Tài liệu Nghiên cứu và phát triển chức năng hss và slf cho kiến trúc ims

Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN đang là xu hướng 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 Multmdia Subsystem (IMS) là một trong những kiến trúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó. 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. IMS đồng thời cũng 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. Viện FOKUS ( Fraunhofer Institute for Open Communication Systems) đã đưa ra dự án OpenIMS. Đây là một dự án mã nguồn mở xây dựng mạng lõi IMS, rất phù hợp cho việc nghiên cứu IMS của sinh viên. Trong thời gian thực tập tài phòng Lab C9-411 của bộ môn kỹ thuật thông tin, được sự hướng dẫn của TS Nguyễn Tài Hưng, tôi đã chọn đề tài tốt nghiệp cho mình “Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS”. Đề tài liên quan nhiều đến thông tin người dùng và các dịch vụ của nhà cung cấp. Đây là những vấn đề lớn, rất quan trọng trong một mạng viễn thông. Qua đây tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Tài Hưng, TS Nguyễn Hữu Thanh và TS Nguyễn Văn Tiến đã giúp đỡ nhiệt tình cho cá nhân tôi cũng như tất cả các bạn sinh viên tại phòng Lab C9-411 hoàn thành đồ án của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 21 tháng 05 năm 2008 Sinh viên: Đào Anh Hà TÓM TẮT ĐỒ ÁN Xu hướng hội tụ mạng internet mạng di động và mạng điện thoại cố định đang ngày một trở nên cần thiết và được chú trọng. Phân hệ IMS ra đời như là một kiến trúc để đạt được mục đích đó. Việc nghiên cứu và phát triển các chức năng của khối HSS và SLF trong kién trúc IMS có ý nghĩa quan trọng trong hoạt động của mạng IMS. Khối HSS chứa toàn bộ thông của tin người dùng gắn liền với các thông tin dịch vụ. Do vậy đồ án của tôi tập trung nghiên cứu lý thuyết và có mô phỏng trên thực tế về các phần sau: • Thông tin người dùng: Nghiên cứu cấu trúc của thông tin người dùng trong IMS Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 1 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS • Giao thức Diameter: Là giao thức bao trùm lên hầu hết các hoạt động của khối HSS như: quá trình đăng ký, chứng thực, cấp quyền, tính cước, khởi tạo cuộc gọi của người dùng… Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 2 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS ABSTRACT Nowadays, the tendency of converging the Internet and the Cellular Worlds not only becomes more and more essential. Therefore, IMS architecture is created to achieve this goal. Researching and developing HSS and SLF functions take important role in IMS operation. In addition, HSS contains complete user and service profiles. As a result, my thesis is concentrated on studying about following theories and practical simulations: • User information: Researching about the structure of user profiles in IMS architecture • Diameter protocol: a crucial protocol used in almost HSS activities including registering, authentication, authorization, accounting, initiating user call… Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 3 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU......................................................................................................1 TÓM TẮT ĐỒ ÁN..............................................................................................1 ABSTRACT.........................................................................................................3 MỤC LỤC............................................................................................................4 DANH SÁCH HÌNH VẼ......................................................................................5 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT.............................................................................5 Chương 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI..........................................................................8 Chương 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC IMS.......................................................9 Chương 2 GIAO THỨC HỖ TRỢ CHỨNG THỰC, CẤP QUYỀN, TÍNH CƯỚC TRONG IMS...........................................................................................28 Chương 3 PHẦN MỀM OPENIMS...................................................................60 Chương 4 CÁC MÔ PHỎNG ............................................................................67 KẾT LUẬN........................................................................................................75 PHỤ LỤC...........................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................78 Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 4 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS DANH SÁCH HÌNH VẼ Chương 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI..........................................................................8 Chương 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC IMS.......................................................9 Chương 2 GIAO THỨC HỖ TRỢ CHỨNG THỰC, CẤP QUYỀN, TÍNH CƯỚC TRONG IMS...........................................................................................28 Chương 3 PHẦN MỀM OPENIMS...................................................................60 Chương 4 CÁC MÔ PHỎNG ............................................................................67 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Dự án cộng tác mạng thế hệ thứ 3 Partnership Project AAA Authentication Authorization Accounting Chứng thực, cấp quyền, tính cước AS Application Server Máy chủ ứng dụng AuC Authetication Center Trung tâm nhận thực AVP Atribute Value Pair Cặp giá trị thuộc tính CSCF Call/Session Function Khối chức năng điều khiển phiên và cuộc gọi DNS Domain Name System FQDN Fully Qualified Domain Tên miền đủ điểu kiện Control Hệ thống tên miền Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 5 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Name GGSN Getway GPRS Suport Cổng hỗ trợ nút GPRS Node GPRS General Packet Radio Dịch vụ chuyển gói rộng khắp qua sóng vô Service tuyến HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí máy chủ HSS Home Subcriber Server IANA Internet Assigned Tổ chức cấp phát số hiệu internet Numbers Authority IETF Internet Engineering Lực lượng quản lý kỹ thuật Task Force IFC Initial Filter Criteria IMS IP Multimedia Phân hệ IP đa phương tiện Subsystem IMSI International Mobile Nhận dạng thuê bao di động quốc tế Subscriber Identity IP Internet Protocol Giao thức mạng IPsec Internet security Giao thức bảo mật mạng ITU International Telecommunication Union MRF Media Resource Funtion Chức năng tài nguyên media MSC Mobile Center PDF Policy Function RADIUS Remote Authentication Dịch vụ chứng thực cuộc gọi người dùng từ xa Dial In User Service RTP Real-Time Protocol SDP Session Protocol SGSN Serving GPRS Support Nút hỗ trợ phục vụ GPRS Node SIP Session Protocol Protocol Switching Decision Transport Description Initiation Máy chủ thuê bao Tiêu chuẩn sàng lọc ban đầu Hiệp hội viễn thông quốc tế Trung tâm chuyển mạch di động Khối chức năng giải quyết chính sách Giao thức vận chuyển thời gian thực Giao thức mô tả phiên Giao thức khởi tạo phiên Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 6 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS SLF Subcriber Function Location SP Service Point Điểm dịch vụ TP Triger Point Điểm kích hoạt dịch vụ UMTS Universal Mobile Telecommunication Hệ thống viễn thông di động quốc tế System Khối chức năng vị trí thuê bao Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 7 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Chương 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 0.1 Tầm quan trọng của đề tài Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đặc biệt là trong lĩnh vực viễn thông, các dịch vụ được phát triển ngày càng trở nên phong phú, đa dạng. Sự ra đời và phát triển nhanh chóng của Internet càng tạo ra nền tảng cho việc phát triển cho rất nhiều dịch vụ. Với mong muốn kết hợp các dịch vụ Internet và các dịch vụ di động truyền thống, các nhà phát triển đã không ngừng nghỉ trong việc sáng tạo ra các kiến trúc mạng mới, các công nghệ mới nhằm thực hiện mục đích này. Sự ra đời của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng 3G chính là bước phát triển quan trọng trong quá trình hợp nhất các dịch vụ đó. Việc quản lý các dịch vụ, đưa dịch vụ đến với người dùng, quản lý thông tin người dùng, tính cước… có vai trò quan trọng trong quá trình triển khai IMS. Thông tin người dùng phải được xây dựng sao cho có thể dễ dàng xác lập và thay đổi các gói dịch vụ khác nhau cho từng người dùng tùy theo nhu cầu. Cấu trúc thông tin người dùng phải đồng nhất cho nhiều loại thiết bị đầu cuối khác nhau. Vấn đề an ninh, bảo mật, chứng thực, cấp quyền, tính cước cũng cần được quan tâm một cách kỹ lưỡng. Bởi lẽ trong hoàn cảnh hiện nay khi công nghệ thông tin phát triển như vũ bão thì đi kèm với nó cũng tiềm ẩn rất nhiều nguy cơ như virus, hacker, trộm cắp tài khoản, trộm cước… 0.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài Với mục đích nghiên cứu phát triển khối HSS và IFC cho kiến trúc IMS, đề tài của tôi bao gồm các nội dung chính sau: • Chương 1 Tổng quan kiến trúc IMS: Tìm hiểu về kiến trúc IMS, các thành phần, chức năng của từng thành phần và kiến trúc triển khai • Chương 2 Giao thức hỗ trợ chứng thực, cấp quyền, tính cước trong IMS: Trình bày về giao thức Diameter và cấu trúc cơ sở dữ liệu người dùng. • Chương 3 Phần mềm OpenIMS: Giới thiệu về mã nguồn mở OpenIMS của viện FOKUS, trong đó tập trung vào modul FHoSS quản lý cơ sở dữ liệu người dùng • Chương 4 Các mô phỏng: Trình bày các công việc làm được trong việc mô phỏng, chạy thử phần mềm OPENIMS • Chương 5 Kết luận: Các kết luận và hướng phát triển của đề tài. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 8 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Chương 1 TỔNG QUAN KIẾN TRÚC IMS Trong chương này ta sẽ tìm hiểu về vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng di động 3G, những yêu cầu khi xây dựng phân hệ IMS và tổng quan về các giao thức, các thành phần chức năng và các cách nhận dạng người dùng trong kiến trúc IMS. 1.1 Vị trí và vai trò của phân hệ IMS trong kiến trúc mạng di động 3G Mạng di động 3G được phân chia logic thành mạng truy nhập (Access Network) và mạng lõi (Core Network). Phía trên cơ sở hạ tầng mạng là nền tảng dịch vụ được sử dụng để tạo ra các dịch vụ khác nhau. Hình 1.1 chỉ ra kiến trúc mạng 3G UMTS. Hình 1.1 Kiến trúc của mạng UMTS Mạng hỗ trợ hai kiểu mạng truy nhập khác nhau: - Base-station System (BSS) là mạng truy cập GSM - Radio Network Subsystem (RNS) là mạng truy cập UMTS. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 9 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Mạng lõi bao gồm miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS). Hai miền này khác nhau trong cách chúng xử lý dữ liệu. Miền chuyển mạch kênh dành sẵn các kênh cho lưu lượng của người dùng. Do đó được sử dụng cho các dịch vụ thời gian thực và dịch vụ hội đàm như dịch vụ thoại và dịch vụ hội nghị video. Miền chuyển mạch gói được sử dụng cho các ứng dụng dữ liệu gói từ đầu cuối đến đầu cuối như truyền file, truy cập web và e-mail. Phân hệ IMS như trong hình vẽ là một phần trong miền chuyển mạch gói. Chức năng của IMS là cung cấp các dịch đa phương tiện trên nền IP, bao gồm các dịch vụ thời gian thực như trong miền chuyển mạch kênh. Do đó IMS sẽ làm cho miền chuyển mạch kênh dần dần được thay thế trong tương lai. 1.2 Các yêu cầu của IMS IMS được xây dựng và phát triển với mục đích phải kết hợp được những xu hướng công nghệ mới nhất, làm cho mô hình Internet - Mobile trở thành hiện thực, tạo ra một nền tảng chung để phát triển các dịch vụ multimedia đa dạng và tạo ra nhiều lợi nhuận hơn trong việc thúc đẩy khách hàng sử dụng miền chuyển mạch gói trong 3G. Để đạt được những mục đích đó thì IMS đã được định nghĩa như là một nền tảng kiến trúc để truyền tải các dịch vụ multimedia IP tới người dùng cuối. Nền tảng đó phải thực hiện được những yêu cầu sau: 1.2.1 Hỗ trợ việc thiết lập các phiên Multimedia IP IMS có thể truyền tải các dịch vụ đa dạng.Yêu cầu này nhấn mạnh sự cần thiết để cung cấp các dịch vụ chính được truyền tải bởi IMS đó là các phiên multimedia qua mạng chuyển mạch gói. Kiểu media trong trường hợp này có thể là audio hoặc video. Truyền thông multimedia đã được chuẩn hóa trong các chuẩn hóa trước đây của 3GPP nhưng những kiểu truyền thông multimedia này được thực hiện qua mạng chuyển mạch kênh chứ không phải qua mạng chuyển mạch gói. 1.2.2 Hỗ trợ cơ chế để thỏa thuận QoS QoS là một trong các vấn đề quan trọng nhất của IMS. QoS cho một phiên multimedia cụ thể được quyết định bởi nhiều nhân tố như băng thông lớn nhất. Băng thông lớn nhất có thể được cấp phát cho người dùng dựa trên đăng ký của người dùng hoặc dựa trên tình trạng hiện tại của mạng. 1.2.3 Hỗ trợ làm việc liên kết với mạng Internet và mạng chuyển mạch kênh (PSTN) Hỗ trợ làm việc liên kết vơi Internet là một yêu cầu rõ ràng. Mạng Internet sẽ là đích đến của hàng triệu phiên multimedia được bắt đầu trong IMS. Khi yêu cầu này đạt được thì số lượng các phiên multimeda sẽ được tăng lên đáng kể. IMS đồng thời cũng hỗ trợ làm việc liên kết với mạng PSTN. Những thiết bị đầu cuối IMS đầu tiên sẽ có khả năng kết nối đồng thời với mạng chuyển mạch kênh và mạng chuyển mạch gói. Vì thế khi một người dùng muốn gọi cho một người dùng khác ở trong PSTN hay ở trong mạng di động thì thiết bị đầu cuối IMS chọn miền chuyển mạch kênh để sử dụng. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 10 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Mặc dù yêu cầu làm việc liên kết với mạng chuyển mạch kênh là một yêu cầu không bắt buộc nhưng hầu hết các thiết bị đầu cuối IMS sẽ hỗ trợ miền chuyển mạch kênh. Vì thể yêu cầu này có thể được xem như yêu cầu dài hạn. 1.2.4 Hỗ trợ chuyển vùng Hỗ trợ chuyển vùng là một yêu cầu cơ bản kể từ mạng di động thế hệ thứ hai. Chuyển vùng giúp người dùng có thể liên lạc khi sang một mang khách. IMS thừa kế yêu cầu này giúp người dùng duy trì kết nối khi di chuyển sang đất nước khác. 1.2.5 Hỗ trợ điều khiển dịch vụ IMS giúp nhà cung cấp dịch vụ có thể đưa ra những chính sách với những dịch vụ mà họ cung cấp cho người dùng. Có thể chia những dịch vụ này thành 2 loại: + Những chính sách áp dụng chung đối với tất cả người sử dụng trong mạng. + Những chính sách áp dụng riêng lẻ đối với những người dùng cụ thể. Những chính sách chung bao gồm một số các giới hạn do các nhà cung cấp dịch vụ đưa ra như giới hạn sử dụng các bộ codec dung lượng lớn như G711 trong mạng của họ Thay vào đó họ có thể áp dụng những bộ codec dung lượng nhỏ như AMR. Những chính sách riêng lẻ ngược lại được gắn với mỗi một người dùng cụ thể. Ví dụ khi một người dùng có thể có một vài đăng ký để sử dụng các dịch vụ IMS mà không bao gồm video. Thiết bị đầu cuối IMS có thể hỗ trợ video nhưng trong trường hợp người dùng cố gắng để bắt đầu một phiên multimedia mà bao gồm video thì nhà cung cấp sẽ chặn phiên này. 1.2.6 Hỗ trợ phát triển các dịch vụ Yêu cầu này ảnh hưởng mạnh mẽ đến thiết kế kiến trúc IMS.Yêu cầu này khẳng định rằng các dịch vụ IMS không cần phải tiêu chuẩn hóa. Nó đánh dấu một cột mốc quan trọng trong thiết kế mạng di động, bởi vì trước đây, tất cả các dịch vụ riêng lẻ hoặc là phải chuẩn hóa hoặc là được thực hiện độc quyền. Thậm chí khi một dịch vụ đã được chuẩn hóa, cũng không có một đảm bảo chắc chắn dịch vụ sẽ làm việc khi chuyển vùng sang một mạng khác. IMS giúp cho triển khai các dịch vụ mới đến người dùng nhanh hơn. Trước đây, sự chuẩn hóa các dịch vụ và công việc kiểm tra gây ra sự chậm chễ đáng kể trong việc triển khai dịch vụ. IMS làm giảm đáng kể sự chậm trễ này bằng cách tiêu chuẩn hóa khả năng dịch vụ thay vì chuẩn hóa dịch vụ riêng lẻ. 1.2.7 Hỗ trợ đa truy nhập Yêu cầu này giới thiệu các phương thức truy nhập khác ngoài GPRS.IMS chỉ là một mạng IP và do đó bất cứ một mạng truy nhập nào cũng có thể cung cấp sự truy nhập tới nó. IMS có thể được truy nhập từ mạng WLAN (Wireless Local Area Network), từ một ADSL … 1.3 Tổng quan về các giao thức sử dụng trong IMS Kiến trúc IMS do 3GPP phát triển dựa trên các giao thức IP được chuẩn hóa bởi IETF. Giao thức IP bao gồm các giao thức về điều khiển phiên, các giao thức về chứng thực, cấp quyền và tính toán (AAA) và một số các giao thức khác. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 11 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS 1.3.1 Giao thức điều khiển phiên Các giao thức điều khiển cuộc đóng vai trò chìa khóa trong bất kì một hệ thống điện thoại nào. Trong mạng chuyển mạch kênh, các giao thức điều khiển cuộc gọi quan trọng nhất là TUP (Telephony User Part, ITU-T khuyến nghị Q.721), ISUP ( ISDN User Part, ITU-T, khuyến nghị Q.761) và BICC (Bearer Independent Call Control, ITU-T khuyến nghị Q.1901). SIP đã được chọn là giao thức điều khiển phiên cho IMS trong nhiều giao thức điều khiển phiên phiên dựa trên IP khác như BICC và H323. SIP được IETF chuẩn hóa trong RFC 3261 (Request for Command). SIP tuân theo mô hình khách - chủ (client-server). SIP được thiết kế dựa trên các nguyên lý cơ bản từ hai giao thức HTTP, SMTP. Nên SIP thừa kế hầu hết các đặc tính quan trọng của hai giao thức này. Điều này tạo ra sức mạnh cho nó bởi HTTP và SMTP là các giao thức đã rất thành công trong mạng Internet. Không giống như H323 và BICC, SIP không phân biệt giao diện người dùng tới mạng (User-to-Network) với giao diện mạng với mạng (Network-to-Network). Trong mô hình SIP chỉ có một giao thức duy nhất hoạt động thông suốt. Ngoài ra SIP là một giao thức dưới dạng văn bản do đó nó dễ dàng mở rộng, gỡ rối và phát triển các dịch vụ. 1.3.2 Giao thức hỗ trợ chứng thực, cấp quyền, tính cước Diameter dựa trên RFC 3588 được chọn là giao thức AAA trong mạng IMS. Diameter được phát triển từ giao thức RADIUS (RFC 2865) là một giao thức được sử dụng phổ biến trong Internet để thực hiện chứng thực, cấp quyền và tính cước. Ví dụ khi một người dùng quay số đến một nhà cung cấp dịch vụ Internet, máy chủ truy nhập mạng sử dụng RADIUS để chứng thực cấp quyền cho user. Diameter bao gồm một giao thức cơ bản và giao thức này được bổ sung bởi các Diameter ứng dụng. Các Diameter ứng dụng là các tùy biến hoặc là các mở rộng Diameter để phù hợp với các môi trường cụ thể. IMS sử dụng Diameter trong nhiều giao diện, mặc dù vậy các giao diện này có thể sử dụng các ứng dụng Diameter khác nhau. Ví dụ IMS sử dụng một Diameter ứng dụng trong quá trình thiết lập cuộc gọi nhưng lại sử dụng một Diameter ứng dụng khác trong tính cước. 1.3.3 Các giao thức khác Bên cạnh SIP và Diameter, IMS còn sử dụng nhiều giao thức khác. Giao thức dịch vụ chính sách mở thông thường COPS (Common Open Policy Service) được dùng để truyền tải chính sách giữa các điểm quyết định dịch vụ PDPs (Policy Decision Points) và các điểm thực hiện chính sách ( Policy Enforcement Points). H.248 (ITU-T khuyến nghị H.248) được sử dụng bởi các nút báo hiệu để điều khiển các nút trong mặt phẳng media. RTP (Real-Time Transport Protocol, RFC 3550) và RCTP (RTP Control Protocol, RFC 3550) dùng để truyền tải media như video và audio. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 12 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS 1.4 Tổng quan kiến trúc IMS IMS không được chuẩn hoá theo các nút mà dựa trên chức năng. Điều này có nghĩa là kiến trúc IMS là một tập hợp các chức năng được liên kết với nhau bởi các giao diện. Các chức năng có thể được kết hợp lại trong môt nút hoặc một chức năng thể được tách ra thực hiện trong 2 nút hoặc nhiều hơn. Thông thường các nhà cung cấp thường thực hiện một chức năng trong mỗi nút riêng lẻ. Hình 1.1 Tổng quan kiến trúc IMS Hình vẽ 1.2 thể hiện tổng quan kiến trúc IMS. Trong hình vẽ này các giao diện báo hiệu trong IMS được thể hiện bằng hai hoặc ba chữ cái. Bên phải của hình vẽ là các thiết bị IMS. Phía dưới là thiết bị di động IMS thường được gọi là thiết bị người dùng UE. Thiết bị đầu cuối IMS kết nối tới mạng chuyển mạch gói thông qua liên kết vô tuyến. IMS đồng thời cũng hỗ trợ các kiểu truy nhập và các thiết bị khác như PDA (Personal Digital Assistant) và máy tính. Các thiết bị này có thể truy nhập qua ADSL hoặc WLAN. Phần còn lại của hình vẽ chỉ ra các nút chức năng khác trong kiến trúc lõi của IMS bao gồm: + Cơ sở dữ liệu người dùng: HSS (Home Subcriber Servers) và SLF (Subcriber Location Function). + Chức năng điều khiển phiên, cuộc gọi: CSCF (Call /Sesion Control Function) + Chức năng liên quan đến nguồn media: MRF (Media Resource Fuction) bao gồm bộ điều khiển chức năng nguồn media MRFC (Media Resource Function Controller) và bộ xử lý chức năng nguồn media MRFP (Media Resource Function Processor). + BGCF (Breakout Gateway Control Function). Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 13 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS + PSTN gateway bao gồm SGW (Signalling Gateway), MGCF (Media Gateway Controller Function) và MGW (Media Gateway). 1.4.2 CSCF - Call/Session Control Function. CSCF là một SIP server. Nó là thành phần cơ bản nhất trong kiến trúc IMS. CSCF xử lý báo hiệu SIP. Có ba kiểu khác nhau của CSCF: + Proxy –CSCF (P-CSCF) + Serving –CSCF (S-CSCF) + Interrogating –CSCF I-CSCF) Mỗi CSCF có những chức năng đặc biệt của chúng. Tất cả góp phần tạo thành bộ máy định tuyến bản tin SIP. Ngoài ra chúng có thể gửi các thông tin tính cước tới chức năng tính cước ngoại tuyến. 1.4.2.1 P-CSCF P-CSCF là điểm liên lạc đầu tiên giữa thiết bị đầu cuối và mạng IMS. Trong mô hình của SIP thì P-CSCF đang làm việc như một oubound/inbound SIP proxy server. Tất cả các bản tin SIP được khởi tạo bởi một thiết bị đầu cuối IMS hoặc gửi đến thiết bị đầu cuối IMS đều phải đi qua P-CSCF. P-CSCF chuyển tiếp các bản tin SIP: yêu cầu và hồi đáp theo các hướng phù hợp hoặc là đi tới thiết bị IMS hoặc là tới mạng IMS. P-CSCF được chỉ định cho các thiết bị đầu cuối IMS trong quá trình đăng ký và không thay đổi trong quá trình này. P-CSCF bao gồm nhiều chức năng khác nhau và một trong số chúng liên quan tới bảo mật. Nó thiết lập một số liên kết đảm bảo IPsec với các thiết bị đầu cuối IMS. Những liên kết bảo mật Ipsec này đảm bảo sự toàn vẹn thực thể, ví dụ như khả năng để dò tìm nội dung của bản tin có bị thay đổi từ khi nó được tạo ra hay không. Một khi P-CSCF đã chứng thực người dùng (như là một phần của sự thiết lập liên kết bảo mật) thì các nút khác trong mạng không cần phải thực hiện các chứng thực người dùng khác nữa vì chúng tin tưởng vào P-CSCF. Sự xác nhận của P-CSCF còn có các chức năng khác như cung cấp các dịch vụ cho các cá nhân và các bản ghi tính cước. Một chức năng khác nữa của P-CSCF là chúng kiểm tra sự chính xác của bản tin SIP yêu cầu được gửi bởi thiết bị đầu cuối IMS. Chức năng này giúp ngăn chặn các thiết bị đầu cuối gửi các bản tin SIP không chính xác. P-CSCF bao gồm một bộ phận nén và giải nén các bản tin SIP (thiết bị đầu cuối IMS cũng bao gồm chức năng này). Bản tin SIP đôi khi có thể rất lớn. Trong khi gửi một bản tin qua một kết nối băng thông rộng chỉ mất một thời gian ngắn thì việc gửi một bản tin SIP qua một kênh băng thông hẹp, như một kết nối vô tuyến chẳng hạn, sẽ mất một vài giây. Cơ chế dùng để rút ngắn thời gian truyền một bản tin là nén bản tin lại, truyền qua liên kết vô tuyến và giải nén bên phía nhận. P-CSCF có thể bao gồm một PDF. PDF cấp quyền sử dụng media và quản lý QoS trên mặt phẳng media. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 14 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS P-CSCF đồng thời tạo ra các thông tin tính cước tới các nút thu thập thông tin tính cước. Với mục đích mở rộng và tạo ra dư thừa để dự phòng thông thường trong một mạng IMS có nhiều P-CSCF. Mỗi một P-CSCF phục vụ một số thiết bị đầu cuối IMS phụ thuộc vào dung lượng của nó. P-CSCF có thể được đặt tại mạng khách hoặc mạng chủ. Trong trường hợp mạng chuyển mạch gói dựa trên GPRS thì P-CSCF luôn đặt trong cùng một mạng với GGSN. Vì vậy GGSN và P-CSCF có thể cùng đặt tại mạng khách hoặc tại mạng chủ. 1.4.2.2 I-CSCF I-CSCF là SIP proxy được đặt tại biên của miền quản trị. Địa chỉ của I-CSCF luôn được liệt kê trong các bản ghi DNS của miền. Khi một SIP server tuân theo các thủ tục SIP để tìm chặng SIP tiếp theo cho một bản tin SIP sẽ nhận được địa chỉ của I-CSCF trong miền đích. Ngoài chức năng là một SIP server, I-CSCF còn có một giao diện tới SLF và HSS. Giao diện này dựa trên giao thức Diameter. Qua giao diện này I-CSCF truy vấn các thông tin về vị trí của người dùng và định tuyến các bản tin SIP tới địa chỉ phù hợp. I-CSCF còn có chức năng mã hóa một phần bản tin SIP đang chứa đựng những thông tin nhạy cảm về miền, như số lượng các server trong miền, tên DNS và dung lượng của chúng. Một mạng IMS thường bao gồm nhiều I-CSCF cho mục đích mở rộng và tạo dư thừa. I-CSCF thường nằm tại mạng chủ, mặc dù trong một số trường hợp đặc biệt nó có thể được đặt tại mạng khách. 1.4.2.3 S-CSCF S-CSCF là nút trung tâm trong mặt phẳng báo hiệu. Ngoài chức năng là một SIP server, S-CSCF còn đóng vai trò là một SIP registrar. Nó duy trì một gán kết giữa vị trí của người dùng (như địa chỉ IP của thiết bị đầu cuối mà người dùng đăng nhập) và địa chỉ SIP của người dùng trong bản ghi. Giống như I-CSCF, S-CSCF cũng đồng thời thực hiện giao diện tới HSS để thực hiện các mục đích sau: + Tải về các vector chứng thực của người dùng đang truy nhập vào mạng. SCSCF sử dụng các vector này để chứng thực người dùng. + Tải về hồ sơ người dùng từ HSS. Hồ sơ người dùng bao gồm hồ sơ dịch vụ . + Thông báo cho HSS rằng S-CSCF này sẽ phục vụ người dùng trong khoảng thời gian đăng ký. Tất cả báo hiệu SIP mà thiết bị đầu cuối IMS gửi và nhận đều đi qua S-CSCF . S-CSCF giám sát từng bản tin SIP và quyết định xem báo hiệu SIP sẽ đi qua một hay nhiều server ứng dụng hoặc để định tuyến tới đích cuối cùng. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 15 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Một trong những chức năng chính của S-CSCF là cung cấp chức năng định tuyến bản tin SIP. Nếu một người dùng quay một số điện thoại thay vì một SIP URI thì SCSCF cung cấp dịch vụ chuyển đổi địa chỉ, thường dựa trên DNS E.164 Number Translation (IETF). S-CSCF đồng thời thi hành các chính sách của nhà điều hành mạng. Ví dụ một người dùng không có quyền để thiết lập một loại phiên cụ thể như phiên video chẳng hạn. Nói cách khác, S-CSCF ngăn chặn người dùng thực hiện những dịch vụ không được cho phép. S-CSCF luôn luôn nằm tại mạng chủ. 1.4.3 Cơ sở dữ liệu : HSS và SLF HSS và SLF là hai cơ sở dữ liệu chính trong kiến trúc IMS. HSS lưu trữ dữ liệu cho tất cả các thuê bao và tất cả dữ liệu liên quan đến dịch vụ của IMS. Dữ liệu được lưu trữ trong HSS bao gồm nhận dạng, thông tin đăng ký thuê bao, tham số truy nhập và thông tin kích hoạt dịch vụ. Thông tin nhận dạng gồm có hai loại: Nhận dạng người dùng công cộng và nhận dạng người dùng cá nhân. Nhận dạng người dùng cá nhân được sử dụng cho mục đích đăng ký và cấp quyền, trong khi đó nhận dạng người dùng công cộng được người dùng sử dụng để liên lạc với những người dùng khác. Các tham số truy nhập IMS được khởi tạo để thết lập một phiên và bao gồm các thông số giống như chứng thực người dùng, cấp quyền chuyển vùng và tên của SCSCF phụ trách người dùng. Thông tin kích họat dịch vụ cho phép thực hiện các dịch vụ SIP. HSS cũng bao gồm một số các chức năng của bộ đăng ký vị trí chủ (HLR) và trung tâm nhận thực (AuC). Hình 1.1 Cấu trúc của HSS Chức năng HLR hỗ trợ các thực thể trong miền chuyển mạch gói như SGSN và GGSN. Điều này cho phép các thuê bao truy nhập tới các dịch vụ trong miền chuyển mạch gói. HLR đồng thời cũng hỗ trợ các thực thể trong miền chuyển mạch kênh như MSC/MSC servers. Điều này cũng cho phép các thuê bao có thể truy nhập các dịch vụ trong miền chuyển mạch kênh và hỗ trợ chuyển vùng tới những mạng có miền chuyển mạch kênh. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 16 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS AuC lưu trữ chìa khóa bí mật cho mỗi một thuê bao di động. Chìa khóa này được sử dụng để tạo ra dữ liệu bảo mật linh động cho mỗi một thuê bao. Dữ liệu được sử dụng cho sự nhận thực lẫn nhau giữa mạng và IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Dữ liệu bảo mật cung cấp sự toàn vẹn thực thể và mã hóa thông tin liên lạc qua đường vô tuyến giữa thiết bị đầu cuối và mạng. Một mạng có thể có nhiều hơn một HSS, phụ thuộc vào số lượng thuê bao và khả năng của các thiết bị và tổ chức của mạng. Nếu mạng có một HSS không cần phải có SLF (Subscription Location function). Ngược lại nếu mạng có nhiều hơn một HSS nhất thiết phải có SLF. SLF là một cơ sở dữ liệu đơn giản dùng để ánh xạ địa chỉ thuê bao với HSS tương ứng quản lý thuê bao đó. Khi một nút khác truy vấn SLF với đầu vào là một địa chỉ thuê bao thì sẽ nhận được địa chỉ của HSS tương ứng chứa các thông tin liên quan đến thuê bao như là đầu ra. HSS và SLF thực hiện giao thức Diameter với các ứng dụng Diameter xác định cho IMS. 1.4.4 AS (Application server) AS là các thực thể SIP đảm nhận và thực hiện các dịch vụ. Phụ thuộc vào dịch vụ thực tế mà AS có thể hoạt động ở các chế độ SIP proxy, SIP UA hoặc SIP B2BUA. AS giao tiếp với S-CSCF bằng SIP Hình 1.1 Application Server Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 17 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS AS gồm ba loại: • SIP AS: Đây là các AS cơ sở thực hiện các dịch vụ multimedia dựa trên SIP. Các dịch vụ IMS mới sẽ được phát triển trong SIP AS. • OSA-SCS (Open Service Access-Service Capability Server): Đây là AS cung cấp giao diện tới các ứng dụng nền tảng OSA. Nó thừa kế tất cả các khả năng của dịch vụ mở, đặc biệt khả năng để truy nhập một cách bảo mật vào các mạng bên ngoài. Nút này một mặt đóng vai trò là AS và mặt khác là một giao diện giữa OSA AS và giao diện lập trình ứng dụng OSA. • IM-SSF ( IP Multimedia Service Switching Function): AS này cho phép tái sử dụng dịch vụ CAMEL (Customized Application for Mobible Network Enhanced Logic) được phát triển cho GSM. IM-SSF cho phép một gsmSCF (GSM Service Control Function) điều khiển một phiên IMS. Một mặt đóng vai trò là một AS và mặt kia đóng vai trò là chuyển mạch dịch vụ giao tiếp với gsmSCF dựa trên giao thức CAP (CAMEL Application Part). AS có thể được đặt tại mạng chủ hoặc tại mạng của một nhà cung cấp thứ ba. Trong trường hợp AS được đặt ngoài mạng chủ thì nó không giao tiếp với HSS. 1.4.5 MRF MRF (Media Resource Funtion) cung cấp nguồn media trong mạng chủ. MRF cung cấp khả năng để play thông báo, trộn các luồng media với nhau, chuyển đổi giữa các loại mã khác nhau, thu thập thống kê và làm các công việc phân tích media khác. MRF được chia thành MRFC và MRFP. MRFC (Media Resource Funtion Control) đóng vai trò như một SIP User Agent và có một giao diện tới S-CSCF. MRFC điều khiển nguồn tài nguyên trong MRFP (Media Resource Funtion Processor) thông qua giao diện H.248. MRFP thực hiện tất cả chức năng liên quan đến media như play và trộn media. MRF luôn luôn đặt tại mạng chủ. 1.4.6 BGCF BGCF (Breakout Getway Control Function) là một thành phần SIP server cơ bản bao gồm chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. BGCF chỉ được sử dụng trong những phiên mà bắt đầu từ một thiết bị đầu cuối IMS tới một người dùng trong mạng chuyển mạch kênh như PSTN hoặc là PLMN. Hai chức năng chính của BCCF: + Lựa chọn mạng thích hợp trong trường hợp làm việc với miền chuyển mạch kênh. + Lựa chọn PSTN/CS gateway phù hợp 1.4.7 IMS-ALG và TrGW IMS hỗ trợ cả IPv4 và IPv6. Ở một số điểm trong phiên multimedia IP việc làm việc chéo giữa hai phiên bản có thể xảy ra. Để tránh cho các thiết bị đầu cuối không phải hỗ Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 18 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS trợ các chức năng để có thể làm việc liên kết, IMS bổ sung thêm hai thực thể mới đó là: IMS – Application Layer Gateway (IMS-ALG) và Transition Gateway (TrGW). IMSALG xử lý các vấn đề về báo hiệu (SIP, SDP …), còn TrGW xử lý lưu lượng media (RTP, RCTP). Hình 1.1 IMS-ALG và TrGW Hình 1.5 thể hiện mối quan hệ giữa IMS-ALG và TrGW. IMS-ALG thực hiện chức năng như một SIP B2BUA bằng cách duy trì hai chặng báo hiệu độc lập. Một chặng hướng tới bên trong mạng IMS và chặng còn lại hướng vào mạng khác. Mỗi chặng này sử dụng các phiên bản IP khác nhau. Thêm vào đó, IMS-ALG ghi lại SDP bằng cách thay đổi các địa chỉ IP và các port number tạo ra bởi các thiết bị đầu cuối với một hoặc nhiều địa chỉ IP và port number phân bổ cho TrGW. Điều này cho phép lưu lượng media được định tuyến tới TrGW. IMS-ALG giao tiếp với I-CSCF với các luồng lưu lượng tới và với S-CSCF cho các luồng lưu lượng đi thông qua giao diện Mx. TrGW là một NAT-PT/NAPT-PT (Network Address Port Translator-Protocol Translator). TrGW được cấu hình với một tập hợp các địa chỉ IP, được phân bổ tự động cho một phiên đã cho. TrGW thực hiện sự chuyển đổi media giữa IPv4 và IPv6. 1.4.8 PSTN/CS gateway PSTN gateway cung cấp giao diện hướng tới mạng chuyển mạch kênh, cho phép các thiết bị đầu cuối IMS gọi và nhận các cuộc gọi từ PSTN và tới PSTN. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 19 Nghiên cứu và phát triển chức năng HSS và SLF cho kiến trúc IMS Hình 1.1 PSTN/CS Getway giao tiếp với một mạng CS PSTN gateway cung cấp giao diện hướng tới mạng chuyển mạch kênh, cho phép các thiết bị đầu cuối IMS gọi và nhận các cuộc gọi từ PSTN và tới PSTN. PSTN gateway được phân chia thành những thành phần chức năng sau: + SGW (signalling gateway): Signalling gateway giao tiếp với mặt phẳng báo hiệu của mạng chuyển mạch kênh. SGW thực hiện sự chuyển đổi giao thức mức thấp. SGW thay thế các giao thức bậc thấp MTP (ITU-T khuyến nghị Q.701) bằng SCTP/IP (Stream Control Transmission Protocol, RFC 2960). Vì vậy, SGW chuyển đổi ISUP (ITU-T khuyến nghị Q.761) hoặc BICC (Bearer-Independent Call Control) trên nền MTP (Message Transfer Part) thành ISUP (ISDN User Part) hoặc BICC trên nền SCTP/IP (Stream Control Tranmission Protocol/Internet Protocol). + MGCF (Media GateWay Control Function): MGCF là nút trung tâm của PSTN/CS gateway. Nó thực hiện chuyển đổi giao thức và ánh xạ SIP (giao thức điều khiển cuộc gọi trong IMS) thành ISUP/IP hoặc BICC/IP. Ngoài ra, MGCF còn điều khiển nguồn tài nguyên trong MGW (Media GateWay). Giao thức được sử dụng giữa MGCF và MGW là H.248. + MGW: (Media Gateway) giao tiếp với mặt phẳng media của PSTN. Một mặt MGW có khả năng gửi và nhận mdeia IMS trên nền RTP (Real-time Transport Protocol). Mặt khác MGW sử dụng một hoặc nhiều khe thời gian PCM để kết nối tới mạng chuyển mạch kênh. Thêm vào đó, MGW thực hiện việc chuyển đổi mã khi mà thiết bị đầu cuối IMS không hỗ trợ các codec được sử dụng bởi mạng chuyển mạch kênh. Một tình huống phổ biến thường xảy ra là thiết bị đầu cuối IMS sử dụng mã AMR (Adaptive Multi-Rate) trong khi đó thiết bị đầu cuối PSTN sử dụng mã G.711. Đào Anh Hà – Điện tử 4 – K48 -ĐHBKHN 20