp dịch vụ. Sau khi kết thúc dịch vụ, số tiền sử dụng được báo lại và trừ khỏi tài khoản, lượng tiền dành riêng sau đó sẽ được trả lại tài khoản của thuê bao.
2.4.2. Lớp điều khiển
Thành phần chức năng của lớp điều khiển bao gồm các thành phần chính của các thành phần điều khiển trong mạng lõi IMS. Các thành phần theo chức năng là:
a. Chức năng điều khiển cuộc gọi/phiên kết nối
Các Server CSCF (Call/Session Control Function) là các SIP server có nhiệm vụ xử lý các gói tin báo hiệu SIP trong IMS. P-CSCF (Proxy-CSCF) là một SIP Proxy Server có nhiệm vụ làm proxy cho đầu cuối IMS. P-CSCF có thể là server nằm tại mạng khách (nếu mạng khách tuân thủ IMS) hoặc mạng chủ (nếu mạng khách không tuân thủ IMS). Thiết bị đầu cuối phát hiện P-CSCF cho nó thông qua DHCP hoặc được gán bởi PDP Context (dùng GPR). Một P-CSCF có các tính chất sau:
Được gán cho một thiết bị đầu cuối IMS khi thiết bị này đăng ký với mạng và không được thay đổi trong suốt thời gian đăng ký.
Nằm trên tuyến báo hiệu và có thể giám sát tất cả các bản tin báo hiệu.
Xác thực người dùng và thiết lập liên kết bảo mật Ipsec với thiết bị đầu cuối IMS. Điều này cho phép loại trừ nguy cơ tấn công mạng kiểu giả danh hay chuyển tiếp cũng như bảo vệ thông tin cá nhận của người sử dụng. Các nút
mạng khác có thể tin tưởng kết quả xác thực của P-CSCF nên không cần xác thực lại.
Nén và giải nén bản tin SIP nên giúp giảm thiểu trễ báo hiệu trên kết nối vô tuyến tốc độ thấp.
Có thể có chức năng PDF (Policy Decision Function), làm nhiệm vụ cấp phép sử dụng tài nguyên của phần chuyển tải và quản lý chất lượng dịch vụ, và được sử dụng vào những mục đích như quản lý sử dụng theo chính sách, bắt thông tin theo luật, quản lý băng thông, v.v… PDF cũng có thể là một chức năng riêng biệt, ví dụ như trong phần điều khiển phiên ngoài biên.
Gửi các thông tin tính cước đến nút thu thập thông tin cước.
Server I-CSCF (Interrogating-CSCF) thực chất là một SIP Proxy đặt ở rìa mạng. Địa chỉ của I-CSCF được quảng bá thông qua hệ thống địa chỉ miền DNS nên các server khác (ví dụ như P-CSCF trong mạng khách hay S-CSCF trong mạng khác) có thể tìm được và kết nối với nó như cửa ngõ chính để gửi gói tin SIP vào mạng. I- CSCF truy vấn HSS qua giao diện Cx và Dx qua giao thức DIAMETER để xác định vị trí thuê bao, để có thể định tuyến yêu cầu SIP đến server S-CSCF phục vụ thuê bao đó. I-CSCF cũng được sử dụng với mục đích bảo vệ cấu trúc nội bộ của mạng. Server S-CSCF (Serving-CSCF) là nút có vai trò trung tâm trong hệ thống báo hiệu. Trên thực tế, nó là một SIP server nhưng có thêm chức năng điều khiển phiên. S- CSCF bao giờ cũng nằm ở mạng gốc của thuê bao. S-CSCF sử dụng giao diện Cx và Dx của DIAMETER để truy vấn HSS và tải xuống hay cập nhật profile của thuê bao. S-CSCF hoàn toàn không lưu thông tin thuê bao. Các nhiệm vụ chính của S- SCCF bao gồm:
Xử lý các bản tin đăng ký SIP.
Nằm trên tuyến báo hiệu và có thể giám sát từng bản tin báo hiệu.
Xác định server ứng dụng để gửi bản tin báo hiệu SIP.
Cung cấp dịch vụ định tuyến, thường sử dụng dịch vụ ENUM.
Áp đặt chính sách của nhà vận hành mạng.
b. Chức năng quản lý tài nguyên đa phương tiện
Chức năng quản lý tài nguyên đa phương tiện (Media Resource Function) có thể phân ra thành 2 thành phần: MRFC (Media Resource Function Controller) và MRFP (Media Resource Function Processor). MRFC có vai trò quản lý tài nguyên cho các dòng dữ liệu đa phương tiện trong MRFP (Media Resource Function Processor), giải mã thông điệp đến từ máy chủ ứng dụng AS truyền qua S-CSCF,
điều khiển MRFP tương ứng cũng 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
c. Chức năng định tuyến gateway ngõ ra BGCF (Breakout Gateway Control Function)
BGCF (Breakout Gateway Control Function) là một máy chủ SIP chứa đựng chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. Nó được sử dụng khi một thiết bị IMS thực hiện cuộc gọi đến mạng nối chuyển mạch hay mạng điện thoại cố định truyền thống PSTN. BGCF hỗ trợ khả năng kết nối liên mạng thông qua việc định tuyến yêu cầu SIP trong trường hợp S-CSCF xác định rằng không thể định tuyến yêu cầu này bằng DNS/ENUM. BGCF sẽ xác định nút mạng tiếp theo trên đường định tuyến, hoặc là MGCF hoặc là một BGCF của mạng khác rồi chuyển báo hiệu đến nút mạng tương ứng.
d Chức năng Gateway PSTN
Gateway PSTN là phần kết nối IMS với mạng chuyển mạch kênh PSTN. Về báo hiệu, mạng chuyển mạch kênh dùng báo hiệu ISUP/MTP trong khi IMS dùng báo hiệu SIP. Về thoại, mạng chuyển mạch kênh dùng PCM trong khi IMS dùng RTP. SGW (Signalling Gateway) giao diện với phần báo hiệu của mạng chuyển mạch kênh, có nhiệm vụ chuyển đổi giao thức lớp dưới như SCTP/IP sang MTP để giúp cho việc gửi báo hiệu ISUP từ MGCF sang mạng chuyển mạch kênh và ngược lại. MGCF (Media Gateway Controller 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. MGCF quản lý một hay nhiều IM-MGW (IP Multimedia-Media Gateway). IM-MGW sẽ tương tác với MGCF để quản lý tài nguyên. IM-MGW đóng vai trò là điểm chuyển đổi nội dung đa phương tiện giữa mạng chuyển nối gói và chuyển nối mạch khi thông tin truyền từ mạng này sang mạng khác. MGCF điều khiển việc sử dụng tài nguyên của MGW qua giao diện H.248.
MGW (Media Gateway) giao tiếp với phần chuyển tải của mạng chuyển mạch kênh,