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IMS

前言

• 广义NGN (Next Generation Network)指的是下一代融合网络；狭义NGN特指以软交换为控制层面，主要以VolP业务为主，增强了业务开放型和灵活性，逐步替代传统的PSTN(公用电话交换网)网络。其主要思想是在一个统一的网络平台上以统一管理的方式提供多媒体业务，整合现有的市内固定电话、移动电话的基础上（统称FMC），增加多媒体数据服务及其他增值型服务。其中话音的交换将采用软交换技术（语音协议主要是H.248和MGCP,也可以使用SIP协议），而平台的主要实现方式为IP技术，逐步实现统一通信。其中VOIP将是下一代网络中的一个重点。本文特指狭义NGN网络。
  • VoIP（Voice over Internet Protocol）简而言之就是将模拟声音讯号(Voice)数字化，以数据封包(Data Packet)的型式在 IP 数据网络 (IP Network)上做实时传递。
• 而IMS(IP Multimedia Subsystem)是IP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，IMS被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。

走向： PSTN->NGN->IMS

公用电话交换网（PSTN——Public Switch Telephone Network)

讯享网

IMS概念

IMS，全称是IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem）

• IMS是3GPP R5阶段增加的WCDMA网络中的一个子系统(3GPP TS 23.002)

  • IM:instantMessaging（即时通讯,实时传讯)

    Core Network – 核心网

    简单点说，可以把移动网络划分为三个部分，基站子系统，网络子系统，和系统支撑部分比如说安全管理等这些。核心网部分就是位于网络子系统。

    The IM subsystem comprises all CN elements for provision of IP multimedia services comprising audio, video, text, chat, etc. and a combination of them delivered over the PS domain.
• IMS基于IP承载，叠加在PS（Packet Switch）域（分组域）之上。
• IMS为用户提供文本、语音、图片、视频等不同的IP多媒体信息服务。
• IMS不是一个具体的产品，而是一种网络架构，是对IP多媒体业务进行控制的网元的总称。

IP

• 基于IP的传输
• 会话控制
• 业务实现

多媒体

• 语音、视频、图片、文本等多种媒体的组合
• 在多种接入基础之上具有不同能力的终端组合

子系统

• 依赖于现有网络技术和网络设备发展的系统
• 最大程度重用现有网络系统
• 无线网络把PS/GPRS网络作为承载网络
• 固定网络把基于固定接入IP系统作为承载网络

IMS主要特征

IMS系统架构

3G

业务控制

AS(Application Server)

AS包括SIP AS、 OSA （Open Service Architecture）AS和 IM-SSF三类。

用户数据管理、认证鉴权

HSS（Home Subscription Server)——归属用户服务器

• 用户签约数据库，保存用户的签约属性地位相当于移动网里的HLR
• 接口：Diameter(IMS)、MAP(CS/PS)

SLF(Subscription Locator Function )–签约位置功能

• 在运营商内设置多个HSS的情况下，I-CSCF在登记注册及事务建立过程中通过SLF获得用户签约数据所在的HSS域名，可与HSS合设。

会话控制和路由

CSCF：Call Session Control Function

最核心的网元，地位相当于软交换和MSC

• Proxy §-CSCF
  • UE到网络的第一个连接点
  • 建立同终端间的安全联盟（SA）
  • PDF功能：基于业务的SDP，完成授权承载资源和QoS管理
  • SIP 头压缩
  • 承载、控制绑定及QoS资源的打开与关闭
• Interrogating (I)-CSCF
  • IMS系统对外的联系点
  • THIG功能：隐藏IMS网络内部拓扑信息
  • S-CSCF分配功能
  • 被叫S-CSCF定位功能
• Serving (S)-CSCF
  • 用户的Registrar，负责用户的注册
  • 负责用户的鉴权、授权
  • 负责用户的业务控制和触发，与业务层进行交互

互通功能

BGCF: (Breakout Gateway Control Function)

• 根据互通规则配置或被叫分析，为IMS到PSTN/CS的呼叫选择MGCF，从而实现MGCF路由的自动获取。

MGCF（Media Gateway Control Function)

• 实现IMS核心控制面与PSTN或PLMN CS的交互，支持ISUP/BICC与SIP的协议交互及呼叫互通，通过H.248控制IM-MGW完成PSTN或CS TDM承载与IMS域用户面RTP的实时转换。

IM-MGW(IMS-Media Gateway Function)

• 完成IMS与PSTN及CS域用户面宽窄带承载互通及必要的Codec编解码变换。

媒体资源（MRF）

MRFC(Multimedia Resource Function Controller)

• IMS域内部的媒体控制资源功能
• 维护控制MRFP中的媒体资源：H.248
• 与S-CSCF互通，间接接受AS的控制

MRFP: (Multimedia Resource Function Processor )

• 媒体资源功能IMS域内部的媒体资源功能
• 接受MRFC控制：H.248
• 提供声码器、通知音、会议桥等资源

接入

• PDSN
  • Packet Data Serving Node,分组业务数据节点。
• SGSN:
  • Service GPRS Support Node，服务GPRS支持节点。
• GGSN
  • Gateway GPRS Support Node , 网关GPRS支持节点

4G

• MME
  • Mobile Managenment Entity,移动管理实体。
• S-GW

  

  • Serving GateWay，服务网关。
• P-GW
  • Packet Data Network Gateway,PDN Gateway,分组数据网网关。

IMS接口

IMS协议

SIP

是一个在IP网络上进行多媒体通信的应用层控制协议，它被用来创建、修改、和终结一个或多个参加者参加的会话进程，与SDP、RTP/RTCP、RTSP、DNS等协议配合，共同完成IMS中的会话建立及媒体协商。

• 会话描述协议SDP（Session Description Protocol）协议为应用层的控制协议,用于SIP会话建立过程中的媒体协商过程。
• TP/RTCP：都为应用层的承载面协议，SIP会话建立后，RTP协议保证媒体流的实时传输。RTCP协议对实时传输的媒体流进行监控。

SIP协议消息

SIP消息采用文本方式编码，分为两类：请求消息和响应消息。请求消息和响应消息都包括SIP头字段和SIP消息字段。 请求消息和响应消息在形式上的区别仅在消息的第一行，请求的第一行为请求行，响应的第一行为状态行。

SIP请求消息

请求消息	消息含义
INVITE	发起会话请求，邀请用户加入一个会话，会话描述含于消息体中
ACK	证实已收到对于INVITE请求的最终响应。该消息仅和INVITE消息配套使用
BYE	结束会话
CANCEL	取消尚未完成的请求，对于已完成的请求（即已收到最终响应的请求）则没有影响
REGISTER	用于在IMS中注册，完成地址绑定
OPTIONS	查询对端能力或状态

SIP响应消息

响应消息：用于对请求消息进行响应，指示呼叫的成功或失败状态。不同类的响应消息由状态码来区分。状态码包含三位整数，状态码的第一位用于定义响应类型，另外两位用于进一步对响应进行更加详细的说明

序号	状态码	消息功能
1xx	临时响应	表示已经接收到请求消息，正在进行处理
2xx	成功响应	表示请求已经被成功接受、处理
3xx	重定向响应	指引呼叫者重新定向另外一个地址
4xx	客户端出错	表示请求消息中包含语法错误或者SIP服务器不能完成对该请求消息的处理
5xx	服务器端出错	表示服务器故障不能完成对消息的处理
6xx	全局错误	表示请求不能在任何SIP服务器上实现

Diameter

• 用于HSS对外的接口和策略控制接口，完成用户数据的查询及同步等操作，包括：Cx\Dx(HSS-CSCF),Sh(HSS-AS)，Dh（AS-SLF）等
• 实现QoS和计费策略的交互和执行，包括：Rf接口等。

H.248

• 用于会话控制层对媒体面的控制接口，包括Mn和Mp等

IMS的用户码号

IMS用户拥有两种用户标识：私有标识 (IMPI：IM Private Identity)和公有标识 (IMPU：IM Public Identity)。IMS的公共用户身份就好比GSM的MSISDN,IMS的私人用户身份就好比是IMSI在GSM中的作用。

一个私有标识对应一个物理终端，用于UE和网络的双向认证。

公有标识则是该用户对外可寻址的标识采用的格式为：

• SIP URI，例如：“Sip: ”
• Tel URI，例如：“Tel: +00”

IMPU和IMPI之间为多对多的关系即存在一机多号和一号多机。

IMPU、IMPI、归属网络域名称等以SIP URI的形式出现，SIP URI遵从与电子邮件相同的格式，即“用户名@域名“。

身份模块

在通用集成电路卡（UICC）中存在两种身份模块：IP多媒体服务身份模块（ISIM）和通用用户身份模块（USIM）

• IP多媒体服务身份模块（ISIM）存储了IMS专用的用户数据，主要包括私有用户身份、公有用户身份，归属网络域名、安全密钥等。
• 通用用户身份模块（USIM）是接入分组交换（PS）域所必需的，主要包括接入PS域的安全参数、IMSI、APN等，在没有ISIM模块时，可以利用USIM生成临时公共用户身份

IMS注册

归属域和漫游域

• 归属域：就是用户的签约数据所在的运营商。
• 漫游域：就是从归属域之外的其他运营商接入，这个其他运营商统称为漫游域。

IMS网络中，用户无论在归属域还是漫游域，其注册流程是相同的。

发现CSCF 的方法

• PCO (Protocol Configuration Option) in Activate default EPS bearer context request
• DHCP process
• UE provisioning (Configuration Files or variables stored in UE)
• UICC(USIM/ISIM)

DNS：负责URI地址到IP地址的解析，在IMS网络中负责将归属网络（I-CSCF）的SIP URI转换成归属网络的IP地址。

注册过程

• 注册是将UE的IP地址和IMPU的绑定关系存储到到IMS系统中。
• 注册包括UE和网络的双向认证过程。

注册信令流程

消息	全称	说明
UAR	User Authorization Request	用户鉴权请求
UAA	User Authorization Answer	用户鉴权响应
MAR	Multimedia Authentication Request	多媒体鉴权请求
MAA	Multimedia Authentication Answer	多媒体鉴权响应
SAR	Server Assignment Request	服务器分配请求
SAA	Server Assignment Answer	服务器分配响应

1. IMS用户发出注册请求消息
2. P-CSCF通过DNS得到用户归属网的I-CSCF
3. P-CSCF把注册消息转到I-CSCF
4. I-CSCF查询HSS，为用户选择一个S-CSCF
5. I-CSCF将消息转到S-CSCF
6. S-CSCF从HSS得到用户的认证信息
7. S-CSCF通知用户重新认证
8. 用户重新发起注册（1－5步）
9. 认证通过，S-CSCF通知HSS
10. S-CSCF从HSS下载用户数据和iFC
11. S-CSCF通知AS进行第三方注册
12. AS从HSS得到用户数据（可选）
13. P-CSCF向S-CSCF订阅注册事件通知
14. 用户向S-CSCF订阅注册事件通知
    

IMS会话

IMS会话相关网元

网元	主要功能
P-CSCF	主叫侧：主叫UE的IMS初步入口点；被叫侧：通过被叫P-CSCF将消息转发给被叫UE。
S-CSCF	主叫被叫侧都用到，均完成本侧的呼叫会话控制
I-CSCF	只有被叫侧用到，被叫网络的初步入口点
AS	IMS的服务提供通过应用服务器实现，主叫被叫都用到
DNS/ ENUM	主叫S-CSCF将被叫公共用户身份发送至DNS，通过DNS解析公共用户身份的归属域名部分获得被叫侧I-CSCF的地址
HSS	只有被叫侧用到，I-CSCF通过在HSS中查询获得被叫使用的S-CSCF

IMS会话流程

会话的建立过程包括发起过程MO、 SS过程、终结过程MT。

MO过程

就是从主叫终端到主叫所在的S-CSCF/AS的呼叫过程。

SS过程

就是从主叫S-CSCF/AS到被叫S-CSCF/AS的过程

MT

就是被叫终端所在I-CSCF/S-CSCF/AS到被叫UE的呼叫过程。

基本会话建立过程

IMS用户的会话信令流程