IMS与网络融合技术分析tzq

IMS 与网络融合技术分析交换通信设计所 陶志强摘要:NGN 是网络演进的目标,而IMS 是下一代网络融合中的关键技术。本文重点介绍了3GPP 定义的IMS 和基于IMS 的NGN 网络架构,并分析了IMS-NGN 标准定义的一些问题,最后给出了网络融合的目标和趋势。 关键词:IMS NGN 网络融合1. 引言 随着我国电信市场的开放和3G 牌照的发放,我国传统的电信运营商将都会成为具有固定网络和移动网络的综合运营商,因此如何实现下一带网络(NGN来进行网络融合已成为目前业界研究的一个热点。而采用SIP 协议并与接入方式无关的IMS(IP based mulitmedia subsystem 技术以其在网络融合方面的优势越来越受到广泛的关注。其中3GPP 从R5以后主要的研究重点就在IMS 域,而其他标准组织如ETSI 、ITU-T 等都已基本确定以基于IMS 的架构为基础来做为下一代网络的解决方案。2. IMSIMS 是3GPP 在R5版本中为了解决如何向移动数据用户提供IP 多媒体业务而提出来的。其主要特征是在R4核心网PS 域基础上增加一个基于IP 的多媒体子系统(IMS。IMS 利用PS 域来传输呼叫控制信令和承载数据业务,并实现对通用移动性的支持。IMS 独立于CS 域的,但保持与CS 域的互通。从理论上讲,3GPP 在R4版本的基础上提出IMS 概念的最初想法主要是为了提供多媒体业务,而不是网络架构的进一步演进。随着时间的推移以及无线和终端全IP 化,R4网络中的MSC Server 架构将逐步退出,取而带之的是IMS 网络的扩大和扩张。因此3GPP 在R6和R7版本对IMS 做了进一步的深入研究。图1 3GPP IMS 网络架构IMS 在3GPP 的定义中,主要包括了所有提供IP 多媒体业务的核心网相关功能实体,主要包括如下:CSCFCSCF 是整个网络的核心,支持SIP 协议处理SIP 会话。负责对用户多媒体会话进行处理,其功能包括多媒体会话控制、地址翻译以及对业务协商进行服务转换等。CSCF 在IMS 中实现了多媒体呼叫中主要的软交换控制功能。根据各自不同的功能不同可分为P-CSCF(Proxy-CSCF、I-CSCF(Interrogating-CSCF和S-CSCF(Serving-CSCF。其中P-CSCF 是UE(User Equipment接入IMS 系统的入口,主要功能是把UE 发来的SIP 注册请求转发给I-CSCF 或把UE 发来的SIP 消息转发给S-CSCF ;I-CSCF 位于归属域中,是从访问域到归属域的入口点,用来为每个呼叫选择相应的S-CSCF ,主要实现为用户指定S-CSCF 来执行SIP 注册、转发从HSS 获取S-CSCF 地址的SIP 请求以及将其他网络传来的SIP 请求路由到S-CSCF 等功能;S-CSCF 与I-CSCF 一起位于归属域中,是整个IMS 的控制核心、IMS 会话管理的执行节点,控制呼叫和业务的相关状态,与SCP 中的应用服务器互通。主要功能包括用来接受用户注册,进行URI 分析和重定向路由、触发应用服务器以及完成呼叫的控制和接续。S-CSCF 维持了用户位置和用户SIP 地址的绑定,S-CSCF包含有网络运营上所需的状态信息,以协助进行IMS网络的注册、会话控制和业务支持等。MGCF和IMS-MGWMGCF和IMS-MGW是IMS与CS域和PSTN互通的功能实体。MGCF负责进行控制协议ISUP和BICC和SIP协议之间的转换并且将会话转发给IMS。IMS-MGW负责转换CS网络(PSTN,GSM的承载信道和骨干网(如IP网络中的RTP流或ATM网中AAL2/ATM连接的媒体流之间的转换,并且在需要时进行代码转换和信号处理。MRFC和MRFPMRFC和MRFP是实现多方会议的功能实体,控制层面的MRFC解释从S-CSCF收到的SIP信令,通过H.248控制MRFP。MRFC用于支持和承载相关的服务或者进行承载代码转换。MRFP提供被MRFC所请求和指示的用户平面资源,如输入媒体流的混合等。BGCFBGCF是IMS域与外部网络的分界点,负责选择到CS域的出口位置。HSSHSS是所有和服务相关的数据的主要的数据存储器,主要包括用户身份、注册信息、接入参数和服务出发信息。PDFPDF负责实现基于服务的本地策略(SBLP,即根据从P-CSCF处获得的会话和媒体相关信息来制定相应的策略。在R5中, PDF是P-CSCF的一个逻辑实体;而在R6中PDF是一个独立的功能。SGWSGW用户不同信令网的互联,如基于SCTP/IP信令网和SS7的信令网之间的信令转换。3. IMS-NGN按照ITU-T最新发布的标准Y.2001对NGN的定义为:“NGN是一个基于分组的网络,它能够提供包括电信业务在内的各种业务并能够利用多种带宽、有QOS支持能力的传送技术;能够为用户提供无限制接入到多个运营商;能够支持普遍的移动性,确保用户的一致性、普遍的业务提供能力”。因此,从网络的角度来看,网络融合应是NGN发展的趋势。目前3GPP也正在研究基于IMS的固网和移动网络融合,首先考虑的固定接入是WLAN(R6和xDSL(R7。除了3GPP之外,还有很多标准化组织、电信运营商和设备制造商开始对NGN在移动网络和固定网络两个方面进行全面的研究,其中最主要的是ITU-T的FGNGN和ETSI的TISPAN。ITU在2004年6月成立了ITU-T FGNGN(NGN专题组开始对IMS 进行研究,涉及业务需求、功能体系架构、移动性管理、IP QOS、控制和信令能力、网络安全、网络演进以及IP承载能力要求等方面。欧洲ETSI在2003年9月把专门从事固网标准化的SPAN组织和进行VOIP研究的TIPHON进行合并,成立了TISPAN。2004年,ETSI TISPAN提出了NGN的主体架构,目前正在制定NGN相关的规范,命名为TISPAN_NGN Release 1,预计在2005年完成整个Release 1。ETSI TISPAN 提出的NGN架构包括应用层、控制层、承载层和接入层。其中控制层面包括基于SIP 会话的子系统、PSTN/ISDN仿真子系统、基于RTSP的子系统和提供其他多媒体业务的子系统,其中基于SIP会话的核心网子系统重用了IMS的网络架构,并且尽可能重用IMS R6中的相关规范,但要求支持更多的接入方式,包括xDSL、WLAN、LAN、MAN等。此外,还定义了网络附着子系统和资源准如控制子系统(RACS。ETSI TISPAN的这种网络架构是目前NGN的主要架构,ITU-T的NGN架构和ETSI TISPAN 的基本相同。 图2 TISPAN IMS-NGN架构IP多媒体子系统(IMSIMS由提供IP多媒体业务、如话音、视频、文本、聊天等所有架构在分组传送网上的核心网单元构成,相关实体包括CSCF、MGCF、MRF等,参见第2节。PSTN/ISDN仿真子系统PSTN/ISDN仿真子系统可为连接到IP 网的传统电话终端提供接入,这样所有的PSTN/业务保持可用和一致,而终端用户并不会意识到没有连接到传统的PSTN/ISDN 网。流媒体子系统随着宽带接入即使的成熟,网络传输的瓶颈被打破和音频、视频的编解码技术的进步,基于流媒体传输的应用得到了越来越多的的重视。流媒体子系统可为视频点播、远程教学、交互游戏等业务的应用和终端的接入。网络附着子系统网络附着子系统主要提供IP地址分配、IP层的健全、网络接入授权、接入网配置和IP层的位置管理等功能。资源准如控制子系统RACS主要提供接纳控制和关口控制功能(包含NAPT控制。接纳控制指根据运营商的具体策略规则和实际的资源,检查接入网附着子系统保存的签约数据的授权,即校对被请求的带宽与预定的带宽和用户使用的带宽是否一致。关口控制功能包括根据IP地址/端口进行分组包过滤、为上行和下行业务流进行资源分配和带宽预约、NAPT 功能、使用率和QOS的测量检测等。4. IMS-NGN标准的相关问题IMS在3GPP的R5、R6标准已经冻结,其基本的架构在业界广泛的技术讨论中也得到了认可,但是目前只是建立了NGN体系,在技术层面只是定义了网络架构,对于功能实体定义和工作流程等方面的工作还没有真正开始。在具体技术实现和协议层面,由于移动网络和固定网络之间的差异,因此在原有的IMS基础规范上还存在很多方面的问题需要继续研究和补充。IMS要求使用IPv6,目的是为了解决IP地址资源短缺,但是目前的业务并不要求终端一定具有公用IPv6地址,完全可以使用私有IPv4地址来实现各种业务。此外,IPv4在运营商的应用也非常成熟。因此可以使用IPv4并考虑对与NAPT的支持,目前3GPP正在制定相应的规范。在移动网络中移动终端都配有UICC卡,其中包含了用户的识别信息和一些加密和鉴权的算法,用户可以通过AKA 的鉴权机制进行鉴权,但是固定终端是没有UICC的,这就要考虑替代的鉴权过程。在移动网络中由于空中接口的资源有限,为了节省空中资源需要进行SIP压缩,但是对于固定终端采用有线的接入方式,可以考虑把SIP压缩作为可选项,从而降低对终端的要求。移动网络和固定网络两种接入方式的不同导致对于位置管理的区别,所以相应的涉及位置信息的信令接口和计费接口也需更改。对于移动接入,移动终端本身具有能完成QOS映射的机制,但是对于固定接入如xDSL就需要P-CSCF来代理实现。因此,两者的接入网络的资源预留程序是不同的。对于移动接入而言,由于IMS是叠加在分组域之上的,所以IMS的安全也和分组域的安全是相对独立的。即终端接入分组域网络时,分组域网络首先对终端进行鉴权,接入IMS时,还要再次进行安全认证。但是对于固网终端而言,简单的宽带接入网络本身是没有安全机制的,这将对IMS 的安全造成挑战。其次,对于固定接入而言,由于不存在类似移动网络中空中接口的鉴权,P-CSCF将直接暴露给固定终端,使得P-CSCF容易受到攻击。因此相关的安全策略、安全管理以及域NAT/防火墙的互通方面还需研究和探讨。QOS保证在IMS-NGN的架构下,核心网络信令和数据都是基于IP承载,而且网络发展的趋势也是“全IP”,但是QOS问题一直是IP 网络的一个热点问题,所以在IMS-NGN中也需要重点考虑。3GPP对信令层面的QOS 控制做了充分了考虑,如在P-CSCF、PDF 以及GGSN之间定义了QOS参数的映射和资源的预留机制,但是对承载层面的QOS 仍需依靠承载网络自身的QOS机制来保证,因此无法保证端到端的服务质量。因此在ITU-T的NGN架构里,RACS被引入进来完成QOS的控制,其功能实体分布在应用层、控制层、承载层和网络边缘,核心是资源的调度和管理机制。这样,就导致增加新的接口和对原有接口的扩展,从而通过这些接口来收集到网络拓扑、资源状态信息并控制资源的预留,真正实现QOS端到端的控制。业务和应用ITU-T和TISPAN在NGN的Release 1中都将重用3GPP定义业务引擎和规范,从而提供3GPP的各种业务,如Presence、Messaging等。3GPP分别定义了SIP URI和Tel URI来标识SIP呼叫和电话呼叫,但是TISPAN倾向于除电话以为的SIP呼叫都采用URI标识,因此这个问题还需进一步讨论。此外,部分业务引擎也要进行修改以满足固定终端和移动终端的功能和行为特征的不同。以上是TISPAN和ITU-T在基于3GPP 的IMS基础上定义NGN规范研究的一些热点问题,此外还涉及到计费、网络互通、网络编号、路由原则和其他一些问题,此处不再一一列举。5. 网络融合网络融合是NGN的目标,其含义是通过不同的终端在任何时候、任何地点获取信息和享受多样化的业务。要达到这个目标,就要求网络具有以下的特征。首先,应用层与控制层分离,以便获得业务与用户的物理位置具备无关性;其次,控制层与传送层分离,便于呼叫或会话的控制独立于承载的控制,可实现基于不同承载提供相同的控制能力;再次,传送层与接入层需要完全分离,使得无论何种终端、何种接入方式都可以共享同一承载网络,从而充分利用网络资源,屏蔽网络的复杂性。应该看到,网络融合是一个长期的过程,必须要综合考虑保护现有网络的投资,并且能够保证新旧网络之间的平滑过渡。而目前移动网和固定网还有各自的特殊需求和发展空间,短期内还无法直接通过一种网络架构实现。因此现有的移动网络和固定网络应该是在网络的演进中融合,而不是对现有网络的融合。对于演进的目标网络应具有以下特征,以符合最终网络融合的要求。承载和控制分离,网络具有最大程度的可扩展性;应具有支持多业务的承载网络,并能够满足高层业务对于QOS和安全性等方面的要求;具有支持多种接入模式的能力;能够支持普遍的移动性,具有融合型业务的提供能力;具有开放的接口,可以提供第三方的业务平台等。 图3 移动和固定网络的发展根据网络演进和融合的目标,对于移动网络而言,将毫无疑问的按照3GPP定义的R5、R6、R7或者3GPP2定义的Release A、Release A的基