华为公司 wuyajuan@huawei - read.pudn.comread.pudn.com/downloads69/ebook/248502/248502/IPIMS.pdf · IP Multimedia Subsystem PS Domain 3G-SGSN 3G-GGSN R-SGW MGCF MGW ... n sip：[email protected]

华为机密：未经许可不得扩散

文档密级：内部公开

IP多媒体子系统（IMS）介绍

华为公司

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内容

n IMS概述n SIP协议概述n IMS网络配置和相关功能实体n IMS如何支持业务的实现n IMS系统中的安全和QoSn IMS系统中的业务流程示例





3G概述

n 实现全球的无缝漫游

n 多媒体业务（音频、视频和数据业务）

n 更高的传输速率（384k/2M）n 容量增加（提高了频谱利用率）

n 基于IP的网络架构n 问题：

n 无线网络中的杀手业务？

n 设备商驱动





3GPP(3G Partnership Project)

n 实现GSM到UMTS的演进（WCDMA）n 3GPP R99

n 加入3G的空中接口部分和分组交换核心网n 3GPP R4

n 引入softswitch概念(Msc Server和CS-MGW)n 3GPP R5

n IMS系统（SIP和QOS）n 3GPP R6（增强和完善）





EmergencyServicesNetwork

3G-HLR

UTRAN BSS/GERAN

3G-HLRG-MSC Server

IP MultimediaSubsystem

PS Domain

3G-SGSN 3G-GGSN

R-SGW

MGCF

MGW

PSTN/Legacy/External

T-SGWLegacy mobile

signallingNetwork

MultimediaIP Networks

MultimediaIP Networks

Gr

Gn

GcGi

Mm

Mg

Mc

Gi

CxMr

MSC Server

Gi

MbGi

Signaling only User Data and Signaling

Ms BGCF

Mi Mj

Applications &Services

SCP

CAP

CSCF

CSCFMw

ApplicationServiceControl

Transport

CS Domain

RAN

3G-HLR

UMS

HSS

MRF

Lg

GMLC

MT TE

3GPP R5 网络体系结构图





IMS的特点

n 在分组交换承载（如GPRS）之上提供一种标准化的多媒体业务解决方案；

n 加强了用户对业务的控制，个性化服务；

n 研究范围涉及安全、计费、漫游以及服务质量等多个方面；

n 为今后的IP多媒体应用提供了一种通用的网络架构，便于新业务的实现；

n 以IETF系列协议为基础实现的；





IMS的关键技术

n 使用SIP协议作为各种IP多媒体业务的控制协议；

n 使用IPv6，所有IMS网络实体和移动终端需要支持IPv6；

n 由归属网络控制用户使用签约业务；

n IMS的实现和接入技术无关；n 使用COPS协议实现QoS和策略控制；n 使用DIAMETER协议，和SIP结合使用；





内容






SIP协议简介n SIP是用于建立、修改和终结多媒体会话的应用层信令协议。

n Peer To Peer对等协议，简单实用，典型的C-S模式。n 与HTTP协议的无缝结合，基于HTTP的协议特性：文本结构、使用URI地址描述。

n 可以承载在UDP，TCP，TLS，SCTP等协议上，安全特性好。

n 与RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS等协议配合；n 良好的多媒体业务特性协议，支持各种多媒体应用，包括：VOIP、多媒体会议，游戏，即时消息，presence，消息业务，呼叫控制，信令传送等等。





多媒体业务协议栈





SIP网络的基本网络模型

SIP Client (UA)

SIP Client (UA)

Redirect Server

Proxy Server

Location/RegisterServer

Media Stream

1

2 3

4

5

67

8





主要实体－User Agent

n UA是发起或者接收SIP请求的逻辑实体n 发起请求的称为UAC（User Agent Client）n 接收请求的称为UAS（User Agent Server）

n UAC/UAS的划分是针对一个事务的n 实际形态：SIP phone、SoftSIP Client、

PDA、mobile phone、PSTN 网关等





主要实体－Proxy Server

n 代理服务器作为一个网络逻辑实体，代表客户端转发请求或者响应；

n 可以同时作为客户端和服务器；

n 具有三种形态：Call Stateful、TransactionStateful、Stateless；

n 可以采取分支、循环、递归查询等操作向多个地址尝试转发请求；

n 主要功能：路由、呼叫控制、业务提供、计费认证授权等。





主要实体－Redirect Server

n 将请求中的地址映射为零个或多个新的地址，返回给客户端

n 客户端直接向这些新的地址发起请求

n 它并不接收或者拒绝呼叫

n 主要完成路由功能

n 与注册过程配合支持移动性





主要实体－Register Server

n 接收注册请求的服务器

n 通常与Proxy或者Redirect Server共存n 可以提供定位服务





SIP地址格式－SIP URLn SIP协议可以使用SIP-URL或者其他通用的URL（Email，WWW）

n 通常用于表示资源或者用户的地址

n 格式：SIP-URL = "sip:"[userinfo"@"]hostporturl-parameters[headers]

n examples:n sip：[email protected] sip：[email protected] sip：[email protected]







SIP消息－请求

n INVITE：发起会话请求

n ACK：对INVITE请求的响应的确认

n BYE：结束会话n CANCEL：取消尚未完成的请求

n REGISTER：注册，完成地址绑定

n OPTIONS：查询服务器的能力

INVITE sip:[email protected] SIP/2.0Via: SIP/2.0/UDP here.com:5060From: BigGuy <sip:[email protected]>To: LittleGuy <sip:[email protected]>Call-ID: [email protected]: 1 INVITEContact: BigGuy<sip:[email protected]>Content-Type: application/sdpContent-Length: 147

v=0o=UserA 2890844526 2890844526 IN IP4

here.coms=Session SDPc=IN IP4 100.101.102.103t=0 0m=audio 49172 RTP/AVP 0a=rtpmap:0 PCMU/8000


mailto:sip:[email protected]







SIP消息－响应

n 1xx：临时响应n 2xx：成功n 3xx：重定向n 4xx：客户端错误n 5xx：服务端错误n 6xx：全局错误

SIP/2.0 200 OKVia: SIP/2.0/UDP here.com:5060From: A <sip:[email protected]>

To:B<sip:[email protected]>;tag=8321234356Call-ID: [email protected]: 1 INVITEContact: LittleGuy <sip:[email protected]>Content-Type: application/sdpContent-Length: 147

v=0o=UserB 2890844527 2890844527 IN IP4

there.coms=Session SDPc=IN IP4 110.111.112.113t=0 0m=audio 3456 RTP/AVP 0a=rtpmap:0 PCMU/8000









内容






IMS网络配置

P -CSCF

CSCFMGCF HSS

Cx

IP Multimedia Networks

IMS -MGW

PSTN

Mn

Mb

Mg

Mm

MRFP

Mb

Mr

Mb

Legacymobile signalling Networks

CSCF

Mw

Go

PDF

Mw

Gm

BGCFMjMi

BGCF

Mk Mk

C, D, Gc, Gr

UE

Mb

Mb

Mb

MRFC

SLFDx

Mp

PSTN

PSTN

IM Subsystem

AS

ISC

Dh Sh,Si





IMS网络实体n CSCF (Call Session Control Function)n HSS (Home Subscriber Server)n PDF (Policy Decision Function)n SLF (Subscription Locator Function)n MRFC (Multimedia Resource Function Controller)n MRFP (Multimedia Resource Function Processor)n BGCF (Breakout Gateway Control Function)n MGCF (Media Gateway Control Function)n MGW (Media Gateway)n AS (Application Server)





S-CSCFIMS网络的业务交换中心，包括：n 用户管理，处理用户登记请求，对用户进行鉴权及业务合法性检查；

n 业务交换与业务控制，根据签约信息确定SDP，根据定制的规则执行会话控制，连接到业务服务器；

n SIP消息处理，处理SIP请求及回应消息；将E.164地址转化为SIP URL；在SIP消息中插入或剥离相关参数及加密；

n 计费





P-CSCFSIP终端接入IMS的汇聚点，包括n SIP Proxyn 支持终端注册过程、管理注册后的连接信息n QoS 控制(PCF)n 安全管理n 资源优化：SIP压缩/解压缩，SIP消息优化n 紧急会话检测处理n 计费n 本地业务处理





I-CSCF

IMS域的互通关口局，其功能包括：n 对SCSCF的管理，包括分配一S-CSCF处理用户的登记请求

n 将SIP请求路由给相关的S-CSCFn 把网络的拓扑，容量，配置隐藏起来(THIG)。会话穿过不同的运营商的网络时，将由I-CSCF 进行网络之间的交互，起到关口局作用。

n 产生相关计费数据





HSS记录每个IMS用户的用户信息和业务数据：n 用户信息：

n 用户号码、地址信息；用于认证和授权的安全信息；支持用户注册、记录不同系统间的位置信息；用户特征数据。

n 业务数据：n 业务触发规则和业务触发逻辑，采用XML语言描述。

n 增加HSS和其它IMS实体的在IP传输网上的基于Diameter协议的接口：Cx、Si、Sh





HSS的功能结构

IM CN subsystem

CxC ShGr GcD

MSC / VLRGMSC

CS Domain

SGSN GGSN

PS Domain

SIP ApplicationServer

CSCF

HSSMobility Management

User security info. generation

User security support

Service Provisioning support

Identification handling

Service authorization support

Access authorization

Call / Session establishment support

Si

IM-SSF

OSA-SCS

Application Services Support

gsmSCF

CAMEL Services Support





SLF

n 在注册和呼叫起始时，I-CSCF需要确定此用户在哪个HSS上，此时需要I-SCSF通过Dx接口查询SLF得到HSS地址。

n 在注册时，S-CSCF也需要查询SLF。n 如果只有一个HSS，则不需要SLF。

n 一个例子是HSS组成“Server Farm”的结构，此时，CSCF直接查询HSS即可。





MRF

n MRF 包括 MRFC 和 MRFP 两部分，提供三种主要的功能：

n Tones and announcementsn Ad hoc conferences (multiparty calls)n Transcoding

n 从结构来讲，完成资源管理有三个实体：AS、MRFC、MRFP。





MRF的结构

AS

ISC

S-CSCF MRFC

MRFP

Mr

Mp

使用资源的应用服务器，如会议AS完成会议预约并为MRFC提供预约信息(启动

时间、时长、参会名单)

控制MRFP上的媒体流资源，解释来自AS和S-CSCF的信息并相应地控制MRFP，生成CDR等计费数据

处理多方输入媒体流的混合，生成多媒体公告的媒体流，音频编

码转换，媒体分析





BGCF

n 在同一个PLMN网络中时，选择从哪个MGCF呼叫到PSTN网络。

n 如果呼叫到其他PLMN网络的PSTN网络时，选择到哪个PLMN域的BGCF。

n 如果需要THIG功能，就需要先转发到I-CSCF，然后转发到BGCF。

n 需要考虑计费。





MGCF&MGW

n MGCF是IMS域和PSTN的网关，负责：n 呼叫处理、媒体网关控制

n 执行ISUP/BICC与SIP之间的协议转换n 根据入局呼叫的路由号码，选择CSCFn 收到带外信息时，转发给CSCF或IM-MGW

n MGW作为媒体网关，完成：n 不同承载方式媒体流的转换





内容






IMS用于提供业务的接口

S-CSCFS-CSCF

SIP Application Server

SIP Application Server

HSSHSS OSA service capability server

(SCS)

OSA service capability server

(SCS)

IM-SSFIM-SSF

Camel Service Environment

Camel Service Environment

OSA application

server

OSA application

server

ISC

Cx ISC

ISC

CAPMAP

OSA API

SCIM

AS AS

Sh

Si

MRFCMRFC

Mr





三种类型的ASn SIP应用服务器：SIP业务逻辑加载和执行的场所，可以由SCIM（service capability interaction manager）协调多种应用服务器完成一个具体的应用。

n IM-SSF：一种特殊的应用服务器，检测CAMEL规定的业务触发点，完成和SCP之间的CAP协议的适配，兼容传统智能网的业务。

n OSA service capability server (OSA SCS) ：3GPP制定的统一的业务开放模型，为第三方AS提供开放和安全的使用网络资源的能力。





S-CSCF工作模型

Application Server(s)

ILSM OLSM

Model

S-CSCF

Incom ing Leg Outgoing Leg

ISC

Call Records

OLCMILCM

Registrar and Notifier

HSS

Cx





相关逻辑实体

n 一个联合的I/OLSM，用于保存会话状态信息，根据SIP请求消息、过滤条件或者会话状态的不同，可以作为SIP Proxy，重定向服务器或者UA中的一种；

n ILCM保存事务状态，用于入呼；n OLCM保存事务状态，用于出呼；n Registrar和Event Handler处理注册，以及对注册事件的签约和通知。





AS的工作模型

AS-ILCM

Application Server

S-CSCF

ISC

AS-OLCM

Application LogicSh/SiHSS





相关逻辑实体

n AS-ILCM：保存事务状态，可选的还需要保存根据所执行的特定业务而决定的会话状态。AS-ILCM和S-CSCF中的ILCM接口，用于入呼。

n AS-OLCM和AS-ILCM类似，用于出呼。n 应用逻辑用于提供AS-ILCM和AS-OLCM之间的各种业务和交互。

n 应用服务器通过Sh和Si接口接入HSS，取特定业务和应用的签约数据，包括S-CSCF的地址。





业务触发机制

Application Server

Service Logic

Service Platform Trigger Points Service Platform Trigger Points

SIP Interface HSS

S - CSCF

S P T P

Filter Criteria

sFC SIP

SIP SIP

iFC

SPT- Service Point TriggeriFC- initial Filter CriteriasFC- subsequent Filter Criteria





相关概念

n iFC：作为用户数据保存在HSS上的过滤规则，注册时从HSS下载。代表用户对一个应用的签约。

n sFC：从SIP AS/OSA SCS/IM-SSF发给S-CSCF的过滤规则，允许在应用执行时动态定义相关SPT。

n SPT：SIP信令中的一些触发点，触发S-CSCF发送/代理SIP消息给SIP AS/OSA SCS/IM-SSF。

n STP：SIP信令中用于触发SIP AS/OSA SCS/IM-SSF执行业务逻辑的点。





IMS业务触发机制的特点

n 业务只须生成一次，就可以应用在不同的接入终端上。

n 业务可根据用户需求定制业务模型，提供个性化服务。

n 利用SIP协议本身特点，提供丰富的多种媒体混合的应用业务。

n 所采用的呼叫模型与业务无关，可灵活支持业务的升级和扩展。





内容






IMS域安全模型





IMS域安全模型（续）

如图中所示，IMS域安全模式包括五个接口上的安全保证机制：

n 用户IMS鉴权n Gm接口安全n Cx接口安全n 不同网络实体之间接口安全

n 同一网络实体之间接口安全





R5 UMTS的QoS

n 定义了TE/MT本地承载业务、GPRS承载业务和外部承载业务之间的交互，以及这些组合在一起如何为端到端业务提供QoS。

n 描述了为分组域提供端到端QoS的IP层必需机制，包括IP层和GPRS层可能的交互，以及应用层和IP层的交互。





TE MT UTRAN/GERAN

CN IuEDGENODE

CNGateway

TE

GPRS

End-to-End Service

TE/MT LocalBearer Service

UMTS BearerService

External BearerService

GPRS Bearer Service

Radio Access BearerService

CN BearerService

BackboneBearer Service

Iu BearerService

Radio BearerService

PhysicalRadio

Service

PhysicalBearer Service

R5 UMTS QoS参考模型

= IP BS Manager. Uses Diffserv Edge Function, IP Policy Enforcement Point and optionally also on RSVP/IntServ.





相关概念

n PDF (Policy Decision Function)n 将得到的应用层参数（如SDP）信息映射到IP QoS参数（如RSVP）。

n PDF使用标准IP机制实现IP承载层基于业务的本地策略SBLP(Service Based Local Policy)。

n PDF的决策将传送到GGSN中的IP BS Manager，即IP策略执行点PEP(IP Policy Enforcement Point)。

n PDF和GGSN之间的Go接口采用COPS协议，传送相关信息和策略。





COPS协议简介

SIP/SDP Signalling P-CSCF

PDF (Policy Decision Function)

IP BS Manager

PEP (Policy Enforcement Point)

IP BS Manager

SIP Client

Translation/mapping function Translation/mapping

function

UMTS BS Manager

UMTS BS Manager

Go

Signalling path

GGSN

UE





COPS协议简介

n 策略决策功能PDF 和UE通过SIP协议交互，PDF从应用服务器得到应用层如SDP中的参数，将该应用层参数信息映射到IP QoS 参数（如RSVP），该映射遵守特定的策略规则。PDF的决策将传送到GGSN中的IP承载管理功能，进一步通过翻译/映射功能映射到UMTS承载管理功能上，GGSN完成相应的IP策略执行点PEP功能。PDF和GGSN之间的Go接口采用COPS协议，传送QoS相关信息和策略。





COPS协议简介n 当UE请求建立传送业务数据的承载连接时，

PEP向PDF发送REQ（Request请求）消息，其中携带客户端的对话信息，用于标识对应PDF的授权令牌以及该会话中一个或者多个流的标识；如果通过了授权，则PDF返回DEC（Decision决定）消息给PEP，其中携带客户端的对话信息，控制层面计费标识，上下行指示，授权的QOS信息，过滤器信息以及对应的通道是否打开的状态信息；然后GGSN会根据DEC的执行情况，返回RPT(Report报告)消息给PDF，报告执行的结果等。





相关概念（续）

n 绑定机制（Binding Mechanism）n 由GGSN、UE和PDF共同实现。n 绑定信息包含 authorisation token和flow

identifier，在PDP Context Activation和Modification消息中，由UE发给GGSN，用来将PDP Context承载和PDF提供的与IP流相关的SLBP策略信息相关联。

n 同时，GGSN使用绑定信息决定PDF的地址。





R6 UMTS的QoS

RAB Manager

UMTS BS Manager

UMTS BS Manager

UMTS BS Manager

Subsc r

. Control

Adm ./Cap. Control Transl .

UE Gateway CN EDGE UTRAN

Ext Service Control

Iu BS Manager

Radio BS Manager

Iu NS Manager

UTRA ph . BS M

Radio BS Manager

UTRA ph . BS M

Adm ./Cap. Control

Adm ./Cap. Control

Adm ./Cap. Control

Iu BS Manager

Iu NS Manager

CN BS Manager

CN BS Manager

service primitive interface

BB NS Manager

BB NS Manager

protocol interface

Ext Netw .

IP BS Manager

Transl .

IP BS Manager

Policy Decision Function

Application Function

Go

Gq R6中新增





在R5基础上的增强

n PDF作为独立逻辑实体，从P-CSCF中独立出来

n PDF与AF(Application Function)之间为Gq接口

n AF将QoS相关的应用层信息参数（如SDP）映射到策略建立信息，通过Gq接口发送给PDF





策略管理过程

SIP 183 (SDP, Auth Token)

SIP Invite (SDP)

PDP Context Req (Auth Token).

PDP Context Accept

UE GGSN P-CSCFPDF S-CSCF SGSN

PDP Context Req. (Auth Token)

PDP Context Resp.

SIP Invite (SDP)

SIP 183 (SDP)

COPS-PR REQ (Auth Token)

COPS-PR DEC

(…)

COPS-PR RPT

Ack (Auth token)

Auth request (SDP)

Auth Ack

Indication





内容






基本呼叫模型

P-CSCFI-CSCF

A's visited networkUser A

User B

B' visited network

A's home network

S-CSCF

I-CSCF

I-CSCF

S-CSCF

I-CSCFP-CSCF

B's home network

GPRS

GPRS





P-CSCF HSSI-CSCF

1. Register2. Register

3. Cx-Query

UE

Visited Network Home Network

4. Cx-Query Resp

5. Cx-Select-pull

6. Cx-Select-pull Resp

10. Cx-Pull

11. Cx-Pull Resp

7. Register

13. 200 OK14. 200 OK

15. 200 OK

8. Cx-put

9. Cx-put Resp

S-CSCF

12. Service Control

注册过程





承载建立流程





核心规范

n 3GPP TS 23.218: IP Multimedia (IM) session handling; IM call model

n 3GPP TS 23.228: IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2

n 3GPP TS 24.229: IP Multimedia Call Control Protocol based on SIP and SDP; Stage 3

n 3GPP TS 29.162: Interworking between the IM CN subsystem and IP networks

n 3GPP TS 29.163: Interworking between the IM CN subsystem and CS networks





核心规范（续）

n 3GPP TS 29.228: IP Multimedia (IM) Subsystem Cx Interface; Signalling flows and message contents

n 3GPP TS 29.229: Cx Interface based on the Diameter protocol; Protocol details

n 3GPP TS 29.328: IP Multimedia Subsystem (IMS) Sh Interface; Signalling flows and message contents

n 3GPP TS 29.329: Sh interface based on the Diameter protocol; Protocol details





需求和网络结构的规范

n 3GPP TS 22.228: IP multimedia subsystem; Stage 1

n 3GPP TS 23.002: Network Architecturen 3GPP TS 23.003: Numbering, addressing, and

identificationn 3GPP TS 23.008: Organization of subscriber

datan 3GPP TS 23.221: Architectural requirementsn 3GPP TS 27.060: Mobile Station (MS)

supporting Packet Switched Services





和UMTS/GPRS网络互通的规范

n 3GPP TS 24.228: Signalling flows for the IP multimedia call control based on SIP and SDP; Stage 3

n 3GPP TS 29.061: Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting Packet Based Services and Packet Data Networks (PDN)





QoS管理/策略控制相关规范

n 3GPP TS 23.107: QoS concept and architecture

n 3GPP TS 23.207: End-to-end QoSConcepts and Architecture

n 3GPP TS 29.207: Policy Control over Go Interface

n 3GPP TS 29.208: End-to-end Quality of Service (QoS) signalling flows





和计费相关的规范

n 3GPP TS 32.200: Telecommunications management; Charging management; Charging principles

n 3GPP TS 32.225: Telecommunications management; Charging management; Charging data description for the IMS domain





和安全相关的规范

n 3GPP TS 33.203: 3G security; Access security for IP-based services

n 3GPP TS 33.210: 3G security; Network Domain Security (NDS); IP network layer security





和CAMEL控制有关的规范

n 3GPP TS 23.278: (CAMEL) Phase 4-Stage 2 IM CN Interworking

n 3GPP TS 29.278: (CAMEL) Phase 4-Stage 3 IM CN Interworking





THE END

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