4 Kiến trúc phân hệ IMS

Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Hình 1-4: Kiến trúc tổng quan của 3GPP IMS.

Việc nhận dạng người dùng bao gồm hai loại: nhận dạng người dùng cá nhân và nhận

dạng người dùng công cộng. Nhận dạng người dùng cá nhân là nhận dạng người dùng

được đăng ký bởi nhà khai thác mạng địa phương và được sử dụng cho những mục đích

như đăng ký và nhận thực, trong khi nhận dạng người dùng công cộng là nhận dạng trong

đó các người dùng khác có thể sử dụng để yêu cầu giao tiếp với người dùng đầu cuối. Các

tham số truy nhập IMS được sử dụng để thiết lập phiên và chứa các tham số như nhận

thực người dùng, trao quyền roaming và tên S-CSCF được cấp phát. Thông tin khởi tạo

dịch vụ cho phép thực hiện dịch vụ SIP. HSS cũng cung cấp các yêu cầu người dùng đối

với S-CSCF. Thông tin này được I-CSCF sử dụng để lựa chọn S-CSCF phù hợp nhất đối

với người dùng.

HSS còn chứa một tập con chức năng của trung tâm nhận thực và đăng ký định vị

mạng nhà (HLR/AUC) do miền PS và CS yêu cầu. Cấu trúc của HSS được biểu diễn

trong Hình 1 -5. Giao tiếp giữa các chức năng HSS khác nhau không được chuẩn hoá.

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



13



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Hình 1-5: Cấu trúc của HSS.

Chức năng HLR được sử dụng để hỗ trợ cho các thực thể miền PS như SGSN và

GGSN. Nó cho phép thuê bao truy nhập tới các dịch vụ miền PS. HLR cũng hỗ trợ cho

các thực thể miền CS như MSC hay các server MSC. Nó cho phép thuê bao truy nhập tới

các dịch vụ miền CS và hỗ trợ roaming tới các mạng miền CS GSM/UMTS.

AUC chứa một chìa khoá bí mật cho mỗi thuê bao di động, chìa khoá này dùng để bảo

mật dữ liệu cho thuê bao. Dữ liệu được sử dụng cho việc nhận thực lẫn nhau của IMSI

(nhận dạng thuê bao di động quốc tế) và mạng. Dữ liệu bảo mật cũng được sử dụng để tạo

mật mã và bảo vệ trọn vẹn đường truyền vô tuyến giữa UE và mạng.

Trong một mạng có thể có nhiều HSS tùy vào số lượng thuê bao. Tuy nhiên, tất cả dữ

liệu của một khách hàng phải được lưu trữ trong một HSS duy nhất. Các mạng có từ hai

HSS trở lên thì phải bổ sung thêm một SLF (có chức năng ánh xạ địa chỉ khách hàng đến

HSS). Khi một nút gửi truy vấn đến SLF trong đó có chứa địa chỉ của khách hàng thì nó

sẽ được HSS trả lời toàn bộ thông tin có liên quan đến khách hàng đó. SLF được sử dụng

như một cơ chế cho phép I-CSCF, S-CSCF và AS tìm địa chỉ của HSS trong đó có chứa

dữ liệu thuê bao có chức năng nhận dạng người dùng khi

Cả HSS và SLF đều sử dụng cùng một ứng dụng của giao thức Diameter do IMS chỉ

định.



1.4.2 Thực thể chức năng điều khiển phiên cuộc gọi (CSCF)

Thực thể chức năng điều khiển phiên cuộc gọi (CSCF) thực chất là một máy chủ SIP,

đóng vai trò trung tâm của IMS. CSCF có nhiệm vụ xử lý báo hiệu SIP trong IMS. Người

ta phân CSCF thành ba loại tùy vào chức năng của chúng như sau:

•



P-CSCF (Proxy-CSCF).



•



I-CSCF (Interrogating-CSCF).



•



S-CSCF (Serving-CSCF).



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



14



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



1.4.2.1 CSCF đại diện

CSCF đại diện (P-CSCF) là điểm kết nối đầu tiên của người dùng trong mạng IMS.

Nếu nhìn từ góc độ của SIP thì P-CSCF hoạt động như một máy chủ đại diện có chức

năng truyền và nhận dữ liệu, tức là tất cả các yêu cầu xuất phát hay kết thúc ở đầu cuối

đều phải truyền qua P-CSCF. P-CSCF còn thực hiện chuyển tiếp các yêu cầu SIP và hồi

đáp cho thiết bị đầu cuối và mạng IMS.

Có thể có một hoặc nhiều P-CSCF trong một mạng. P-CSCF thực hiện các chức năng

sau:

• Chuyển tiếp các yêu cầu SIP REGISTER tới CSCF truy vấn (I-CSCF) dựa trên tên

miền do UE cung cấp.

• Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP của UE tới CSCF phục vụ (S-CSCF).

• Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP tới UE.

• Phát hiện các yêu cầu thiết lập phiên.

• Tạo thông tin tính cước để gửi cho nút tính cước CCF.

• Bảo vệ toàn vẹn báo hiệu SIP và duy trì liên kết bảo mật giữa UE và P-CSCF.

Chức năng này được cung cấp bởi giao thức bảo mật IPsec và tải tin bảo mật đóng gói

ESP.

• Nén và giải nén các bản tin SIP từ UE. P-CSCF hỗ trợ nén bản tin dựa trên ba

RFC: [RFC3320], [RFC3485] và [RFC3486].

• Chức năng kiểm tra phương tiện. P-CSCF có thể kiểm tra nội dung tải tin giao thức

mô tả phiên (SDP) và kiểm tra xem nó chứa các loại phương tiện hay codec. Khi SDP

không phù hợp với chính sách của nhà khai thác thì P-CSCF sẽ loại bỏ yêu cầu và gửi bản

tin báo lỗi SIP tới UE.

• Duy trì bộ định thời phiên. Các bộ định thời phiên cho phép P-CSCF phát hiện và

giải phóng tài nguyên do các phiên đang bị treo chiếm dụng.

• Tương tác với chức năng quyết định chính sách (PDF). PDF chịu trách nhiệm triển

khai chính sách vùng theo dịch vụ (SBLP). Trong Release 5, PDF là một thực thể logic

của P-CSCF, còn trong Release 6 PDF đứng riêng một mình.

Thông thường một mạng IMS sẽ có nhiều P-CSCF tùy thuộc vào quy mô và độ dư của

mạng (độ dư ở đây chính là sự bố trí các phần tử mạng nhiều hơn so với yêu cầu dành cho

hoạt động với mục đích dự trữ để sử dụng khi cần thiết). Mỗi P-CSCF chỉ phục vụ một số

lượng các đầu cuối IMS nhất định.



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



15



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



P-CSCF có thể nằm tại mạng khách hay mạng nhà. Trong trường hợp mạng chuyển

mạch gói bên dưới là GPRS thì P-CSCF luôn nằm cùng mạng với GGSN (Gateway

GPRS Support Node), do đó GGSN cũng có thể nằm ở mạng khách hoặc mạng nhà. Các

mạng IMS thế hệ đầu tiên sẽ được thiết kế theo chiều hướng kế thừa các đặc tính của

GPRS, có nghĩa là GGSN và P-CSCF sẽ cùng nằm trên mạng nhà. Trong tương lai, IMS

có thể được cải tiến để cho phép P-CSCF và GGSN cùng nằm ở mạng khách.

1.4.2.2 CSCF truy vấn

CSCF truy vấn (I-CSCF) là một SIP Proxy nằm tại biên giới của vùng quản lý. Địa chỉ

của các I-CSCF trong một miền sẽ được liệt kê trong các bản ghi DNS của miền đó. Khi

muốn xác định bước nhảy tiếp theo cho một bản tin nào đó của thủ tục SIP thì máy chủ

SIP phải biết được địa chỉ của ít nhất là một I-CSCF của miền mà bản tin đó cần đến.

Có thể có nhiều I-CSCF bên trong một mạng. I-CSCF thực hiện các chức năng

sau:

• Liên lạc với HSS để thu được tên của S-CSCF đang phục vụ khách hàng.

• Đăng ký (gán) một S-CSCF dựa trên dung lượng nhận được từ HSS.

• Tạo và gửi thông tin tính cước tới nút tính cước CCF.

• Cung cấp chức năng hiding. I-CSCF có chứa một tính năng gọi là THIG – Cổng

liên mạng che giấu cấu hình. THIG được sử dụng để che cấu hình và dung lượng của

mạng từ phía bên ngoài mạng của nhà khai thác.

Số lượng I-CSCF trong một mạng tùy thuộc vào quy mô và độ dư của mạng đó.

I-CSCF thông thường nằm ở mạng nhà, tuy nhiên trong một số trường hợp đặc biệt

(như khi có thêm chức năng THIG) thì I-CSCF có thể nằm ở mạng khách.

1.4.2.3 CSCF phục vụ

CSCF phục vụ (S-CSCF) là một máy chủ SIP đóng vai trò trung tâm của mặt bằng báo

hiệu với chức năng chủ yếu là điều khiển phiên. Ngoài tư cách là một máy chủ thì SCSCF còn hoạt động như một bộ đăng ký SIP, có nghĩa nó chứa một ràng buộc giữa vị trí

khách hàng (là địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối nơi khách hàng đăng nhập) và địa chỉ SIP

của bản ghi thuộc về khách hàng đó (còn gọi là nhận dạng chung cho khách hàng).

Có thể có nhiều S-CSCF bên trong mạng. S-CSCF thực hiện các chức năng sau:

• Điều khiển các yêu cầu đăng ký như một register. S-CSCF nhận biết được địa chị

IP của UE và P-CSCF nào đang được UE sử dụng như một điểm truy cập IMS.



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



16



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



• Nhận thực người dùng bằng cơ chế nhận thực và đồng thuận khoá IMS (AKA)

giữa UE và mạng nhà.

• Tải thông tin người dùng và dữ liệu liên quan đến dịch vụ từ HSS trong suốt quá

trình đăng ký hoặc khi xử lý một yêu cầu tới người dùng không được đăng ký.

• Định tuyến lưu lượng đầu cuối di động tới P-CSCF và định tuyến lưu lượng khởi

xướng từ di động tới I-CSCF, thực thể chức năng điều khiển cổng thoát BGCF) hay máy

chủ ứng dụng (AS).

• Thực hiện chức năng điều khiển phiên. S-CSCF có thể hoạt động giống như một

máy chủ đại diện.

• Tương tác với các nền tảng dịch vụ.

• Phiên dịch số E.164 tới URI dùng để nhận dạng tài nguyên hợp nhất sử dụng cơ

chế phiên dịch hệ thống tên miền (DNS). Chức năng này là cần thiết do việc định tuyến

cho một bản tin SIP trong IMS chỉ sử dụng các SIP URI, nghĩa là trong trường hợp một

khách hàng quay một số điện thoại thay vì sử dụng SIP URI thì S-CSCF phải sử dụng các

dịch vụ phiên dịch số.

• Giám sát bộ định thời đăng ký và có thể đăng ký lại khi cần.

• Thực hiện kiểm tra phương tiện. S-CSCF có thể kiểm tra nội dung tải tin SDP và

kiểm tra xem nó chứa các loại phương tiện hay codec. Khi SDP không phù hợp với chính

sách của nhà điều hành hoặc yêu cầu dịch vụ của khách hàng thì S-CSCF sẽ loại bỏ yêu

cầu và gửi đi bản tin báo lỗi SIP.

• Duy trì bộ đinh thời phiên. Nó cho phép S-CSCF phát hiện và giải phóng các tài

nguyện do các phiên đang chiếm dụng.

• Tạo và gửi thông tin tính cước tới nút tính cước CCF để tính cước offline và tới hệ

thống OCS để tính cước online.

Số lượng S-CSCF trong một mạng phụ thuộc vào quy mô và độ dư của mạng đó. Mỗi

S-CSCF chỉ phục vụ cho một số lượng thiết bị đầu cuối IMS nhất định. Khác với P-CSCF

và I-CSCF, S-CSCF luôn nằm ở mạng nhà.



1.4.3 Máy chủ ứng dụng (AS)



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



17



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Các server ứng dụng không hoàn toàn là các thực thể IMS, chúng là các chức năng

phía trên IMS. Tuy nhiên các AS ở đây được mô tả như một phần chức năng IMS do thực

thể này cung cấp các dịch vụ đa phương tiện giá trị thặng dư trong IMS.

AS có thể nằm tại mạng nhà hay mạng của nhà cung cấp dịch vụ thứ ba, trong đó

người điều hành mạng nhà đã thỏa thuận về vấn đề cung cấp dịch vụ với nhà cung cấp thứ

ba này. AS sẽ không giao tiếp với HSS khi nó không nằm trên mạng nhà.

AS thực hiện các chức năng chính sau:

• Xử lý phiên SIP đến từ IMS.

• Tạo các yêu cầu SIP.

• Gửi thông tin tính cước tới CCF và OCS.



1.4.4 Thực thể chức năng quản lý tài nguyên và phương tiện

Thực thể chức năng quản lý tài nguyên và phương tiện (MRF) có chức năng cung cấp

tài nguyên đa phương tiện trong mạng nhà, các luồng phương tiện hỗn hợp, chuyển mã

giữa các bộ codec, thu nhận thông tin thống kê và phân tích các loại phương tiện.

MRF được chia thành nút nằm trên mặt bằng báo hiệu (MRFC) và nút nằm trên mặt

bằng phương tiện (MRFP). MRFC hoạt động như một tác nhân khách hàng SIP, nó giao

tiếp với S-CSCF thông qua giao thức SIP và có chức năng điều khiển tài nguyên trong

MRFP thông qua giao diện H.248.

MRFP thực hiện tất cả các chức năng liên quan đến phương tiện, ví dụ như thể hiện

(playing) và trộn lẫn (mixing) phương tiện.

MRF luôn luôn nằm ở mạng nhà.



1.4.5 Thực thể chức năng điều khiển cổng phương tiện (MGCF)

MGCF là thực thể cho phép giao tiếp giữa IMS và người dùng CS. Nó thực hiện các

chức năng sau:

• Điều khiển những phần của trạng thái cuộc gọi gắn liền với điều khiển kết nối cho

các kênh phương tiện trong một IMS-MGW.

• Truyền thông với các thực thể CSCF, BGCF, và PSTN.

• Quyết định trạm tiếp theo phụ thuộc vào số định tuyến cho những cuộc gọi vào từ

các mạng truyền thống.

• Thực hiện chuyển đổi giao thức giữa những giao thức điều khiển cuộc gọi

ISUP/TCAP và phân hệ IM .

• Thông tin ngoài băng nhận được trong MGCF được đẩy tới CSCF/IMS-MGW.

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



18



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



• Gửi thông tin tính cước tới CCF.



1.4.6 Thực thể chức năng điều khiển cổng thoát (BGCF)

BGCF chịu trách nhiệm lựa chọn lối thoát đến miền CS. Quá trình này có thể lựa chọn

ra lối thoát trong chính mạng cấp phát BGCF hoặc lối thoát tới mạng khác. Trong trường

hợp thứ nhất, BGCF sẽ lựa chọn một thực thể chức năng MGCF để xử lý phiên. Trường

hợp thứ hai, BGCF sẽ chuyển tiếp phiên tới BGCF khác trong mạng được lựa chọn.

Ngoài ra, BGCF cũng có chức năng gửi thông tin tính cước tới CCF



1.4.7 Mạng khách và mạng nhà

Trong IMS cũng có khái niệm mạng nhà và mạng khách như GSM và GPRS. Ở mạng

tế bào, cơ sở hạ tầng cung cấp dịch vụ cho thuê bao di động trong vùng cư trú được gọi là

mạng nhà. Ngược lại, cơ sở hạ tầng được sử dụng khi thuê bao chuyển ra khỏi vùng bao

phủ của mạng nhà được gọi là mạng khách, vì đây là cơ sở hạ tầng do một người điều

hành khác cung cấp.

Để khách hàng có thể sử dụng mạng khách thì người điều hành mạng này cần phải đạt

được những thỏa thuận về báo hiệu chuyển vùng với người điều hành mạng nhà (của

khách hàng đó). Hai người điều hành này phải thống nhất với nhau về một số vấn đề như

giá cả cuộc gọi, chất lượng dịch vụ hay cách thức trao đổi thông tin về cước.

Các khái niệm mạng nhà và mạng khách của IMS cũng tương tự như đối với các mạng

tế bào. Hầu hết các nút trong IMS đều nằm ở mạng nhà, nhưng có một nút lại có thể nằm

ở mạng khách hoặc mạng nhà, đó chính là P-CSCF. Vì vậy sẽ có hai kiến trúc mạng khác

nhau của IMS, tùy thuộc vào vị trí của P-CSCF.

Ngoài ra, khi mạng truy nhập kết nối là GPRS thì vị trí của P-CSCF phụ thuộc vào vị

trí của GGSN. Đối với kịch bản chuyển vùng thì GPRS sẽ cho phép GGSN được đặt ở

mạng nhà hoặc mạng khách (nhưng SGSN phải luôn nằm ở mạng khách).

Trong IMS, cả GGSN và P-CSCF đều nằm trong cùng một mạng nhằm cho phép PCSCF điều khiển GGSN thông qua giao diện Go. Và cũng do P-CSCF và GGSN nằm

trong cùng một mạng nên Go sẽ là một giao diện nội miền và có cơ chế hoạt động đơn

giản hơn.

Hình 1 -6 là cấu hình trong đó P-CSCF và cả GGSN nằm tại mạng khách. Đây là cấu

hình tương lai của IMS vì nó yêu cầu phía mạng khách cũng phải hỗ trợ IMS (GGSN phải

được nâng cấp để phù hợp với 3GPP Release 5).



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



19



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Hình 1-6: Kiến trúc P-CSCF nằm ở mạng khách.



Hình 1-7: Kiến trúc P-CSCF nằm ở mạng nhà.

Trong tương lai, tất cả các mạng trên thế giới sẽ sử dụng IMS. Khi đó, các đối tác

chuyển vùng đều phải nâng cấp GGSN lên Release 5 khi người điều hành mạng nhà cung

cấp dịch vụ IMS.

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



20



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



Những mạng IMS thế hệ đầu sẽ có cấu hình trong đó P-CSCF (và cả GGSN) được đặt

tại mạng nhà như Hình 1 -7. Cấu hình này có ưu điểm là không bắt buộc mạng khách

phải hỗ trợ IMS. Đặc biệt, mạng khách sẽ không cần phải nâng cấp GGSN lên 3GPP

Release 5 mà chỉ cần cung cấp các kênh mang vô tuyến và SGSN.

Tuy nhiên, cấu hình trong Hình 1 -7 lại tồn tại một số nhược điểm do P-CSCF và

GGSN cùng nằm trong mạng khách. Nguyên nhân là mặt bằng phương tiện truyền qua

GGSN, mà GGSN lại nằm ở mạng nhà nên phương tiện sẽ được định tuyến trước tiên đến

mạng nhà, rồi sau đó mới đến đích của nó. Đây chính là nguyên nhân gây trễ trong mặt

bằng phương tiện.



1.5 Các điểm tham chiếu

1.5.1 Điểm tham chiếu Gm

Điểm tham chiếu Gm kết nối UE với IMS. Điểm tham chiếu này được sử dụng để

truyền tải tất cả các bản tin báo hiệu SIP giữa UE và IMS. Các thủ tục ở điểm tham chiếu

Gm có thể được chia thành ba loại chính là đăng ký, điều khiển phiên và các giao dịch.



1.5.2 Điểm tham chiếu Mw

Điểm tham chiếu Mw được sử dụng tại giao diện giữa các CSCF khác nhau. Mw sử

dụng giao thức SIP để gửi yêu cầu đăng ký từ UE tới I-CSCF, từ I-CSCF tới S-CSCF và

truyền đáp ứng theo hướng ngược lại.



1.5.3 Điểm tham chiếu điều khiển dịch vụ IMS (ISC)

ISC là điểm tham chiếu để gửi và nhận các thông điệp SIP giữa CSCF và AS. Các thủ

tục ISC có thể được chia thành hai loại chính: định tuyến yêu cầu khởi tạo SIP tới AS và

các yêu cầu SIP do AS khởi tạo.



1.5.4 Điểm tham chiếu Cx

Cx là điểm tham chiếu nằm giữa HSS và CSCF, giao thức sử dụng là Diameter. Các

thủ tục có thể được chia thành ba loại chính: quản lý vị trí, xử lý số liệu thuê bao và nhận

thực thuê bao.



1.5.5 Điểm tham chiếu Dx

Khi các HSS có địa chỉ rõ ràng hay phức hợp được triển khai trong mạng, hoặc ICSCF hoặc S-CSCF biết HSS nào nó sẽ liên hệ. Tuy nhiên, chúng cần liên hệ với SLF

Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



21



Đồ án tốt nghiệp Đại học



Kiến trúc IMS



trước tiên. Điểm tham chiếu Dx được sử dụng với mục đích như vậy. Điểm tham chiếu

Dx luôn được dùng kết hợp với điểm tham chiếu Cx. Giao thức sử dụng ở điểm tham

chiếu này dựa trên Diameter.



1.5.6 Điểm tham chiếu Sh

Một máy chủ ứng dụng có thể cần số liệu thuê bao hoặc cần xác định S-CSCF nào để

gửi yêu cầu SIP đến đó. Loại thông tin này được lưu trữ tại HSS. Vì thế, cần điểm tham

chiếu giữa HSS và AS. Điểm tham chiếu Sh dùng giao thức Diameter. Các thủ tục được

chia thành hai loại chính: xử lý số liệu và khai báo/thuê dùng số liệu.



1.5.7 Điểm tham chiếu Si

Khi AS là AS CAMEL (IM-SSF), nó dùng điểm tham chiếu Si để thông tin với HSS.

Điểm tham chiếu Si được dùng để truyền tải thông tin thuê bao CAMEL bao gồm các

trigger từ HSS tới IM-SSF. Giao thức được sử dụng là MAP (Phần ứng dụng dành cho di

động).



1.5.8 Điểm tham chiếu Dh

Khi các HSS có địa chỉ phân tán hay phức hợp được triển khai trong mạng, AS không

thể biết HSS nào mà nó cần lên lạc. Tuy nhiên, AS cần phải liên lạc với SLF trước tiên.

Để thực hiện mục đích này, phải cần đến điểm tham chiếu Dh (Ở điểm tham chiếu Dh

luôn được dùng đồng thời với điểm tham chiếu Sh. Giao thức dùng ở điểm tham chiếu

này dựa trên Diameter. .



1.5.9 Điểm tham chiếu Mm

Điểm tham chiếu Mm cho phép thông tin qua lại giữa các mạng IP đa phương tiện. Nó

cho phép I-CSCF nhận yêu cầu phiên từ nhà hỗ trợ SIP khác hay đầu cuối khác. Tương

tự, S-CSCF dùng điểm tham chiếu Mm để gửi các yêu cầu IMS UE gốc đến các mạng đa

phương tiện khác. Giao thức sử dụng là SIP.



1.5.10 Điểm tham chiếu Mg

Điểm tham chiếu Mg liên kết chức năng CS, các MGCF với IMS (hay chi tiết hơn, tới

I-CSCF). Điểm tham chiếu này cho phép MGCF gửi báo hiệu phiên thu được từ miền CS



Bùi Thị Vân Anh – lớp Đ04VT1



22