Tài liệu Nghiên cứu kiến trúc, ứng dụng ims và giải pháp triển khai ims tại vnpt

1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP --------------------------------------- NGUYỄN ĐÌNH THU NGHIÊN CỨU KIẾN TRÚC, ỨNG DỤNG IMS VÀ GIẢI PHÁP TRIỂN KHAI IMS TẠI VNPT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên - 2013 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những nước có tốc độ phát triển rất nhanh về viễn thông do có các chính sách cởi mở của nhà nước trong lĩnh vực này, việc này kéo theo sự phát triển nhanh chóng của cơ sở hạ tầng mạng. Các nhà khai thác mạng ở Việt Nam liên tiếp ra đời và tham gia vào thị trường với các trang bị hiện đại đã tạo ra môi trường cạnh tranh sôi động và điều này mang lại nhiều lợi ích cho người dùng. Sự phát triển với tốc độ chóng mặt của các dịch vụ đa phương tiện với yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ cao đã mở ra một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực công nghệ viễn thông. Cùng với đó, sự phát triển nhanh chóng của các mạng di động và cố định, các mạng truyền dẫn qua vệ tinh đã làm nảy sinh các ý tưởng về khả năng hội tụ các mạng này. Đó là khởi nguồn để phân hệ đa truyền thông IP IMS ra đời và phát triển. IMS là một kiến trúc được thiết kế nhằm mục đích chuyển tiếp các dịch vụ đa phương tiện qua các mạng di động và IP, sử dụng cùng một loại giao thức chuẩn cho cả các dịch vụ di động cũng như IP cố định. IMS ban đầu được 3GPP (tổ chức chuẩn hoá các công nghệ mạng thông tin di động tế bào) định nghĩa và phiên bản đầu tiên được thiết kế riêng cho mạng di động để triển khai các ứng dụng IP trên mạng di động 3G. Tuy nhiên, ngày nay các phiên bản kế tiếp của IMS đã được định nghĩa độc lập với phần truy nhập và không còn giới hạn trong phạm vi mạng di động. IMS là sự lựa chọn tối ưu cho việc cung cấp dịch vụ hội tụ và đa phương tiện, cũng như cho phép cung cấp các dịch vụ IP trên cả mạng di động và cố định với QoS được đảm bảo. Tại Việt Nam, VNPT là doanh nghiệp đã và đang cung cấp các dịch vụ mạng NGN cũng nhận thấy nhu cầu phát triển công nghệ hội tụ mạng cố định và di động trong một hạ tầng mạng thống nhất là cần thiết. Xu hướng hội tụ cũng đã hình thành và bắt đầu được thực hiện trên thực tế, sự chuyển hóa mô hình kinh doanh trên mạng Viễn thông đã và đang diễn ra. Nhiều nhà khai thác lớn ở Việt Nam đã có một lượng lớn khách hàng truyền thống và sở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 hữu các mạng truy nhập khác nhau, để cạnh tranh họ mong muốn cung cấp nhiều dịch vụ mới cho khác hàng. Môi trường truyền thông đa dịch vụ là mong muốn của các nhà cung cấp dịch vụ nhằm cung cấp cho khách hàng các dịch vụ phong phú và tiên tiến nhất. Hiện nay, sự hội tụ giữa chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói cũng như sự hội tụ cố định với di động là tiền đề thúc đẩy cho sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ/giải pháp có tính tích hợp cao và điển hình ở đây là giải pháp điều khiển IMS có khả năng hỗ trợ điều khiển chung cho mọi loại hình dịch vụ cũng như liên kết nhà cung cấp nội dung tạo nên sự đa dạng phong phú trong các dịch vụ gia tăng trên nền mạng viễn thông mới. Các nhà khai thác viễn thông lớn ở Việt Nam như VNPT, Vietel.. đang từng bước triển khai các công nghệ này vào mạng của mình. Vậy, đối với Tập đoàn Bưu chính viễn thông Việt Nam việc lựa chọn lộ trình như thế nào, sử dụng giải pháp của hãng nào đang thực sự quan tâm . Với mục đích tìm hiểu, nghiên cứu về phân hệ đa phương tiện IP trong mạng NGN và giải pháp kỹ thuật của các hãng viễn thông trên thế giới, qua đó đánh giá và đề xuất phương án kỹ thuật triển khai phân hệ đa phương tiện IP cho mạng viễn thông của VNPT. Tác giả đã thực hiện bản luận văn có tựa đề “Nghiên cứu kiến trúc, ứng dụng IMS và giải pháp triển khai IMS tại VNPT”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC IMS 1.1 TỔNG QUAN 1.1.1 ĐỊNH NGHĨA IMS IMS (Internet Protocol Mutimedia Subsystem) là thuật ngữ: Phân hệ đa phương tiện giao thức Internet. Các mạng di động và cố định có sự phát triển rất to lớn trong vòng 20 năm qua. Đối với mạng di động, các hệ thống thế hệ đầu tiên (1G) được giới thiệu vào giữa những năm 1980. Các mạng thế hệ này cung cấp các dịch vụ cơ bản cho thuê bao, chủ yếu dựa trên dịch vụ thoại và các dịch vụ liên quan đến thoại. Sang thế hệ thứ 2 (2G), vào những năm 1990, mạng di động cung cấp một số dịch vụ dữ liệu và các dịch vụ bổ sung khác, phức tạp hơn cho thuê bao. Thế hệ thứ 3 (3G) hiện nay, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn nhiều, và cung cấp các dịch vụ đa phương tiện cho thuê bao. Đối với các mạng cố định, mạng PSTN và ISDN chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại và dịch vụ truyền hình. Những năm gần đây, việc bùng nổ các thuê bao và nhu cầu sử dụng Internet. Người dùng có thể sử dụng đường truyền Internet ngày càng cao, ví dụ dùng ADSL. Kết nối Internet cho phép người dùng sử dụng các dịch vụ trao đổi theo thời gian thực: chat, trò chơi trực tiếp, VoIP. Hiện nay, xu hướng hội tụ giữa mạng di động và cố định, cộng với sự bùng nổ về đầu cuối di động. Các thiết bị này tích hợp sẵn nhiều tài nguyên cho các ứng dụng. Các đầu cuối có các ứng dụng luôn kết nối mạng. Đó là một sự phát triển cơ bản của khả năng cung cấp ứng dụng. Các ứng dụng không còn tồn tại riêng biệt ở các thực thể chỉ có giao diện trao đổi thông tin với người dùng mà còn có những trao đổi thông tin ngang hàng (peer-to-peer) với các thực thể khác, ví dụ: chia sẻ duyệt web. Do đó, khái niệm ứng dụng cần được định nghĩa lại. Ứng dụng trên thiết bị không chỉ còn là việc cung cấp giao diện quay phím và thực hiện cuộc gọi cho người dùng. Khả năng kết nối được định nghĩa lại là khả năng thiết lập kết nối ngang hàng dựa trên các thiết bị hỗ trợ giao thức IP. Đây là yếu tố cơ bản cho việc hợp nhất giữa đầu cuối di động và đầu cuối cố định nói riêng, sự hợp nhất di động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 và cố định nói chung. Để các ứng dụng trên nền giao thức IP trao đổi với nhau, chúng ta cần có một cơ chế thích hợp. Mạng thoại hiện nay cung cấp cơ chế này là rất hạn chế. Muốn thiết lập phiên kết nối ngang hàng, mạng thiết lập một kết nối ad-hoc giữa hai đầu cuối thông qua mạng IP. Hạn chế kết nối IP này chỉ đáp ứng với những môi trường một nhà cung cấp dịch vụ trên Internet, một hệ thống đóng; trao đổi giữa các nhà cung cấp dịch vụ là hạn chế. Do đó, chúng ta cần một hệ thống mang tính toàn cầu, hệ thống IMS. IMS cho phép các ứng dụng chạy trên các đầu cuối hỗ trợ giao thức IP có thể dễ dàng thiết lập kết nối ngang hàng điểm - điểm, hoặc kết nối điểm - nhà cung cấp nội dung (peer-to-content). Khái niệm IMS được định nghĩa như sau: “IMS là kiến trúc toàn cầu, độc lập với truy nhập; điều khiển dịch vụ và kết nối dựa trên giao thức IP. Kiến trúc này cho phép cung cấp nhiều loại dịch vụ đa phƣơng tiện tới ngƣời dùng thông qua các giao thức thông dụng trên Internet. ” Khả năng kết hợp giữa tính di động và mạng IP quyết định tới sự thành công của dịch vụ trong tương lai. Hình 1.1 thể hiện khả năng điều khiển dịch vụ, các kết nối IP của kiến trúc IMS, không phụ thuộc vào mạng truy nhập. IMS là công nghệ chính để hiện thực hóa sự thống nhất của các mạng truy nhập. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 Hình 0.1 Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ di động và cố định 1.1.2 TIẾN TRÌNH CHUẨN HOÁ IMS IMS được Dự án hợp tác về viễn thông thế hệ thứ 3 (3GPP – 3rd Generation Partnership Project) giới thiệu đầu tiên trong phiên bản thứ 5 (Release 5) vào tháng 3/2002 với các tính năng xử lý cuộc gọi cơ bản. IMS được mô tả là một cấu trúc chuẩn hóa truy nhập không giới hạn trên nền IP, có khả năng thích ứng với các mạng thoại, số liệu và di động. Cùng với 3GPP, trong năm 2002 3GPP2 cũng đưa ra chuẩn hóa IMS của riêng mình. Về cơ bản 3GPP IMS và 3GPP2 là giống nhau tuy nhiên giữa chúng cũng có một vài khác biệt như là giải pháp tính cước hay hỗ trợ các phiên bản IP. Đầu năm 2004, 3GPP tiếp tục chuẩn hóa IMS với Release 6. Phiên bản này tập trung sửa chữa các thiếu sót ở Release 5 (tính cước, quản lý chất lượng dịch vụ) và bổ sung một số đặc tính mới (hỗ trợ truy nhập từ các mạng khác nhau). Release 6 được hoàn thành vào tháng 3/2005. Những kết quả chuẩn hóa IMS trong Release 6 của 3GPP được ETSI TISPAN sử dụng để thực hiện chuẩn hóa phiên bản NGN R1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 Đây được coi như một sự khởi đầu cho hội tụ cố định - di động trong IMS. Release 7 được 3GPP chuẩn hóa theo 3 pha và được hoàn thiện vào khoảng tháng 3 – 9/2007 hỗ trợ cho truy nhập với mạng băng rộng cố định. Tháng 6/2007, ETSI TISPAN kết hợp với 3GPP để tiếp tục chuẩn hóa xây dựng cấu trúc mạng IMS chung nhằm hỗ trợ các kết nối cố định và các dịch vụ mới như IPTV. Cấu trúc này được chuẩn hóa bắt đầu từ phiên bản Release 8. Hiện nay phiên bản này vẫn đang được tiếp tục hoàn thiện. Đầu năm 2008 phiên bản Release 9 bắt đầu được chuẩn hóa với một số tính năng như: Giải pháp cho dịch vụ thoại và video trong miền chuyển mạch kênh, tính năng hỗ trợ di động WiMAX - LTE, WiMAX – UMTS. Ngoài 02 tổ chức chuẩn hóa trên, Liên minh Di động mở OMA (Open Mobile Alliance) cũng đóng vai trò quan trọng trong tiến trình phát triển các dịch vụ IMS. Tuy nhiên, trong khi 3GPP và 3GPP2 tiếp tục phát triển và chuẩn hóa kiến trúc lõi IMS, xây dựng các dịch vụ cơ bản IMS như là thoại, video và dịch vụ hội nghị, thì OMA tập trung phát triển sáng tạo, thiết kế nhiều ứng dụng và dịch vụ khác nhau trên đỉnh của kiến trúc IMS. 1.1.3 LỢI ÍCH CỦA IMS IMS, tạm dịch là hệ thống con đa phương tiện IP, không đơn thuần là một nền tảng dịch vụ (service plaftorm) mà là một kiến trúc mạng dùng để thao tác, quản lý và điểu khiển các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng cố định và di động. IMS định nghĩa một lớp quản lý dịch vụ chung cho tất cả các loại hình dịch vụ đa phương tiện, độc lập với loại hình mạng truy nhập mà người dùng đang kết nối. IMS xây dựng trên nền mạng lõi IP và cho phép nhiều mạng truy nhập khác, bao gồm cả mạng di động lẫn mạng cố định, kết nối với nhau thông qua lớp dịch vụ chung để cung cấp các gói dịch vụ hội tụ. 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. Một cách cụ thể, IMS là một mạng phủ (overlay), phân phối dịch vụ trên nền hạ tầng chuyển nối gói. IMS cho phép chuyển dần từ mạng chuyển nối mạch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 sang chuyển nối 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 dùng cùng một dịch vụ. Kiến trúc IMS cung cấp nhiều giá trị 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 phí thấp. IMS cung cấp khả năng tính cước phức tạp hơn nhiều so với hệ thống tài khoản trả trước hay trả sau. IMS hứa hẹn mang đến nhiều dịch vụ đa phương tiện, giàu bản sắc theo yêu cầu và sở thích của từng khách hàng, do đó tăng sự trải nghiệm của khách hàng (customer experience). Với IMS, nhà cung cấp mạng sẽ không chỉ làm công tác vận tải thông tin một cách đơn thuần mà trở thành tâm điểm trong việc phấn phối dung lượng thông tin trong mạng, 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. Như vậy 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. 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, văn bản và dữ liệu. Các dịch vụ dựa trên IMS có thể được phân chia thành ba loại sau: • Dịch vụ Non real time như dịch vụ tin nhắn đa phương tiện và phân phối nội dung đa phương tiện. • Dịch vụ Near real time ví dụ như Push to talk qua mạng thông tin di động tế bào và dịch vụ chơi Game. • Dịch vụ Real time như thoại, audio/video, hội nghị dựa trên nền chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 mạch gói. 1.1.4 ĐỘNG LỰC TRIỂN KHAI NGN-IMS Đứng từ viễn cảnh công nghệ, NGN dựa trên một kiến trúc mới. Với mạng chuyển mạch gói cho phép tách biệt tầng truyền tải và tầng điều khiển. Mạng truyền tải dựa trên công nghệ IP, với khả năng hỗ trợ cho tất cả các loại dịch vụ, sử dụng công nghệ MPLS để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Mạng truy nhập của NGN là mạng truy nhập băng rộng hỗ trợ truy nhập dịch vụ thoại, dữ liệu và nhiều dịch vụ khác. Truy nhập băng rộng có thể sử dụng thông qua hệ thống truy nhập cố định như DSL, cáp quang hay truy nhập vô tuyến băng thông rộng. Tại tầng dịch vụ, kiến trúc mạng NGN cho phép thuê bao truy nhập tới bất kì dịch vụ nào thông qua mạng thuê bao hay nhà cung cấp dịch vụ. Hơn nữa, NGN giới thiệu phương thức truy nhập dịch vụ thông qua bất kì mạng truy nhập hay thiết bị nhờ sự chuyển vùng của mạng di động hiện tại. Các doanh nghiệp kinh doanh dịch vụ viễn thông nên tập trung đầu tư xây dựng kiến trúc mạng NGN nhằm : a) Đầu tư vào NGN để tiết kiệm chi phí Đối với kiến trúc mạng truyền thống như PSTN/ISDN đòi hỏi hạ tầng mạng riêng từ truy nhập đến điều khiển, một hệ thống quản lý/tính cước độc lập. Như vậy trong hạ tầng mạng bao gồm rất nhiều chủng loại thiết bị, dẫn đến chi phí vận hành bảo dưỡng, hệ thống hoạt động không hiệu quả. Nếu xây dựng hạ tầng mạng NGN – IP hóa hoàn toàn có thể giảm được số chủng loại thiết bị- tiết kiệm chi phí vận hành bảo dưỡng, hơn nữa các thiết bị mới nhiều tính năng hơn. Như vậy chi phí cho toàn bộ hệ thống giảm. b) Đầu tư để tăng doanh thu thông qua việc cung cấp các dịch vụ mới Kiến trúc NGN-IMS cho phép triển khai một loạt các dịch vụ mới có thể thay thế doanh thu từ dịch vụ thoại. Dịch vụ thoại sẽ truyền qua hệ thống VoIP, kết hợp với hình ảnh, hội thảo truyền hình với chất lượng cao đáp ứng nhu cầu khách hàng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Chức năng đa truy nhập vốn có trong kiến trúc IMS. Nếu điều này được mở rộng ra với sự điều khiển việc nhận biết truy nhập và logic dịch vụ cho các dịch vụ đa phương tiện, thì IMS cung cấp một cách cho các nhà khai thác di động và cố định cuối cùng phân phối đúng nghĩa hội tụ cố định - di động. Điều này sẽ cho phép các dịch vụ được phân phối có thể thích ứng với các đặc tính và khả năng của thiết bị được lựa chọn hiện tại và phương thức truy nhập mạng của nó Việc triển khai NGN-IMS mở rộng khả năng cung cấp dịch vụ cho nhiều khách hàng mà không bị giới hạn công nghệ truy nhập, địa lý. Khách hàng tại các thành phố lớn được cung cấp hệ thống truy nhập với băng thông lớn, đa dạng công nghệ truy nhập. Thực hiện mục tiêu “truy nhập mọi nơi” và hội tụ di động – cố định. 1.2 CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT TRONG HỆ THỐNG MẠNG Có thể thấy rằng mục tiêu xây dựng mạng IMS nhằm: Tổ hợp các xu hướng công nghệ mới nhất; Hiện thực Internet di động; Tạo cơ sở hạ tầng chung để triển khai nhiều dịch vụ đa phương tiên; Tạo một cơ chế tăng lợi nhuận nhờ việc bổ sung dịch vụ trên mạng di động. Để đạt được mục tiêu đó 3GPP đưa ra 6 yêu cầu cơ bản cho mạng lõi IMS như sau: Hỗ trợ thiết lập các phiên đa phương tiện IP; Hỗ trợ cơ chế thoả thuận chất lượng dịch vụ QoS; Hỗ trợ tính năng liên mạng với các mạng Internet và mạng chuyển mạch kênh; Hỗ trợ chuyển vùng (roaming); Hỗ trợ điều khiển dịch vụ phân phối đến khách hàng; Hỗ trợ nhanh chóng khởi tạo dịch vụ mà không yêu cầu phải hợp chuẩn. 1.2.1 THIẾT LẬP CÁC PHIÊN ĐA PHƢƠNG TIỆN IP IMS có thể phân phát nhiều dịch vụ trong đó có cả dịch vụ truyền thông audio và video. Yêu cầu là cần thiết để IMS hỗ trợ cung cấp các phiên đa phương tiện trên các mạng chuyển mạch gói. Các truyền thông đa phương tiện trước đây cũng đã được 3GPP chuẩn hóa trong các phiên bản trước, tuy nhiên nó có thiên hướng cho mạng chuyển mạch kênh chứ không phải dành cho mạng chuyển mạch gói. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 1.2.2 QUẢN LÝ ĐẢM BẢO CHẤT LƢỢNG DỊCH VỤ - QoS Một yêu cầu đặc biệt quan trọng của IMS đó là phải có khả năng cho phép đầu cuối người dùng (UE) thỏa thuận một mức QoS xác định. QoS của một phiên giao dịch được xác định bởi tập các hệ số, như là tốc độ bít, cỡ gói, kiểu dữ liệu, băng thông lớn nhất… mà hệ thống có thể phân bổ tới người dùng dựa trên thông tin khách hàng hay năng lực hiện tại của mạng. Sau khi thỏa thuận các thông số tại mức ứng dụng nhất định, UE thực hiện chiếm dụng tài nguyên tương ứng trong môi trường mạng. Khi kết nối end-to-end QoS được thiết lập, UE mã hóa và đóng gói các kiểu dữ liệu với giao thức tương ứng và gửi chúng tới mạng truyền tải và truy nhập thông qua giao thức lớp truyền tải dựa trên nền IP. IMS cũng cho phép các nhà khai thác điều khiển mức QoS đến người dùng chính vì lẽ đó các nhà khai thác có thể phân loại khách hàng của mình thành các nhóm khác nhau. 1.2.3 HỖ TRỢ LIÊN MẠNG Yêu cầu liên kết với Internet là bắt buộc trong xây dựng cấu trúc khung làm việc của IMS, với việc liên kết với Internet, số lượng tiềm năng nguồn và đích cho các phiên đa phương tiện sẽ tăng đột ngột. IMS cũng được yêu cầu liên kết tới các mạng chuyển mạch kênh như là PSTN hoặc các mạng di động tế bào. Các đầu cuối IMS hỗ trợ audio/video sẽ được ra mắt đầu tiên trên thị trường, các đầu cuối này có thể kết nối tới cả các mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. Khi người dùng muốn thực hiện một cuộc gọi tới một thuê bao PSTN hoặc thuê bao di động, các đầu cuối IMS lựa chọn trong miền chuyển mạch kênh. Chính vì vậy, vấn đề liên mạng với một mạng chuyển mạch kênh không được yêu cầu nghiêm ngặt lắm mặc dù phần lớn các đầu cuối IMS cũng sẽ hỗ trợ miền chuyển mạch kênh. Vấn đề liên kết với các mạng chuyển mạch kênh có thể xem như là một yêu cầu về lâu về dài. Thông thường vấn đề liên mạng với mạng chuyển mạch kênh chỉ đòi hỏi khi mà các đầu cuối IMS chỉ thích ứng với mạng chuyển mạch gói. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 1.2.4 CHUYỂN VÙNG Chuyển vùng là nhu cầu chung từ các mạng di động tế bào thế hệ 2 khi mà thuê bao phải chuyển vùng sang các mạng khác (ví dụ như khi thuê bao đi du lịch ra nước ngoài). Đây là yêu cầu thiết yếu và đương nhiên hệ thống IMS được thừa hưởng yêu cầu này, cho phép khách hàng chuyển vùng khi di chuyển đến các quốc gia khác tất nhiên điều này chỉ được thực hiện khi có sự thỏa thuận giữa các nhà khai thác tại mạng chủ và khách. 1.2.5 ĐIỀU KHIỂN DỊCH VỤ Thông thường các nhà khai thác muốn áp đặt các chính sách để phân phối dịch vụ tới khách hàng. Về cơ bản có 2 loại chính sách như sau: - Chính sách chung áp dụng cho tất cả khách hàng. - Chính sách riêng cho từng khác hàng đặc biệt. Chính sách đầu tiên bao gồm một tập những hạn chế mà áp dụng tới tất cả người dùng trong mạng. Ví dụ nhà khai thác muốn hạn chế băng thông tín hiệu thoại thông qua sử dụng mã hóa thoại có băng thông thấp như AMR (Quy định trong chuẩn 3GPP TS 26.071) chứ không dùng chuẩn mã hóa thoại băng rộng G.711 (Chuẩn mã hóa của ITU-T 64 Kbps) trong mạng của họ. Chính sách thứ 2 bao gồm một tập các chính sách mà chỉ bó buộc trong từng người dùng nhất định. Ví dụ như một khách hàng nào đó mà trong bảng đăng kí sử dụng dịch vụ IMS nhưng không sử dụng dịch vụ video. Trong trường hợp họ cố gắng khởi tạo một phiên đa phương tiện mà có dịch vụ video thì nhà khai thác thực hiện ngăn cản quá trình thiết lập phiên đó mặc dù phần lớn các đầu cuối IMS đều hỗ trợ tính năng cung cấp dịch vụ video. Chính sách này là tuân theo cơ sở bản đăng ký sử dụng dịch vụ của người dùng với nhà cung cấp. 1.2.6 TẠO DỊCH VỤ NHANH CHÓNG VÀ ĐA TRUY NHẬP Yêu cầu này có tác động lớn trong việc thiết kế cấu trúc của hệ thống IMS, nó chỉ ra rằng các dịch vụ IMS không cần thiết phải được chuẩn hóa. Điều này đánh dấu một mốc quan trọng trong việc thiết kế mạng di động tổ ong bởi vì trước đây mỗi một dịch vụ đơn lẻ hoặc là cần chuẩn hóa hoặc có đăng ký độc quyền. Ngay cả Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 khi dịch vụ đã được chuẩn hóa thì không có gì có thể đảm bảo rằng dịch vụ vẫn tiếp tục duy trì khi mà người dùng chuyển vùng sang mạng khác. Một ví dụ điển hình mọi người thường thấy trong mạng GSM là các cuộc gọi có thể bị chuyển tới hộp thư thoại khi mà người dùng di chuyển tới một quốc gia khác. Mục đích của IMS giảm thời gian để đưa ra một dịch vụ mới. Trước đây việc chuẩn hóa dịch vụ và thực hiện kiểm tra năng lực dịch vụ là nguyên nhân gây trễ đáng kể. Với IMS để giảm thời gian này, người ta chuẩn hóa các năng lực dịch vụ thay cho việc chuẩn hóa dịch vụ như trước đây. IMS cũng chỉ là một mạng IP và nó giống với bất kỳ mạng IP nào khác. Nó làm việc ở lớp thấp và có truy nhập độc lập. Bất kỳ mạng truy nhập nào cũng có thể kết nối tới IMS. Ví dụ như là kết nối từ mạng truy nhập vô tuyến nội hạt WLAN, từ ADSL, HFC hoặc truy nhập từ modem. 1.3 KIẾN TRÚC IMS Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp (Hình 1.2): lớp ứng dụng, lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS hay IMS lõi) và lớp vận tải (hay lớp người dùng). - Lớp ứng dụng bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server). - Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi. - 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. Tại thời điểm hiện tại, kiến trúc cuối cùng của IMS chưa được thống nhất. Tuy nhiên về cơ bản nó sẽ vẫn dựa trên các thành phần như miêu tả trong hình 1.2. Một điểm đáng lưu ý là kiến trúc IMS là một kiến trúc chức năng, tức là các thực thể được định nghĩa dựa theo các chức năng của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể được thiết kế trong cùng một thiết bị phần cứng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 Hình 1.2 Kiến trúc IMS Trong IMS các chức năng và thực thể liên quan với nhau có thể được chia làm sáu loại tổng quan như sau: 1. Nhóm định tuyến và quản lý phiên (CSCFs) 2. Nhóm cơ sở dữ liệu (HSS, SLF) 3. Nhóm các chức năng dịch vụ (server ứng dụng, MRFC, MRFP) 4. Nhóm các chức năng tương tác mạng (BGCF, MGCF, IMS-MGW, SGW) 5. Nhóm các chức năng hỗ trợ (PDF , SEG, TIHG) 6. Nhóm tính cước 1.3.1 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN PHIÊN CUỘC GỌI CSCF Phần quan trọng nhất của IMS nằm trong các chức năng này, nó làm nhiệm vụ điều khiển phiên cuộc gọi (thiết lập, duy trì và kết thúc phiên). Các chức năng này có thể phân tán hoặc tập trung trong mạng. Có ba thực thể được định nghĩa và chịu trách nhiệm cho điều khiển phiên cuộc gọi như hình 1.3: - P-CSCF chức năng điều khiển phiên cuộc gọi uỷ quyền - I-CSCF chức năng điều khiển phiên cuộc gọi tương tác - S-CSCF chức năng điều khiển phiên cuộc gọi phục vụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 15 Sự khác nhau giữa các thực thể này nằm trong các thủ tục để đạt mục đích mà chúng thực hiện. Mỗi thực thể hoạt động giống như một stateful proxy (mặc dù chúng có thể là stateless); vì vậy thực thể duy trì chi tiết về tất cả các phiên trong tiến trình cũng như trạng thái đăng ký của thiết bị thuê bao. Sự phân chia ba chức năng này thành các thực thể riêng biệt cũng tạo ra cảm giác cho mục đích an toàn. Có các chức năng bảo an đặc biệt được định nghĩa cho mỗi CSCF mà phù hợp cho kiến trúc phân tán. P - CSCF I - CSCF S - CSCF Hình 1.3 Lõi IMS và các CSCF Sau đây ta xem xét cụ thể 3 chức năng trên. 1.3.1.1 Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi ủy quyền P-CSCF là điểm kết nối, giao tiếp đầu tiên của các thuê bao trong hệ thống IMS. Có nghĩa là tất cả lưu lượng báo hiệu SIP từ UE sẽ được gửi tới P-CSCF. Ngược lại, tất cả các kết cuối báo hiệu SIP từ mạng được gửi từ P-CSCF tới UE. Bốn chức năng cơ bản của P-CSCF bao gồm: nén SIP, kết hợp bảo mật IP (IPSec), tương tác với chức năng quyết định chính sách (PDF) và xác định phiên khẩn cấp. Giao thức SIP là giao thức báo hiệu chứa lượng lớn các tham số mào đầu, bao gồm cả các thông tin mở rộng và thông tin liên quan tới bảo mật. Kích thước các bản tin của SIP thường lớn hơn so với các phương thức mã hoá nhị phân. Để làm rút ngắn thời gian thiết lập phiên, 3GPP uỷ thác việc hỗ trợ nén SIP được thực hiện giữa UE và P-CSCF. P-CSCF cần nén các bản tin nếu UE thông báo rằng nó muốn nhận các bản tin báo hiện nén. P-CSCF chịu trách nhiệm cho duy trì Kết nối bảo mật (SA) và sử dụng sự bảo vệ tính nhất quán và bảo mật cho báo hiệu SIP. Công việc này được thực hiện trong suốt quá trình đăng ký SIP khi UE và P-CSCF thực hiện thỏa thuận bảo mật IPSec. Sau kết thúc sự đăng ký khởi tạo, P-CSCF có thể áp dụng sự bảo vệ toàn vẹn một cách tin cậy cho báo hiệu SIP. P-CSCF có nhiệm vụ chuyển tiếp phiên và thông tin truyền thông liên quan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 16 tới PDF khi nhà khai thác muốn áp dụng chính sách cục bộ cho dịch vụ cơ bản (SBLP). Dựa vào thông tin đã nhận được, PDF xác định thông tin QoS IP đã trao quyền sẽ được gửi đến GGSN khi GGSN cần thực hiện chính sách SBLP trước khi kích hoạt ngữ cảnh PDP thứ hai. Ngoài ra, dựa vào PDF, IMS có thể chuyển thông tin liên quan tới tính cước IMS cho mạng GPRS; tương tự, IMS thông qua PDF có thể nhận được thông tin liên quan tới tính cước GPRS từ mạng GPRS. Điều này cho phép ghép các bản ghi số liệu cước từ mạng IMS và mạng GPRS trong hệ thống lập hoá đơn. Các phiên khẩn cấp IMS chưa chuẩn hóa (các công việc này sẽ được tiến hành trong Release 7). Do vậy, mạng IMS sẽ phát hiện các yêu cầu phiên khẩn cấp và hướng dẫn UE của UMTS dùng mạng CS để thực hiện các phiên khẩn cấp đó. Việc phát hiện các phiên gọi khẩn cấp là nhiệm vụ của P-CSCF. Chức năng này sẽ vẫn được sử dụng ngay cả khi các phiên IMS khẩn cấp được hỗ trợ như trong các trường hợp chuyển vùng. Chức năng chuẩn hóa trong Release 7 cho phép P-CSCF có thể lựa chọn một CSCF khẩn để sử dụng phiên khẩn cấp. Sự lựa chọn này là cần thiết vì trong các trường hợp IMS chuyển vùng, S-CSCF đã được phân công trong mạng thường trú và CSCF thường trú không thể gửi một yêu cầu chính xác tới trung tâm khẩn cấp. Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối. Địa chỉ của P-CSCF được truy cập thông qua giao thức DHCP hoặc sẽ được cung cấp khi người dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP (Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động. Chức năng của P-CSCF bao gồm: - P-CSCF nằm trên đường truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu trong hệ thống IMS. Nó có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào. P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo truyền tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE. - P-CSCF xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị IMS của người dùng. Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 17 (bắt chước), replay (lặp lại) để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng. - P-CSCF cũng có thể nén và giải nén các thông điệp SIP để giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp. - P-CSCF có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện. - P-CSCF cũng tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ. 1.3.1.2 Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi tƣơng tác mạng Interrogating-CSCF (I-CSCF) trong hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ là điểm liên lạc cho tất cả các kết nối hướng đến một UE nằm trong mạng đó. Địa chỉ IP của I-CSCF được công bố trong máy chủ DNS của hệ thống. Chức năng của I-CSCF bao gồm: - Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến SCSCF tương ứng. Để làm được điều này, I-CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông qua DIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng. Nếu như chưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCF cho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP. - Ngược lại, I-CSCF sẽ định tuyến thông điệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác, hoặc tới một AS trong mạng. - Cung cấp chức năng TIHG để ẩn đi cấu hình mạng. 1.3.1.3 Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi phục vụ Serving-CSCF (S-CSCF) là một nút trung tâm của hệ thống báo hiệu IMS. SCSCF vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng nó bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ. Các chức năng chính của S-CSCF bao gồm: - Tiến hành các đăng ký SIP nhằm thiết lập mối liên hệ giữa địa chỉ người dùng (địa chỉ IP của thiết bị) với địa chỉ SIP. S-CSCF đóng vai trò như một máy chủ Registor (đăng ký) trong hệ thống SIP. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 18 - S-CSCF tham gia trong tất cả các quá trình báo hiệu từ hệ thống IMS về người dùng. Nó có thể kiểm tra bất kỳ thông điệp nào nếu muốn. - S-CSCF giữ vai trò quyết định chọn lựa AS nào sẽ cung cấp dịch vụ cho người dùng. Nó giữ vai trò định tuyến dịch vụ thông qua việc sử dụng giải pháp DNS/ENUM (Electronic Numbering). S-CSCF thực hiện các chính sách của nhà cung cấp dịch vụ. S-CSCF tương tác với máy chủ AS để yêu cầu các hỗ trợ dịch vụ cho khách hàng. S-CSCF liên lạc với HSS để lấy thông tin, cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng và tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ (gửi thông tin liên quan tới tính cước tới hệ thông tính cước online cho mục đích tính cước). 1.3.2 CƠ SỞ DỮ LIỆU Có hai cơ sở dữ liệu trong IMS đó là: HSS và SLF (server thuê bao thường trú và chức năng định vị thuê bao). HSS là số liệu chính lưu trữ toàn bộ thuê bao, số liệu liên quan tới dịch vụ của IMS. Dữ liệu chính được lưu trữ trong HSS gồm nhận dạng người dùng, thông tin đăng ký, tham số truy nhập và thông tin servicetriggering. Nhận dạng người dùng gồm có hai kiểu: nhận dạng người dùng bí mật là nhận dạng được gán bởi nhà cung cấp mạng và dùng vào mục đích như đăng ký và trao quyền; nhận dạng người dùng công khai là nhận dạng mà người dùng khác sử dụng để liên lạc với người dùng mong muốn. Các tham số truy nhập IMS được dùng để cài đặt các phiên chúng gồm có: nhận thực người dùng, quyền chuyển vùng và tên của S-CSCF được chỉ định. Thông tin service-triggering cho phép thực thi dịch vụ SIP. HSS cũng cung cấp các yêu cầu đặc trưng người dùng (user-specific) thay thế cho các khả năng của S-CSCF. Thông tin này được dùng bởi I-CSCF để lựa chọn SCSCF phù hợp cho người dùng. Ngoài ra HSS còn chứa chức năng HLR/AUC để cung cấp cho PS/CS domain. Cấu trúc của HSS như trong hình 1.4. Truyền thông giữa các chức năng HSS khác nhau không được chuẩn hoá. HLR cho phép các thuê bao truy cập tới các dịch vụ miền PS và CS hỗ trợ chuyển vùng đối với GSM/UMTS. AUC lưu khoá bí mật cho mỗi thuê bao di động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 19 được dùng để tạo ra số liệu bí mật động cho mỗi thuê bao di động. Nó được sử dụng cho nhận thực qua lại giữa mạng và IMSI. Nó còn dùng cho bảo vệ tính toàn vẹn và mã hóa thông tin trên đường vô tuyến giữa UE và mạng. Có thể có nhiều hơn một HSS trong mạng tuỳ thuộc số lượng thuê bao di động và khả năng thiết bị và tổ chức mạng. Có nhiều điểm tham khảo giữa HSS và các thực thể mạng khác. HLR/AUC Functionality for CS HLR/AUC Functionality for PS IP multimedia functionality HSS Hình 1.4 Cấu trúc của HSS SLF được dùng như một cơ chế chuyển đổi cho phép I-CSCF, S-CSCF và AS tìm địa chỉ của HSS lưu trữ số liệu thuê bao để lấy nhận dạng thuê bao khi có nhiều HSS được triển khai bởi nhà cung cấp mạng. 1.3.3 CÁC CHỨC NĂNG DỊCH VỤ 1.3.3.1 Chức năng của AS - Khả năng xử lý và tác động một phiên SIP đi vào nhận được từ IMS - Có khả năng tạo các yêu cầu SIP - Gửi thông tin tính cước tới chức năng tính cước. Kiến trúc dịch vụ như chỉ ra trong hình 1.5, các nhà cung cấp có khả năng đưa ra truy nhập tới các dịch vụ dựa trên các ứng dụng được khách hàng hoá cho logic được tăng cường mạng di động (camel) môi trường dịch vụ CSE và kiến trúc dịch vụ mở OSA cho các thuê bao IMS. Vì vậy AS là thuật ngữ được dùng chung để chỉ AS SIP, server có khả năng phục vụ OSA và chức năng chuyển mạch dịch vụ đa phương tiện IP camel (IM-SSF). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 20 OSA AS Camel Service Environment OSA API SIP AS OSA SCS SIP CAP IM - SSF AS SIP S - CSCF Hình 1.5 Mối quan hệ giữa các kiểu AS khác nhau Các dịch vụ được cung cấp trên một AS được nhận ra bởi các nhận dạng dịch vụ (service identifiers) tương đương như đánh địa chỉ cho dịch vụ. Phù hợp với các chỉ mục trong HSS nơi mà người dùng đã đăng ký. Điều này làm cho S-CSCF định tuyến chính xác tới AS yêu cầu. 1.3.3.2 Các chức năng tài nguyên phƣơng tiện- MRF MRFC và MRFP kết hợp với nhau để cung cấp các dịch vụ bear như: thoại hội nghị, tạo tone, văn bản chuyển thành thoại, phát hiện tone, nhận dạng thoại tự động ASR, fax, điều khiển kết nối và thông báo. MRFC làm nhiệm vụ xử lý truyền thông SIP tới và từ S-CSCF và điều khiển MRFP. MRFP đáp trả lại bằng cung cấp tài nguyên lớp người dùng (user plane) mà được yêu cầu và chỉ đạo bởi MRFC. MRFP thực hiện các chức năng sau: - Trộn các luồng thông tin đến. (đối với truyền thông đa thực thể) - Nguồn luồng phương tiện. (cho các thông báo đa phương tiện) - Luồng đa phương tiện đang xử lý (ví dụ chuyển đổi mã tiếng, các phân tích đa phương tiện) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn