Trước khi tìm hiểu kiến trúc tổng quát IMS, chúng ta nên nhớ rằng 3GPP không chuẩn hóa theo nút mà theo chức năng. Điều đó có nghĩa là kiến trúc IMS là một tập hợp các chức năng được kết nối với nhau bởi các giao diện đã được chuẩn hóa. Các nhà triển khai có thể kết hợp hai chức năng vào một nút. Tương tự, các nhà triển khai có thể tách một chức năng thành hai hay nhiều nút.
Nhìn chung thì hầu hết những dịch vụ cung cấp đều tuân theo kiến trúc IMS một cách chặt chẽ và triển khai mỗi chức năng trong một nút riêng. Tuy nhiên, việc tìm kiếm các nút triển khai nhiều hơn một chức năng và các chức năng được phân phối qua nhiều hơn một nút là hoàn toàn có thể.
Phan Đình Mạnh 38
Hình 3.1. Tổng quan kiến trúc IMS
Trong hình 3.1 minh họa một cái nhìn tổng quan về kiến trúc IMS như chuẩn hóa của 3GPP. Trong hình chỉ ra hầu hết các giao diện báo hiệu trong hệ thống IMS, nó thường được đề cập đến bởi hai hay ba ký tự mã hóa. Chúng ta không thể vẽ tất cả các giao diện được định nghĩa trong IMS mà chỉ có thể liệt kê hầu hết những nút giao diện có liên quan. Trong IMS được phân chia thành 3 phần: mạng truy nhập, mạng lõi và tầng dịch vụ.
3.1.1.1. Mạng truy nhập
Ở phía bên trái hình 3.1, chúng ta có thể nhìn thấy các đầu cuối IMS di động thường được nhắc đến như là các thiết bị người dùng (UE). Đầu cuối IMS được nối vào mạng chuyển mạch gói như là GPRS thông qua đường truyền vô tuyến.
Chú ý rằng, mặc dù hình trên chỉ chỉ ra một thiết bị đầu cuối IMS nối vào mạng sử dụng đường truyền vô tuyến nhưng IMS cũng hỗ trợ các loại thiết bị và các cách truy nhập khác. Thiết bị hỗ trợ cá nhân PDAs và máy tính là các ví dụ về các thiết bị có thể kết nối tới IMS. Một ví dụ khác về phương pháp truy cập là WLAN và ADSL.
Phan Đình Mạnh 39
3.1.1.2. Mạng lõi
Phần còn lại của hình chỉ ra các nút bao gồm trong mạng lõi IMS. Các nút này là:
• Một hay vài cơ sở dữ liệu người dùng, còn gọi là HSS và SLF.
• Một hay vài máy chủ ứng SIP như là CSCF (Call Session Control Function). • Một hay vài MRF mỗi cái được chia nhỏ thành MRFC và MRFP.
• Một hay vài BGCF (Breakout Gateway Control Functions).
• Một hoặc vài PSTN gateways, được chia nhỏ hơn thành SGW và MGCF. ¾ Cơ sở dữ liệu HSS và SLF
HSS (Home Subscriber Server) là trung tâm lưu trữ dữ liệu các thông tin liên quan đến người dùng. Về kỹ thuật thì HSS là sự phát triển của HLR (Home Location Register), HLR là một nút trong mạng GSM. HSS bao gồm các thông tin thuê bao liên quan đến người dùng được yêu cầu để điều khiển các phiên đa phương tiện. Những dữ liệu này bao gồm, thông tin vị trí, thông tin bảo mật (bao gồm các thông tin nhận thực và phân quyền), các thông tin về tiểu sử người dùng (bao gồm các dịch vụ mà người dùng đăng ký thuê bao), và S-CSCF cấp phát tới người dùng.
Một mạng có thể chứa một hoặc một vài HSS, trong trường hợp số lượng thuê bao quá nhiều so với sự quản lý của một HSS. Trong tất cả trường hợp, tất cả các dữ liệu liên quan đến một người dùng cụ thể được chứa trong một HSS. Các mạng với một HSS sẽ không cần SLF (Subscriber Location Function). Mặt khác, mạng với nhiều hơn một HSS yêu cầu có SLF.
SLF là một cơ sở dữ liệu đơn giản ánh xạ địa chỉ người dùng tới HSS quản lý tương ứng. Một nút yêu cầu truy vấn SLF, với một địa chỉ người dùng là đầu vào, sẽ thu được ở đầu ra là HSS có chứa thông tin liên quan đến người dùng đó.
Cả HSS và SLF đều thực thi giao thức Diameter với các đặc trưng ứng dụng diameter cho IMS.
Phan Đình Mạnh 40
Điều khiển cuộc gọi phiên (CSCF) là một máy chủ SIP, là một nút cần thiết trong IMS. Các CSCF xử lý các bản tin báo hiệu SIP trong IMS. Có ba loại CSCF phụ thuộc vào các chức năng mà chúng cung cấp:
Proxy-CSCF (P-CSCF) : là một máy chủ SIP, là điểm đầu tiên liên lạc giữa đầu cuối IMS và mạng IMS. Nó có thể được đặt ở mạng khách (trong toàn bộ mạng IMS) hoặc mạng chủ. Một vài mạng có thể sử dụng thiết bị kiểm soát biên phiên SBC (Session Border Controller) để thực hiện chức năng này. 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 (Dynamic Host Configuration Protocol) hoặc sẽ được cung cấp khi người dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP (Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động tế bào. Chức năng của P-CSCF bao gồm:
o P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như bản tin phản hồi từ máy chủ SIP về UE.
o P-CSCF được gán cho đầu cuối IMS trong suốt quá trình đăng ký, và không thay đổi trong suốt quá trình đăng ký.
o P-CSCF nằm trên đường đi của tất cả các bản tin báo hiệu và có thể được gán vào mỗi bản tin.
o P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị đầu cuối IMS của người dùng. P-CSCF còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing, replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng.
o P-CSCF có thể nén và giải nén các bản tin SIP dùng sigcomp, để giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp (hay giảm độ trễ khi truyền trên các kênh có băng thông hẹp).
o P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện.
o P-CSCF cũng tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ.
Interrogating-CSCF (I-CSCF) : là một chức năng SIP khác được đặt ở biên của miền quản trị. Địa chỉ IP của I-CSCF được công bố trong DNS (Domain Name
Phan Đình Mạnh 41
System) của miền, vì thế các máy chủ ứng dụng ở xa có thể tìm thấy I-CSCF và sử dụng I-CSCF như một điểm chuyển tiếp cho các gói tin SIP tới miền này. Các chức năng của I-CSCF bao gồm:
o Định tuyến bản tin yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến S-CSCF tương ứng. Để làm được điều này, I-CSCF sẽ truy vấn HSS thông qua giao diện Diameter Cx để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng (giao diện Dx được dùng để từ I-CSCF tới SLF để định vị HSS cần thiết). Nếu như chưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một I-CSCF cho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP.
o Ngược lại, I-CSCF sẽ định tuyến bản tin yêu cầu SIP hoặc bản tin trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác.
I-CSCF luôn luôn được đặt tại mạng chủ, trong một số trường hợp như THIG (Topology Hiding Inter-network Gateway), I-CSCF được đặt tại mạng khách là tốt nhất.
Serving-CSCF (S-CSCF) : là một nút trung tâm của hệ thống báo hiệu IMS. S- CSCF vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng nó cũng bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ. Thêm vào việc thực hiện chức năng là một máy chủ SIP thì nó cũng đóng vai trò như một trung tâm đăng ký SIP (SIP registrar). Điều này có nghĩa là nó duy trì mối liên hệ giữa vị trí của người dùng (nói cách khác là địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối mà người dùng đăng nhập) với địa chỉ SIP của người dùng đó (cũng được biết đến như là định danh chung của người dùng – Public User Identity).
Cũng giống như I-CSCF, S-CSCF cũng thực thi một giao diện diameter với HSS. Lý do chính của việc sử dụng giao diện với HSS là:
o Để tải các vector nhận thực của người dùng đang cố gắng truy cập mạng từ HSS. S-CSCF sử dụng vector này để nhận thực người dùng.
o Để tải hồ sơ người dùng từ HSS. Hồ sơ người dùng bao gồm các triggers có thể làm cho bản tin SIP được định tuyến qua một hoặc vài máy chủ ứng dụng.
Phan Đình Mạnh 42 o Để khai báo với HSS về S-CSCF được cấp cho người dùng trong suốt quá trình đăng ký.
Tất cả các bản tin báo hiệu SIP mà đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi quá S- CSCF. S-CSCF sẽ kiểm tra mỗi bản tin SIP và quyết định xem liệu bản tin báo hiệu này nên đi qua một hay nhiều máy chủ ứng dụng trên đường đi tới đích cuối cùng của nó. Các máy chủ ứng dụng này sẽ cung cấp các khả năng về một dịch vụ tới người dùng.
Một chức năng chính của S-CSCF là cung cấp dịch vụ định tuyến bản tin SIP. Nếu người dùng quay số điện thoại thay vì sử dụng SIP URI (Uniform Resource Identifier) thì S-CSCF cung cấp một dịch vụ chuyển đổi, thường dựa trên chuẩn DNS E.164 Number Translation (DNS/ENUM).
S-CSCF cũng tác động vào chính sách mạng của nhà cung cấp. Ví dụ, một người dùng có thể không có quyền thiết lập một phiên cụ thể nào cả. S-CSCF tránh cho người dùng thực hiện các chức năng không được cho phép.
Một mạng thường bao gồm một số các S-CSCF cho mục đích mở rộng và dự phòng. Mỗi S-CSCF phục vụ một số lượng đầu cuối tùy thuộc vào dung lượng của nó. S-CSCF luôn luôn được đặt tại mạng chủ.
¾ Máy chủ xử lý media
Máy chủ xử lý media (MRF) cung cấp tài nguyên media trong mạng chủ. MRF (Media Resource Function) cung cấp cho mạng chủ khả năng đưa ra các thông báo trong luồng media (ví dụ trong cầu hội thảo tập trung), chuyển đổi giữa các loại mã hóa, thu nhận số liệu thống kê và thực hiện bất cứ loại phân tích media nào.
MRF còn được chia thành một nút nhỏ hơn trong miền báo hiệu gọi là MRFC (Media Resource Function Controller) và một nút trong miền media là MRFP (Media Resource Function Processor). MRFC hoạt động như là một SIP User Agent và chứa các giao diện SIP với S-SCSF. MRFC điều khiển tài nguyên trong MRFP thông qua giao diện H.248.
Phan Đình Mạnh 43
MRFP triển khai tất cả các hàm liên quan đến media như là chơi và trộn media. MRF luôn đặt ở mạng chủ.
¾ Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng
Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) thực hiện chủ yếu là chức năng của máy chủ SIP bao gồm chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. BGCF (Breakout Gateway Control Function) chỉ dùng trong các phiên được khởi tạo bởi đầu cuối IMS và hướng tới một người dùng trong mạng chuyển mạch kênh như là PSTN hay PLMN. Chức năng chính của BGCF là:
• Lựa chọn mạng thích hợp nơi mà tương tác với miền chuyển mạch kênh xảy ra. • Hoặc lựa chọn cổng PSTN/CS phù hợp, nếu tương tác xảy ra trong cùng một mạng mà BGCF được đặt.
¾ PSTN/CS Gateway
PSTN gateway cung cấp một giao diện hướng tới một mạng chuyển mạch kênh, cho phép các thiết bị đầu cuối IMS gọi và nhận cuộc gọi tới PSTN và từ PSTN.
Phan Đình Mạnh 44
Hình 3.2 mô tả một BGCF và một PSTN gateway riêng biệt có giao tiếp mạng với PSTN. PSTN gateway được phân tích thành các chức năng sau:
• SGW (Signalling Gateway) : Signalling gateway giao tiếp với mặt phẳng báo hiệu của mạng chuyển mạch kênh. SGW thực hiện biến đổi giao thức ở lớp thấp hơn. Ví dụ: SGW có nhiệm vụ thay thế các giao thức MTP ở mức thấp hơn vận chuyển cùng với SCTP (Stream Control Transmission Protocol) trên địa chỉ IP. Vì thế, SGW chuyển đổi ISUP (ITU-T khuyến nghị Q.761) hoặc BICC [ITU-T khuyến nghị tại Q.1901) trên MTP thành ISUP hoặc BICC trên SCTP/IP.
• MGCF (Media Gateway Control Function) : MGCF là nút trung tâm của PSTN/CS gateway. MGCF triển khai một cơ chế thực hiện chuyển đổi giao thức và ánh xạ SIP sang hoặc là ISUP trên IP hoặc là BICC trên IP (cả BICC và ISUP đều là các giao thức điều khiển cuộc gọi trong mạng chuyển mạch kênh). Hơn nữa, để biến đổi giao thức điều khiển cuộc gọi thì MGCF điều khiển nguồn tài nguyên trong MGW (Media Gateway). Giao thức được sử dụng giữa MGCF và MGW là H.248 . • MGW (Media Gateway) : Media Gateway giao tiếp với mặt phẳng media của mạng PSTN hoặc mạng CS. Một mặt MGW có thể gửi hoặc nhận media của IMS thông qua giao thức RTP (RFC 3550 [225]). Mặt khác, MGW sử dụng một hoặc nhiều khe thời gian PCM (Pulse Code Modulation) để kết nối tới mạng CS. Thêm vào đó, MGW thực hiện chuyển đổi mã khi đầu cuối IMS không hỗ trợ codec được sử dụng bởi mạng chuyển mạch kênh. Một tình huống phổ biến thường xảy là khi thiết bị đầu cuối IMS sử dụng bộ giải mã AMR trong khi đó thiết bị đầu cuối của mạng PSTN lại sử dụng bộ giải mã G.711.
¾ Mạng chủ và mạng khách
IMS mượn một vài khái niệm từ GSM và GPRS như mạng chủ và mạng khách. Trong mô hình tế bào, khi chúng ta sử dụng điện thoại di động trong khu vực nơi chúng ta cư trú, khi đó là chúng ta đang sử dụng cơ sở hạ tầng do các nhà điều hành mạng cung cấp. Cở sở hạ tầng này hình thành mạng chủ (home network). Mặt khác, khi chúng ta chuyển ra ngoài khu vực che phủ của mạng chủ, chúng ta sử dụng cơ sở hạ tầng được cung cấp bởi một nhà điều hành mạng khác. Cơ sở hạ tầng
Phan Đình Mạnh 45
này được gọi là mạng khách (visited network). Để sử dụng mạng khách thì các nhà điều hành mạng khách và mạng chủ phải có một thỏa thuận với nhau. Các thỏa thuận này có thể là giá cuowics cuộc gọi, chất lượng dịch vụ hoặc là phương thức quy đổi bảng tính cước.
Hầu hết các nút IMS được đặt tại mạng chủ nhưng có nút cũng được đặt trong mạng khách hoặc mạng chủ, nút đó là P-CSCF. Kiến trúc IMS cho phép hai cấu hình khác nhau cho P-CSCF, tùy thuộc vào vị trí của P-CSCF ở mạng khách hay mạng chủ. Thêm vào đó, khi IP-CAN (IP Connectivity Access Network) là GPRS thì vị trí của P-CSCF phụ thuộc vào vị trí của GGSN. Trong tình huống chuyển vùng, GPRS cho phép vị trí của GGSN hoặc ở trong mạng chủ hoặc ở trong mạng khách (bình thường SGSN luôn được đặt ở mạng khách).
Trong IMS cả GGSN và P-CSCF phải nằm trong cùng một mạng. Điều này cho phép P-CSCF điều khiển GGSN qua giao diện Go. Vì cả P-CSCF và GGSN đều nằm trong cùng một mạng nên giao diện Go luôn luôn là giao diện hoạt động bên trong và làm cho việc hoạt động của mạng đơn giản hơn.
Hình 3.3, cho chúng ta thấy cấu hình P-CSCF (và GGSN) đặt tại mạng khách. Cấu hình này thể hiện tầm nhìn lâu dài về IMS vì nó yêu cầu IMS hỗ trợ thực hiện từ mạng khách.
Hình 3.3. P-CSCF đặt tại mạng khách
Không thể mong đợi tất cả các mạng trên thế giới đều triển khai IMS đồng thời. Do đó cũng không thể mong chờ tất cả các mạng thành phần sẽ cập nhật các GGSN
Phan Đình Mạnh 46
theo cùng một chuẩn tại cùng một thời điểm và cùng bắt đầu cung cấp dịch vụ IMS. Vì vậy chúng ta chỉ có thể mong chờ việc sớm có sự triển khai IMS mà P-CSCF ở trong mạng chủ như hình 3.4 dưới đây.
Hình 3.4. P-CSCF đặt tại mạng chủ
Hình 3.4 chỉ ra cấu hình hiện tại khi cả P-CSCF và GGSN đều đặt tại mạng chủ. Cấu hình này không yêu cầu sự hỗ trợ IMS từ mạng khách. Mạng khách không cần phải có GGSN tuân theo phiên bản 3GPP Release 5. Mạng khách chỉ cần cung cấp liên lạc vô tuyến và SGSN. Vì thế, cấu hình này được triển khai từ những ngày đầu của IMS. Như một hệ quả, người ta mong muốn rằng nó sẽ là cấu hình phổ biến