IMS的结构及网元功能

        GPPIMS是一个全分布式网络架构,便千灵活实现和部署。IMS与接入无关,支持控制与业务分离,提供普遍(Generalized)移动性和用户数据集中管理,具有良好的安全性。
3GPP对IMS的设计采取了分层架构。分层的架构设计体现了"业务与控制分离”和“控制与接入及承载分离"的思想,使得不同的用户终端能够通过不同的无线或者有线接入技术接入IMS网络,享受统一的呼叫控制服务及其相应的增值业务。这种“层次化”的网络架构设计为不同网络的互联互通和业务的融合奠定了基础。
3GPPIMS网络架构
        上图是3GPPIMS网络架构示意图。与本书前面章节描述的软交换网络分层结构类似,IMS的网络架构自下向上也可分成传送与接入层、控制层、数据与应用层3个层面(也有的文献将其自下向上分为用户平面、控制平面和业务平面)。
         IMS的功能实体大致可分为6种主要类别:会话管理和路由类(CSCF汃数据库(HSS、SLF汃网间互通类(BGCF,MGCF、IM-MGW、SGW)、业务提供类(AS、MRFC、MRFP入支撑和计费实体类(SEG、PDF、CHF)等。它们分别位于上述3个不同层面之上。下面简单介绍IMS的主要功能实体。
1. 控制层功能实体
       控制层的核心是CSCF实体,其基本功能是执行多媒体呼叫控制。根据移动网络的特点和在网络中从事功能的不同,CSCF扮演的角色和功能得到了详细的分解,又进一步划分为P-CSCF(ProxyCACF,代理CSCF)、1-CSCF(InterrogatingCSCF,问询CSCF)和S-CSCF(ServingCSCF,服务CSCF)3种。
(1) P-CSCF
       P-CSCF是拜访网络(VisitedNetwork)的第一个接触点,也是移动用户在IMS中首先遇到的CSCF,负责寻找用户的归属网络,并提供翻译、安全和认证功能。它将用户注册消息和用户请求(如SIP会话建立请求)前转到用户的归属网络,起到SIP代理服务器的功能,其他的功能包括执行拜访网络中的QoS策略,执行对紧急呼叫(如110、119等)的本地控制和处理,以及在S-CSCF的指令下提供本地编号计划目录服务。
(2) I-CSCF
       I-CSCF是归属网络(HomeNetwork)的第一个接触点。用户请求由拜访网络进入归属网络时首先遇到1-CSCF,其主要任务是查询HSS以确定该用户所属S-CSCF的位置,并向后者转发用户请求。1-CSCF的功能包括:在HSS的支持下分配信令话务,实现多个S-CSCF之间的负荷平衡;对其他网络运营商隐蔽归属网络的配置结构;配合完成某些计费功能;如果担当进入归属网络的网关的话,还必须支持防火墙功能。在IMS中,I­CSCF是任选网元,P-CSCF也可以通过配置直接访问S-CSCF。
(3) S-CSCF
       S-CSCF位千归属网络,是IMS的核心会话管理节点,并作为用户业务的注册器、业务触发器和部分业务的执行平台。在归属网络中可以设置多个S-CSCF,它们负责所有的会话控制功能。但是在某些情况下,S-CSCF也会将请求转发至拜访网络的P-CSCF处理。例如,涉及本地拨号计划时由P-CSCF处理会更方便,有些本地服务(如用户要联络最近的电影院等)需要P-CSCF进行处理。S-CSCF的选择准则可包括所请求的业务、移动用户能力、节点负荷情况等。这样的功能划分,使会话由归属网络的S-CSCF统一处理,业务请求的控制和移动性管理独立于接入,不会受限千拜访网络的能力。
        控制层需要提及的另外一个实体是DNS(上图中未画出),各种CSCF都是通过DNS来确定下一跳的IP地址,完成路由的功能,另外支持ENUM的DNS也用来完成E.164号码和SIPURI之间的相互转译。
2. 传送与接入层功能实体
       IMS在设计思想上是与具体接入方式无关的,以便IMS服务可以通过任何IP接入网络来提供(例如GPRS、WLAN、宽带xDSL等)。但在3GPPR5的IMS规范中主要支持与GPRS特性相关的接人方式,在R6及以后的版本中,接入方式相关的问题就从核心
IMS描述中分离出来了。
        上图中主要显示r与GPRS特性相关的接入方式,由RAN(RadioAccessNet­work,无线接入网)、SGSN(ServingGPRSSupportNode,GPRS服务支持节点)、GGSN(GatewayGPRSSupportNode,GPRS网关支持节点)和IP网络组成接入与传送网络。在实际所处的环境中,IMS与现存PSTN和移动网络还有很长的共存过渡时期,所以3GPPIMS架构同时考虑了与各种网络业务的互通,定义了多种网关实体以及媒体资源实体。
(1) SGSN
        SGSN连接RAN和分组核心网,它负责为分组域提供控制和服务处理功能。控制部分包括两大主要功能:移动性管理和会话管理。移动性管理负责处理UE(UserEquip­ment,用户设备)的位置和状态,并且对用户和UE进行认证。会话管理负责处理连接接纳控制和处理现有数据连接中的任何变化,它也负责监督管理3G网络的服务和资源,并且负责对业务流的处理。SGSN作为一个网关,使用隧道机制在UE和GGSN之间中继用户业务流。作为这个功能的一部分,SGSN也需要保证这些连接具有适当的QoS。另外,SGSN还生成计费信息。
(2) GGSN
        GGSN是UMTS核心网的边界,主要功能是提供UE与外部数据网(这里的外部数据网是指为UE提供IP应用和服务的数据网,例如IMS或者因特网)之间的连接。GGSN将包含SIP信令的IP包从UE转发到P-CSCF,或者向相反方向转发。另外,GGSN负责将包含媒体数据的IP包转发到目标网络(例如转发到会话目标网络的另一个GGSN)。GGSN所提供的网络互联服务通过接入点来实现,接入点与用户希望连接的不同网络相关。在大多数情况下,IMS有其自身的接入点。当UE激活到一个接入点的承载(PDPContext,PDP上下文)时,GGSN分配一个动态IP地址给UE。这个IP地址在用户注册并在UE发起一个会话时,作为UE的联系地址。另外,GGSN还负责修正和管理IMS媒体业务流对PDP上下文的使用,并且生成计费信息。
(3) PDF和PEF
        在互联网中,分组传输时延一般比较高,并且不确定;分组的到达顺序会颠倒,有些分组还会丢失或被丢弃。而在IMS中,底层接入和传输网络与IMS控制实体一起提供了端到端的QoS保障。PDF(PolicyDecisionFunction)和PEF(PolicyEnforcementFune­
tion)就是在接入层和控制层之间完成策略服务功能的实体。IP策略控制是指基于IMS会话中的信令参数,对IMS承载业务媒体流的使用进行授权和控制的能力。
(4)网关实体
        对于电路交换网,如PSTN和PLMN,IMS通过IMS-MGW(IMS-MediaGateWay,IMS媒体网关)、SGW(SignalingGateWay,信令网关八MGCF(MediaGatewayControlFunction,媒体网关控制功能)、BGCF(BreakoutGatewayControlFunction,出口网关控制功能)等功能实体来完成互通。
        对于分组数据网,IMS则是通过边界网关(BG,BorderGateway)和IMS网关(IMS­GW)完成互通,实现1Pv4到IPv6的应用层网关(ALG,ApplicationLayerGateway)功能、私网穿越(NAP-T)和安全防护等功能。在传送与接入层中的其他重要网关还包括SEG(SecurityGateway,安全网关)。在IMS中将每个运营商的网络视为一个安全域,SEG位千不同运营商网络的边界,其功能就是对跨域传送的信令执行安全保护,提供IMS核心网的安全保护机制。
(5)媒体资源实体
        MRF(MediaResourceFunction,媒体资源功能)跨千控制层和传送与接入层之间,它为IMS会话提供必要的媒体资源支持,如会议桥、录音通知等。媒体资源功能主要包含媒体资源功能控制器(MRFC,MediaResourceFunctionController)和媒体资源功能处理器(MRFP,MediaResourceFunctionProcessor)。其中MRFC负责管理和控制媒体资源,用千支持与承载会议、用户公告以及承载代码转换等相关的服务,而媒体的具体处理则在MRFP中进行。
3.数据与应用层功能实体
        在数据与应用层,IMS延续了移动网络中用户集中数据库的概念,引入了归属用户服务器(HSS),用于用户数据存储、认证、鉴权和寻址。HSS是从HLR演变而来的,除了原来的HLR/AuC(归属位置寄存器/鉴权中心)功能外,还存储与业务相关的数据,如用户的业务签约信息和业务触发信息等。
        SLF(SubscriptionLocationFunction,签约定位功能)是数据与应用层中与HSS相关的、用来确定用户签约地的定位功能实体,也就是当网络中存在多个独立可寻址的HSS时,由SLF确定用户数据存放在哪个HSS中。作为一种地址解析机制,SLF的引人使得1-CSCF、S-CSCF和AS能够找到拥有给定用户身份的签约关系数据的HSS地址。除了HSS/SLF,提供业务的AS是这一层的另一主角,包括基于SIP的应用服务器(SIPAS)、基于CAMEL的IP多媒体业务交换功能OM-SSF)以及基千OSA的业务能力服务器(OSA-SCS)。因此,与软交换系统的业务结构类似,IMS的业务结构综合了SIP技术、移动智能网技术和Parlay/OSA技术,能在IP网络上提供丰富的增值业务,并支持开放式业务提供环境。

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