2.4.2.1.Sự cần thiết của IMS
Điều khiển dịch vụ trong mạng toàn IP chủ yếu đ−ợc điều khiển bởi kiến trúc lõi của IMS. Miền chuyển mạch mạch thể hiện sự phát triển của công nghệ đ−ợc sử dụng trong các mạng 2G. Các mạch trong miền này đ−ợc tối −u hóa để truyền tin nhắn, âm thanh và hình ảnh. Mặc dù công nghệ chuyển mạch mạch đ−ợc sử dụng từ khi điện thoại ra đời nh−ng xu h−ớng hiện nay là thay thể nó bằng công nghệ chuyển mạch gói hiệu quả hơn.
đầu cuối 2G có thể đóng vai trò nh− những modem để truyền các gói IP thông qua một mạch điện thì các đầu cuối 3G sử dụng công nghệ chuyển mạch gói thuần túy để trao đổi dữ liệu. Bằng cách này dữ liệu đ−ợc truyền nhanh hơn và băng thông rỗi cho việc truy nhập internet tăng lên đáng kể. Ng−ời dùng có thể l−ớt web, đọc email, tải các video và rất nhiều công việc khác thông qua kết nối Internet băng rộng bất kỳ nh− ISDN (Integrated Service Digital Line) hoặc DSL (Digital Subscriber Line).
Tất cả sức mạnh của Internet đều đã đ−ợc cung cấp cho những ng−ời dùng 3G thông qua miền chuyển mạch gói nh−ng IMS vẫn đ−ợc phát triển vì nó mang lại những −u điểm về chất l−ợng dịch vụ QoS (Quality of Service), tính c−ớc (Charging) và vấn đề tích hợp các dịch vụ khác nhau.
Nh− ta đã biết các mạng 3G sử dụng cơ chế chuyển mạch gói, điều này cho phép dữ liệu truyền dẫn với tốc độ cao hơn và băng thông lớn hơn rất nhiều. Ng−ời dùng có thể “l−ớt” web, đọc email, tải video và làm bất kỳ việc gì mà họ có thể làm thông qua bất kỳ một kết nối internet nào, nh− ISDN (Integrated Service Digital Network) hoặc DSL (Digital Subscriber Line). Điều này có nghĩa là ng−ời dùng có thể sử dụng tất cả các dịch vụ của nhà cung cấp trên internet, nh− voice mail hay conferencing. Câu hỏi đặt ra là tại sao lại cần có IMS trong khi tất cả thế mạnh của internet đã mang lại cho ng−ời dùng 3G thông qua mạng chuyển mạch gói? Câu trả lời là: chất l−ợng dịch vụ (QoS Quality of Service), tính c−ớc, và sự tích hợp của các dịch vụ khác nhau.
Vấn đề chính của mạng chuyển mạch gói khi cung cấp các dịch vụ đa ph−ơng tiện thời gian thực là nó cung cấp một dịch vụ tốt nhất có thể mà không đảm bảo QoS (best-effort). Có nghĩa là, mạng không đ−a ra sự đảm bảo về l−ợng băng thông mà ng−ời dùng nhận đ−ợc cho một kết nối cụ thể hay về độ trễ của gói trên đ−ờng truyền. Hậu quả là chất l−ợng của một cuộc hội thoại VoIP có thể thay đổi rất nhiều trong thời gian trao đổi.
Vì thế, một lý do để tạo ra IMS là để cung cấp chất l−ợng dịch vụ (QoS)
yêu cầu chấp nhận đ−ợc đối với ng−ời dùng hơn là “l−ớt” trong các phiên multimedia thời gian thực. IMS sẽ thực hiện đồng bộ thiết lập phiên cùng với việc
cung cấp QoS.
Một nguyên nhân khác khi tạo ra IMS là để có khả năng tính c−ớc các phiên multimedia t−ơng ứng. Một ng−ời dùng tham gia một cuộc hội thảo truyền hình thông qua mạng chuyển mạch gói th−ờng truyền một l−ợng thông tin lớn(chủ yếu chứa audio và video đã mã hoá). Phụ thuộc vào các nhà cung cấp 3G mà việc truyền một số l−ợng lớn dữ liệu nh− thế có thể tạo ra nhiều chi phí đối với ng−ời dùng, vì thế các nhà cung cấp th−ờng tính c−ớc dựa trên số byte đã truyền. Họ không thể dựa theo một mô hình kinh doanh khác để tính c−ớc vì họ không biết nội dung của các byte này: chúng có thể thuộc một phiên VoIP, hay một tin nhắn, hay một trang web hoặc một email.
Nói cách khác, nếu nhà cung cấp biết đ−ợc dịch vụ mà ng−ời dùng đang sử dụng thì họ có thể cung cấp một cơ chế tính c−ớc linh động, điều này có thể có lợi hơn đối với ng−ời dùng. Ví dụ, nhà cung cấp có thể tính c−ớc cố định cho mỗi tin nhắn mà không quan tâm đến kích th−ớc của nó. Mặt khác, nhà cung cấp có thể tính c−ớc cho một phiên multimedia dựa trên thời l−ợng của nó, không quan tâm đến số byte truyền nhận.
IMS không phụ thuộc vào mô hình kinh doanh nào. Thay vào đó, các nhà cung cấp có thể tính c−ớc theo ph−ơng pháp của họ. IMS sẽ cung cấp các thông tin về dịch vụ đang đ−ợc thực hiện bởi ng−ời dùng, và với thông tin này nhà cung cấp sẽ quyết định cơ chế tính c−ớc phù hợp.
Lý do thứ ba là việc cung cấp các dịch vụ tích hợp cho ng−ời dùng. Mặc dù các nhà sản xuất thiết bị và các nhà cung cấp sẽ phát triển một vài dịch vụ multimedia, các nhà cung cấp không muốn hạn chế họ trong các dịch vụ này. Họ muốn có khả năng sử dụng các dịch vụ đ−ợc phát triển bởi các thành phần thứ ba (third party), kết hợp chúng, tích hợp chúng với các dịch vụ mà họ đã có và cung cấp cho ng−ời dùng một dịch vụ hoàn toàn mới. Ví dụ, một nhà cung cấp có một dịch vụ voicemail có thể l−u trữ các bản tin voice và một nhà sản xuất thứ ba đã phát triển một dịch vụ chuyển đổi text-to-speech. Nếu nhà cung cấp mua dịch vụ
bản nhận đ−ợc cho những ng−ời dùng bị mù.
IMS định nghĩa các giao diện chuẩn dành cho các nhà phát triển dịch vụ sử dụng. Theo cách này, các nhà cung cấp có thể đạt đ−ợc −u điểm của công nghiệp tạo ra các dịch vụ của nhiều nhà sản xuất có năng lực, tránh việc gắn chặt một nhà sản xuất duy nhất đối với các dịch vụ mới.
Hơn nữa, sự hỗ trợ của IMS không chỉ để cung cấp các dịch vụ mới mà còn cung cấp tất cả các dịch vụ, hiện tại và t−ơng lai mà Internet cung cấp. Ng−ời dùng phải có khả năng thực hiện tất cả các dịch vụ của họ khi đ−ợc chuyển h−ớng cũng nh− từ mạng khách. Để đạt đ−ợc các mục tiêu này IMS sử dụng các công nghệ Internet và các giao thức Internet. Vì thế, một phiên mulitmedia giữa hai ng−ời dùng IMS, giữa một ng−ời dùng IMS và một ng−ời dùng Internet và giữa hai ng−ời dùng trên Internet cùng sử dụng một giao thức thiết lập giống nhau. Các giao diện cung cấp cho các nhà phát triển dịch vụ cũng dựa trên các giao thức Internet
Nh− vậy, IMS là một kiến trúc khung cho viêc triển khai các dịch vụ đa ph−ơng tiện trền nền IP đối với ng−ời dùng di động.
IMS đ−ợc xây dựng và phát triển với mục đích phải kết hợp đ−ợc những xu h−ớng công nghệ mới nhất, tạo ra một nền tảng chung để phát triển các dịch vụ multimedia đa dạng và tạo ra nhiều lợi nhuận hơn trong việc thúc đấy khách hàng sử dụng miền chuyển mạch gói trong 3G.
2.4.2.2.Kiến trúc của IMS
IMS không đ−ợc chuẩn hoá theo các node mà dựa trên chức năng. Điều này có nghĩa là kiến trúc IMS là một tập hợp các chức năng đ−ợc liên kết với nhau bởi các giao diện. Các chức năng có thể đ−ợc kết hợp lại trong môt node hoặc một chức năng thể đ−ợc tách ra thực hiện trong 2 node hoặc nhiều hơn. Thông th−ờng các nhà cung cấp th−ờng thực hiện một chức năng trong mỗi node riêng lẻ.
Kiến trúc IMS đ−ợc chia làm 3 phần: Mạng lõi, mạng truy nhập và lớp dịch vụ.
Hình 2.6.Tổng quan kiến trúc IMS
Chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu phần mạng lõi của IMS (báo hiệu SIP). Kiến trúc lõi của IMS bao gồm:
• Cơ sở dữ liệu ng−ời dùng: HSS (Home Subcriber Servers) và SLF (Subcriber Location Function)
• Chức năng điều khiển phiên, cuộc gọi: CSCF (Call/Sesion Control Function)
• Chức năng liên quan đến nguồn media: MRF (Media Resource Function) bao gồm bộ điều khiển chức năng nguồn media MRFC (Media Resource Function Controller) và bộ xử lý chức năng nguồn media MRFP (Media Resource Function Processor)
• MGCF (Media Gateway Controller Function)
Cả HSS và SLF thực hiện giao thức Diameter với các ứng dụng Diameter xác định cho IMS.
a. HSS
HSS (Home Subscriber Server) l−u trữ tất cả các dữ liệu cần thiết liên quan đến thuê bao để xử lý các phiên multimedia. Những dữ liệu này bao gồm thông tin định vị, thông tin bảo mật (bao gồm cả thông tin nhận thực và thông tin về quyền của ng−ời sử dụng)...
Tất cả các dữ liệu liên quan đến một ng−ời sử dụng cụ thể chỉ đ−ợc l−u trong một HSS.
Một mạng có thể có nhiều hơn một HSS khi số l−ợng thuê bao quá lớn cho một HSS xử lý.
b. SLF
Những mạng chỉ có một HSS thì không cần phải có SLF nh−ng nếu một mạng có nhiều hơn một HSS thì nhất thiết phải có SLF (Subscription Locator Function).
SLF là một cơ sở dữ liệu đơn giản dùng để ánh xạ từ địa chỉ của thuê bao với HSS t−ơng ứng quản lý thuê bao đó. Một node truy vấn SLF với đầu vào là địa chỉ thuê bao thì sẽ nhận đ−ợc đầu ra là HSS chứa tất cả các thông tin liên quan đến thuê bao đó.
2.4.2.2.3.Điều khiển cuộc gọi/phiên (CSCF)
CSCF là một SIP server. Nó là thành phần cơ bản nhất trong kiến trúc IMS. CSCF xử lý báo hiệu SIP trong IMS. Dựa trên chức năng cung cấp, CSCF đ−ợc chia thành 3 loại:
• P-CSCF (Proxy-CSCF)
• I-CSCF (Interrogating-CSCF)
a. P-CSCF
P-CSCF là điểm liên lạc đầu tiên (trong luồng báo hiệu) giữa đầu cuối IMS và mạng IMS. Trong mô hình của SIP, P-CSCF đóng vai trò nh− một outbound/inbound SIP proxy server. Tất cả các yêu cầu khởi tạo hoặc gửi đến đầu cuối IMS đều phải đi qua P- CSCF. P- CSCF chuyển tiếp các bản tin SIP yêu cầu và đáp ứng theo h−ớng phù hợp (tới thiết bị đầu cuối IMS hay tới mạng IMS).
P-CSCF đ−ợc chỉ định cho thiết bị đầu cuối IMS trong quá tr#nh đăng ký IMS và không thay đổi trong suốt quá trình này.
P-CSCF bao gồm nhiều chức năng khác nhau, trong đó có một số chức năng liên quan đến bảo mật. Nó thiết lập một số liên kết bảo mật IPsec với các thiết bị đầu cuối IMS. Những liên kết này đảm bảo tính toàn vẹn thực thể (VD: khả năng đi tìm nội dung của bản tin có bị thay đổi từ khi nó đ−ợc tạo ra hay không).
Một khi P-CSCF đă chứng thực ng−ời dùng (nh− là một phần của sự thiết lập liên kết bảo mật), nó xác nhận thuê bao với các node còn lại trong mạng. Các node khác trong mạng không cần thực hiện chứng thực ng−ời dùng nữa vì chúng tin t−ởng vào P-CSCF. Sự xác nhận của P-CSCF còn có các chức năng khác nh− cung cấp các dịch vụ cá nhân và tạo ra các bản ghi tính c−ớc.
Một chức năng khác của P-CSCF là chúng kiểm tra tính chính xác của bản tin SIP request đ−ợc gửi bởi thiết bị đầu cuối IMS. Chức năng này giúp ngăn chặn các thiết bị đầu cuối gửi các bản tin SIP không chính xác.
P-CSCF còn bao gồm một bộ nén và một bộ giải nén các bản tin SIP (thiết bị đầu cuối IMS cũng có 2 bộ phận này). Bản tin SIP có thể rất lớn. Trong khi gửi một bản tin SIP qua một kết nối băng thông rộng chỉ mất một thời gian rất ngắn nh−ng việc gửi một bản tin SIP qua một kênh băng thông hẹp (VD: một kết nối vô tuyến) sẽ mất một vài giây. Cơ chế để giảm thời gian truyền một bản tin SIP là nén bản tin, truyền qua liên kết vô tuyến và giải nén ở bên nhận.
P-CSCF có thể bao gồm một PDF (Policy Decision Function). PDF có thể đ−ợc kết hợp với P-CSCF hoặc đ−ợc triển khai nh− một đơn vị riêng rẽ. PDF cấp quyền sử dụng tài nguyên media và quản lý QoS trên mặt phẳng media.
P-CSCF đồng thời tạo ra các thông tin tính c−ớc tới các node thu thập thông tin tính c−ớc.
Với mục đích mở rộng và tạo ra d− thừa để dự phòng, một mạng IMS th−ờng có nhiều P-CSCF. Phụ thuộc vào dung l−ợng của node, mỗi P-CSCF phục vụ một số thiết bị đầu cuối IMS.
P-CSCF có thể đ−ợc đặt tại mạng khách hoặc mạng chủ.
b. I-CSCF
I-CSCF là một SIP proxy đ−ợc đặt tại biên của miền quản trị. Địa chỉ cua I- CSCF đ−ợc liệt kê trong các bản ghi DNS (Domain Name System) của miền. Khi một SIP server tuân theo các thủ tục SIP để tìm chặng SIP tiếp theo cho một bản tin SIP, SIP server đó sẽ nhận đ−ợc địa chỉ của I-CSCF trong miền đích.
Bên cạnh chức năng là một SIP server, I-CSCF còn có giao diện với SLF và HSS. Giao diện này dựa trên giao thức Diameter. Qua giao diện này, I-CSCF truy lục các thông tin về vị trí của ng−ời sử dụng và định tuyến bản tin SIP request đến địa chỉ đích thích hợp.
Ngoài ra, I-CSCF còn có chức năng mã hóa các thành phần của bản tin SIP chứa các thông tin nhạy cảm về miền (VD: số l−ợng các server trong miền, tên DNS và dung l−ợng của chúng).
Vì mục đích mở rộng và tạo d− thừa, một mạng IMS th−ờng bao gồm nhiều I-CSCF.
I-CSCF th−ờng nằm tại mạng chủ, tuy nhiên trong một số tr−ờng hợp đặc biệt nó có thể đ−ợc đặt tại mạng khách.
S-CSCF là node trung tâm trong mặt phẳng báo hiệu. Về bản chất S-CSCF là một SIP server nh−ng nó cũng thực hiện tốt việc điều khiển phiên. Ngoài chức năng là một SIP server, S-CSCF còn đóng vai trò là một SIP registrar. Nó duy trì một gán kết giữa vị trí của ng−ời dùng (VD: địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối mà ng−ời dùng đăng nhập vào) và địa chỉ SIP của ng−ời dùng trong bản ghi (Public User Identity).
Giống nh− I-CSCF, S-CSCF cũng thực hiện giao diện tới HSS nhằm mục đích:
• Tải về từ HSS các vector nhận thực ng−ời dùng đang truy nhập vào mạng IMS. S-CSCF sử dụng các vector này để chứng thực ng−ời dùng.
• Tải về profile của ng−ời dùng từ HSS. Profile của ng−ời dùng bao gồm profile dịch vụ.
• Thông báo cho HSS biết rằng S- CSCF này sẽ phục vụ ng−ời dùng trong suốt quá trình đăng ký.
• Tất cả các báo hiệu SIP mà thiết bị đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi qua S- CSCF. S-CSCF giám sát tất cả các bản tin SIP và quyết định xem báo hiệu SIP sẽ đi qua một hay nhiều server ứng dụng để định tuyến đến đích cuối cùng.
Một trong những chức năng chính của S-CSCF là cung cấp các chức năng định tuyến bản tin SIP. Nếu một ng−ời dùng quay một số điện thoại thay vì một SIP URI (Uniform Resource Identifier) thì S-CSCF sẽ cung cấp dịch vụ chuyển đổi địa chỉ, th−ờng dựa trên DNS E.164 Number Translation.
S-CSCF đồng thời thực thi các chính sách của ng−ời điều hành mạng. Nói cách khác, S-CSCF ngăn chặn ng−ời dùng thực hiện những dịch vụ không đ−ợc phép.
Một mạng th−ờng gồm nhiều S-CSCF vì mục đích mở rộng và d− thừa. Phụ thuộc vào dung l−ợng của node, mỗi S-CSCF phục vụ một số l−ợng thiết bị đầu cuối IMS.
2.4.2.2.4.Các máy chủ xử lý media (MS)
Chức năng tài nguyên media (Media Resource Function – MRF) cung cấp nguồn media trong mạng chủ. MRF cung cấp khả năng để play thông báo, trộn các luồng media với nhau, chuyển đổi giữa các loại mã khác nhau, thu thập thống kê và làm các công việc phân tích media khác.
MRF đ−ợc chia thành MRFC và MRFP. MRFC đóng vai trò nh− một SIP UA và có một giao diện tới S-CSCF. MRFC điều khiển nguồn tài nguyên trong MRFP thông qua giao diện H.248. MRFP thực hiện tất cả chức năng liên quan đến media nh− play và trộn media.
MRF luôn luôn đặt tại mạng chủ.
2.4.2.2.5.MGCF (Media GateWay Control Function)
MGCF là node trung tâm của PSTN/CS gateway. Nó thực hiện chuyển đổi giao thức và ánh xạ SIP (giao thức điều khiển cuộc gọi trong IMS) thành ISUP/IP hoặc BICC/IP. Ngoài ra, MGCF còn điều khiển nguồn tài nguyên trong MGW (Media GateWay). Giao thức đ−ợc sử dụng giữa MGCF và MGW là H.248.
2.4.2.2.6.Giao thức điều khiển phiên
Các giao thức điều khiển cuộc đóng vai trò chìa khóa trong bất kì một hệ thống điện thoại nào. Trong mạng chuyển mạch kênh, các giao thức điều khiển cuộc gọi quan trọng nhất là TUP (Telephony User Part, ITU-T khuyến nghị Q.721), ISUP (ISDN User Part, ITU-T, khuyến nghị Q.761) và BICC (Bearer Independent Call Control, ITU-T khuyến nghị Q.1901).
SIP đã đ−ợc chọn là giao thức đièu khiển phiên cho IMS trong nhiều giao