ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
NGUYỄN THỊ MINH CHÂU 0620003
TRẦN QUỐC CƯỜNG 0620006
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
IMS TRÊN NỀN MẠNG NGN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN NGÀNH ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG VÀ MẠNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. ThS. NGÔ ĐẮC THUẦN
2. ThS. HUỲNH PHÚ TRUNG - Công ty TMA Solutions
Thành phố Hồ Chí Minh – năm 2010Lời cảm ơn
Lời đầu tiên chúng em xin gởi lời cảm ơn đến thầy Ngô Đắc Thuần đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đề tài. Thầy luôn quan tâm
theo sát tiến độ và đưa ra những đóng góp quý báo giúp chúng em sửa chữa và hoàn
thiện luận văn tốt nghiệp.
Chúng em chân thành cảm ơn ThS. Huỳnh Phú Trung, công ty TMA
Solutions, đã nhiệt tình truyền đạt kinh nghiệm, chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian
thực tập và làm đề tài tốt nghiệp tại công ty. Nhờ sự hướng dẫn của anh, chúng em đã
định hướng và từng bước hoàn thành luận văn này.
Chúng em xin cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện Tử Viễn Thông nói riêng
và trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TPHCM nói chung đã giảng dạy và tạo điều
kiện cho chúng em học tập tốt nhất trong thời gian qua. Những kiến thức đó chính là
nền tảng cần thiết giúp chúng em hoàn thành được luận văn tốt nghiệp.
Chúng em cũng gởi lời cảm ơn đến bạn Lê Trung đã nổ lực cùng chúng em
Nội dung bài báo cáo gồm hai phần chính:
Phần đầu, đề tài giới thiệu vị trí và kiến trúc IMS trong mô hình mạng NGN theo chuẩn
hóa của tổ chức 3GPP. Nội dung phần này tập trung vào vai trò chức năng các phần tử
trong IMS. Thêm vào đó, đề tài cũng trình bày các giao thức và thủ tục sử dụng dịch vụ
giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của phân hệ này. Ngoài ra, luận văn
cũng đưa ra giải pháp từng bước tiến lên xây dựng mạng IMS trên hạ tầng mạng hiện
có.
Phần sau, bài báo cáo xây dựng hoàn chỉnh một mô hình mô phỏng mạng NGN với đầy
đủ chức năng. Người dùng có thể đăng ký, sử dụng dịch vụ thoại, dữ liệu, xem IPTV,…
Hơn nữa, phần demo có sự kết hợp với đề tài “QoS over Tripple Play” để đảm bảo QoS
xuyên suốt cho các dịch vụ được triển khai từ lớp truy cập đến lớp ứng dụng. Đặc biệt,
mô hình này thực hiện hoàn toàn trên phần mềm mã nguồn mở, thực hiện trên các máy
tính, rất thích hợp cho việc nghiên cứu, phát triển tại các phòng nghiên cứu của trường
học, trung tâm nghiên cứu và phát triển của công ty.
Để thực hiện nội dung đó, đề tài được phân chia thành các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về IMS trên nền NGN. Nội dung chương này giới thiệu những
khái niệm cơ bản về IMS cũng như vai trò của IMS trong mạng NGN.
Chương 2: Kiến trúc phân hệ IMS. Đây là chương quan trọng nhất, trình bày các thực
thể và chức năng của IMS theo mô hình phân lớp mạng NGN.
Chương 3: Một số thủ tục trong mạng IMS. Chương này giúp người đọc hình dung rõ
từng bước hoạt động của phân hệ IMS trong việc thiết lập và điều khiển các phiên dịch
vụ.
Chương 4: Các giao thức chính sử dụng trong phân hệ IMS. Chương này trình bày khái
quát các giao thức sử dụng phỗ biến trong mạng NGN như: SIP, Diameter, COPS,
MEGACO/H.248.
Chương 5: Các bước tiến lên xây dựng IMS. Qua chương này, người đọc có thể hiểu
được cách thức xây dựng một hệ thống IMS trên cơ sở hạ tầng mạng hiện có.
Trang 4
Chương 6: Demo trình bày mô phỏng IMS bằng Open Source IMS Core và dịch vụ
IPTV trên hệ điều hành Linux.
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile communications
HSS Home Subscriber Server
HTTP Hypertext Transfer Protocol
IANA Internet Assigned Numbers Authority
ICID IMS Charging ID
IETF Internet Engineering Task Force
IMSI International Mobile Subscriber Identifier
ISDN Integrated Services Digital Network
LPDP Local Policy Decision Point
MCC Mobile Country Code
MG Media gateway
MGC Media gateway controller
MGCF Media gateway control function
MGW Media gateway
MINE Multipurpose Internet Mail Extension
MMS Multimedia Message Service
MNC Mobile Network Code
MRFC Multimedia Resource Function Controller
MRFP Media Resource Function Processor
MSC Mobile Switching Centre
MSC Mobile Switching Center
MSIN Mobile Subscriber Identification Number
NASREQ Network Access Server Application
NASS Network Attachment Subsystem
NASS Network Attachment Subsystem
NMSI National Mobile Station Identity
OCF Online Charging Function
OMA Open Mobile Alliance
OSP Open Settlement Protocol
TCP Transmission Control Protocol
TG Trungking Gateway
TISPAN Telecoms and Internet converged Services and Protocols for Advanced
Networking
TLS Transport layer Security
T-SGW Transport Singnalling Gateway
UA User Agent
UAC User Agent Client
UAM User Access Mode
UAS User Agent Server
UE User Equipment
UICC Universal Integrated Circuit Card
URL Universal Resource Locator
USIM Universal Subscriber Identity Module
VCC Voice Call Continuity
VoIP Voice over Internet Protocol
XML Extensible Markup Language
Trang 9
DANH MỤC HÌNH
Trang 10
DANH MỤC BẢNG
Trang 11
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IMS TRÊN
NỀN NGN
Chương này giới thiệu tổng quan về sự hình thành, vai trò và vị trí của phân
hệ IMS trong mô hình mạng NGN. IMS là thành phần quan trọng trong lớp điều khiển,
được xây dựng với mục đích hỗ trợ đa dịch vụ với chất lượng dịch vụ được đảm bảo,
khả năng tính cước và tương thích hoàn toàn với mạng hiện tại.
1.1. SỰ RA ĐỜI CỦA IMS
Internet đầu tiên thì ngày nay các dịch vụ thời gian thực (hoặc gần thực) với chất lượng
dịch vụ QoS cao ngày càng được phát triển rộng rãi. Hơn nữa, người dùng trong tương
lai mong muốn có các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, mang tính cá nhân, có khả
năng tương tác thời gian thực mọi lúc mọi nơi trên mọi thiết bị sử dụng. Điều này đặt ra
những yêu cầu mới cho kiến trúc hạ tầng mạng viễn thông. Trong bối cảnh đó, IMS
được xem như là một giải pháp hứa hẹn để thỏa mãn được các yêu cầu về hội tụ, tích
hợp các dịch vụ trên một kết nối cho một thế hệ mạng tương lai.
Hình 1.1: Sự hội tụ mạng
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,
Trang 13
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX. IMS tạo điều kiện cho các hệ
thống mạng khác nhau có thể vận hành cùng với nhau. IMS đã và đang được tập trung
nghiên cứu và ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm lớn của các nhà khai thác bởi
vì lợi ích mà nó mang lại cho cả nhà cung cấp dịch vụ lẫn người sử dụng.
1.2. LỢI ÍCH CỦA VIỆC SỬ DỤNG IMS
Một trong những mục đích đầu tiên của IMS là giúp cho việc quản lý mạng
trở nên dễ dàng hơn bằng cách tách biệt chức năng điều khiển và chức năng vận tải
thông tin [7]. Một cách cụ thể, IMS phân phối dịch vụ trên hạ tầng chuyển mạch gói,
IMS cho phép chuyển dần từ mạng chuyển mạch mạch sang chuyển mạch gói trên nền
IP, tạo thuận lợi cho việc quản lý mạng thông tin di động. Việc kết nối giữa mạng cố
định và di động đã góp phần vào tiến trình hội tụ mạng viễn thông trong tương lai. IMS
cho phép người dùng có thể sử dụng một hay nhiều loại thiết bị khác nhau, di chuyển từ
mạng này sang mạng khác mà vẫn có thể sử dụng cùng một dịch vụ.
Kiến trúc IMS cung cấp nhiều dịch vụ gia tăng cho nhà cung cấp mạng, người
phát triển ứng dụng, người cung cấp dịch vụ cũng như người sử dụng các thiết bị đầu
cuối. Kiến trúc IMS giúp các dịch vụ mới được triển khai một cách nhanh chóng với chi
Lớp điều khiển thực hiện giám sát, sửa đổi, và giải phóng các phiên giao dịch,
ghi lại các thông số của cuộc kết nối để cung cấp thông tin cho việc xử lý tính cước.
Lớp này dựa trên các thông tin và các tín hiệu nhận được từ lớp truy nhập để xác định
các thông số cần thiết về dịch vụ để điều khiển tài nguyên cho phù hợp.
Lớp điều khiển có chức năng điều khiển các phiên giao dịch trong một mạng
hội tụ dịch vụ và công nghệ nên nó phải có khả năng hỗ trợ phần lớn các giao thức khác
nhau đã từng tồn tại trong các mạng chuyển mạch trước đây và các giao thức đang được
sử dụng. Bên cạnh đó đòi hỏi nó phải có khả năng cung cấp các dịch cơ bản, dịch vụ
thông minh, các dịch vụ bổ sung,… Hơn nữa, hệ thống cần có khả năng xử lý và lưu trữ
khối lượng lớn cơ sở dữ liệu vì mạng NGN là mạng nhiều người dùng với nhiều loại
hình dịch vụ khác nhau.
Lớp ứng dụng và quản lý dịch vụ
Lớp ứng dụng và dịch vụ cung cấp các dịch vụ có băng thông khác nhau, ở
nhiều hình thức như: thoại, fax, internet, dịch vụ đa phương tiện, các trò chơi trực tuyến
yêu cầu thời gian thực, dịch vụ truyền số liệu, và các dịch vụ giá trị gia tăng,…. Lớp này
liên kết với lớp điều khiển thông qua các giao diện được chuẩn hóa. Chính vì vậy mà
việc cập nhật, tạo mới và triển khai ứng dụng, dịch vụ mạng trở nên vô cùng nhanh
chóng và hiệu quả.
Trang 15
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
Lớp này có thể thực thi việc điều khiển những thành phần đặc biệt như Media
Server, một thiết bị được biết đến với tập các chức năng như: Conferencing, xử lý Tone,
….
Hình 1.2: Vị trí IMS trong NGN
Trang 16
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC PHÂN HỆ IMS
Chương này giới thiệu cấu trúc, chức năng của những thực thể trong một phân
hệ IMS và mối quan hệ giữa chúng. Mỗi thực thể được trình bày trực quan theo mô hình
phân lớp NGN. Lớp ứng dụng gồm máy chủ ứng dụng và HSS, đây chính là cơ sở dữ
tự, do HSS đóng vai trò như HLR nên cũng hỗ trợ các thành phần của miền CS như
MSC, BSC. Điều này cho phép các thuê bao IMS có thể truy cập đến các dịch vụ của
miền CS và hỗ trợ chuyển vùng trên toàn hệ thống GSM/UMTS. Như một AuC, HSS
lưu trữ khóa bí mật của mỗi thuê bao, cái này dùng để chứng thực khi đăng ký vào
mạng và mã hóa dữ liệu cho mỗi thuê bao di động. Tùy thuộc vào số lượng thuê bao mà
có thể có nhiều HSS trong một mạng IMS. HSS tiếp xúc với CSCF thông qua điểm
tham chiếu Cx và tiếp xúc với AS thông qua điểm tham chiếu Sh.
2.1.2.2. SLF
Trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị SLF sẽ
được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.
Hình 2.1: SLF chỉ định HSS phù hợp
Để tìm được địa chỉ của HSS, I-CSCF hoặc S-CSCF phải gởi đến SLF bản tin
yêu cầu LIR. Hình trên mô tả quá trình tìm ra địa chỉ HSS phù hợp khi I-CSCF nhận
được bản tin INVITE trong trường hợp mạng có ba HSS.
2.2. LỚP ĐIỀU KHIỂN
2.2.1. Chức năng điều khiển cuộc gọi CSCF
Trang 18
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
CSCF có 3 loại: Proxy-CSCF (P-CSCF), Serving-CSCF (S-CSCF) và
Interrogating-CSCF (I-CSCF). Mỗi CSCF có chức năng riêng. Chức năng chung của
CSCF là tham gia trong suốt quá trình đăng kí và thiết lập phiên giữa các thực thể IMS.
Hơn nữa, những thành phần này còn có chức năng gởi dữ liệu tính cước đến Server tính
cước. Có một vài chức năng chung giữa P-CSCF và S-CSCF trong hoạt động là cả hai
có thể đại diện cho user để kết thúc phiên và có thể kiểm tra nội dung của bản tin trong
giao thức SDP.
2.2.1.1. P-CSCF
P-CSCF là điểm tiếp xúc đầu tiên giữa UE với mạng IMS, đóng vai trò như
một SIP proxy server. Tất cả những tín hiệu SIP được gởi giữa mạng IMS và UE đều đi
qua P-CSCF. Do đó, nhiệm vụ chính của P-CSCF là chuyển tiếp bản tin SIP dựa vào tên
domain. Ngoài ra, P-CSCF còn thực hiện: nén bản tin SIP, bảo mật, tích hợp PDF, tham
Phiên khẩn cấp được định nghĩa tùy thuộc vào chính sách của nhà khai thác mạng. Một
số phiên khẩn cấp được định nghĩa tại P-CSCF. Khi nhận được yêu cầu phiên khẩn cấp
thì P-CSCF có thể chỉ định một S-CSCF bất kỳ để xử lý phiên này. Điều này rất cần
thiết nhất là lúc UE chuyển vùng.
P-CSCF tích hợp PDF và tham gia vào quá trình tính cước
P-CSCF còn tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF. PDF cấp giấy
phép sử dụng tài nguyên cho người dùng, quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa
phương tiện. P-CSCF đồng thời tạo ra các thông tin tính cước để gởi đến các khối tính
cước phù hợp.
2.2.1.2. I-CSCF
I-CSCF là điểm giao tiếp giữa các thuê bao IMS trong vùng phục vụ của cùng
một nhà khai thác mạng, hoặc với các thuê bao thuộc các nhà khai thác mạng khác.
Trang 20
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
Trong một mạng có thể có nhiều I-CSCF. I-CSCF được xem như một SIP Proxy và đặt ở
đường biên của mạng IMS, I-CSCF có bốn chức năng chính là:
Liên lạc với HSS để biết thông tin của chặng tiếp theo khi nhận được yêu cầu từ UE.
Xác định S-CSCF cho UE khi nhận thông tin về UE từ HSS, sự xác định S-CSCF thực
hiện khi UE đăng ký hoặc xóa đăng ký.
Định tuyến yêu cầu SIP nhận được từ mạng khác tới S-CSCF hoặc một server ứng dụng.
Cung cấp chức năng ẩn cấu hình mạng (THIG): nhà khai thác có thể sử dụng chức năng
cổng liên mạng ẩn cấu hình trong I-CSCF hoặc kĩ thuật khác để ẩn cấu hình, khả năng
và cấu trúc của mạng khỏi các mạng ngoài. Nếu nhà khai thác muốn ẩn cấu hình thì nhà
khai thác phải đặt chức năng ẩn cấu hình mạng trên đường định tuyến khi nhận hoặc gởi
yêu cầu hay đáp ứng từ một mạng IMS khác. THIG thực hiện việc mã hóa và giải mã tất
cả các header liên quan đến thông tin về cấu trúc của nhà khai thác mạng IMS. Khi một
mạng thực hiện việc ẩn cấu hình mạng thì việc liên lạc với mạng khác phải thông qua I-
CSCF.
2.2.1.3. S-CSCF
S-CSCF là thành phần quan trọng của IMS vì nó chịu trách nhiệm thực hiện
Hình 2.3: Mô tả vai trò định tuyến của S-CSCF
2.2.2. Chức năng đa phương tiện MRF
MRF được phân thành bộ điều khiển chức năng tài nguyên đa phương tiện
MRFC và bộ xử lí chức năng tài nguyên đa phương tiện MRFP. MRFC là khối trực tiếp
giao tiếp với AS qua giao thức SIP và với S-CSCF qua giao thức MEGACO/H.248.
MRFP nhận thông tin điều khiển từ MRFC và giao tiếp với các thành phần của mạng
truyền dẫn. MRF có vai trò quan trọng trong hội nghị đa điểm để phân bố tài nguyên
hợp lý.
MRFC nhận báo hiệu điều khiển cuộc gọi qua giao thức SIP. MRFC cần thiết
cho việc hỗ trợ những dịch vụ, như hội nghị, những thông báo tới người dùng hoặc
Trang 22
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
chuyển mã kênh mang. MRFC chuyển báo hiệu SIP nhận được từ S-CSCF qua điểm
tham chiếu Mr và sử dụng những chỉ dẫn MEGACO/H.248 để điều khiển MRFP.
MRFC có thể gửi thông tin thanh toán tới CCF và OCS.
MRFP cung cấp những tài nguyên mặt phẳng người dùng được yêu cầu và chỉ
dẫn bởi MRFC. MRFP thực hiện những chức năng liên quan đến media như phát và trộn
media, thích ứng nội dung dịch vụ, chuyển đổi định dạng nội dung,…
Hình 2.4: Chức năng điều khiển thông tin đa phương tiện MRF
2.2.3. Điểm tham chiếu (giao diện)
Trang 23
NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG IMS TRÊN NỀN NGN
Hình 2.5: Vị trí các điểm tham chiếu trong IMS
2.2.3.1. Điểm tham chiếu Gm
Gm là điểm tham chiếu giữa UE và P-CSCF. Nó được dùng để truyền những
báo hiệu SIP giữa UE và mạng IMS. Thủ tục qua giao diện Gm có thể chia thành 3 thủ
tục chính: đăng ký, điều khiển phiên, các giao dịch.
Thủ tục đăng ký: UE sử dụng giao diện này để gởi bản tin đăng ký và thương lượng các
thuật toán bảo mật với P-CSCF. Trong suốt quá trình này, cả UE và mạng sẽ trao đổi các
thông số phục vụ cho việc chứng thực, mã hóa và nén dữ liệu. Thông qua giao diện này,
tham chiếu Mw được dùng để chuyển yêu cầu từ P-CSCF đến S-CSCF và có thể từ S-
CSCF đến I-CSCF trong trường hợp thuê bao bị gọi. Đối với thiết lập bên bị gọi, bản tin
yêu cầu được gởi từ I-CSCF đến S-CSCF và từ S-CSCF đến P-CSCF. Giao diện này còn
sử dụng trong trường hợp mạng thực hiện việc kết thúc phiên, ví dụ như: khi P-CSCF
tiến hành việc kết thúc phiên khi nhận được thông báo chỉ dẫn của PDF là mất thành
phần sóng mang. Hơn nữa, thông tin về tính phí cũng được chuyển qua giao diện này.
Thủ tục giao dịch
Dùng để chuyển các bản tin yêu cầu độc lập như Message và nhận tất cả đáp
ứng như 200 OK, … Sự khác biệt giữa thủ tục điều khiển phiên và thủ tục giao dịch là
một hộp thoại ghi nhận sự kiện không được tạo ra.
2.2.3.4. Điểm tham chiếu Mp
Khi MRFC điều khiển dòng thông tin phương tiện như kết nối cho một hội
nghị truyền thông hoặc dừng việc truyền thông với MRFP thì nó sẽ sử dụng điểm tham
chiếu Mp. Điểm tham chiếu này hoạt động dựa trên giao thức H.248.
Trang 25
Copyright: Tài liệu đại học ©