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IMS基于策略的QoS机制

        IMS体系架构基于IP网络实现了会话控制与承载控制的分离。在IMS的呼叫建立流程中,信令与媒体流的传递沿不同路径方式进行。信令流在经过SGSN、GGSN节点后就会与媒体流分开,信令消息将在CSCF间根据用户配置进行传送,媒体消息则在信令选择的路径上传送。
        控制平面和用户平面的分离可能是IMS网络设计中最重要的方面之一。但应当明确的是,这两层之间完全独立并不可行,因为没有用户平面和控制平面之间的交互,运营商将无法完成对用户平面媒体流服务质量、媒体流源/目的地址以及媒体流开始和停止时间等的控制。因此3GPPIMS创建了一套机制对用户媒体流需要使用的网络资源进行授权和控制,称为基于业务的本地策略(SBLP,ServiceBasedLocalPolicy)控制,这种机制需要把QoS保障体系与SIP协议以及多媒体会话的信令流程紧密结合在一起。概括地说,就是基于在IMS会话中所协商的SDP参数,由会话控制来决定媒体控制。
一、基于策略的QoS控制结构模型
        在会话建立过程中,IMS系统支待端到端的QoS控制机制。IMS中的QoS信令控制和资源分配机制独立于会话控制协议,且QoS信令/资源分配和会话控制之间是一致的。这种在用户面和控制面之间的交互建立在IETF策略控制框架基础上,它与IETF
RFC2753中定义的“基于策略的接纳控制框架"兼容,其结构模型如下图所示,包含的核心功能实体有3个。
IMS基于策略的QoS控制的结构模型
1、AF(ApplicationFunction,应用功能)
        AF是一个提供需要控制IP承载资源(比如UMTS分组域/GPRS域)的应用服务的实体。AF将与QoS相关的业务信息映射成策略建立信息,并传递给PDF。网络提供的QoS由应用层(如SIP/SDP)的QoS需求触发。
2、PDF(策略决策功能)
        PDF是一个逻辑上的策略决策实体,采用标准的IP机制在IP承载层中实现基于业务的本地策略控制CSBLP)。PDF接收从AF获得的策略建立信息,基于相关的策略规则作出策略决策,并将策略建立信息的应用层参数(如SDP)信息映射到IPQoS参数(如RSVP),传给PEP执行。
3、PEP(策略执行点)
        PEP负责对PDF所作的策略决策进行实施,完成针对网络设备的具体操作,并确保只有通过认证的IP数据包可以获得网络资源。例如,当PDF认证了某个IP数据流可以使用特定的网络资源,PEP就会为该IP数据包开一个“门”,并确保该IP数据流可以使用到承诺的网络资源;反之,PEP把该IP数据包从数据流中除去,该过程又称为基于策略的呼叫接入控制。
端到端的多媒体会话采用SIP及相关信令进行策略级的服务描述和资源请求。策略决策功能模块和策略执行实体之间采用COPS-PR协议完成资源预留策略的实施。而PEP之间的QoS保证则采用专用的QoS信令(如Diffserv)进行。
二、UMTS网络中的IMS策略控制架构
        在3GPPIMS中,用户平面QoS功能主要依赖于UMTS网络中原有网元来执行。控制平面IMS网络作为AF通过Gq接口提供应用需要的QoS信息给PDF,通过PDF转成UMTS网络提供的承载业务的QoS信息传递给核心网网关。GGSN作为UMTS网络的边缘路由器,对IP流的QoS进行管理。这种在GPRS和IMS之间的交互被称为基于业务的本地策略。其详细的结构模型如下图所示。
3GPPIMS网络中的QoS控制结构
1、P-CSCF
        在IMS网络中,AF的实例就是P-CSCF。P-CSCF是处理SIP请求消息的第一个呼叫控制实体,所以它被用于对用户网络资源、带宽请求的认证。IMS用户通过向P-CSCF发出SIP请求消息来建立会话。IMS用户对于QoS的要求由包含在SIP消息中的SDP表达。P-CSCF收到SIP消息后,会将用户对网络资源的请求转交给PDF。
2、PDF
        PDF在R5中位于P-CSCF中,在R6中则是一个独立的实体。在收到由P-SCSF转发的用户对网络资源的请求后,PDF根据SBLP使用的策略规则,对用户的QoS请求做出判断。对于符合策略规则的用户会话流,PDF生成跨越多个PDP上下文(每个上下文对应一组QoSProfile)的SIP会话的授权令牌,UE以此令牌标识后续发往GGSN的IP多媒体会话流并获得相应级别的服务。
3、 IP承载业务管理器(IPBSManager)IP承载业务管理器使用标准的IP机制来管理IP承载业务(BS,BearService)。IP承载业务管理器在UE中是可选的,在GGSN则是必需的。GGSN的IP承载服务管理器中包含有PEP。PEP采用GGSN中的选通(Gate)功能模块进行基于策略的接纳控制,通过分类和流最控制等机制为经过PDF授权的IP流分配资源并打开数据流通道。对未授权的IP数据流则关闭通道,不予传输。IP承载业务管理器通过翻译功能与UMTS承载业务管理器进行通信,提供IP承载业务与UMTS承载业务的互通。
4、UMTS承载业务管理器CUMTSBSManager)
UMTS承载业务管理器处理来自UE的资源预留请求,它在UE和GGSN中都是必需的。UMTS承载业务的QoS一致性由GPRS的PDP上下文保证。IP层资源需求信息通过翻译/映射功能映射到UMTS承载服务级,进一步完成设备级的配置,最终保证策略规则规定的QoS要求得以正确实施。
5、翻译/映射功能(Transiation/Mapping)
        翻译/映射功能存在于UE、GGSN以及PDF实体中,提供不同机制和不同参数间的互通。主要包括:
UE,UE把IMS会话所授权的媒体参数映射为用于建立承载的PDP上下文激活/修改(Activation/Mod山cation)请求所携带的QoS参数。
PDP-PEP.PDP把IMS会话层授权的媒体参数映射为QoS参数发送给PEP,由
PEP执行UE所要求的承载资源的控制。
6、Gq接口
        在R5中,PDF是一种逻辑实体,既可以与P-CSCF放在一起,也可以作为单独的单元实现。在前一种情况下,PDF和P-CSCF之间的协议是私有的。R6对P-CSCF和PDF之间的协议进行了标准化,这就是Gq参考点。该参考点采用IETFRFC3588定义的Diam­eter协议,用于在P-CSCF和PDF之间传输策略配置信息,保证PDF可以传送正确信息来进行媒体授权,其中PDF为Diameter服务器,AF为Diameter客户端。
7、Go接口
由于PDF功能体位于信令通路中,而GGSN位于用户数据平面,在PDF对策略级的QoS进行协商和授权的过程中,GGSN根据PDF的决定为用户预留满足QoS要求的网络资源,PEP必须对PDF的资源授权请求进行检验,Go接口就是为此而定义。3GPP决定采用OPS-PR(CommonOpenPolicyService-PolicyProvisioning)协议作为Go接口的通信协议。
三、IMS会话控制与媒体控制的绑定过程
        在3GPPIMS网络中,媒体和信令可以使用不同的PDP上下文。3GPPR6中,SBLP通过基于授权令牌(Token)的绑定机制实现承载授权请求和具体会话的业务信息的绑定。对于SDP协商参数与本地网络策略相一致的多媒体会话,PDF将向会话发送授权令牌,以此令牌标识IP多媒体数据流并允许多媒体通信,否则本次SIP发起请求将被拒绝。同时,应用级的QoS请求(SIP中的QoS要求)需要通过一次PDP上下文激活过程映射为承载级的资源预留。基于授权令牌的会话控制与媒体控制的绑定过程如下图所示。
IMS会话控制与媒体控制的绑定过程
具体步骤如下:
(1)、(la)UE通过与GGSN之间已建立的(主)PDP上下文,使用携带SDP单元的SIP信令发起端到端的会话建立请求,在此期间,UE将协商媒体属性;P-CSCF针对新会话,向PDF转发相关的SDP信息,指出会话的发起者,并向PDF申请一个承载资源授权令牌。
(2) Clb)PDF对会话申请的资源进行记录(流标识符、数据速率、QoS类别)和授权,然后生成一个授权令牌(其中包含允许的信息流)返回给P-CSCF;P-CSCF将该授权令牌传递给UE。
(3)C2a)UE使用收到的授权令牌,向GGSN发起(次)PDP上下文激活请求(资源预留)。当UE进行PDP上下文的激活或更改时,必须将SDP参数映射到UMTSQoS参数,作为PDP上下文中的QoSProfile的内容,此外还需要包括PDF分配的授权令牌和流标识符信息(作为绑定信息)。
(4)C2b)GGSN收到承载资源授权请求后,向PDF请求授权,请求中携带授权令牌。
PDF根据授权令牌中的会话ID识别相应的会话,比较收到的绑定信息和存储的授权信息,并返回授权决策。如果绑定信息被验证是正确的,PDF将承载授权的信息告知GGSN,包括:与PDP上下文相关的IPQoS和Packet分类器。GGSN将PDF授权的IPQoS映射为UMTSQoS,并将此UMTSQoS与UEPDP上下文激活或更改所请求的QoS进行比较,如果在PDF的授权范围内则接受UE的PDP上下文激活或更改。
        基于授权令牌的绑定机制能够实现PDF中承载相关的请求和会话信息的快速绑定。但是,基于授权令牌的绑定机制也存在一定的缺点和局限性。当前关于授权令牌机制的规范都假设存在SIP信令专用的PDP上下文,用次PDP上下文来承载IMS的媒体,而激活多个PDP上下文将是对终端资源很大的消耗。尤其是对于仅存在一个PDP上下文的情形,使用基于授权令牌的绑定机制将很难实现策略控制。
四、IMS完整的端到端QoS呼叫建立流程
        在IMS体系中,多媒体会话的创建过程将首先进行QoS资源授权(Authorization)、QoS资源预留(Reservation)和QoS资源批准(Commit)3个环节,以确保多媒体会话所要求的服务质扯。IMS会话建立时,UE通过SOP协议为实时业务、非实时业务请求相应的媒体参数
(编码方案、媒体类和、带宽等)。IMS会话控制根据用户的个人业务/媒体信息以及所应用的本地策略控制进行相应媒体参数的授权。所授权的参数返回给用户终端为建立传输承载作资源预留。针对已被分配QoS资源的授权媒体流,PDF将控制GGSN决定哪些门控需要打开。完整的端到端QoS呼叫建立流程如下图所示(为简化起见,假定主、被叫位于同一个归属网络内,图中省略了S-CSCF、HSS等网络实体)。
完整的端到端QoS呼叫建立流程
        主叫用户终端向P-CSCF发出INVITE消息请求建立会话,SIP消息中包括有关对网络资源的请求心。该INVITE消息通过网络中的CSCF(P-CSCF和S-CSCF)传送至被叫用户终端@。当被叫用户收到INVITE消息后,发回相应的响应消息100Trying@和183Session
Progress@。P-CSCF收到被叫用户终端返回的183SessionProgress响应消息,获取经过协商的SDP信息,识别该会话对网络的QoS要求(带宽、IP地址和使用的端口号等),并将该QoS信息传送到PDF进行鉴权认证@。PDF为会话协商的每一个媒体成分进行授权,并返回一个令牌用来识别该会话对网络的资源请求@。之后,P-CSCF将令牌、流标识号信息加入183SessionProgress消息中并传回主叫用户@,完成对主叫用户的QoS资源授权;同样,根据主叫侧协商的SDP参数,P-CSCF和PDF也会进行有关的基于策略的鉴权并生成对应的令牌@~@。在完成基于策略的QoS鉴权后,主叫用户发出PDP上下文激活请求给GGSN,请求GGSN完成对网络资源的预留@。GGSN收到该PDP上下文激活请求消息后,将有关的信息(包括令牌号、流识别号等)放入策略决定请求消息中通过Go接口传送给PDF®。PDF根据策略决定请求消息中携带的令牌信息确认用户是否有权利使用网络资源@。在策略控制功能确认后,GGSN将向用户回送PDP上下文激活响应消息,通知有关的资源预留已经完成@~@。相对应地,被叫用户侧也会完成同样的工作。
        在被叫用户应答后,被叫用户终端会发出SIP200OK消息给主叫用户@。P-CSCF收到200OK消息后,向PDF发出资源使用批准请求®,PDF批准此次提交的QoS,并通知GGSN将“门“打开为该会话提供网络资源邻。GGSN打开门控后向PDF发送响应消息@,PDF随后命令P-CSCF开始计费@。同样,主叫侧也会完成同样的工作。整个步骤完成之后,用户平面建立起媒体流连接,主被叫终端之间开始交换媒体数据。
详细再一次了解 IMS基于策略的QoS机制