Phân hệ đa phương tiện IMS
MỤC LỤC
1.1 Xu hướng phát triển của dịch vụ và mạng viễn thông 7
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN
đang là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực thông tin liên lạc. Nhiều kiến trúc
mới đã ra đời trong quá trình phát triển hợp nhất các mạng với mục đích tạo ra một mạng
IP duy nhất. Phân hệ IP Multimedia Subsystem (IMS) là một trong những kiến trúc đã ra
đời trong xu thế phát triển đó. IMS trở thành một phân hệ trong mô hình mạng thế hệ mới
(NGN) của tất cả các hãng sản xuất các thiết bị viễn thông và các tổ chức chuẩn hóa trên thế
giới. 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, là một phân hệ không thể thiếu
trong kiến trúc NGN.
Trong bối cảnh như vậy việc triển khai đề tài ”Phân hệ đa phương tiện IMS (IP
Multimedia Subsystem)" là rất cần thiết. Mục tiêu của đề tài này là tìm hiểu tổng quan về
IMS, kiến trúc phân hệ - các giao thức IMS, các dịch vụ có thể được triển khai trong đó,
phân tích những ưu nhược điểm và khả năng triển khai IMS trong NGN, qua đó có thể hiểu
và thấy được tầm quan trọng của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng tương lai.
Nội dung của chuyên đề bao gồm:
● Chương 1: Tổng quan về IMS
● Chương 2: Kiến trúc phân hệ và các giao thức trong IMS
● Chương 3: Các yêu cầu và ứng dụng IMS
Do quá trình thực hiện chuyên đề chỉ dựa trên lý thuyết và tìm hiểu tài liệu, chưa được
tiếp xúc thực tế và có các mô hình thực tiễn để tiếp cận và còn hạn chế về mặt thời gian nên
nhiều vấn đề chưa thể trình bày rõ và chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong
được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của thầy và các bạn để chuyên đề được hoàn chỉnh
hơn. Xin chân thành cảm ơn!
1
Phân hệ đa phương tiện IMS
CS Circuit switched Chuyển mạch kênh
CSCF Call session control function Chức năng điều khiển phiên cuộc
gọi
DHCP Dynamic Host Configuration
Protocol
Giao thức cấu hình host động
2
Phân hệ đa phương tiện IMS
DNS Domain Name System Hệ thống tên miền
ETSI European Telecommunication
Standard Institute
Viện chuẩn viễn thông châu Âu
GGSN Gateway GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS cổng
GSM Golbal System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu
HSS Home subscriber server Server thuê bao nhà
I-CSCF Interrogating – CSCF CSCF – truy vấn
IEC Inter Exchange Carrier Nhà cung cấp dịch vụ liên tổng đài
IETF Internet Engineering Task Force Nhóm đặc trách kĩ thuật Inernet
IM IP multimedia Đa phương tiện IP
IM CN SS IP Multimedia Core Network
Subsystem
Phân hệ mạng lõi đa phương tiện IP
IMS IP Multimedia subsystem Phân hệ đa phương tiện IP
IMSI International Mobile Subscriber
Identifier
Nhận dạng thuê bao di động toàn
cầu
IP Internet Protocol Giao thức Inernet
IP-CAN IP-Connectivity Access
Process
Bộ xử lý tài nguyên đa phương tiện
OSA Open services Architecture Kiến trúc dịc vụ mở
PCF Policy Control Function Chức năng điều khiển hợp đồng
P-CSCF Proxy – CSCF CSCF-thể quyền
PDN Packet Data Network Mạng dữ liệu gói
PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói
PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công cộng
PSTN Public Switch Telephone
Network
Mạng điện thoại công cộng
RAB Radio Access Bearer Mang truy nhập vô tuyến
S – CSCF Serving – CSCF CSCF – phục vụ
SBC Session Border Control Điều khiển phiên trung gian
SCS Service Capability Server Server có khả năng phục vụ
SDP Session Description Protocol Giao thức mô tả phiên
SGSN Serving GPRS Support Node Node hỗ trợ GPRS phục vụ
SGW Signalling Gateway Cổng báo hiệu
SIM Subsciber Identifier Modul Khối nhận dạng thuê bao
SIP Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên
SLF Subscriber Locator Function Chức năng vị trí thuê bao
SSF Service Switching Function Chức năng chuyển mạch dịch vụ
THIG Topology Hiding Interwork
Gateway
Cổng tương tác ẩn giao thức
UE User Equipment Thiết bị người dùng
UMTS Universal Mobile
Telecommunication System
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
URL Universal Resource Locator Vị trí tài nguyên toàn cầu
Hình 2.10: Luồng bản tin báo hiệu
Hình 2.11: Luồng bản tin báo hiệu thiết lập phiên đăng ký
Hình 3.1: Push to talk over Cellular
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: So sánh các công nghệ sử dụng trong mạng truyền thống và mạng NGN
Bảng 2.1: Các điểm tham chiếu liên kết các chức năng trong mạng lõi IMS.
Bảng 2.2: Tài liệu về nhận thực trao quyền và thanh toán
6
Phân hệ đa phương tiện IMS
Chương 1: Tổng quan về IMS
1.1 Xu hướng phát triển của dịch vụ và mạng viễn thông
1.1.1. Xu hướng phát triển của viễn thông
Cùng với sự phát triển không của khoa học kỹ thuật, thì Điện tử - Viễn thông là một
lĩnh vực có những phát triển vượt bậc đạt được những thành tựu to lớn, công nghệ tiên tiến
đã và đang được áp dụng vào thực tế đáp ứng được yêu cầu về chất lượng, đa dịch vụ và
khả năng dung lượng cung cấp
Những xu hướng phát triển công nghệ đã và đang tiếp cận nhau, đan xen lẫn nhau
nhằm cho phép mạng lưới thoả mãn tốt hơn các nhu cầu của khách hàng trong tương lai. Thị
trường viễn thông trên thế giới đang đứng trong xu thế cạnh tranh và phát triển hướng tới
mạng viễn thông toàn cầu tạo ra khả năng kết nối đa dịch vụ trên phạm vi toàn thế giới Xu
hướng phát triển công nghệ điện tử-viễn thông-tin học ngày nay trên thế giới được ITU thể
hiện một cách tổng quát trong hình sau:
7
Phân hệ đa phương tiện IMS
Hình 1.1: Các xu hướng phát triển mạng viễn thông
Trong đó các dịch vụ viễn thông được chia thành hai loại:
- Hoạt động hướng kết nối.
- Hoạt động không kết nối
mạch gói. Bất cứ một chiến lược phát triển nào cũng cần phải tận dụng lại cơ sở hạ tầng
mạng truyền thống bên cạnh các thành phần mạng mới.
Các nguyên tắc cơ bản để xây dựng mạng NGN như sau:
- Đáp ứng nhu cầu cung cấp các loại hình dịch vụ viễn thông phong phú đa dạng, đa
dịch vụ, đa phương tiện.
- Kiến trúc mạng đơn giản.
9
Phân hệ đa phương tiện IMS
- Hiệu quả sử dụng mạng, chất lượng mạng cao và giảm thiểu các chi phí khai thác bảo
dưỡng.
- Dễ dàng mở rộng dung lượng, phát triển các thành phần, các dịch vụ mới.
- Tính linh hoạt cao, và năng lực tồn tại mạnh.
Xu hướng phát triển lên mạng NGN từ các mạng hiện tại được thể hiện trong hình sau:
Hình 1.3: Xu hướng tiến hoá lên mạng NGN của các mạng hiện tại
Trong hình, ta thấy các mạng viễn thông hiện tại gồm nhiều mạng riêng lẻ kết hợp lại
với nhau thành một mạng tổng hợp nhằm mục đích đáp ứng các dịch vụ riêng lẻ. Do đó,
việc xây dựng mạng NGN phải đảm bảo các tiêu chí sau:
1.Mạng NGN có khả năng hỗ trợ tất cả các dịch vụ của các mạng hiện tại trên nền
mạng Internet.
2. Mạng NGN phải hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ của nhiều nhà cung cấp khác nhau.
Mỗi nhà cung cấp hay dịch vụ là một thực thể riêng lẻ độc lập. Có thể sử dụng các giao thức
khác nhau.
3. Mạng NGN phải hỗ trợ tất cả các loại kết nối cho cả mạng di động và cố định.
Vì vậy, mạng NGN được xây dựng từ các mạng hiện tại (phát triển thêm chuyển mạch
gói) kết hợp với mạng Internet (hỗ trợ thêm QoS). Chiến lược phát triển sang mạng NGN
được thể hiện như trong hình vẽ sau:
10
Phân hệ đa phương tiện IMS
Mạng truy
nhập
- Cáp xoắn đôi băng hẹp
- Truyền hình cáp số và trương
tương tự
- GSM vô tuyến
- Cáp quang
- Cáp xoắn đôi băng hẹp
- Truy nhập vô tuyến GSM
- Truyền hình cáp
- Cáp quang
- Cáp xoắn băng rộng
- Modem cable
- Ethernet và Giga Ethernet
12
Phân hệ đa phương tiện IMS
- Vệ tinh
Chuyển mạch
và định tuyến
- Định tuyến IP
- Chuyển mạch khe thời gian
- Chuyển mạch ATM
- Chuyển mạch Frame Relay
- Định tuyến IP
- Chuyển mạch quang
- Chuyển mạch mềm
- Chuyển mạch ATM
Mạng đường
trục
- Mạng NGN được xây dựng với nhiệm vụ trước mắt là đảm bảo các nhu cầu về dịch
vụ mạng hiện nay.
- Tiến tới phát triển các nhu cầu về dịch vụ mới.
- Các dịch vụ mới được triển khai trên mạng NGN.
Đây là xu hướng phát triển của những nước có mạng viễn thông chưa được hiện đại
hoá, các nhu cầu chủ yếu là các dịch vụ viễn thông cơ bản hiện tại, chưa có nhiều nhu cầu
14
Phân hệ đa phương tiện IMS
dịch vụ mới. Con đường phát triển lên NGN là xây dựng mới hoàn toàn tiến thẳng lên
NGN.
1.2 Tổng quan về IMS
1.2.1 Khái niệm IMS
IMS - thuật ngữ viết tắt của IP Multimedia Subsystem, là một phần của kiến trúc
mạng thế hệ kế tiếp được cấu thành và phát triển bởi tổ chức 3GPP và 3GPP2 để hỗ trợ
truyền thông đa phương tiện hội tụ giữa thoại, video, audio với dữ liệu và hội tụ truy nhập
giữa 2G, 3G và 4G với mạng không dây.
IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân phối
các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua mạng truy
nhập nào.
IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, truy nhập
hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng như truy nhập vô
tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ thống mạng khác nhau có
thể tương vận (interoperability) với nhau, là phần mạng được xây dựng bổ sung cho các
mạng hiện tại nhằm thực hiện nhiệm vụ hội tụ mạng và cung cấp dịch vụ đa phương tiện
cho khách hàng đầu cuối.
IMS hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, bao gồm các dịch vụ nhắn tin tức thời
(Instant Messaging - IM), hội nghị truyền hình (Video Conferencing) và Video theo yêu cầu
(Video on Demand - VoD). IMS cũng có khả năng cung cấp các cơ chế xác thực và chuyển
đổi giữa các mạng khác nhau cho khách hàng di động. Sau đó, các tổ chức chuẩn hóa như
tin khẩn, cuộc gọi khẩn, hội nghị mạng và các dịch vụ VoIP, 3G … Thêm vào đó để VoIP
có thể hỗ trợ lớp các dịch vụ mới như dịch vụ đa phương tiện, dịch vụ tích hợp thì cần có
một nền tảng chuyển tiếp dịch vụ mới. Nền tảng ở đây được chọn chính là IMS (IP
Multimedia Subsystem) do 3GPP định nghĩa và phát triển. Giải pháp của họ là thoại thế hệ
kế tiếp với hệ thống dữ liệu, phần mềm và các dịch vụ chuyên nghiệp, để đáp ứng mạng cần
hoạt động cả mạng đường dây và mạng không dây.
1.2.2 Sự cần thiết của IMS trong mạng NGN
IMS (IP Multimedia Subsystem )là một phần trong kiến trúc của mạng thế hệ kế tiếp
NGN.Vị trí của IMS trong mạng thế hệ sau NGN được thể hiện trong hình vẽ sau :
Hình 1.9.Vị trí của IMS trong mạng NGN
IMS là một kiến trúc mạng mà định nghĩa từng phần tử chức năng. Mỗi phần tử chức
năng không bao gồm mối liên kết một một với phần tử vật lý. Một số phần tử chức năng có
thể hợp nhất trong một phần tử vật lý. Kiến trúc dịch vụ định nghĩa phương pháp chuẩn cho
17
Phân hệ đa phương tiện IMS
dịch vụ được giới thiệu trong khi mạng lõi định nghĩa sự tương tác giữa các phần tử chức
năng.
+ IMS là phân hệ đa phương tiện IP. Tuy nhiên chúng ta cần nó để cung cấp dịch vụ
ngoài dịch vụ thoại cơ bản. Có thể là thoại, video, hoặc hình ảnh hoặc một sự kết hợp
tương quan giữa hai hoặc nhiều loại.
+ IMS bắt đầu với 3GPP và ETSI, cả hai đều có nguồn gốc từ Châu Âu. Để giới thiệu
IMS ở Mỹ có một vài điều thông phải thông qua mà sẽ điều chỉnh cho thích hợp với đặc
trưng của Mỹ.
+ IMS dựa vào các chuẩn hóa hiện nay được phát triển của IETF. Tổ chức trình bày IMS
cũng tác động tới IETF để tác động tích cực, làm phát triển các chuẩn mới
cần tiến cho hoàn thiện IMS.
+ Hội tụ Cố định – Di động là một từ mới lan truyền trong công nghiệp. Ứng dụng của
IMS được mong đợi của các mạng không dây, đường dây, cable, các công trình và các
mạng khác.
mặt đất UMTS) cũng đã đưa ra giao diện Iu. Giao diện này so với các giao diện Gb và A có
hai sự khác nhau đó là: tốc độ chuyển mã cho Iu được thực hiện trong mạng lõi còn trong
GSM được thực hiện ở chức năng logic BTS (trạm thu phát gốc); quá trình mật mã và quản
lý tính di động mức tế bào cho giao diện Iu được thực hiện trong bộ điều khiển mạng vô
tuyến (RNC) còn trong GSM chúng được thực hiện trong nút hỗ trợ GPRS phục vụ (SGSN)
cho các dịch vụ GPRS.
Kiến trúc dịch vụ mở (OSA) được đưa ra để tạo dịch vụ. Mục tiêu của khía cạnh dịch
vụ là dừng chuẩn hoá các dịch vụ mới và tập trung vào phát triển khả năng dịch vụ hiện tại.
3GPP Release 4
Sau Release 1999, 3GPP đã bắt đầu đưa ra Release 2000 với khái niệm toàn IP, sau
đó đổi lại thành IMS. IMS không thể được hoàn thành trong năm 2000. Do đó, Release
2000 được chia thành Release 4 và Release 5.
Release 4 được đưa ra vào tháng 3 năm 2001 và được hoàn thành mà chưa có IMS.
Các chức năng mới có ý nghĩa quan trọng trong Release 4 của 3GPP là: khái niệm MSC
Server-MGW, các giao thức mạng lõi truyền tải IP, phần tử tăng cường các tín hiệu quyết
định đường truyền - LCS (Line Conditioning Signals) cho UTRAN và truyền tin đa phương
tiện và mặt bằng người dùng Gb truyền tải IP.
19
Phân hệ đa phương tiện IMS
3GPP Release 5 và Release 6
Cuối cùng R5 đã đưa IMS vào như một trong các chuẩn của 3GPP. IMS hỗ trợ kiến
trúc dựa trên truy cập IP độc lập mà tương tác với các mạng thoại và dữ liệu hiện tại cho cả
người dùng cố định (ví dụ như PSTN, ISDN, Internet) và di động (ví dụ như GSM,
CDMA). Kiến trúc IMS thiết lập truyền thông IP peer-to-peer cho tất cả các loại client với
QoS yêu cầu. Ngoài sự quản lý phiên, kiến trúc IMS bổ sung các chức năng cần thiết cho
việc hoàn thành phân phối dịch vụ (ví dụ như đăng ký, an ninh, cước phí, điều khiển kênh
mang, chuyển vùng). Nói chung, IMS sẽ hình thành trái tim của mạng lõi IP.
R5 được hoàn thành bởi 3GPP vào tháng 3 năm 2002 nhưng nhiều đặc tính chưa được
hoàn thiện và bị trì hoãn sang Release tiếp theo – R6. Nội dung công việc tiếp tục được
đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ cũng như kịp thời thay đổi
để đáp ứng các tình huống khác nhau của khách hàng.
Tóm lại: IMS tạo thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ trong việc xây dựng và
triển khai các ứng dụng mới, giúp nhà cung cấp mạng giảm chi phí triển khai, vận hành và
quản lý, đồng thời tăng lợi nhuận nhờ các dịch vụ mới. Và cuối cùng IMS mang lại những
dịch vụ mới hướng đến sự tiện nghi cho khách hàng.
1.4.2 Nhược điểm của IMS
IMS đang thiếu một mô hình kinh doanh có sức thuyết phục để các nhà cung cấp
mạng chấp nhận triển khai IMS. Điểm nối bật của IMS là hướng đến một mô hình mạng hội
tụ. Tuy nhiên, điều này không dễ dàng thuyết phục một nhà cung cấp mạng triển khai IMS.
Với IMS, khách hàng đăng ký với một nhà cung cấp mạng (network operator) có thể dùng
dịch vụ của nhiều nhà cung cấp dịch vụ (service providers) khác nhau. Do vậy, IMS sẽ dẫn
đến sự cạnh tranh giữa nhà cung cấp mạng và những nhà cung cấp dịch vụ nội dung của thế
giới Internet (Microsoft, Google…). Thay vì tăng thêm lợi nhuận nhờ các dịch vụ giá trị gia
tăng, nhà cung cấp mạng có thể sẽ phải chịu thất bại trong việc cạnh tranh với các nhà cung
cấp dịch vụ. Do vậy, nhiều nhà cung cấp mạng đang còn rất dè dặt khi quyết định triển khai
IMS. Đây là một vấn đề mang tính chiến lược chứ không phải là một vấn đề về công nghệ.
Về mặt kỹ thuật, một trong những điểm yếu mà nhiều người nhắc đến nhiều nhất là
tính bảo mật của IMS. Trong các yếu tố về bảo mật có thể kể đến các vấn đề liên quan đến
quản lý nhận dạng người dùng bao gồm các lỗi như Call ID spoofing, ăn cắp ID, tấn cống
DoS/DDoS, spam. Điểm yếu bảo mật nằm ở thiết bị SIP vì nó chưa có một cơ chế chứng
nhận thực tốt như trong mạng thông tin di động tế bào (ví dụ bảo mật qua SIM). Thêm vào
đó là sự hội tụ giữa nhiều loại hình mạng cũng gây không ít khó khăn trong việc quản lý bảo
mật. Hiện tại, Release 8 của 3GPP đang xem xét một cách nghiêm túc vấn đề bảo mật này.
21
Phân hệ đa phương tiện IMS
IMS hướng đến hội tụ, hướng đến việc nhiều hệ thống, nhiều mạng có thể tương vận
với nhau. Tuy nhiên, đây cũng chính là một khó khăn mà IMS đang gặp phải. Việc các thiết
bị có nguồn gốc từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tương vận được với nhau không
Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về IMS, những khái niệm cơ bản liên quan đến
IMS, trình bày về xu hướng phát triển của IMS trong lĩnh vực dịch vụ của viễn thông,
những ưu điểm và những hạn chế khi sử dụng IMS
Chương 2: Kiến trúc phân hệ và các giao thức trong IMS
2.1. Giới thiệu
IMS là một chuẩn dựa trên mạng viễn thông toàn IP mà nó sử dụng cả mạng có dây
và không dây hiện tại với sự đa dạng các dịch vụ đa phương tiện bao gồm: audio, video,
thoại , văn bản, và dữ liệu.
2.2. Kiến trúc và chức năng các phần tử trong IMS.
IMS chúng ta cần chú ý một điều rằng 3GPP không chuẩn hóa các node mà là các
chức năng. Điều này có nghĩa rằng kiến trúc của IMS là sự tổ hợp của các chức năng được
gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa.
Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp : lớp dịch vụ (lớp ứng dụng), lớp điều khiển
(hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp truyền tải (hay lớp người dùng).
23
Phân hệ đa phương tiện IMS
Hình 2.1. Kiến trúc phân lớp của IMS.
a. Lớp dịch vụ bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ
thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server).
b. Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi.
c. Lớp truyền tải bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập
kết nối vào mạng lõi IP. Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có
thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên.
2.2.1. Lớp dịch vụ.
2.2.1.1. Máy chủ ứng dụng (Appication Server - AS).
AS là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ. Tùy thuộc
vào dịch vụ thực tế mà AS hoạt động trong chế độ SIP Proxy, SIP UA hay SIP B2BUA.
Các AS kết nối với S-CFCS thông qua giao tiếp SIP. Có 3 loại AS: SIP AS, OSA-SCS, IM-
SSF. Các máy chủ OSA-SCS, IM-SSF đóng vai trò làm cầu nối để IMS giao tiếp với OSA
trong hệ thống GSM. HSS là một cư sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất
các
các thuê bao
khách hàng. Dữ liệu này bao gồm thông tin vị trí, thông tin bảo mật (bao gồm cả thông tin
nhận thực và cho phép), thông tin hồ sơ thuê bao (bao gồm các dịch vụ mà người dùng đã
đăng ký) và S-CSCF được phân bổ cho thuê bao…
Trong một mạng IMS có thể có nhiều hơn một HSS, thông thường HSS được xây
dựng theo cơ chế có dự phòng để tránh bị mất thông tin khi có lỗi xảy ra.
• Chức năng định vị thuê bao SLF (Subscriber location Function) là một CSDL
nhằm xác định thông tin của khách hàng đang được lưu trên HSS nào. Chính vì vậy với
những mạng mà chỉ có 1 HSS thì không yêu cầu phải có SLF, tuy nhiên trong trường hợp có
nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF sẽ được thiết lập nhằm
xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©