Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm vừa qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN đang là xu hướng được quan tâm hang đầu trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nhiều kiến trúc mới đã ra đời tong quá trinh phát triển, hợp nhất các mạng với nhau mục đích tạo ra một mạng All IP duy nhất. Phân hệ IMS (IP Multimedia Subsystem) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó. Với IMS người dùng có thể liên lạc khắp mọi nơi nhờ tính di động của mạng di động và đồng thời có thể sử dụng những dịch vụ hấp dẫn từ mạng Internet. IMS đã thực sự trở thành chìa khóa để hợp nhất mạng di động và mạng Internet. IMS đồng thời cũng trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thể hệ mới (NGN) của tất cả các hang sản xuất thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩn hóa thế giới. IMS được chuẩn hóa bởi 3GPP và 3GPP2 dựa trên giao thức báo hiệu SIP và các giao thức mở khác do IETF chuẩn hóa nên dễ dàng tích hợp các dịch vụ mới. IMS đồng thời cũng hỗ trợ nhiều loại hình truy cập khác nhau do hứa hẹn sẽ mang lại một số lượng lớn khách hang sử dụng dịch vụ xây dựng trên đó. Em xin chân thành cảm ơn bạn bè, thầy, cô và đặc biệt là TS.Trần Văn Minh đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong thời gian làm đồ án vừa qua. Hà Nội, tháng 4 năm 2009 Sinh viên Page 1 of 123 1 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Chương 1. Tổng quan kiến trúc IMS 1.1. Vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng 3G Mạng di động 3G được phân chia logic thành mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network). Phía trên cơ sở hạ tầng mạng là nền tảng dich vụ được sử dụng để tạo ra các dịch vụ khác nhau. Mạng hỗ trợ hai kiểu mạng truy nhập khác nhau : Hệ thống trạm gốc (BSS) và phân hệ mạng vô tuyến (RNS). BSS la mạng truy nhập GSM trong khi đó RSN lạ mạng truy nhập UMTS. Hình 1.1 Kiến trúc mạng UMTS Mạng lõi bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói.Hai miền này khác nhau trong cách xử lí dữ liệu. Miền chuyển mạch kênh dành sẵn các kênh cho lưu lượng người dùng, do đó đươc sử dụng các dịch vụ thời gian thực và dịch vụ hội đàm như dịch vụ thoại và dịch vụ hội nghị video. Miền chuyển mạch kênh được sử dụng cho các ứng dụng dữ liệu gói từ đầu cuối đến đầu cuối như truyền file, truy cập web và e-mail. Page 2 of 123 2 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Phân hệ IMS là một phần trong miền chuyển mạch gói. Chức năng của IMS là cung cấp các dịch vụ đa phương tiện trên nền IP, bao gồm các dịch vụ thời gian thực như trong miền chuyển mạch kênh. Do đó IMS sẽ làm cho miền chuyển mạch kênh dần dần được thay thế trong tương lai. 1.2. Những yêu cầu khi thiết kế IMS IMS được xây dựng và phat triển với mục đích phải kết hợp được nhưng xu thế công nghệ mới nhất, tạo ra một nền tảng chung để phát triển các dịch vụ multimedia đa dạng và tạo ra nhiều lợi nhuận hơn trong việc thúc đẩy khách hang sử dụng miền chuyển mạch gói trong 3G. Để đạt được những mục đích đó thi IMS phải thực hiện những yêu cầu sau: 1. Hỗ trợ viêc thiêt lập các phiên đa phương tiện IP 2. Hỗ trợ cơ chế để thỏa thuận QoS 3. Hỗ trợ làm việc lien kết mang Internet và mạng chuyển mạch kênh (PSTN) 4. Hỗ trợ phát triển các dịch vụ 5. Hỗ trợ chuyển vùng 6. Hỗ trợ điều khiển dich vụ 7. Hỗ trợ đa truy nhập 1.3. Tổng quan về các giao thức sử dung trong IMS Kiến trúc trong IMS do 3GPP phát triển dựa trên các giao thức IP được chuẩn hóa bởi IETF, bao gồm các giao thức điều khiển phiên , các giao thức về chứng thực cấp quyền và tính toán (AAA) và một số các phiên giao thức khác. Page 3 of 123 3 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G 1.3.1.Giao thức điều khiển phiên Các giao thức điều khiển đóng vai trò chia khóa trong bất kì một hệ thống điện thoại nào.Trong mạng chuyển mạch kênh các giao thức điều khiển cuộc gọi quan trọng nhất la TUP ( Telephony User Part, ITU-T khuyến nghị Q.721), ISUP ( ISDN User Part, ITU-T, khuyến nghị Q.761) và BICC ( Bearer Independent Call Control, ITU-T khuyến nghị Q.1901). SIP đã được chọn là giao thức điền khiển phiên cho IMS trong nhiều giao thức điều khiển phiên dựa trên IP khác như BICC và H323. SIP được IETF chuẩn hóa Trong RFC 3261 ( Request for Command). SIP tuân theo mô hình khách-chủ ( Clien- Server).SIP được thiết kế dựa trên các nguyên lý cơ bản từ hai giao thức HTTP, SMTP. Nên SIP thừa kế hầu hết các đặc tính quan trọng của hai giao thức này. Điều này tạo ra sức mạnh cho nó bởi HTTP và SMTP là các giao thức đã rất thành công trong mạng Internet. Không giống như H323 và BICC, SIP không phân biệt giao diện người dùng tới mạng (Uses-to- Network) với giao diện mạng với mạng (Network-to-Network). Trong mô hình SIP chỉ có một giao thức duy nhất hoạt động thông suốt. Ngoài ra SIP là một giao thức dưới dạng văn bản do đó nó dễ dàng mở rộng, gỡ rối và phát triển các dịch vụ. 1.3.2. Giao thức AAA Diameter dựa trên RFC 3588 được chọn là giao thức AAA trong mạng IMS. Diameter được phát triển từ giao thức RADIUS (RFC 2865) là một giao thức được sử dụng phổ biến trong Internet để thực hiện chưng thực, cấp quyền và tính cước. Page 4 of 123 4 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Diameter bao gồm một giao thức cơ bản và giao thức này đươc bổ sung bởi các ứng dụng Diameter. Các ứng dụng Diameter là các tùy biến hoặc là các mở rộng Diameter để phù hợp với các ứng dụng cụ thể. IMS sử dụng Diameter trong nhiều giao diện , mặc dù vậy các giao diện náy có thể sử dụng Diameter khác nhau 1.3.3. Các giao thức khác nhau Bên cạnh SIP và Diameter , IMS cón sử dụng nhiều giao thức khác. Giao thức dịch vụ chính sách mở rộng thông thường COPS (Common Open Service) được sử dụng để truyền tải chinh sách giữa các điểm quyết định dich vụ PDPs (Policy Decision Points ) và các điểm thực hiện chính sách (Policy Enforcement Points). H.248 (ITU-T khuyến nghị H.248) được sử dụng bởi các nút báo hiệu để điều khiển các nút trong mặt phẳng media. RPT (Real-Time Transport Protocol, RFC 3550) và RCTP (RTP Control Protocol, RFC 3550) dùng để truyền tải media trong video và audio. 1.4. Tổng quan kiến trúc IMS IMS không được chuẩn hóa theo các nút mà dựa trên chức năng. Điều này có nghĩa là kiến trúc IMS là một tập hợp các chức năng được liên kết với nhau bởi các giao diện. Các chức năng có thể được kết hợp lại trong một nút hoặc một chức năng thể được tách ra thực hiện trong 2 nút hoặc nhiều hơn. Thông thường các nhà cung cấp thường thực hiện một chức năng trong mỗi nút riêng lẻ. Page 5 of 123 5 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Hình 1.2 Tổng quan kiến trúc IMS Bên cạnh của hình vẽ là các thiết bị IMS. Phía dưới là thiết bị di động IMS thường được gọi là thiết bị người dùng UE. Thiết bị đầu cuối IMS kết nối tới mạng chuyển mạch gói thông qua lien kết vô tuyến. IMS động thời hỗ trợ các kiểu truy nhập và các thiết bị khác như PDAs (Personal Digital Assitant) và máy tính. Các thiết bị này có thể truy nhập qua ADSL hoặc WLAN. Phần còn lại của hình vẽ chỉ ra các node chức năng khác nhau trong kiến trúc lõi của IMS bao gồm : + Cơ sở dữ liệu người dùng : HSS (Home Subcriber Servers) và SLF (Subcriber Location Function). Page 6 of 123 6 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G + Chức năng điều khiển phiên, cuộc gọi : CSCF (Call/ Sesion Control Function) + Chức năng lien quan đến nguồn media MRFC (Media Resource Function Controller) và bộ xử lí chức năng nguồn media MRFP (Media Resource Function Processor). + BGCF (Breakout Gateway Control Function). + PSTN gateway bao gồm SGM (Signlling Gateway) , MGCF (Media Gateway Controller Function) và MGW (Media Gateway). 1.4.1. CSCF- Call/Session Control Function. CSCF là một SIP server. Nó là thành phần cơ bản nhất trong kiến trúc IMS. CSCF xử lí báo hiệu SIP. Có ba kiểu kết nối khác nhau của CSCF: + Proxy-CSCF (P-CSCF) + Serving- CSCF (S-CSCF) + Interrogating-CSCF (I-CSCF) Mỗi CSCF có những chức năng đặc biệt của chúng.Tất cả góp tạo thành bộ máy định tuyến bản tin SIP. Ngoài ra chúng còn có thể gửi các thong tin tính cước tới tính năng tính cước ngoại tuyến. 1.4.1.1. P-CSCF P-CSCF là điểm lien lạc đầu tiên giữa các thiết bị đầu cuối và mạng IMS. Trong mô hình của SIP thì P-CSCF đang làm việc như một onbound/inbound SIP Proxy-server. Tất cả bản tin SIP được khởi tạo bởi một thiết bị đầu cuối IMS hoặc gửi đến thiết bị đầu cuối IMS đều phải đi qua P-CSCF. P-CSCF chuyển tiếp các bản tin SIP request và response theo các hướng phù hợp : hoặc đi tới thiết bị IMS hoặc là tới mạng IMS. P-CSCF được chỉ định cho các Page 7 of 123 7 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G thiết bị đầu cuối IMS trong quá trình đăng ký và không thay đổi trong quá trình này. P-CSCF bao gồm nhiều chức năng khác nhau và một trong số chúng liên quan tới bảo mật. Nó thiết lập một số liên kết đảm bảo IPsec với các thiết bị đầu cuối IMS. Những liên kết bảo mật IPsec này đảm bảo sự toàn vẹn thực thể. Một khi P-CSCF đã chứng thực người dùng thì các node khác trong mạch không cần thực hiện các chứng thực người dùng khác nữa vì chúng tin tưởng vào P-CSCF. Sự xác nhận của P-CSCF còn có các chức năng khác các dịch vụ cá nhân và các bản ghi tính cước. Một chưc năng khác của P-CSCF là chúng kiểm tra sự chính xác của bản tin SIP request được gửi bởi thiết bị đầu cuối IMS. Chức năng này giúp ngăn chặn các thiết bị đầu cuối gửi SIP không chính xác. P-CSCF bao gồm một bộ phận nén và giải nén các bản tin SIP (thiết bị đầu cuối IMS cũng bao gồm chưc năng này). Bản tin SIP đôi khi có thể rất lớn. Trong khi gửi một bản tin qua kết nối băng thông rộng chỉ mất một thời gian ngắn thì việc gửi một SIP qua băng thông hẹp , như một kết nối vô tuyến chẳng hạn , sẽ mất một vài giây. Cơ chế dùng để rút ngắn thời gian truyền một bản tin là nén bản tin lại, truyền qua liên kết vô tuyến và giải nén bên phía nhận. P-CSCF có thể bao gồm một PDF. PDF cấp quyền sử dụng media và quản lí QoS trên mặt phẳng media. P-CSCF đồng thời tạo ra các thông tin tính cước tới các nút thu thập thông tin tính cước. Với mục địch mở rộng và tạo ra dư thừa để dụ phòng trên một mạng IMS thông thường có nhiều P-CSCF. Mỗi một P-CSCF phục vụ một số thiết bị đầu cuối IMS phụ thuộc vào dung lượng của nó. Page 8 of 123 8 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G P-CSCF có thể tạo được đặt tại mạng khách hoặc mạng chủ. Trong trường hợp mạng chuyển mạch gói trên GPRS thì P-CSCF luôn đặt trong một mạng với GGSN. Vì vậy GGSN và P-CSCF có thể cùng đặt tại mạng khách hoặc tại mạng chủ. 1.4.1.2. I-CSCF I-CSCF là SIP proxy được đặt tại biên của miền quản trị. Địa chỉ của I- CSCF luôn được liệt kê trong bản ghi DSN (Domain name System) của miền. Khi một SIP server tuân theo các thủ tục SIP để tim chặng SIP tiếp theo cho một bản tin SIP sẽ nhận được địa chỉ của I-CSCF trong miền đích. Ngoài chức năng là một SIP server, I-CSCF còn có một giao diện tới SLF và HSS. Giao diện này dựa trên giao thức Diameter. Qua giao thức I-CSCF truy cứu các thông tin về vị trí của người dùng và định tuyến các bản tin SIP đang chứa đựng thông tin nhạy cảm về miền , như số lượng server trong miền , tên DSN và dung lượng của chúng. Một mạng IMS thường bao gồm nhiều I-CSCF cho mục đích mở rộng và tạo dư thừa. I-CSCF thường nằm tại mạng chủ , mặc dù trong một số trường hợp đặc biệt có thể đặt tại mạng khách. 1.4.1.3. S-CSCF S-CSCF là node trung tâm trong mặt phẳng bóa hiệu. Ngoài chức năng là một SIP server , S-CSCF còn đóng vai trò là một SIP registrar. Nó duy trì một gán kết giữa vị trí người dùng và địa chỉ SIP người dụng trong bản ghi. Giống như I-CSCF, S-CSCF cũng đồng thời thực hiện giao diện với HSS để thực hiện các mục đích sau : Page 9 of 123 9 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G + Tải về các vector chứng thực của người dùng đang truy nhập vào mạng S-CSCF sử dụng các vector này để chứng thực người dùng. + Thông báo cho HSS rằng S-CSCF này sẽ phục vụ người dùng trong khoảng thời gian đăng ký. Tất cả báo hiệu SIP mà thiết bị đầu cuối ÍM gửi và nhận đều đi qua S- CSCF. S-CSCF giám sát từng bản tin SIP và quyết định xem báo hiệu SIP sẽ đi qua một hay nhiều server ứng dụng hoặc để định tuyến tới đích cuối cùng. Một trong những chức năng chinh của S-CSCF là cung cấp chức năng định tuyến bản tin SIP. Nếu một người dùng quay một số điện thoại thay vì một SIP URI thì S-CSCF cung cấp dịch vụ chuyển đổi địa chỉ , thường dựa trên DSN E.164 Number Translation. S-CSCF động thời thi hành các chính sách của nhà điều hành mạng.Hay S-CSCF ngăn chặn người dụng thực hiện những dịch vụ không được cho phép. S-CSCF luôn đặt tại mạng chủ. 1.4.2. Cơ sở dữ liệu : HSS và SLF HSS và SLF là hai cơ sở dữ liệu chính trong kiến trúc IMS. HSS lưu trữ dữ liệu cho tất cả các thuê bao và tất cả dữ liệu liên quan đến dịch vụ của IMS. Dữ liệu được lưu trữ trong HSS bao gồm nhận dạng , thông tin đăng kí thuê bao, tham số truy nhập và thông tin kích hoạt dịch vụ. Thông tin nhận dạng bao gồm có hai loại : + Nhận dạng người dùng công cộng + Nhận dạng người dùng cá nhân Page 10 of 123 10 [...]... là đầu ra HSS và SLF thực hiện giao thức Diameter với các ứng dụng Diameter xác định cho IMS 1.4.3 AS (Application Server) AS là các thực thể SIP đảm nhận và thực hiện các dịch vụ Hình 1.4 Application Server Page 12 of 123 12 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G AS gồm ba loại : + SIP AS : đây là các AS cơ sở thực hiện các dịch vụ multimedia dựa trên SIP Các dịch vụ IMS mới sẽ phát... (RTP,RCTP) Hình 1.5 IMS- ALG và TrGW Page 14 of 123 14 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G IMS- ALG thực hiện chức năng như một SIP B2BUA bằng cách duy trì hai chặng báo hiệu độc lập Một chặng hướng tới bên trong mạng IMS và chặng còn lại hướng vào mạng khác Mỗi chặng này sử dụng phiên bản IP khác nhau Thêm vào đó , IMS- ALG ghi lại SDP băng cách thay đổi các địa chỉ IP và các port number... dich vụ công cộng được phân bổ cho một dịch vụ được nắm giữ bởi một AS Page 20 of 123 20 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G 1.5.5 USIM và ISIM trong 3GPP UICC (Universal Integrated Circuit Card) là trung tâm trong thiết kế thiết bị đầu cuối 3GPP UICC là thẻ thông minh có thể dịch chuyển được , lưu trữ một số dữ liệu như thông tin đăng kí thuê bao, nhận thực, sổ địa chỉ và các. .. 24 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Chương 2 Điều khiển phiên trong cấu trúc IMS 2.1 Giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initial Protocol) 2.1.1 Khái niệm về SIP SIP là một giao thức báo hiệu do IETF chuẩn hóa cho mạng Internet, dùng để thiết lập, giải phóng cũng như thay đổi các phiên đa phương tiện SIP được coi như lad một phần của cấu trúc hội thảo đa phương tiện Kiến trúc. .. đổi giá trị của chúng Như vậy truy nhập tới mạng IMS có thể dựa trên USIM hoặc ISIM Mặc dù sử dụng ISIM vẫn tốt hơn vì nó được thiết kế dành riêng cho IMS Trong chương này ta đã tìm hiểu vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng di động 3G, những yêu cầu khi xây dựng phân hệ IMS và tổng quan về các giao thức, các thành phần chức năng và các cách nhận dạng người dùng trong kiến trúc IMS. .. (Ciphering Key) và IK (Integrity Key) : Đó là chìa khóa được sử dụng cho mục địch mã hóa và bảo vệ toàn vẹn thực thển qua giao diện vô tuyến USIM lưu trữ riêng biệt chìa khóa được sử dụng trong chuyển mạch kênh và chìa khóa trong mạng chuyển mạch gói Page 22 of 123 22 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G + USIM lưu trữ bí mật dài hạn được sử được sử dụng cho mục đích nhận thực và tính... dài hạn Hình 1.10 Cấu trúc của ứng dụng ISIM Các tham số ISIM bao gồm : + Nhận dạng người dùng cá nhân Page 23 of 123 23 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G + Nhận dạng người dùng công cộng + URI của miền mạng chủ + Bí mật dài hạn : ISIM lưu trữ một bí mật dài hạn được sử dụng cho mục đích nhận thực và tính toán mã vẹn toàn vẹn và mã hóa sử dụng giữa mạng và thiết bị đầu cuối Tất... tới PSTN Page 15 of 123 15 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Hình 1.6 PSTN/CS Getway giao tiếp với một mạng CS PSTN gateway được phân chia thành những thành phần chức năng sau : + SGW (Signalling Gateway) : Signalling gateway giao tiếp với mặt phẳng báo hiệu của mạng chuyển mạch kênh SGW thực hiện sự chuyển đổi giao thức mức thấp SGW thay thế các giao tiếp bậc thấp NTP (ITU-T... kê và làm các công việc phân tích media khác MRF được chia thành MRFC và MRFP MRFC đóng vai trò như một SIP User Agent và có một giao diện tới S-CSCF MRFC điều khiển nguồn tài nguyên trong MRFP thông qua giao diện H.248 MRFP thực hiện tất cả chức năng liên quan đến media như play và trộn media MRF luôn đặt tại mạng chủ 1.4.5 BGCF Page 13 of 123 13 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng. .. cộng và một nhận dạng người dùng cá nhân được nêu ra trên hình: Hình 1.7 Mối liên hệ giữa nhận dạng người dùng cá nhân và công cộng trong Realese 5 Một thuê bao IMS được cung cấp chỉ duy nhất một nhận dạng người dùng cá nhân và nhiều nhận dạng người dùng công cộng Page 19 of 123 19 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G 3GPP release 6 đã mở rộng mối quan hệ giữa người dùng cá nhân và . 1 of 123 1 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Chương 1. Tổng quan kiến trúc IMS 1.1. Vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng 3G Mạng di động 3G được phân. 12 of 123 12 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G AS gồm ba loại : + SIP AS : đây là các AS cơ sở thực hiện các dịch vụ multimedia dựa trên SIP. Các dịch vụ IMS mới sẽ phát. 123 4 Kiến trúc IMS và các dịch vụ giá trị gia tăng cho mạng 3G Diameter bao gồm một giao thức cơ bản và giao thức này đươc bổ sung bởi các ứng dụng Diameter. Các ứng dụng Diameter là các tùy