IMS基本原理网络整理.docx
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IMS基本原理网络整理
前言
IP多媒体子系统（IMS）是一组规范，描述用于实现基于IP的电话和多媒体服务的下一代网络（NGN）体系结构。
IMS定义了一个完整的体系结构和框架，允许在基于IP的基础设施上对声音、视频、数据和移动网络技术进行聚合。
它填补了两个最成功的通信范式（移动电话和Internet技术）之间的空白。
IMS最初是由第三代合作伙伴计划（3GPP）定义的，3GPP是多个电信标准组织间达成的协作协议，是其支持GSM网络和无线电技术发展的标准化工作的一部分。
IMS最初是在3GPP第5版中推出的，其中将互联网工程工作小组（InternetEngineeringTaskForce，IETF）定义的“会话发起协议”（SessionInitiatedProtocol，SIP）作为了IMS的主要协议。
3GPP的第6版和第7版对此进行了进一步的增强，以包括其他功能，如在线状态和组管理、与WLAN和基于CS的系统协作以及固定带宽接入等。
另一个标准组织，第三代合作伙伴计划2（3rdGenerationPartnershipProject2，3GPP2）也对自己的IMS进行了标准化。
成立3GPP2是为了将北美和亚洲移动无线电通信跨系统操作过渡到第三代系统。
3GPP2规范有关IMS的最初版本主要源自3GPP第5版。
两个组织定义的IMS网络相当类似，但并非完全相同。
3GPP2根据其特定的问题进行了相应的调整。
不过，这两个组织的目的都是为了确保IMS应用程序将跨不同的网络基础设施一致地工作。
除了3GPP和3GPP2外，开放移动联盟（OpenMobileAlliance，OMA）在制订和开发IMS移动标准化方面也扮演着重要的角色。
OMA定义的服务构建于IMS基础设施之上，如即时消息传递（InstantMessaging，IM）、在线状态服务和组管理服务等。
IMS体系结构支持各种基于SIP协议启用的大量服务。
正如您在下面的图1-1中所看到的，IMS体系结构提供的多媒体服务可由服务通过IP网络或传统电话系统从各种设备进行访问。
基础网络体系结构可分为三个层次（设备层、传输层和控制层），其上还有服务层，我们将按照从下向上的顺序分别进行介绍。
∙设备层：
IMS体系结构提供了各种选择，供用户选择端点设备。
计算机、手机、PDA和数字电话等IMS设备可以通过网络连接到IMS基础设施。
其他类型的设备（如传统模拟电话）尽管不能直接连接到IP网络，但能够通过PSTN网关与这些设备建立连接。
∙传输层：
传输层负责发起和终止SIP会话，并提供所传输的数据在模拟/数字格式和IP数据包格式之间的转换。
IMS设备通过各种传输媒体连接到传输层中的IP网络，此类传输媒体包括WiFi（一种无线局域网技术）、DSL、光纤、SIP、GPRS（通用分组无线业务——GeneralPacketRadioService，一种移动数据服务）和WCDMA（宽带码分多址——WidebandCodeDivisionMultipleAccess，一种3G移动网络）。
此外，传输层允许IMS设备通过PSTN网关呼叫PSTN网络或其他电路交换网络和接收来自这些网络的呼叫。
∙控制层：
呼叫会话控制功能（CallSessionControlFunction，CSCF）是指代SIP服务器或代理的统称，是控制层中的核心组成部分之一。
CSCF负责端点的SIP注册，并处理服务层中恰当应用服务器的SIP信号消息传递。
控制层中的另一个组成部分是存储每个用户的唯一服务配置文件的归属订户服务器（HomeSubscriberServer，HSS）数据库。
服务配置文件可以包含用户的IP地址、电话记录、联系人列表、语音邮件问候语等等。
通过将用户的信息集中在HSS中，服务提供商可以跨IMS中提供的所有服务创建统一的个人目录和进行集中用户数据管理。
∙服务层：
在IMS网络体系结构之上是服务层。
上面描述的三个层提供了一个集成的标准网络平台，以允许服务提供商在服务层中提供各种多媒体服务。
服务全部由应用服务器运行。
应用服务器不仅负责承载和执行服务，而且还要使用SIP协议提供针对控制层的接口。
单个应用服务器可以承载多个服务，例如电话和消息传递服务可以在同一个应用服务器上运行；这种灵活性的优势在于，可以减少控制层的工作负载。
有很多提供不同服务的应用服务器，以下将专门讨论三种IMS核心应用服务器。
o在线状态服务器：
“在线状态服务器”提供用于收集、管理和分发实时可用性和用户间的通信方法的服务。
它允许用户发布其在线状态信息，还允许订阅服务，以接收其他用户变化的通知。
o组列表管理服务器：
“组列表管理服务器”提供特定的服务，以允许用户或管理员管理、创建、修改、删除和搜索基于网络的组定义和关联成员列表。
它还维护访问权限和其他与组及成员关联的特定属性。
另外，还用于为即时消息传递或其他服务提供联系人列表。
o即时消息传递服务器：
“即时消息传递服务器”提供允许用户发送和接收即时消息的通信服务。
用户能够通过IP网络交付包含富文本、图像、音频、视频或这些内容的组合的消息。
它在目前的Internet社区得到了广泛的应用，IMS将为移动世界提供相同的服务体验.
IMS是用于电信行业的先进技术工具集，类似于一个包含各种工具的百宝箱，通过它可以让您的应用程序轻松地进入电信世界。
简单说来，IMS使用Internet技术提供大量服务和移动技术，真正实现无处不在,IMS是（今后也仍然是）电信行业的一个重要部分。
它的涉及面非常广泛，在一篇文章中并不足以对其进行全面诠释。
总体架构
如上图所示，IMS总体架构通常分为三层，接入层、呼叫控制层、业务应用层：
∙接入层：
接入层将各种接入网络汇总到IMS核心网中，完成对现有网络的互通及完成对承载的控制。
∙呼叫控制层：
IMS的核心层，完成呼叫控制、安全管理、业务触发、资源控制、网络互通等核心功能。
∙业务应用层：
提供各种业务实现，如PSTN仿真业务集、Centrex业务集、呈现业务、即时消息业务等。
上图中，IMS网络主要网元功能说明如下：
∙SIPTerminals：
包括SIP软终端、SIP硬终端、SIPIAD接入设备、SIPAG接入设备等，当前我们设备就属于这一类。
∙GGSN：
GGSN是GPRS网络中的关键部分，用于GPRS网络和IP网络的交互。
∙PDF：
PDF是策略决策功能模块，基于策略控制完成鉴权、业务请求许可、Qos、资源预留等功能。
∙BGCF：
BGCF是出口网关控制功能，BGCF有基于电话号码的路由功能，用来选择与PSTN网络的接口点，当BGCF发现被叫网络位于一个PSTN网络时，负责IMS网络到CS/PSTN网络呼叫选择合适的MGCF。
∙MGCF：
媒体网关控制功能，负责IMS网络与CS网络之间进行通信
∙IM-MGW：
IMS多媒体网关提供CS与IMS之间的用户平面链路转换，类似H248终端设备就是属于这一类。
∙P-CSCF：
代理呼叫控制功能模块，是IMS核心网络与用户终端的接口网元；与用户终端侧配合完成AKA鉴权、安全机制协商、IPSec加密保护、信令压缩等功能，在与有PDF功能模块的接入终端还可以配合完成资源预留功能；与I-CSCF/S-CSCF侧配合完成呼叫的接续处理。
∙I-CSCF：
问询呼叫控制功能模块，为归属网络中P-CSCF的呼入选择合适的S-CSCF，为拜访网络的外部IMS网提供接入。
∙S-CSCF：
服务呼叫控制功能模块，IMS核心网中呼叫控制核心模块，负责对终端的注册鉴权、会话控制、用户业务信息管理及向AS触发指定业务等功能。
∙HSS：
归属用户服务模块，IMS网络中核心用户数据库，保存归属网络中IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息、业务签约信息等。
∙SLF：
签约数据定位功能模块，当运营商网络中存在多个HSS时，为I-CSCF/S-CSCF选择合适的HSS。
∙MRFC：
媒体资源功能控制器，解析来自S-CSCF、AS的资源控制命令，并控制MRFP提供媒体资源，如三方会议混音、通告音等。
∙MRFP：
媒体资源功能处理器，在MRFC控制下，为终端提供媒体资源。
∙SIPAS：
SIP应用服务器，提供各种业务处理，如仿真PSTN业务、Centrex业务等。
1.概述
1.1为什么开发IP多媒体子系统（IMS）
这个新通信模型是关于基于IP的移动设备的。
这些终端有高分辨率的大显示器，有内置的照相机，还有很多支持其它应用的资源。
这些设备时刻在线时刻保持连接，这个重新定义了设备上的应用。
应用程序不再仅仅是通过用户界面和用户交互信息的孤立实体了。
激动人心的下一代应用程序是对等的，能够使各种共享更容易实现：
浏览共享、白板共享、游戏共享、共享的双向无线电通信（例如：
一键通pushtotalk）。
互联的概念将被重新定义。
拨一个号码然后通话，将很快变成网络功能的一小部分。
而在新移动设备间建立对等联接的能力是这一切的关键因素。
图1增强的用户体验的关键因素在于应用程序间基于IP的互联
新的通信模型大大超越了以前那些优秀的电信系统。
并将可以建立在GeneralPacketRadioService（GPRS）网络上。
为了能建立通讯，这些基于IP的应用间必须有一种机制能连接到对方。
电话网络当前承担了建立连接这个关键任务。
通过拨号，网络能过在任意两个终端之间建立即时的（adhoc）连接。
如此重要的IP互联能力只能在英特网上由分离和服务单一的服务提供商提供。
因此，我们需要一个全球的系统-IMS。
它使得移动设备上的应用程序间能建立对等的连接。
实现语音和数据业务的真正集成能提高了生产力和全面的效率。
集成了语音、数据和多媒体的各种创新型应用的开发将会产生对新服务的需求。
例如：
在线服务、多媒体聊天服务、会议服务、一键通服务。
结合移动性和IP网络的能力对将来这些服务的成功起着至关紧要的作用。
图2IMS和当前其他通信网络间的关系
上图展示了一个融合后的网络。
在这个网络中，IMS在分组交换域（PS）中引入了多媒体会话控制，同时在分组交换域中引入了电路交换功能。
IMS是网络融合的关键技术。
按照传统，移动通信网络被分成了三个部分：
终端、无线接入网（RAN）和核心网。
当我们谈论一个基于IMS的系统时，这种分类方式进行一个改动。
术语“无线接入网”应该被“接入网”替换。
因为IMS能同样被实现于非无线接入的网络。
需要记住的是，上述的各个部分能进一步被划分成更小的功能部分和接口。
非常重要的一点是，这些接口的定义都是标准和开放的。
本书将IMS网络分割成更小的部分，并且描述它是如何按照第三代通信工程（3GPP）的定义进行工作的。
1.2它从哪而来
1.2.1从GSM到3GPP版本6
欧洲通信标准委员会（ETSI）是在80年代晚期和90年代定义全球移动通信系统（GSM）的标准组织。
ETSI同样定义了GPRS网络。
最后一份仅针对于GSM的标准于1998年制定。
同年，来自欧洲、日本、韩国、美国和中国的标准化组织一起建立了3GPP。
旨在定义和描述一个第三代移动通信网络（http:
//www.3gpp.org/About/3gppagre.pdf）。
这个网络包含了宽带码分多址（WCDMA）、时分/码分多址（TD-CDMA）无线接入和进化后的GSM核心网的。
大部分的工作和基石标准是从ETSI的特别移动小组（SMG）继承过来的。
3GPP最初打算以年度单位为基础来制定标准。
最早发布的标准是版本99[3GPPR99]。
1.2.23GPP版本99（3GPPR99）
仅仅一年就推出了第一个版本-版本1999。
这个版本的功能在1999年12月被冻结了，尽管其中一些基础标准在后来的2001年3月才被冻结。
快速的完成工作之所以成为可能是由于实际的工作被分到了两个组织：
3GPP和ETSISMG。
3GPP制定了服务、系统架构、WCDMA与TD-CDMA无线接入和公共核心网。
ETSISMG制定了GSM/全球进化增强数据速率（EDGE）无线接入。
WCDMA无线接入是基于GSM的3G版本99系统对原有GSM系统的最重要功能增强。
除了WCDMA之外，UMTS陆地无线接入网（UTRAN）还引入了Iu接口。
同A接口和Gb接口相比，有两个显著的区别。
第一，Iu接口的语音转码工作在核心网完成。
而在GSM中，它在逻辑上是属于无线基站（BTS）的功能。
第二，Iu接口的加密和蜂窝元级（cell-level）移动性控制由无线网络控制器（RNC）完成。
而在GSM中，它们是由服务GPRS支持节点（SGSN）完成的。
开放式服务架构（OSA）被引入用于建立服务。
从服务的角度来看，目的是停止标准化新的服务，而是把精力放在提供建立服务的能力上。
例如各种工具包（tookits）：
CAMEL、SIM应用工具包和OSA。
这个规则很好地被遵循，尽管虚拟家庭环境（VHE）仍然缺乏良好的定义。
VHE是一个涵盖各种服务创建的概念伞。
1.2.33GPP版本4
在版本1999推出后，3GPP开始制定包括被称为全IP（ALL-IP）的3GPP版本2000。
ALL-IP后来改名为IMS。
2000年时人们意识到IMS的标准制定不可能在当年内完成。
因此，版本2000被分割成了两个版本：
版本4和版本5。
按照描述，完成后的版本4不包含IMS。
版本4引入的最重要的功能有：
MSCServer-MGW概念、使用IP承载核心网协议、UTRAN与彩信的LCS增强、Gb接口用户层（userplane）的IP承载。
3GPP版本4于2001年三月正式完成。
由于需要增加对于无线接口的前向兼容性，最终于2002年九月增加了新的改动。
1.2.43GPP版本5和版本6
版本5最终将IMS引入到了3GPP标准中。
IMS应该是标准化的、独立于接入方式、基于IP架构、与当前语音和数据网相融合、并为固定网（例如：
PSTN、ISDN、因特网）用户和移动网（例如：
GSM、CDMA）用户提供服务的网络。
IMS架构使得在不同的客户间建立通讯以及提供保证质量的服务成为可能。
IMS架构不止包括了会话管理，还包含提供服务所需要的各种基本功能（例如：
注册、安全性、计费、承载控制和漫游）。
总而言之，IMS将会成为IP核心网的心脏。
版本5被进行了大量的讨论，并最终于2002年3月才冻结了功能性方面的内容。
结果导致大量的细节特性的制定被推迟到了下个版本-版本6。
在冻结了之后，工作还在继续进行，直到21个月后仍有很多对版本5中IMS的改动。
版本6中的IMS修改了版本5中的一些短处，并且还包含了一些新颖的特性。
版本6于2004年完成。
下表中列出了版本5中的重要特性和被推迟到版本6中的项目。
版本5
版本6
架构方面：
网络实体和接口，以及计费功能实体
架构方面：
和其它网络的互连（CS、其它IP网络、WLAN），以及一些新的网络实体和接口
信令方面：
基本的路由规则、注册、会话发起、会话修改、会话关闭、网络发起的会话关闭、网络发起的注销流程。
例如：
UE和IMS网络间的SIP消息压缩；
用户信息存储实体（HSS）和呼叫控制实体（CSCF）间的数据传输；
HSS和应用服务器（AS）间的数据传输；
信令方面：
群组标识的路由、多重注册、紧急呼叫。
安全方面：
IMS用以认证用户和网络，保护UE和IMS间SIP消息完整性，保护网络域内安全的AKA算法。
安全性方面：
SIP消息的保密性，使用公钥基础算法结构，使用用户证书。
服务质量方面：
IMS和GPRS间的策略控制，预判决（precondition），认证令牌。
服务方面：
使用应用服务器和IMS服务控制接口。
服务方面：
在线服务（presence），短信息服务，群组管理，本地服务（localservice）。
一般方面：
ISIM
从表中你可以看出，3GPP为了基于SIP的IP多媒体服务系统定义了一个最终架构。
它包含逻辑实体的功能性、实体间接口的描述、选择的协议和消息流程。
需要意识到的是，它还包括了移动通信环境的优化设计：
基于移动实体的认证和授权；用户和网络接口间的明确规则，以支持SIP消息压缩、安全控制和允许无线传输错误与恢复检测的策略控制。
此外，对于运营商而言许多重要的方面也在制定网络架构的时候进行了考虑。
例如计费的框架、策略和服务控制。
本书将介绍这些方面是如何被制定的。
IMS的开发工作被分配到了3GPP中的好几个工作组。
3GPP遵循了一种工作方式，这种方式将工作分成三个阶段。
第一阶段，从网络用户和运营商角度描述服务。
第二阶段，问题被细化分解为不同的功能实体，以及功能实体间的交互。
第三阶段，交互使用的所有协议和过程被详细定义。
下图显示了定义IMS的重要工作组和他们在定义IMS时的职责。
图3定义IMS的重要工作组
1.3其它的标准化组织
1.3.1互联网工程任务组（IETF）
互联网工程任务组（IETF）的任务是，开发和改进因特网及其架构，同时确保它的安全和平稳运行。
IETF由网络设计者、学院和来自各个公司的工程师与研究者组成。
他们为了共同目标贡献出时间和努力。
IETF向所有拥有共同爱好的个人开放，不需要成员资格。
IETF被划分为多个领域，由各自的主管来负责。
不同的领域有自己工作的主题。
每个领域有一些工作组，每个工作组关注这个领域内的某个主题并完成自己的章节。
这些领域包括：
应用、一般方面、英特网、运营与管理、路由、安全、字IP（sub-IP）和传输。
每个工作组制定的草案（draft）会被进行许多次复查，从而变成标准。
这些标准被称为RFC文档，并被分配一个唯一的标号。
领域的主管都是互联网工程师指导组（IESG）的成员。
IESG需要确保这些方案充分的考虑到了安全性，并且符合互联网的方法学。
互联网架构部（IAB）提供架构方面的指导。
互联网分配标号授权组织（IANA）是协议制定者申请分配唯一的参数名字和值的地方。
3GPP和IETF的工作关系很密切。
3GPP采用了许多IETF定义的协议（例如：
SIP、SDP、RTP、DIAMETER）。
3GPP遇到某个问题后，会产生新的需求，它联系IETF以获取解决这个问题的方法。
IETF对这个需求进行评估，然后为3GPP提供一个满足这个需求的协议。
如果没有找到这样满足需求的协议，IETF会开始设计一个满足需求的解决方案，并首先以互联网草案的形式定义这个方案。
这个方案会被经过很多次复查和修改，直致得到一个一致通过的满意版本。
最后，3GPP会采用这个解决方案。
而在某些情况下，会有一个部分满足需求的解决方案。
3GPP对这样的方案不会感到满意。
这种情况下，会需要对这个协议作一个扩展。
1.3.2开放移动联盟（OMA）
移动通信工业于2002年6月成立了一个新的全球的组织，称为开放移动联盟（OMA）。
OMA定位为专注于制定移动服务的标准化领导组织。
OMA的任务是描述和定义不同的服务（serviceenabler），例如数字权限管理和一键通服务（PoC）。
OMA认为如果让每一种服务有自己的安全、服务质量（QoS）、计费、会话管理等方面的机制，将是很不合算的。
相反的，这些服务应该建立在一个共同的基础设施上，由这个共同的基础设施来提供这些功能。
这样，IMS就进入了OMA的视野。
OMA开发的各种服务能和IMS打交道，能够利用IMS的功能，并能通过IMS使用他们下层网络基础设施的资源。
通过使用IMS基础设施，极大的节约了制定服务的时间，并对系统的模块性有好处。
这很显然是这个行业的共同好处。
因此，OMA和3GPP之间的合作在将来会进一步增强。
OMA很可能会逐渐接替起在IMS架构基础上开发所有应用和服务的责任，而3GPP继续负责IMS核心功能的开发。
1.3.3ThirdGenerationPartnershipProject2（3GPP2）
3GPP2为美国国家标准协会（ANSI）开发第三代移动通信系统。
3GPP2包括组织参与者（ARIB、CCSA、TIA、TTA和TTC）和市场代表（CDMA开发组和IPv6论坛）。
3GPP2的任务是制定一个包括IMS的多媒体域（MultimediaDomain）方案，这个方案进一步包括了包交换数据子系统（PacketDataSubsystem）。
这个多媒体域和CDMA2000接入网构成3GPP2中的第三代全IP核心网络。
3GPP2采用了姐妹组织3GPP所制定的IMS版本5作为基准版本。
然而，由于底层的包交换和无线技术不同，3GPP2的IMS和3GPP的IMS版本5是有区别的。
另外，在某些领域的定义上，3GPP2进行了增加或限制。
以下是3GPP2第一版本IMS的主要区别点。
·IMS和包交换数据子系统间的IP策略控制在3GPP2中没有得到支持。
·IMS的接入点P-CSCF可以不在包交换数组子系统所在的网络中。
而在3GPP中，P-CSCF和网关GPRS节点（GGSN）总位于同一个网络中。
·3GPP2的IMS也支持版本4的IP协议。
但3GPP的IMS只支持版本6的IP协议。
·3GPP2没有制定默认的编解码。
·计费方案不同。
·不支持通用集成电路卡（UniversalIntegratedCircuitCard），这个卡片包含记录了访问IMS网络所用信息的IP多媒体服务标识模块。
·不支持移动网络增强逻辑可订制服务（CAMEL）。
·架构中不包含订阅信息定位功能实体（SubscriptionLocatorFunction），也不提供接口以查找到保存用户订阅信息的数据库。
2.IMS的架构
本章向读者介绍互联网IP多媒体子系统（IMS）。
2.1节解释架构性概念。
例如，我们会解释为什么承载是独立出来的，为什么会选择所属地控制模式。
2.2节给出了IMS架构方面更广的总体概观。
包括对不同网络实体和主要功能的介绍。
2.3节更深入的说明网络实体是怎么连接的，它们之间使用什么协议。
同时还介绍和其它网络（IP网、UMTS和CSCN）间的关系。
2.1架构性需求
一些基本的需求引导着IMS架构的建立以及它将来怎样进化。
这一节覆盖大部分重要的需求。
3GPP第一阶段的IMS需求在文档[3GPPTS22.228]中定义。
2.1.1IP连接
一个非常基本的需求就是用户要能够建立IP连接以获得IMS服务。
另外，要求使用IPv6[3GPPTS23.221]。
IP连接可以在所属地网络或者访问点网络获得。
下图左边部分表示了一种可能的选择，用户设备（UE）从访问点网络获取IP地址。
在全球移动通信系统（UMTS），这意味着当用户漫游的时候，无线接入网（RAN）、服务GPRS节点（SGSN）和网关GPRS节点（GGSN）位于访问点网络。
下图中的右半部分表示了另外一种可能的选择，用户从所属地网络获取IP地址（注：
从所属地的GGSN接入）。
这意味着当用户漫游的时候，只有RAN和SGSN位于访问点网络。
显然，当用户位于所属地网络的时候，所有必需的部分都位于所属地网络中，并且从所属地网络获取IP接入。
图4用户漫游时的IP连接选择
值得注意的是，用户漫游时可以像图中显示的那样从所属地网络获取IP地址。
这样的话，即使当用户漫游到一个没有IMS网络的地方，但只要这个地方提供IP连接，用户就可以使用IMS网络提供的美妙
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