（通信与信息系统专业论文）利用队列管理算法来改善ims中sip信令的qos.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 i m s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i p 多媒体子系统) 在3 g p pr e l e a s e5 版本中提 出，是对p 多媒体业务进行控制的网络核心层逻辑功能实体的总称。它是一种全新 的多媒体业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需 求。目前，i m s 被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动网与固网融合，引 入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。 3 g p p 定义使用s i p 协议作为i m s 系统的信令控制协议。s i p 是基于文本的协议， 用于m 网络中语音和多媒体呼叫的会话控制，其基本功能是通信会话的建立、释放 和修改、以及终端通信能力的协商。由于其灵活性、可扩展性仍处于完善和发展阶 段，3 g p pr 5 明确提出将采用它作为网络核心控制协议。但s i p 信令过于冗长，直 接应用于带宽资源宝贵的无线网络中，呼叫建立需要太多时间，不利于应用。 队列管理是m 网络中广泛存在的问题，在i m s 网络中也存在队列调度问题。数 据包到达服务器之后等待被处理的时间过长，这样就导致了数据发送的时候时延过 长，为了降低时延，采用降低排队等待时延是个很好的方法。i m s 采用s i p 建立呼 叫，由于s i p 消息本身的特点导致s i p 呼叫建立时延也是过长，为了降低时延，本 文采用了改进的排队算法来对s i p 呼叫建立时的信令消息进行调度，有效的改善了 时延，从而改善了q o s 。 本文的工作是在w f q 算法的基础之上，对原算法进行改进，提出了新的w f q 变异算法，希望能通过算法的改进来取得i m s 系统中q o s 的提高。通过仿真对改 进后的算法与原w f q 算法在性能上进行了比较验证。并通过n s 2 仿真验证了改进 算法对n 讧s 系统q o s 的提高的可行性。 关键词：i m s ，s i p ，队列调度，w f q 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h ei pm u l t i m e d i as u b s y s t e mi st h el o g i c a lf u n c t i o ne n t i t yo f t h ec o r en e t w o r kw h i c h c o n t r o l st h em u l t i m e d i ao p e r a t i o n i ti sd e f i n e di n3 g p pr e l e a s e5 ，i saf i r e - n e w m u l t i m e d i ao p e r a t i o nw h i c hc a ns a t i s f yw i t ht h ed e m a n d so f t h ec l i e n t s a tp r e s e n t , t h e i m si sd e e m e dt ob et h ek e r n e lt e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s i ti st h e e n v i s i o n e ds o l u t i o nt h a tw i l lp r o v i d en e wm u l t i m e d i ar i c hc o m m u n i c a t i o ns g y c i c s e sb y m i x i n gt e l e c o ma n dd a t ao n a l la c c e s si n d e p e n d e n ti pb a s e da r c h i t e c t u r e b a s e do na n o p e ni pi n f i a s t n 尬t u r e ，i te n a b l e sc o n v e r g e n c eo fd a t a , s p e e c h , a n dv i d e oa n d m o b i l e n e t w o r kt e c h n o l o g y t h es e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ( s i p ) i st h es i g n a l l i n gp r o t o c o lc h o s e nb yt h e3 g p p c o n s o r t i u mf o ri m sb e c a u s eo ft h ea g i l i t ya n dt h ee x p a n s i b i l i t y s i pi st e x t - b a s e da n di ti s t h es i g n a l i n gp r o t o c o lr e s p o n s i b l ef o rs p e e c ha n dm u l t i m e d i a s i pi su s e di ni m s0 1 m u l t i m e d i as u b s y s t e m s ) t op e r f o r mm u l t i m e d i as e s s i o ns e t u pa n dm a i n t e n a n c e ，嬲w e l l 觞t h en e g o t i a t i o nf o r t h ec o m m u n i c a t i o na b i l i t yo ft h et e r m i n a l h o w e v e r , s i pi s t e x t - b a s e da n dh a sh u n d r e d so fb y t e st ot r a n s f e rb e t w e e ns e s s i o ns e t u p sw h i c hi n c r e a s e t h et i m eo fs e t t i n gu pac a l lg r e a t l y q u e u i n gi st h ei s s u ew h i c he x i s t sa b r o a di ni p ，a l s oi ni m s i ft h ew a i t i n gt i m ef o r h a n d l i n ga f a ra r r i v ea tt h es e r v e ri st o ol o n g ，t h ed e l a yi st o ol o n g i no r d e rt or e d u c et h e d e l a y ，i ti sn e c e s s a r yt oc h o o s eag o o dm e t h o dt or e d u c et h eq u e u i n gd e l a y i nt h i st e x t , w ep r o p o s e dan e wa l g o r i t h mt os c h e d u l es i pm e s s a g e s ，w h i c hi m p o v eq o sg r e a t l y t h ew o r ko ft h i sp a p e ri st oa m e l i o r a t ew f qa r i t h m e t i ca n de x p e c ti m p r o v i n gt h e i m sq o sb ya m e l i o r a t i n ga r i t h m e t i c t h e nc o m p a r et h ei m p r o v e da r i t h m e t i cw i t hw f q a r i t h m e t i co np e r f o r m a n o ：a tl a s t , i m p l e m e n tt h ei m p r o v e da r i t h m e t i ci nn s 2 ，v a l i d a t e t h ef e a s i b l e n e s so fi m p r o v i n gi m so o sb ya m e l i o r a t i n ga r i t h m e t i c k e yw o r d s ：i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，s i p ，q u e u i n g ，研q 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 现代移动通信发展至今，主要走过了两代，目前第三代移动无线系统的研究己 经取得了很大的成果。在国际电信联盟中，第三代移动网络被称为国际移动通信 一2 0 0 0 ( i m t2 0 0 0 ) ，在欧洲称其为个人移动通信系统( u m t s ) 。第三代移动通信系统是 一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游 能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种 类的通信系统。3 g 将以其能实现全球漫游、提供多种业务、适应多种环境、足够的 系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务等特点给移动通 信技术带来巨大的改变，而3 g 对普通用户的最大吸引力之一就是业务类型的扩展， 即从简单语音通信扩展到包括语音、可变速率数据和活动视频会话等多媒体通信在 内的多元化通信。通讯运营商普遍的解决方案是一个业务对应一个业务网络，因此 形成了多个业务网络并存的局面。网络融合的目的是为了在一个统一的网络上进行 各种信息的通信，有利于实现用户在享受多种通信服务时的“统一体验 。目前业 界比较关注的融合包括电信网与互联网的融合、移动网与固网的融合等。其中，3 g p p r 5 版本提出的i m s 技术为基于i p 的移动和固定通信融合提供了基础，并被业界认 为是网络演进的一个重要阶段。 i m s 是3 g p p 在r 5 版本提出的支持i p 多媒体业务的子系统，也是独立于接入技 术提供i p 多媒体业务的体系架构。它的核心特点是采用s i p 协议和与接入的无关性。 目前i m s 支持2 g 和3 g 的移动接入方式。在网络融合的发展趋势下，3 g p p 和i t u - t 等都在研究基于i m s 的网络融合方案，目的是使i m s 成为基于s i p 会话的通用平台， 同时支持固定和移动的多种接入方式，实现固网和移动网的融合。目前，以欧洲电 信标准化协会( 睨 s i ) 为代表的t i s p a n 研究组提出了基于i m s 的体系架构是n g n 的主体架构，认为i m s 代表了n g n 网络发展的方向。i m s 系统采用s i p 协议进行端 到端的呼叫控制n 1 ，为i m s 同时支持固定和移动接入提供了技术基础，也使网络融 合成为可能。从目前各个国际标准组织对于i m s 的研究来看，基于i m s 的网络融合 是网络发展的方向。但是由于基于i m s 的网络融合的研究开始不久，技术还不够成 熟，其标准化工作也相应地成为了目前研究的重点。在n g n 的框架中，终端和接入 网络是各种各样的，而基于s i p 会话的核心网络只有一个i m s 网络，它同时为固定 和移动终端提供服务。从标准上看，虽然i t u - t 和3 g p p 都确定了将i m s 作为n g n 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的框架，但是如前所述，很多功能实体和接口的功能需要增强或修改。目前标准组 织的活动还处于功能需求的研究阶段，实现这些功能的流程、消息及参数还没有明 确的规范定义。重点解决i m s 支持固定接入问题的3 g p pr e l e a s e 版本规范，还正在 制定之中。支持部分固定接入方式的i t u _ tg n g nr e l e a s e 也尚未正式发布。这些 版本的规范在多大程度上可以满足实际需求，还需要进一步的分析和确认，所以在 规范上还有很多工作要做。从产品的开发看，虽然国内主流厂商都在进行i m s 产品 的开发，但受到标准进程的限制，目前的产品还只是针对i m s 的某些应用，还不是 完整意义的i m s 网络产品，还不能满足运营商大规模建网的需求。 i m s 概念的提出原因之一，也是i m s 系统的一大优势就是它可以提供多媒体业 务的q o s 保证。在分组交换域上提供实时多媒体业务，存在的主要问题是没有o o s 保证，服务质量只能做到“尽力而为 。也就是说，网络不能为用户的每一次连接所 需要的带宽和可以容忍的延迟提供保证。例如，v o i p 会话业务对时延和抖动的要求 很高，过大的延迟和抖动会让用户无法理解对端传来的话音。因此，建立i m s 的一 个主要目的是给予实时多媒体业务的q o s 保证。i m s 在会话建立之初就进行q o s 预 定的过程，以保证用户能获得预期的服务。对于i m s 中q o s 问题，3 g p p 标准做出了 相应的规定。i m s 的q o s 主要包括i p 多媒体核心网子系统会话的q o s 要求和i p 多 媒体子系统信令的q o s 要求两个方面。 由于3 g p p 已经定义使用s i p 协议作为i m s 系统的信令控制协议，既然s i p 协议 是与i p 网络上其它服务共享资源的，所以信令消息的丢失或延迟给网络带来的影响 比一般媒体消息都要大的多。但相对于己经取得很多成果的媒体q o s 保证的研究来 说，信令q o s 的研究还是一个比较薄弱的环节，没有获得足够的关注。本论文研究 的重点就在s i p 信令q o s 问题中的队列调度上面。 1 2 论文内容和组织结构 本文共分为五章，各章的内容安排如下： 第一章主要介绍i m s 研究的背景，指出本文研究的主要内容和意义。 第二章对i m s 系统进行了描述。其中对i m s 的功能、l l v l s 的系统框架，以及 框架中涉及的功能模块进行了详细的介绍，并且对i b l s 的业务流程进行了简单的描 述。 第三章主要对i m s 中引入的s i p 协议进行了介绍。简要的介绍了i b i s 中引入 s i p 的考虑，对s i p 协议以及框架，s i p 消息格式，s i p 建立通信过程都进行了细致 的描述，尤其详细介绍了i m s 中s i p 呼叫建立的过程。 第四章对i m s 中q o s 问题进行了深入的研究。对现存的i m s 中q o s 管理机制 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的要求进行了简单的介绍，着重对i m s 端到端信令机制进行了研究。针对现存的i m s 端到端q o s 问题提出了研究切入点，即针对i m s 中s i p 呼叫建立时延过长问题提 出采用s i p 呼叫建立时延数学模型，并针对排队等待时延提出采用合适的队列管理 算法来优化排队等待时延。最后列出网络仿真模型并对相关算法进行了仿真实验。 第五章对前面的研究内容进行了总结，并展望未来研究工作。 3 重庆邮电大学硕士论文第二章i l l s 简介 第二章i m s 简介 电信业的竞争日益加剧，不仅m 电话对传统电话业务形成冲击和分流，而且移 动通信对固定通信的替代与分流也日益明显，同时3 g 等新技术也使移动电信市场 的竞争日渐激烈。在这种市场竞争环境下，缺乏有效的收入增长点是运营商( 尤其是 固定运营商) 面临的巨大挑战。终端用户的需求不再是单一的话音服务，而是要求在 任何时间、任何地点用任意终端与任何人进行各种业务( 话音、数据和视频) 的通信。 要实现这些转变和发展，对下一代网络的发展也提出了更高的要求：固定和移动网 络的融合、承载多媒体、真正做到与接入无关、能快速引入新应用、支持良性的商 业模式等等。基于i m s 的下一代融合网络是满足这些要求的最佳选择。目前中国 n g n 市场正逐步进入一个大规模的建设时期。随着技术的发展和运营商观念的更 新，运营商和设备供应商逐步达成共识，认为i m s 是下一代通信网实现大融合的最 佳选择，i m s 解决方案相对于软交换的解决方案有着非常多的优势，在n g n 市场 正占据越来越重要的角色。 2 1i m s 概述 2 1 1 什么是m s i m s ( mm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，多媒体子系统) 在3 g p pr e l e a s e5 【l 】版本中 提出，是对d 多媒体业务进行控制的网络核心层逻辑功能实体的总称。它是p 多 媒体系统，是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多 样化多媒体业务的需求。目前，i m s 被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移 动网与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。 考虑到运营商的实际运营需求，n s 在q o s 、编解码、安全、计费、传输以及 网络互通和网络演进等方面都制定了相关规范。q o s 方面实现了基于业务的q o s 策 略控制，即基于s i p 会话请求的业务属性和参数，根据一定q o s 策略分段映射到网 络各个层面和接口的q o s 参数，由此实现端到端q o s 。i m s 定义了必要的缺省编解 码和移动分组会话型多媒体业务单元( 如语音、音频、视频、文字会话) ，缺省编解 码的定义有利于保证终端和网络间的互通，提供一致的q o s ，同时有助于提高网络 资源利用率。i m s 安全包括接入安全、一致性保护、s i p 信令的安全、用户鉴权和 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 合法监听等内容。i m s 计费支持在线计费( 实时) 和离线计费( 非实时) 两种模式， 基于m 流的计费作为正在研究的广受关注的课题，目标是实现运营商所强烈要求的 基于内容的计费。互通方面，i m s 实现了与p s t n 网络、移动网电路域网络的互通， 制定了s i p 与i s u p b i c c 信令互通的规范；另外，由于i m s 在匝t fs i p 协议基础 上，针对移动接入的特点进行了一定扩展和修改，主要体现在登记、鉴权、会话策 略以及消息流程等方面，所以制定了i m s 与其他非i b i ss i p 网络的互通规范。网络 演进方面，由于i b i s 规范制定初期，考虑到i p v 4 地址资源紧张，要求1 1 m s 域使用 6 。受近来i p v 6 商用情况的制约，很多运营商指出基于口v 4 实现初期i l v i s 的必 然性，所以如何从基于疋v 4 的i m s 最终演进到基于i p v 6 的i b i s ，也成为i b i s 网络 演进的一部分。 2 1 2i l v l s 的特点 第一，在技术上，从i m s 的网络架构上看，i b i s 采用了分层的网络架构，在 业务这层可以通过3 g p p 提供的多种业务接口和业务提供的技术，可以支持标准、 开放的接口。i m s 的核心网络主要是用于会话和呼叫控制，提供多媒体的业务环境。 它的协议是基于i n t e m e t ，并且是借鉴了i n t e m e t 的成功经验，可以促进网络的融合。 同时，i b i s 的网络满足通信网络的安全、计费和漫游以及q o s 方面的需求。从3 g p p 2 的m m d 的网络架构和功能上来看，与i b i s 是非常相同，基本上是相同的。i i v s 接 入网络提供的是用户对网络的接入，向终端用户提供移动性管理，可以接入i b i s 技 术的接入网络，由于i m s 有网络独立性的功能，所以目前可以接入i m s 系统的网 络有w l a n 、3 g p p 2 的分组网络，还有固定网络。i m s 的特点是呼叫和会话控制采 用了s i p ，底层采用i p v 6 。i l v i s 在疋的分组网络上实现了对用户的接入和移动式的 管理，会话控制上能够提供单到单或者是单到多的业务逻辑，也解决了媒体资源的 控制和协商。同时i l v i s 也充分考虑了对传统业务，对补充业务后向的支持。因此可 以说i m s 的架构和功能是满足了n g n 所提出的话音数据业务的承载统一，业务独 立于网络，兼容现有的业务和终端这三大基本特点。另外，i l v i s 也提供了良好的漫 游特性和对底层网络的独立性。目前i m s 的网络协议是基于t f 已有的标准，并 且增加了必要的扩展。包括s p 、d i a m e t e r 和c o p s 等。i b i s 全网络采用i p v 6 的网 络地址。 第二，i b i s 的另一大特点是由归属网络控制，从而能够强化网络运营商对于网 络的控制，尤其是计费和服务质量的管理。归属网络是管理用户的注册、漫游和业 务提供，同时通过这种绑定的机制，i b i s 控制核心网络资源的提供维护和计费。计 费方式也提供了实时和非实时，同时在不同的层面进行计费信息的采集。i b i s 提供 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 的q o s 的机制，端到端q o s 框架和影射参数一整套q o s 体系u 引。但是应该看到在 i m s 网络之上的这些业务最后提供给终端用户的业务质量还是决定于承载i m s 的数 据分组网络，i m s 只是一个控制的网络，由承载网络的服务质量、承载网络能力最 终决定了业务的质量。 第三，i m s 提供了完整的安全机制。安全的功能包括鉴权认证、信令一致性保 护以及加密。i m s 核心网采用的是i p s e c 技术。接入网安全的方案可能根据不同的 采用的接入网络有关。移动的分组网络接入i m s 时，还是沿用s i m 卡的鉴权和信 令保护。另外，i m s 系统还提供了端到端的策略。 2 2i m s 的功能 i m s 提供一些关键功能以满足新的移动i p 业务能够运行在移动网络中的需要，这 些功能有以下四个方面： 2 2 1 多媒体会话协商和管理一通信业务的关键因素 一个会话本质上就是两个通信终端的连接( 如移动电话、p d a 、计算机等) 。一个 终端通常向另一个终端请求一个连接，然后两个终端开始会话，详细协商以何种方 式通信( 如使用指定的方式编码、会话中将包括何种媒介等) 。一旦协商结束，就开 始一个交互式的会话，然后两方就开始交换命令和数据。 在3 g p p 中，多媒体会话协商和管理通过使用s i p 协议来完成。i m s 本质上是一个 移动的s i p 网络来支持这些功能( i m s 提供路由、网络位置管理和寻址等功能) 。 与c s 和p s 域相反，i m s 可以建立任何类型的媒体会话( 如语音、视频、文本等) ， 并且会话可以动态地随时修改( 如在现有的语音会话中加入一个视频成分) 。这个功 能开发了一系列的全新的用户到用户、多用户业务，如增强的语音业务、视频电话、 聊天、一键通( p o c ) 和多媒体会议，所有这些都基于多媒体会话概念。 2 2 2 服务质量( q o s ) 实现实时业务的关键因素 由于带宽不稳定严重影响到分组数据包传输，实时移动i p 通信实现起来是比较 困难的。对于普通的i p 网络，i p 传输的特点是“尽力而为”，就是说，网络将尽最 大的努力达到需要的带宽，但决不是保证。这样的结果就是实时移动i p 业务质量可 能很差，或者根本就受制于带宽的有效性和网络拥塞( 如语音质量差或模糊，视频“抖 动”等) 。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i 憋简介 q o s 的概念就是用于克服这些困难，并且提供一些可以保证的不同级别的传输 来代替“尽最大努力 方式。q o s 是可以确保i p 传输的关键因素，如传输速率、网关 延迟和误码率等可以事先测量、改进并加以保证，通过这些方法，运营商可以根据 业务类型和用户的情况来决定业务质量等级。 处理移动i p 网络q o s 的智能模块是i m s 中的策略决策模块p d f n 们。p d f 用于处理下 层分组数据网络的交互和控制( 通过g o 接口连接到g g s n ) 。这样i m s 就为移动运营商处 理实时业务提供了标准有效的解决方案，不必因为在“尽力而为 原则的传输上而 引起用户的不满。 2 2 3 移动性管理一漫游的关键 i m s 网络机制可以使移动i p 通信业务有能力发现其它网络的用户并建立会话。 这个关键的移动性管理实体叫做c s c f ( 呼叫会话控制功能) 和h s s ( 本地用户数据库) 。 h s s 保存所有用户的数据并能寻找到用户需要的应用服务器，然后建立通信。c s c f 本质上是一个代理，用于会话建立和管理并在i m s 网络间转发消息。这样i 骼不仅可 以在移动运营商的本地网络中进行移动性管理，在不同的网络提供商间漫游时也可 以进行业务移动管理。 2 2 4 业务执行、控制和交互一强大的业务平台的基础 当运营商在一个复杂的移动业务网络中部署了大量的业务时，至关紧要的关键 因素是运营者必须能够控制业务的启用和不同业务组成部分之间的交互。在c s 和p s 域中，业务执行是应用控制的，这将使业务交互更加复杂并降低业务透明度和控制 性。i m s 适合这个挑战，因为它提供了强大有效的透明的业务执行、控制和交互的网 络架构。 当一个用户注册到移动运营商的i m $ 网络，c s c f 从h s s 中获取该用户的用户业务 档案( s s p ) 。s s p 包含了这个用户大量的业务属性，使c s c f 能够： 1 ) 根据s s p 中的过滤准则( f i l t e rc r i t e r i a ) ，确定哪个业务需要执行； 2 ) 决定多个业务执行的顺序； 3 ) 确定应该执行请求的最终用户业务的应用服务器的地址； 4 ) 如果多个业务需要在同一个应用服务器上执行的话，通知应用服务器的业 务执行的顺序。 这个业务控制和交互能力使移动运营商能够有效控制和管理业务过滤、业务触 发和交互，使得i m s 成为可重用的业务构造平台。 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m 5 简介 2 3i m s 体系结构 i p 多媒体子系统像c s 域、p s 域子系统一样，可以完成呼叫的发起、保持、释放 等功能。另外，它还要对多媒体流进行转换控制以支持多媒体业务，所以包含更多 的功能实体，它们分别完成不同的功能嘲。图2 1 是i m s 的体系结构图： 图2 1i m s 体系结构 2 3 i 归属用户服务器( h s s ，h o m es u b s c r i b e rs e r v e r ) h s s 是存储用户相关信息的中心数据库，相当于传统移动网的h l r 。i i s s 除了存储 用户的签约信息与位置信息外，还保存有与用户相关的、用来处理多媒体会话的定 制数据，包括：本地信息、保密信息( 证明与授权信息) 、注册信息、业务触发信息、 用户个人信息和分配给用户的s c s c f 等。如果一个网络配置多于一个h s s ，则需要配 置用户位置功能( s l f ，s u b s c r i b e rl o c a t i o nf u n c t i o n ) 实体。s l f 仅仅是一个映射 用户地址到其所属h s s 的数据库的节点。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i y s 简介 2 3 2 呼叫会话控制功能( c s c f ，c a l ls e s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n ) 呼叫会话控制功能( c s c f ) 实体是整个i m s 网络的核心，主要负责处理多媒体呼叫 会话过程中的s i p 信令。其功能包括：多媒体会话控制、地址转换、以及对业务协商 进行服务转换等，相当于s i p 服务器。c s c f 进一步可划分为： ( 1 ) 代理c s c f ( p - c s c f ) p - c s c f ( p r o x y - c s c f ) 是连接i m s 终端( u e ) 和i m s 网络的入口节点，所有i m s 终端发 起和终止于i m s 终端的会话消息都要通过p - - c s c f 。p - c s c f 实际上扮演了一个代理服务 器的角色，它接收s i p 请求与响应，并向i m s 网络或i m s 用户转发。p - c s c f 可以处于拜 访网络或归属网络。 p - c s c f 的主要功能有： 把u e 发来的s i p 注册请求消息前转给i - c s c f ，该i - c s c f 由u e 提供的域名决定； 把u e 发来的s i p 消息前转给s i p n 艮务器，该服务器的名字由p - - c s c f 在该u e 发起注 册规程时得到； 生成计费记录； 支持u e 与p - c s c f 间的加密过程： 对s i p 消息进行压缩与解压缩； 承载资源的鉴权和q o s 管理。 ( 2 ) 查询c s c f ( i - c s c f ) i - c s c f ( i n t e r r o g a t i n g - c s c f ) 是处在外地网络的i m s 终端( 包括本地漫游至外地 的终端) 进入本地i m s 网络的入口节点，i - c s c f 路由外地终端的s i p 请求和响应到本地 s c s c f 。i c s c f 处于归属网络，在特殊情况下，也可以处于拜访网络。它的主要功 能是：注册。为用户指定一个s - c s c f 来执行s i p 注册：处理会话相关与会话不相关的 消息流。包括：将另一个网络收到的s i p 请求路由到s c s c f ；从h s s 获得s c s c f 的地址； 转发s i p 请求或响应给s - c s c f ：生成计费记录。 ( 3 ) 服务c s c f ( s c s c f ) s - c s c f ( s e r v i n g - c s c f ) 是s i p 信令平面的中心节点，其作用类似于软交换系统中 的软交换设备。s - c s c f 为i m s 终端执行会话控制服务，并保持会话状态。所有i m s 终 端发出与接收的s i p 信令都要通过s - c s c f ，它检查这些s i p 信令，决定是否需要访问 应用服务器，并将信令转发至最终目的地。s - c s c f 还提供s i p 路由服务，路由s i p 请 求或响应至u p s t n 或c s 域。s - c s c f 总是处于归属网络。s - c s c f 的主要功能是：注册。 它可以作为一个注册机，也就是接收注册请求后通过位置服务器来使该请求的信息 生效；处理会话相关与会话不相关的消息流。包括：为已经注册的会话终端进行会话 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 控制；可以作为一个代理服务器，也就是接收请求后，进行内部处理或是把它转发； 可以作为一个用户代理，也就是它可以中断或是独立发起s i p 事务：与服务平台交互 来向用户提供服务：提供终端相关的服务信息；当代表主叫的终端时，根据被叫的 名字( 如电话号码或s i pu r l ) 从数据库中获得为该被叫用户提供服务的网络的 i c s c f 的地址。如果被叫在另一个网络，就把s i p 请求或响应前转给该网络中的 i c s c f ；如果被叫与主叫在同一个网络，就把s i p 请求或响应前转给本网络中的 i c s c f 。根据运营策略，把s i p 请求或响应前转给i p 多媒体核心网子系统外的i s p 的 s i p 服务器。当呼叫要路由到p s t n 或是c s 域时，就把s i p 请求或响应转发给b g c f ：当 代表被叫的终端时，如果用户在归属网络中，就把s i p 请求或响应前转给p - c s c f t 如 果用户在拜访网络中，就把s i p 请求或响应前转给i - c s c f 。根据h s s 和业务控制功能 的交互作用，把要路由到c s 域的入局呼叫的s i p 请求进行修改，当呼叫要路由至u p s t n 或是c s 域时，就把s i p 请求或响应转发给b g c f ；生成计费记录。 2 3 3 应用服务器( a s ) a s 提供多种应用业务，网络中存在实现不同业务的多个a s ，实现相同业务的 多个a s 在网络中可实行负荷分担。s - c s c f 依据从h s s 中获得的i m s 签约触发准 则和来自终端的s i p 业务请求进行业务触发判断，触发特定a s 进行业务处理。与 c s c f 通过s i p 协议进行互通的a s 有多种类型，包括s i p 应用服务器，o s a 能力 服务器，c 栅l ，n a p 窄带智能业务服务器等。 2 3 4 多媒体资源功能唧) 多媒体资源功能为会话提供必要的媒体资源，如会议桥、多媒体彩铃彩话、录 音通知、语音短信、动画、音乐等。其中的多媒体资源功能控制器( 胀f c ，m u l t i m e d i a r e s o u r c ef u n c t i o nc o n t r o l l e r ) 负责管理与处理媒体资源，而媒体的具体处理则由 媒体资源功能处理器( m r f p ，m u l t i m e d i ar e s o u r c ef u n c t i o np r o c e s s o r ) 来完成。 多媒体资源功能控制器m r f c 的主要功能如下：控制在m r f p 中的媒体流资源；翻译来自 a s 和s - c s c f 的信息( 例如：会话标识符) ，并相应的对m r f p 进行控制；产生计费记录。 多媒体资源功能处理器豫f p 的主要功能如下：控制m b 接口点的承载；提供豫f c 需要的 资源；混合输入的媒体流( 例如：用于多方会议) ：发出多媒体流( 例如：用于多媒体广 播) ；处理多媒体流( 例如：语音编码转换、媒体分析) 。 i o 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 2 3 5i m s s f i m s s f 提供e m ss 口到c sc a p i n a p 信令的映射以及s s p 触发能力，使得i m s 域用户仍能够无缝继承电路域的智能业务，如p p s ，x r p n ，8 0 0 2 0 0 号等。 2 3 6 出口网关控制功能( b g c f ，b r e a k o u tg a t e w a y c o n t r o lf u n c t i o n ) b g c f 实体是一个具有路由功能的s i p 实体，是i m s 域与外部网络的分界点。当i m s 终端向p s t n c s 域发起呼叫时，由b g c f 决定向那个网络转发信令，如果目的p s t n c s 域为本地域，则b g c f 向与p s t n c s 域接口的m c _ , - c f 转发信令；否则，向外地域的另一个 b g c f 转发信令。 2 3 7 媒体网关控制功f l 邕( m g c f , m e d i ag a t e w a yc o n t r o lf u n c t i o n ) m c , c f 实体是i m s 网络与传统电路交换网络实现互通的功能实体。主要负责控制层 面信令的互通，在i m s 的框架中已经考虑了和p s t n 域以及与移动网络c s 域的互通。其 中的m g c f 主要完成媒体网关信令网关( m g w s g w ) 注册、呼叫控制和m g w s g w 资源管理 等功能。媒体网关( m g w ) 主要完成i m s 网络与电路交换网络之间的媒体转换功能；信 令网关( s g w ) 主要完成i m s 的s i p 信令与电路交换的n o 7 信令之间的信令转换功能。 其他i i v i s 实体的功能如下：d n ss e r v e r 实现u r l 到d 地址的解析，e n u m s e r v e r 则实现电话号码到u r l 的转换。d h c ps e r v e r 在动态分配母地址过程中向 i m s 终端指定p c s c f 的u r l 地址。n a t a l g 设备主要用于企业私网的s i p 终 端，对s i p 控制面u d p i p 公私网地址及相应承载面r t p i p 公私网地址进行转换。 由上述可见l i d s 与软交换相比较，对控制层面作了进一步的分解，实现了会话控 制功能( c s c f ) 实体与承载控制功能( m g c f ) 实体在功能上的分离。 2 4im s 业务流程 2 4 1 业务注册流程 i m s 系统业务注册流程如图2 2 所示。该流程是在用户漫游到访问网络的情况 下发起的，注册过程中u e 首先将请求发送到访问网络的p - c s c f ，这是因为u e 此时 不知道其它服务器的地址。p - - c s c f 的目的是将注册请求转发到u e 归属网络的 s - c s c f ，完成注册。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 图2 2i m s 系统业务注册流程 1 ) 注册请求由u e 向访问网络的p - c s c f 发起，访问网络的p - - c s c f 将请求首先转发 到归属网络的i 弼c f ； 2 ) c 。( c s c f 和h s s 之间的接口) 查询，即用户注册状态查询。i - - c s c f 发起请求要求 获得用户注册状态的信息，c ，查询请求发送到h s s ，其中携带用户私有标识、用户 公共标识、访问网络名等信息。h s s 返回需求的s - c s c f 能力，i - c s c f 用这些信息选 择一个合适的s - c s c f ； 3 ) i - c s c f 将注册请求转发到选定的归属网络s - c s c f ； 4 ) c ，鉴权过程。鉴权过程比较复杂，包括鉴权向量的请求、选择、计算、反馈等步 骤，涉及各个功能模块之间若干次的信令交互，如果鉴权通过，则使用用户公共标 识在s - c s c f 上注册； 5 ) s - c s c f 将用户已注册的消息通知h s s 并向h s s 请求用户信息，h s s 将用户的信息 设定发送到s - - c s c f 作为响应； 6 ) 上述业务控制过程完成后，注册成功，发送2 0 0o k 到u e 。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章i k s 简介 2 4 2 承载建立流程 i m s 系统承载建立流程如图2 3 所示。图中仅对承载建立的大致步骤做了说明， 由于整个过程中信令交互非常复杂，篇幅所限，不在此赘述，具体细节可参见参考 文献 3 1 t s 2 4 2 2 9 ：基- t s i p 和s d p 的i p 多媒体会话控制协议口1 。 【半4k 掣k 8 掣。甲k 产i 掣平 - s * t a m “t a 一 _ ；t h l 1 d n 岛卅栩畦吣抽吐k 如n ；。：慧 f，u e ( 吕) f 嚣黜。 卜 6 * u m l m * t a u t p m m u u i m to | ，衄， 一 卜 z 一m 矗一“一一m “ & f q 曲， “一t 。 l 嚣盏& 。 1 t 即a t “v 。- 一t m 谴嘲n 1 2 “o n - 口k o o w i i k l 由 图2 3i m s 系统承载建立流程 1 ) 会话发起阶段，包括u e a 发出i n v i t e 请求，u e b 接收到请求，做出暂时的响应，并 传送至u u e a ； 2 ) 用户交互阶段，包括q o s 资源鉴权、媒体协商、流标识分配等过程，很多信息都 通过s d p 消息携带并最终确认； 3 ) 为媒体传输发起i p 连接承载建立，包括第二次p d p 上下文激活，一些g p r s 过程， 策略分配过程，若承载连接正常建立，则可通知用户做会话开始的准备； 4 ) 期间可能还存在一些会话修改的过程，比如使用的媒体、编码方式等，可能需要 对会话的重新协商； 5 ) 当会话最终建立，双方用户对会话进行确认。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i m s 简介 2 5 本章小结 本章介绍了i m s 的概念、i m s 的功能以及i m s 的系统结构，对i m s 的业务流 程进行了描述。通过这些，对i m s 系统有了一个初步的了解。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章s i p 协议 第三章s i p 协议 s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，会话发起协议) 是由班t f ( i n t e r n e 工程任务 组) 提出的口电话信令协议【2 】。正如其名字所隐含的，s i p 用于发起网络的用户 间会话，它能控制多个参与者参加的多媒体会话的建立和终结，并能动态调整和修 改会话属性，如会话带宽要求、传输的媒体类型( 语音、视频和数据等) 、媒体的编 解码格式、对组播和单播的支持等。它是第一个适合各种媒体内容而实现多用户会 话的协议，现在已成了匝t f 的规范。 s i p 是在诸如s m t p ( 简单邮件传送协议) 和h t t p ( 超文本传送协议) 基础之 上建立起来的。为了提供电话业务它还需要结合不同的标准和协议：特别是需要确 保传输( r t p ) ，与当前电话网络的信令互连，能够确保语音质量( 硒，) ，能够提 供目录( l d a p ) ，能够鉴权用户( 黜s ) 等等。尽管s i p 使用自己独特的用户 代理和服务器，但它并非自成一体地封闭工作。s i p 支持提供融合的多媒体服务， 与众多负责身份验证、位置信息、语音质量等的现有协议协同工作。 s 口较为灵活，可扩展，而且是开放的。它激发了i n t e m e t 以及固定和移动p 网络推出新一代服务的威力。s i p