IMS：融合网络目标架构

1、IMS：融合网络目标架构,Network Architecture and Evolution, CBG-PS May, 2008,2,内容,IMS技术和标准的发展状况 IMS体系架构和主要网元功能 IMS信令流程 IMS支持固定移动融合业务发展,3,1,IMS技术和标准的发展状况,4,IMS国际标准组织发展,国际上IMS相关标准组织主要有3GPP，3GPP2，TISPAN，ITU-T，分别从不同的出发点对IMS进行了系统的研究 3GPP是IMS的起源者和主要贡献者，IMS的R5, R6, R7的发展过程，R7已基本完成 3GPP2基于3GPP的IMS Core定义了MMD，主要考虑CDMA网

2、络 TISPAN从固网接入为出发点，定义了支持固网的NGN体系架构，目前展开R2的工作 其他还有IETF，WiMax，Cable Lab，MSF等从不同的角度对IMS提供支持和贡献。IETF主要负责SIP，Diameter等协议的规范和扩展，WiMax，Cable Lab，MSF，ATIS考虑IMS对各种不同接入方式的支持,5,IMS标准进展,以3GPP和TISPAN影响最大。3GPP和TISPAN紧密合作，以统一的IMS核心为目标 3GPP侧重于从移动的角度对IMS进行研究，负责接入无关的统一IMS核心，目前正在制定R7版本。 TISPAN侧重于从固定的角度提出对IMS的需求，开发针对固定接

3、入的扩展，在2005年底发布了TISPAN NGN R1，目前正在制定R2版本。 2006年底ETSI与3GPP决定由3GPP维护、开发一个全球统一的IMS（Common IMS），后来又覆盖了多家标准组织,3GPP,TISPAN,ITU-T,CCSA,20002003完成R5 (IMS Phase I) 2005年3月完成R6 (IMS phase II)：增强的结构和能力，完全的接入无关 2005年启动R7 (IMS Phase III) ：固定接入、CS/IMS结合、端到端QoS、策略/计费演进，2007年冻结 2006年启动R8，CS接入的集中控制，多媒体会话连续，业务交互，Commo

4、n IMS,2005年底发布NGN R1（主要工作全部完成，包括业务及能力需求、功能结构，流程及协议实现） 少量完善工作2006年中结束 2006年开始定义NGNR2 支持其他接入技术 端到端QoS 流媒体业务 增强游牧性,TC3 基于TISPAN NGN R1和ITU-T NGN R1的工作，已完成了11个相关研究项目 TC5 基于3GPP，已完成了IMS总体技术研究项目和8个相关标准项目（设备要求和测试方法、协议要求和测试方法） TC3和TC5组成联合工作组，负责Common IMS和行标相关工作,FGNGN R1在2005底结束，但是只完成了初步的工作（业务及能力需求、功能结构） NGN

5、 GSI从2006启动，继续和完善FGNGN的工作,6,R99 Architecture,R4 Architecture,R5/R6 Architecture,3GPP 移动核心网络的演进,7,3GPP IMS标准化进展,3GPP在R5版本中首次提出IMS，并在R6和R7版本中进一步完善 R5版本提出和定义了IMS的基本框架及3G接入的能力。 R6细化了接口和功能，定义了对WLAN接入的能力、IMS和外部网络的互通等。 R6版本在2005年3月冻结，是第一个接入无关的、完善的IMS标准版本。 R7版本在2006年底冻结，主要工作已基本完成 VCC（Voice Call Continuity）,

6、实现双模手机在IMS域和CS域进行语音呼叫切换。 紧急呼叫（Emergency Call）,引入了E-CSCF这个新网元，使IMS建立紧急呼叫成为可能。 CSI（Combining CS GGSN获取本网中的一个或者多个P-CSCF的IP地址; GGSN将P-CSCF地址转发给SGSN; SGSN将P-CSCF的IP地址包含在PDP激活的响应中发送给UE; UE从返回的响应中选择一个P-CSCF（如果返回多个P-CSCF地址），随后的注册请求将首先路由到该P-CSCF，当然如果该P-CSCF不可用的话，如果存在多个可选的P-CSCF，UE可以选择其他P-CSCF来进行注册,67,DHCP+DN

7、S 查询方式,UE建立与IP-CAN之间的承载通道； UE向DHCP server请求P-CSCF域名以及DNS IP地址，若DHCP server的响应中携带P-CSCF的IP地址， 则无以下流程； 若DHCP没有直接返回P-CSCF的IP地址，而是返回P-CSCF的FQDN（完全合格的域名），UE必须使用返回的DNS服务器来将该FQDN解析为IP地址，这可能会涉及到多个DNS查询过程。 在收到P-CSCF的域名和IP地址后，IMS UE可以发起到IMS的接入,68,IMS注册,69,IMS注册,在UE获取了IP连接之后，可以执行IM注册。为此，UE发送注册信息给Proxy（公有标识、私有标

8、识、归属网络域名、UE IP地址）。 收到Register信息流之后，P-CSCF检查“home domain name”，以发现归属网络的入口点（即：I-CSCF）。Proxy发送Register信息流到I-CSCF I-CSCF发送Cx-Query/Cx-Select-Pull信息流到HSS（公有标识、私有标识、P-CSCF网络标识）。HSS检查用户是否已经注册。根据用户签约情况，以及运营商限制/约束，HSS必须指出用户是否允许在该P-CSCF网络注册。 Cx-Query Resp/Cx-Select-Pull Resp 从HSS发送到I-CSCF。如果HSS知道的话，必须包含一个S-CS

9、CF名，以及S-CSCF能力。如果在HSS的查询失败，Cx-Query Resp拒绝这次注册。 I-CSCF使用S-CSCF的名字，通过名字-地址解析机制，决定S-CSCF的地址。I-CSCF还可能基于从HSS收到的信息，决定合适的归属网络接触点的名字。I-CSCF随后将注册信息流（P-CSCF地址/名字、公有标识、私有标识、P-CSCF网络标识、UE IP地址、I-CSCF(THIG)需要网路配置隐藏时）发送到选中的S-CSCF。 S-CSCF发送Cx-Put/Cx-Pull (公有标识、私有标识、S-CSCF名字)到HSS。 HSS为该用户保存S-CSCF名字，并返回信息流Cx-Put R

10、esp/Cx-Pull Resp（用户信息）给S-CSCF。 基于过滤准则，S-CSCF发送注册信息到业务控制平台，并执行相应的业务控制过程。 S-CSCF返回200 OK信息流（归属网络接触信息）给I-CSCF。I-CSCF发送信息流200 OK（归属网络接触信息）给P-CSCF。I-CSCF在发送信息流200 OK后，必须释放所有的注册信息。 P-CSCF必须存储归属网络接触信息，并发送信息流200 OK给UE,70,IMS注销,注销过程用户将UE与拜访网络、归属网络之间的逻辑路径删除。 根据不同的情况，可以由不同的实体发起注销流程： 终端发起的注销 （注销通过将注册请求中超时时间设置为0

11、秒来完成） 网络发起的注销 注册超时 HSS发起 S-CSCF发起,71,IMS的鉴权方式,多种方式共存下的优先级： IMS AKA, Early IMS/NBA, HTTP Digest,72,IMS AKA鉴权,AKA(Authentication and Key Agreement)认证是一种是长期的认证方式。这种方式安全性较高，适合于终端中含有ISIM/USIM的情况,73,IMS AKA鉴权,UE 通过SM1 REGISTER(IMPI, IMPU)发起注册过程。UE将注册消息发给P-CSCF，消息中包含Security-Client头域。 P-CSCF检查收到的REGISTER消息

12、有Security-Client头域，并且该头域的安全机制列表中含有”ipsec-3GPP”，则鉴权方式为AKA，P-CSCF增加integrity-protected头域，转发注册消息给I-CSCF。 I-CSCF发起UAR/UAA过程获取可以为用户注册服务的S-CSCF地址后，转发注册消息给S-CSCF。 S-CSCF收到注册消息后，根据消息中的integrity-protected头域，区分出需要AKA鉴权。 如果S-CSCF中没有该用户的鉴权向量AV（Authentication Vector），S-CSCF通过Cx接口请求鉴权向量。 从Cx接口返回一组鉴权向量 (IMPI, AND1

13、|AUTN1|XRES1|CK1|IK1,.,RANDn|AUTNn|XRESn|CKn|IKn)。 S-CSCF通过4xx Auth_Challenge(IMPI, RAND, AUTN, IK, CK)发起对UE的质询。S-CSCF保存XRES以备鉴权响应回来后，比较UE提供的RES是否和该XRES一致，判断鉴权是否成功。此外还需保存RAND参数以备鉴权重同步使用。 P-CSCF收到鉴权消息后，将消息中的CK和IK保存下来并将其从消息中删除。CK和IK将作为IPsec建立传输通道需要的密钥。 P-CSCF转发4xx Auth_Challenge(IMPI, RAND, AUTN)到UE。

14、UE收到该鉴权消息后，取出AUTN（MAC+SQN），算出XMAC值，并比较XMAC和收到的MAC是否一致，此外并判断SQN是否在正确的范围内。该过程是UE对IMS网络的认证鉴权过程。如果检查通过，则计算出一个RES并构造一个鉴权响应消息，将这些消息放在Authorization header中传会P-CSCF。此外UE还需计算出IK和CK用以加密和完整性保护使用。此时P-CSCF和UE之间建立SA。 UE重新发起送REGISTER(IMPI, Authentication response)进行注册。该消息将通过UE和P-CSCF之间商定的安全联盟SA通道传送。后续UE和P-CSCF之间的所

15、有消息都在该安全通道中传送。 P-CSCF转发消息到I-CSCF。I-CSCF发起UAR/UAA过程获取用户正在注册的S-CSCF地址后，转发注册消息给S-CSCF。S-CSCF收到重新注册消息后，取出为该用户保存的XRES值，并将该值和收到的响应中的RES进行对比，如果一致则表明该IMPU已经通过鉴权并在S-CSCF注册成功。S-CSCF则通过Cx-Put方法修改HSS中该用户原先的“pending”状态为“Registered”。而后，通过Cx-Pull方法从HSS中获取该IMPU对应的所有用户数据。如果HSS中有关于和该IMPU相关的隐式注册的相关信息，HSS将通知S-CSCF这些信息，

16、S-CSCF将认为这些隐式的用户状态也是“Registered”，并将这些信息通知P-CSCF。 S-CSCF发送对REGISTER消息的认证通过确认响应发送到UE。接入认证过程结束。用户成功注册后在S-CSCF和UE上都有一个定时器在工作，UE上的时间会稍短，保证在该段时间内用户的状态是“Registered”。UE定时器超时会发起“re-Registered”过程,74,IMS Early IMS鉴权,Early IMS适用于终端不能支持ISIM/USIM，且不能支持IPSec的情况下的鉴权认证,75,Early IMS 鉴权,UE 向GGSN 发起创建PDP 的请求，GGSN 响应该请求

17、 GGSN 向HSS 发送RADIUS Accounting-Request START 消息，消息中还包含UE的IP address， MSISDN 和IMSI； HSS 绑定IMSI 和/或MSISDN 和由IMSI 生成的IMPI，并存储UE 的IP 地址；HSS向GGSN 响应Accounting-Request Start Answer。GGSN 响应用户的UE PDP 请求； UE 给P-CSCF 发送Register 消息，消息中不带Authorization 头域，Security-Client头域。P-CSCF 收到从一个early IMS UE 终端发送过来的SIP 请求后

18、，P-CSCF 检查在Via头域中“sent-by”参数的IP 地址，如果“sent-by”参数包含了一个域名，或者包含一个不同于该消息的IP 包的源IP 地址，P-CSCF 将在Via 头域中增加一个“received”参数。该参数包含了该消息的IP 包的源IP 地址。P-CSCF 收到一个不带Authorization、Security-Client 头域的REGISTER 请求，将处理Path、Require、P-Charging-Vector 和P-Visited-Network-ID 头域，然后确定归属域的I-CSCF，并把请求发送给I-CSCF。 I-CSCF 收到不带Author

19、ization 头域的REGISTER 请求后，不应该拒绝，而应该进行用户状态查询操作(User registration status query)。发送UAR 消息给HSS I-CSCF 将Register 消息转发给相应的S-CSCF，S-CSCF 收到不带Authorization 头域的REGISTER 请求后，使用REGISTER 消息中的To 头域中的public user identity标识用户，并检查请求消息中是否有P-Visited-Network 头域，这个头域中是否记录了的访问网络的标识。 如果S-CSCF 中没有保存UE 的IP 地址，则通过MAR 向HSS 查询；

20、通过MAA 从HSS 处收到UE 的IP 地址，并将其保存在S-CSCF 中 S-CSCF 执行注册的鉴权。S-CSCF 检查Via 头域中的“received”参数，如存在，则将这个参数中记录的IP 地址和在注册期间保存的UE 的IP 地址进行比较。如果保存的IP 地址和Via 头域中的IP 地址不匹配，S-CSCF 应当再用Public User ID 查询HSS，并收到保存在HSS 中的UE 的IP 地址。如果保存的IP 地址和Via 头域中记录的IP 地址仍然不匹配，S-CSCF 应当拒绝该注册请求，并回403 (Forbidden)响应； 处理Cx SAR/SAA 过程；对注册返回2

21、00 OK 响应； P-CSCF 收到对REGISTER 请求的200(OK)响应后，应该检查Expires 头域和/或Contact 头域中的Expires 参数的值，如果这个值不等于零，则处理Service-Route 头域、public user identities、P-Associated-URI 头域P-Charging-Function-Address 头域。并把200(OK)发给UE； UE 收到P-CSCF 发送过来的200 OK 消息后，将处理超时定时器，以及P-Associated-URI 头域和Service-Route 头域。,76,HTTP Digest鉴权和NBA

22、鉴权,固定NGN网络中，在无法使用AKA鉴权的情况下，可以采取另外两种鉴权方式：NBA和HTTP DIGEST NBA鉴权方式主要适用于接入网络与IMS网络属于同一个运营商，或者IMS网络运营商与接入网络运营商存在信任关系的场景。通过网络附着系统NASS对用户的接入和位置信息进行绑定，实现IMS网络的接入鉴权 Http Digest为SIP协议的基本认证方式，用于UAS/SIP Proxy Server对UAC的单向认证，信令流程和IMS AKA一致 Http Digest为SIP协议的基本认证方式，用于UAS/SIP Proxy Server对UAC的单向认证，信令流程和IMS AKA一致,

23、77,Calling and Called Party Home Network,HSS,I-CSCF,DNS,Access,Access,P-CSCF,Backbone Packet Network,S-CSCF,IMS用户呼叫IMS用户,Control,Bearer,SIP,SIP,Diameter,AS,78,DNS,IMS用户呼叫IMS用户,INVITE,INVITE,INVITE,LIR,LIA,INVITE,INVITE,INVITE,100 Trying,100 Trying,180 Ringing,180 Ringing,180 Ringing,200 OK,200 OK,20

24、0 OK,ACK,ACK,ACK,180 Ringing,200 OK,ACK,180 Ringing,180 Ringing,200 OK,200 OK,BYE,BYE,BYE,200 OK,200 OK,200 OK,200 OK,HSS,I-CSCF,P-CSCF,S-CSCF,IMS UE1,IMS UE2,单域网络下的IMS用户呼叫IMS用户，没有业务触发的场景,79,DNS,IMS用户呼叫IMS用户,INVITE,LIR,LIA,100 Trying,HSS,I-CSCF,P-CSCF,S-CSCF,IMS UE1,IMS UE2,AS-O,AS-T,INVITE,100 Tryi

25、ng,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,单域网络下的IMS用户呼叫IMS用户，主被叫存在业务触发的场景,80,IMS用户呼叫PSTN用户,Calling Party Visited or Home Network,Calling Party Home Network,P-CSCF,HSS,S-CSCF,BGCF,MGCF,MGW,PSTN,H.

26、248,SIP,SIP,SIP,SIP,ISUP,Diameter,Backbone Packet Network,Access,81,IMS用户呼叫PSTN用户,INVITE,100 Trying,IAM,ACM,180 Ringing,180 Ringing,180 Ringing,180 Ringing,ANM,200 OK,200 OK,200 OK,200 OK,ACK,ACK,ACK,ACK,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,INVITE,100 Trying,REL,BYE,BYE,BYE,BYE,200 OK,200 OK,200 OK,2

27、00 OK,RLC,DNS/ENUM,P-CSCF,S-CSCF,IMS UE1,PSTN,BGCF,MGCF,82,4,IMS支持固定移动融合业务发展,83,固定移动融合网络,固定移动融合涉及到网络的五个层面： 终端接入层面的融合：多模终端，家庭网关 承载层的融合：固定移动统一的IP承载网和传输网，保证网络的安全和QoS 控制层融合：统一的会话控制，统一的用户管理 业务层融合：固定移动业务能力，综合业务管理和开放业务接口 运营支撑的融合：统一营帐，统一视图，统一门户，统一网管 固定移动融合各个层面的技术成熟度和对网络的影响程度不同 承载层融合具有天然优势，运营支撑系统的融合先行，随后考虑终端

28、接入融合和业务融合，关键是整合业务网络，最终目标是核心网融合 BOSS改造、业务平台整合、终端融合只是辅助手段， FMC的核心是统一用户数据库和统一核心控制,84,分阶段演进发展到FMC/IMS,固定移动网络完全独立，统一业务平台通过不同接口同时支持两张网络的业务应用 通过业务捆绑让用户获得初步的融合业务体验,阶段一： 平滑过渡,提供融合数据库并支持号码类融合业务，为用户提供固定移动网络之间的灵活性和可达性 通过终端或接入网关的融合屏蔽接入感知 引入IMS，提供开放业务开放环境，发展宽带增值业务，建立领先优势 IP RAN改造，逐步实现固定和移动承载网的融合，网络扁平化,阶段二： 优化发展,扩

29、展融合数据库，全面支持各种数据整合，挖掘融合业务，提高增值应用 融合固定、移动、及互联网各种应用，开发全业务应用 通过IMS全面提供固定和移动网络基础话音业务，用户逐渐迁移到FMC目标网络 全面完成固定移动支撑系统的融合，降低网络运维成本,阶段三： 全面融合,5个层面，3个阶段，1张目标网络,85,从固定网络或移动网络出发到FMC/IMS融合网络,窄带电路域,宽带分组域,平滑过渡 窄带语音，宽带数据,优化发展 窄带语音宽带语音，宽带业务增强,全面融合 融合语音、数据、视频、流媒体,固 定 网 络,移 动 网 络,基本语音及补充业务,智能网,融 合 网 络,软交换,IPTV,小灵通,传统交换,视

30、频监控,CDMA 1x,1x的移动分组域,CDMA LMSD,软交换,传统交换,CDMA 1x,CDMA LMSD,EVDO的移动分组域,IMS融合宽带业务,IPTV,IMS固定移动融合,三网融合,LTE + SAE,宽带互联网,宽带互联网,CN,PN,NB,BB,86,IMS与软交换的不同定位,新收入来源 IP宽带多媒体业务 公共的业务提供、业务控制、策略控制,IMS,网络优化，降低CAPEX/OPEX 话音和传统业务 有限的增值业务,软交换,技术成熟度 产业成熟度 差异化增值业务 竞争环境,决策依据,87,未来的融合业务开发应借鉴 互联网模式,为什么是IMS 业务开发模式的变革,业务提供环

31、境,统一控制,业务增强,第三方 应用,业务生成,业务运营,多种业务通过公共的业务能力集融合 具备开放的业务生产环境,开放业务环境 提供个性化融合业务,更快 更多的 业务,业务引入“试错法”,业务的“即插即用”,尽快推动成熟业务的商用 打造差异化竞争优势,88,为什么是IMS 比其他技术更合适,IMS替代方案 专有软件方案 Skype MSN/WLM Google (GrandCentral, Gtalk and Gmail) SIP方案 OpenSER Asterisk P2P SIP,“Google Talk 不是电话服务， 无法用于拨打紧急电话。”,IMS不是唯一的解决方案，但IMS是唯一

32、的可用于信息基础设施的开放的宽带多媒体业务架构 替代性技术不能满足信息基础设施的要求 可依赖性（可靠、安全、信任、质量） 互通性（跨地域、跨运营商） 不可再引入新的垂直架构 如何避免“山西窄轨铁路”重演？ 替代性技术对电信运营商有意义吗？ 替代性技术是非传统运营商的武器 IMS才是运营商自己的武器,FMC方案商业可行性评估应考虑其提供全接入/全业务的能力对于电信转型战略目标的决定性作用 贝尔实验室建模团队进行了大量研究以评估IMS部署的商业可行性 演进到多接入/多业务时，IMS比“垂直”解决方案更经济 分布式架构决定了IMS具有最优的扩展性和灵活性,公共平台使NGN向IMS平台演进成为可能 初

33、期部署可以采用“IMS-in-a-Box”配置，跨地域集中部署 随业务规模扩充设备和网络（功能和容量） 与BSS/OSS集成的是IMS的主要成本因素之一，这是正常的NPI成本。,89,Network Resources Home Subscriber Server (HSS), Charging, etc.,Access Network,PDF,SIP,Web Portal(s),Parlay Gateway,Service Broker (SCIM),Analog Endpoint,PSTN,SS7,Media Gateway,Media and End Point Layer,Session Control Layer,Application Server Layer,Media Server,MRFC,S-CSCF,Support Systems Billing Mediation, Fault Correlation, Operations, Maintenance, etc.,BGCF,MGCF,MGC,SG,IN Access,TDM P