2.2.1.1 Cấu trúc mạng hội tụ theo ITU-T
Kiến trúc FMC dựa trên nền IMS để truyền tải dịch vụ giữa các mạng cố định và di động đƣợc mô tả nhƣ hình 2.1.
Hình 2.1: Cấu trúc FMC theo ITU-T [14]
Trong đó:
Fixed PS AN: Mạng truy nhập chuyển mạch kênh cố định. Mobile PS AN: Mạng truy nhập chuyển mạch kênh di động.
Mobile CS AN: Mạng truy nhập chuyển mạch gói di động. PS Core Convergence: Hội tụ mạng lõi chuyển mạch kênh Mobile CS core: Mạng lõi chuyển mạch gói di động
IMS Convergence: Hội tụ IMS
PS/CS Convergence: Hội tụ chuyển mạch kênh/chuyển mạch gói IWF (Inter – Working Function): Chức năng liên mạng.
Mặt phẳng hội tụ IMS đƣợc sử dụng để truyền tải dịch vụ giữa các thiết bị đầu cuối đƣợc kết nối vào các mạng truy nhập cố định và di động khác nhau. Nó cũng cho phép cung cấp dịch vụ một cách liên tục cho các thiết bị đầu cuối đa mode (là các thiết bị có thể kết nối vào cả điểm truy nhập cố định và di động).
Mạng FMC đƣợc kiến trúc để cung cấp dịch vụ liên tục giữa mạng chuyển mạch gói đƣợc điều khiển bới IMS và các mạng chuyển mạch kênh di động. Chức năng hội tụ PS/CS đóng vai trò là cầu nối giữa mạng điều khiển IMS và mạng chuyển mạng kênh di động, cho phép hội tụ dịch vụ tại lớp ứng dụng FMC và chức năng liên mạng lớp truyền tải.
Chức năng liên mạng thực hiện chuyển giao liên mạng giữa các giao thức đƣợc sử dụng bên trong mạng điều khiển IMS và các giao thức quản lý di động phù hợp khác.
Nhƣ vậy theo ITU, mạng hội tụ FMC có cấu trúc phân lớp nhƣ sau:
Hình 2.2: Cấu trúc phân lớp mạng hội tụ [1 ]
Cấu trúc chức năng mạng FMC tuân theo mô hình cấu trúc phân lớp cho mạng NGN của ITU-T [8], đƣợc phân thành 4 lớp:
Lớp quản lý ứng dụng (lớp dịch vụ): bao gồm các máy chủ ứng dụng AS, máy chủ đa phƣơng tiện, lƣu trữ thông tin ngƣời dùng, khối chức năng điều khiển tính cƣớc ...
Lớp điều khiển: bao gồm các thành phần chính của mạng lõi IMS có chức năng điều khiển cuộc gọi/ phiên kết nối, quản lý tài nguyên đa phƣơng tiện, định tuyến, chức năng liên mạng, chức năng điều khiển biên kết nối.
Lớp truyền tải: bao gồm phân lớp điều khiển truyền tải và phân lớp truyền tải cho phép truy nhập mạng và định tuyến lƣu lƣợng các luồng đa phƣơng tiện trong suốt một phiên truyền thông.
Khối các chức năng điều khiển truyển tải: cung cấp các chức năng kiểm soát tài nguyên và truy cập, điều khiển cổng, điều khiển chấp nhận kết nối, cấp quyền cho ngƣời sử dụng dựa trên thông tin của ngƣời dùng theo các chính sách của nhà khai thác và độ khả dụng của tài nguyên mạng.
Khối các chức năng truyền tải: quy định kết nối cho tất cả các thành phần và các khối chức năng riêng lẻ trong FMC, có khả năng hỗ trợ cho việc truyền tải thông tin truyền thông cũng nhƣ thông tin điều khiển và quản lý. Khối này bao gồm các chức năng truy nhập mạng, các chức năng biên, các chức năng truyền tải lõi và các chức năng cổng (MGF, BGF, SGF...)
Lớp mạng truy nhập: bao gồm các phần tử hệ thống thực hiện việc kết nối thuê bao với hệ thống cung cấp dịch vụ. Trong mạng hội tụ có rất nhiều các phƣơng thức truy nhập khác nhau đòi hỏi những ký thuật thực hiện và quản lý truy nhập riêng.
2.2.1.2 Cấu trúc mạng hội tụ FMC theo 3GPP
Cấu trúc mạng FMC theo 3GPP (hình 2.3 ) cũng tuân theo mô hình phân lớp chức năng của ITU-T, bao gồm 4 lớp:
Lớp quản lý ứng dụng: bao gồm các thành phần chức năng sau:
3GPP AAA (Authentication/Authorization/Accounting) server: máy chủ 3GPP có chức năng nhận thực, cấp phép và tính cƣớc.
3GPP AAA proxy: nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các máy chủ dịch vụ AAA hoặc đến bộ tính cƣớc CDF
OSC (Online Charging System): hệ thống tính cƣớc trực tuyến
HSS (Home Subscriber Server):Máy chủ quản lý thuê bao thƣờng trú có thể xem nhƣ là một cải tiến của bộ đăng ký định vị thƣờng trú HLR (Home Location Register). HSS là một cơ sở dữ liệu lƣu trữ thông tin của tất cả khách hàng thuê bao. Nó chứa đựng các thông tin nhƣ nhận dạng ngƣời dùng, tên của S-CSCF gán cho ngƣời dùng, hồ sơ roaming, thông số nhận thực cũng nhƣ thông tin về dịch vụ thuê bao.
SLF (Subscriber Location Function): trong trƣờng hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị ngƣời dùng sẽ đƣợc thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của ngƣời dùng tƣơng ứng.
BM-SC (Broadcast and Multicast Service Center): trung tâm dịch vụ quảng bá và Multicast.
PCRF (Policy and charging Rules Function): chức năng công cụ tính cƣớc và ra chính sách.
Lớp điều khiển (lớp lõi IMS): Các chức năng của nó bao gồm:
Chức năng điêu khiển phiên cuộc gọi CSCF (Call Session Control Function) có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phƣơng tiện cũng nhƣ quản lý những tƣơng tác dịch vụ của ngƣời dùng. CSCF đƣợc phân ra 3 loại: Serving-CSCF, Proxy-CSCF và Interogating-CSCF.
Proxy-CSCF (P-CSCF): nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong hệ thống IMS, đảm bảo truyền tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng nhƣ những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE.
Serving-CSCF (S-CSCF) là một nút trung tâm của hệ thống báo tín hiệu IMS. S-CSCF vận hành giống nhƣ một máy chủ SIP nhƣng nó bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ.
Interrogating-CSCF (I-CSCF) trong hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ là điểm liên lạc cho tất cả các kết nối hƣớng đến một UE nằm trong mạng đó. Chức năng của I-CSCF bao gồm: Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP nhận đƣợc từ một mạng khác đến S-CSCF tƣơng ứng. Để làm đƣợc điều này, I- CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông qua DIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tƣơng ứng của ngƣời dùng. Nếu nhƣ chƣa có S-CSCF nào đƣợc gán cho UE, I- CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCF cho ngƣời dùng để nó xử lý yêu cầu SIP. Ngƣợc lại, I-CSCF sẽ định tuyến thông điệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời
SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác.
Chức năng điều khiển cổng đa phƣơng tiện MGCF ( Media Gateway Control Function) có nhiệm vụ quản lý cổng phƣơng tiện, MGCF quản lý một hay nhiều IM-MGW.
IM-MGW(IP Multimedia-Media Gateway) sẽ tƣơng tác với MGCF để quản lý tài nguyên. IM-MGW đóng vai trò là điểm chuyển đổi nội dung đa phƣơng tiện giữa mạng chuyển nối gói và chuyển nối mạch khi thông tin truyền từ mạng này sang mạng khác.
Chức năng quản lý tài nguyên đa phƣơng tiện MRF (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 phƣơng tiện trong MRFP (Media Resource Function Processor), giải mã thông điệp đến từ máy chủ ứng dụng truyền qua S-CSCF, điều khiển MRFP tƣơng ứng cũng nhƣ tham gia vào quá trình tính cƣớc. MRFP đóng vai trò quan trọng trong việc thích ứng nội dụng dịch vụ, chuyển đổi định dạng (transcoding) nội dung.
Lớp truyền tải:
Các mạng truy nhập có liên kết với mạng lõi IP thông qua các cổng biên
(Border Gateway) nhƣ GGSN, PDG... Đây là các chính sách bắt buộc cung cấp bởi mạng lõi IMS nhằm thực hiện chức năng điều khiển lƣu lƣợng giữa mạng lõi và mạng truy nhập.
SBC (Session Border Controllers): đƣợc biết đến nhƣ một chức năng điều khiển lƣu trú trong IMS. Đây là các cổng kết nối IP to IP triển khai tại điểm tiếp giáp giữa mạng IMS và các mạng khác (NNI-Network to Network Interface). Đối với một mạng truy nhập băng rộng, P-CSCF và các chức năng điều khiển trong IMS có thể hoạt động giống nhƣ một SBC nhằm hỗ trợ các giao diện mạng cho ngƣời sử dụng (UNI-Network to User Interface), điều này đảm bảo cho việc điều khiển phiên với các ứng dụng IP thời gian thực một cách an toàn chất lƣợng và tin cậy.
MG (Media Gateway): đƣợc điều khiển bởi MGCF, đáp ứng các kết nối truyền thông giữa các mạng khác nhau, nó cung cấp liên kết giữa các định dạng truyền thông khác nhau RTP/UDP/IP và TDM.
GGSN ( Gateway GPRS Support Node): đóng vai trò là một gateway kết nối giữa IMS và mạng các mạng ở ngoài (nhƣ Internet hoặc các mạng GPRS
khác) trong kiến trúc của mạng tế bào. Vài trò của GGSN là nhận và chuyển thông tin từ UE gửi ra mạng bên ngoài và ngƣợc lại. GGSN cũng tham gia quản lý quá trình di động của UE và thiết lập các bối cảnh PDP để phục vụ việc liên lạc giữa SGSN và GGSN.
SGSN (Serving GPRS Support Node): là một phần tử nhằm nối kết giữa mạng truy nhập (RAN) và gateway GGSN. Vài trò chính của SGSN là: Xác thực các UE đang dùng dịch vụ GPRS nối kết với nó; Quản lý việc đăng ký của một UE vào mạng GPRS; Quản lý quá trình di động của UE, thiết lập, duy trì và giải phóng các bối cảnh, nhận và chuyển thông tin đến UE và ngƣợc lại…
WAG (WLAN Access Gateway): Cổng kết nối truy nhập WLAN với máy chủ AAA hoặc chuyển tiếp tới PDG.
PDG (Packet Data Gateway): cổng dữ liệu gói: có nhiệm vụ chuyển tiếp dữ liệu tới mạng lõi IMS, mạng dữ liệu gói PDN hoặc bộ tính cƣớc trực tuyến OCS.
CGF (Charging Gateway Function): chức năng cổng tính cƣớc.
Chức năng quyết định chính sách dịch vụ S-PDF (Serving Policy Decision Function), dƣới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy). Bằng cách sử dụng S-DPF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ.
PDN (Packet Data Network): mạng dữ liệu gói.
Lớp truy nhập:
Cấu trúc mạng FMC theo 3GPP mô tả ba loại mạng truy nhập khác nhau, đã đƣợc định nghĩa bởi 3GPP: GENRAN, UTRAN, I-WLAN.
Ban đầu, GERAN đƣợc thiết kế để kết nối tới mạng lõi 2G thông qua giao diện A dùng cho dịch vụ thoại và giao diện Gb dùng cho dịch vụ dữ liệu. Sau đó, giao diện UR đƣợc đƣa vào cho phép GERAN kết nối tới mạng lõi 3G. Trong mạng 2G thoại đƣợc truyền qua giao diện A của chuyển mạch kênh. Còn trong mạng 3G, thoại chủ yếu đƣợc truyền qua giao diện Iu-cs của chuyển mạch kênh.
3GPP đã định nghĩa hai loại mạng truy nhập WLAN: truy nhập 3GPP IP và truy nhập Direct IP. Truy nhập WLAN 3GPP IP cung cấp điểm truy nhập tới mạng lõi 3GPP thông qua IPSec tunnel giữa WLAN UE và PDG nhƣ hình vẽ. Truy nhập Direct IP cung cấp truy nhập trực tiếp tới mạng IP từ WLAN mà không phải truyền dữ liệu qua mạng lõi 3GPP. Khi đó chức năng lõi 3GPP sẽ
đƣợc sử dụng cho việc nhận thực, cấp phép cho mạng truy nhập WLAN và định vị kết nối tới mạng IP (ví dụ: mạng Internet).
2.2.1.3 Cấu trúc mạng hội tụ theo 3GPP2
Kiến trúc mạng FMC theo 3GPP2 tƣơng tự nhƣ kiến trúc mạng FMC của 3GPP. Trên thực tế, 3GPP2 đƣợc phát triển lên từ tiêu chuẩn IMS 3GPP năm 2006. Hình 2.4 dƣới đây mô tả kiến trúc mạng FMC dựa trên mạng lõi MMD đƣợc định nghĩa bởi 3GPP2:
MMD (Multimedia Domain): là cấu trúc phát triển tiếp theo của cấu trúc mạng lõi CDMA2000. Tổ chức và chức năng của 3GPP2-MMD tƣơng tự nhƣ chức năng và cấu trúc mạng lõi R5,R6 theo mô hình IMS của 3GPP. Cấu trúc 3GPP2-MMD kế thừa những tính năng của LMSD và bổ sung thêm các thực thể MMD. Cấu trúc MMD cho phép mạng lõi hoạt động trên cơ sở toàn IP với khả năng hỗ trợ các dữ liệu gói tổng quát (general Packet) và các phiên dữ liệu đa phƣơng tiện. Các phân hệ chức năng này còn đƣợc biết đến với tên PDS (Packet Data Subsystem) và IMS (IP Multimedia Session Subsystem)
Với việc thêm vào PDS và IMS, cấu trúc MMD cũng bổ sung thêm những thực thể mạng có khả năng cung cấp những dịch vụ đặc biệt nhƣ: định vị thuê bao, dịch vụ trình chiếu (presence service)… Mỗi thực thể mạng trong cấu trúc có thể là một thiết bị vật lý chuyên dụng hoặc có thể đƣợc phân bố trên các thiết bị vật lý khác nhau. Các thực thể mạng liên kết với nhau thông qua các giao diện tạo nên một cấu trúc mềm dẻo trong việc liên kết với các mạng truy nhập và cung cấp các dịch vụ dựa trên mạng lõi truyền tải IP.
Việc xây dựng cấu trúc mạng lõi MMD với kết cấu IMS ánh xạ theo cấu trúc mạng lõi IMS của 3GPP cho thấy tính hội tụ trong các kết cấu mạng. Đây là xu hƣớng tất yếu trong việc xây dựng mô hình mạng hội tụ các dịch vụ hƣớng tới ngƣời dùng.
2.2.1.4 Cấu trúc mạng hội tụ theo TISPAN
Ban đầu, SIP trong IMS đƣợc phát triển cho IP trên cở sở mạng 3GPP và 3GPP2. Sau đó, ITU-T và ETSI đã lựa chọn SIP cho sự hội tụ giữa Viễn thông và Internet. Kiến trúc mạng FMC theo ETSI TISPAN nhƣ hình vẽ 2.5.
Kiến trúc FMC của TISPAN bổ sung thêm hai khối chức năng so với IMS của 3GPP là phần Kết nối mạng NASS (Network Attachment Subsystem ) và Điều khiển truy nhập và tài nguyên RASC (Recource and Adminssion Control Subsystem)
Trong đó, kiến trúc FMC của TISPAN bao gồm các thành phần chức năng sau :
Khối thiết bị ngƣời dùng:
TE (Terminal Equipment): thiết bị đầu cuối của ngƣời sử dụng.
CGN (Customer Network Gateway): cống kết nối ngƣời dùng với mạng truy nhập.
Hình 2.5: Cấu trúc mạng FMC theo ETSI TISPAN [13]
Lớp mạng truy nhập:
L2 (Layer 2): lớp 2.
ARF (Access Relay Function): chức năng chuyển tiếp truy nhập giữa thiết bị ngƣời dùng và phân hệ NASS. ARP đóng vai trò chuyển tiếp DHCP (co thể bổ sung thông tin trƣớc khi chuyển tiếp bản tin) hoặc chuyển tiếp từ PPP tới Radius.
L2TF (Layer 2 Terminal Function): chức năng kết cuối lớp 2 kêt thúc các thủ tục lớp 2 của mạng truy nhập.
Lớp truyền tải:
RCEF (Resource Control Enforcement Function): chức năng tăng cƣờng điều khiển tài nguyên, nó cũng là một kiểu BGF thực hiện một tập còn các chức năng thu gọn của BGF thông thƣờng (áp đặt chính sách lên lƣu lƣợng lối vào, đánh dấu gói tin, mở/đóng cổng-lọc gói tin dựa trên địa chỉ IP hay số cổng) và lƣu giữ mô hình của các tài nguyên mạng truy nhập.
C-BGF (Core-Border Gateway Function):chức năng cổng biên cung cấp giao diện giữa các miền truyền tải IP. Nó đƣợc đặt giữa mạng truy nhập và mạng lõi, bao gồm các chức năng nhƣ RCEF và thêm các chức năng khác nhƣ: phân bổ và biên dịch các địa chỉ IP và sô cổng (NAPT), phân bổ tài nguyên và dành trƣớc băng tần ....
NACF (Network Access Configuration Function): Cung cấp một cách linh hoạt địa chỉ IP cũng nhƣ các thông số cấu hình khác cho UE (sử dụng DHCP)
CLF (Connectivity Session Location and Repository Function): nhận thực ngƣời dùng tại lớp IP trƣớc và trong quá trình cấp phát địa chỉ IP
UUAF (User Access Authorization Function): cấp quyền truy nhập và thu thập thông tin tính cƣới cho ngƣời sử dụng
PDBF (Profile Database Function): chứa hồ sơ ngƣời dùng
CNGCF (CNG Configuration Function): chức năng cấu hình mạng truy nhập ngƣời dùng
RACS (Resource & Admission Control Functionality): Chức năng điều khiển tài nguyên và chấp nhận kết nối bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch vụ (S-PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF).
Chức năng quyết định chính sách dịch vụ S-PDF (Serving Policy Decision Function), dƣới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy) bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển những quyết định này tới A-RACF. S-DPF cung cấp một cách nhìn trừu tƣợng về các chức năng truyền tải với nội dung hay các dịch vụ ứng dụng. Bằng cách sử dụng S-DPF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ.
Chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập A-RACF (Access Resource and admission Control Function) nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF. A-RACF sẽ sử dụng thông tin QoS nhận đƣợc từ S-PDF để quyết định chấp nhận hay không chấp nhận kết nối. A-RACF cũng thực hiện chức năng đặt trƣớc tài nguyên và điều khiển các thực thể NAT/Firewall.
Lớp ứng dụng dịch vụ: