IP多媒體子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

摘要　IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）是一個(gè)可以適應(yīng)用戶更高需求的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，能夠滿足終端用戶多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求。在目前，IMS被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。本文從IMS的發(fā)展和結(jié)構(gòu)入手，分析IMS的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，以及在固定和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合方面的應(yīng)用。

一、概述

IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）（IP Multimedia Subsystem）是在3GPP的Release 5版本中提出的，是對(duì)IP多媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行控制的網(wǎng)絡(luò)核心層邏輯功能實(shí)體的總稱。它與分組域一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù)，也可與電路域進(jìn)行互操作。作為一種能適應(yīng)用戶更高需求的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，它可以為移動(dòng)用戶提供多媒體通信和多方會(huì)話應(yīng)用，確保不同的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)方式的服務(wù)質(zhì)量（QoS），并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)提供基本業(yè)務(wù)能力的選擇和疊加，為第三方提供開放的業(yè)務(wù)接口，使新應(yīng)用的種類更多，成本更低，速度更快。

IMS是一種全新的多媒體業(yè)務(wù)的承載形式，它能夠滿足終端用戶日益多樣化的多媒體業(yè)務(wù)需求。同時(shí)，IMS也被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，是解決移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)融合，使語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等差異化業(yè)務(wù)進(jìn)行融合的重要方式。

二、IP多媒體子系統(tǒng)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)

1.IMS的系統(tǒng)發(fā)展

IMS是在3GPP的Release 5版本中提出的，它主要包括了對(duì)IP多媒體業(yè)務(wù)進(jìn)行控制的網(wǎng)絡(luò)核心層的各部分邏輯功能實(shí)體。它不同于原有的分組域和電路域的一種結(jié)構(gòu)部分，可以實(shí)現(xiàn)與分組域和電路域進(jìn)行互操作。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)過(guò)程中3GPP制定的WCDMA網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)歷了R99、R4、R5和R6等發(fā)展階段，由兼容傳統(tǒng)的GSM和GPRS的網(wǎng)絡(luò)逐漸轉(zhuǎn)向全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最終的發(fā)展方向是全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3GPP Release 5版本主要定義了IMS的核心結(jié)構(gòu)、網(wǎng)元功能、接口和流程等內(nèi)容；Release 6版本增加了部分IMS業(yè)務(wù)特性、IMS與其他網(wǎng)絡(luò)的互通規(guī)范和無(wú)線局域網(wǎng)接入特性等；在Release 7版本加強(qiáng)了對(duì)固定、移動(dòng)融合的標(biāo)準(zhǔn)化制定，要求IMS支持用戶數(shù)字線和調(diào)制解調(diào)器等固定接入方式。R5版本是第一個(gè)全I(xiàn)P（分組化）的版本，其最大的變化就是在R4的基礎(chǔ)上增加了IP多媒體子系統(tǒng)（IMS），它與分組域一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的多媒體業(yè)務(wù)，可以與電路域進(jìn)行互操作。

IMS的主要特點(diǎn)有兩點(diǎn)：一.使用SIP協(xié)議；二.接入的無(wú)關(guān)性。在使用SIP協(xié)議的IMS域內(nèi)，為在3G網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的IP業(yè)務(wù)提供了一個(gè)統(tǒng)一的會(huì)話管理機(jī)制。現(xiàn)在的IP網(wǎng)絡(luò)中，基本上每一種應(yīng)用都需要使用一套獨(dú)特的會(huì)話信令協(xié)議；而SIP協(xié)議為大部分的IP業(yè)務(wù)提供了一套簡(jiǎn)化的統(tǒng)一會(huì)話控制機(jī)制，這會(huì)有助于在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中開展不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)。SIP協(xié)議的特點(diǎn)使其可以提供的業(yè)務(wù)類型更加豐富，IMS即是使用SIP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)IP多媒體域的會(huì)話呼叫控制。IMS的接入無(wú)關(guān)性是指其除了可以應(yīng)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)外，還可以應(yīng)用于固定網(wǎng)絡(luò)、GPRS、WLAN和所有的IP網(wǎng)絡(luò)等。從理論上可以實(shí)現(xiàn)用戶無(wú)論采用什么樣的設(shè)備，何時(shí)何地接入網(wǎng)絡(luò)，都可以使用其歸屬地的業(yè)務(wù)；控制層和業(yè)務(wù)層之間的開放接口，使來(lái)自不同的接入網(wǎng)絡(luò)呼叫/會(huì)話可以進(jìn)行統(tǒng)一的處理。

IMS由呼叫狀態(tài)控制功能CSCF（Call Session Control Function）、媒體網(wǎng)關(guān)控制功能MGCF（Media Gateway Control Function）、媒體網(wǎng)關(guān)MGW（Media Gateway）、歸屬地用戶服務(wù)器HSS（Home Subscriber Server）等功能實(shí)體組成。其中CSCF包括了P-CSCF（Proxy-CSCF，代理CSCF）、I-CSCF（Interrogating CSCF，查詢CSCF）和S-CSCF（Serving CSCF，服務(wù)CSCF），從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它們都是SIP服務(wù)器，處理SIP信令。

IMS的提出是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)引入軟交換結(jié)構(gòu)之后，利用軟交換的思想，實(shí)現(xiàn)控制、承載、業(yè)務(wù)的分離；IMS繼承了軟交換分層的結(jié)構(gòu)體系，改變了原有的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)耦合的結(jié)構(gòu)關(guān)系；模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式和開放的接口使業(yè)務(wù)的管理維護(hù)、新業(yè)務(wù)的開發(fā)利用都十分方便。但是在業(yè)務(wù)和應(yīng)用上，尤其是支持多媒體業(yè)務(wù)上還存在薄弱之處。

2.IMS的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

在IMS結(jié)構(gòu)中所定義的協(xié)議可以分為信令和會(huì)話控制層面、媒體協(xié)議層面、認(rèn)證和安全協(xié)議層面等三種類型。

（1）信令和會(huì)話控制協(xié)議層面在IMS系統(tǒng)中，3GPP組織選擇的用來(lái)進(jìn)行會(huì)話控制的協(xié)議是會(huì)話初始化協(xié)議（SIP）。使用SIP協(xié)議的目的在于建立、更改、終止多媒體會(huì)話。SIP消息是獨(dú)立于媒體消息進(jìn)行傳送的，相應(yīng)地還要依靠使用其他的協(xié)議來(lái)保證它的傳輸和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

在SIP結(jié)構(gòu)中的主要實(shí)體部分是用戶代理（UA）、注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器和重傳服務(wù)器。用戶代理初始化和接收SIP請(qǐng)求消息，并產(chǎn)生臨時(shí)的和最終的應(yīng)答消息。注冊(cè)服務(wù)器用于跟蹤和定位用戶的位置信息，用戶代理向注冊(cè)服務(wù)器發(fā)送注冊(cè)消息，注冊(cè)服務(wù)器將消息存儲(chǔ)在地址服務(wù)器中，便于以后的使用；代理服務(wù)器的功能更像是一個(gè)路由器，它對(duì)SIP請(qǐng)求和響應(yīng)消息進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)；重傳服務(wù)器在接收到SIP重傳請(qǐng)求消息后，將地址更新為用戶可以獲得的地址，并進(jìn)行重傳操作。在一次SIP會(huì)話過(guò)程中，由用戶代理產(chǎn)生一個(gè)請(qǐng)求消息，該消息經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)代理和重傳服務(wù)器到達(dá)終端的用戶代理。

SIP消息使用請(qǐng)求/響應(yīng)這樣的模式，并用UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議）或TCP（傳輸控制協(xié)議）作為傳輸協(xié)議。通常為了避免再使用TCP時(shí)，在連接建立和斷開過(guò)程中產(chǎn)生的額外開銷，會(huì)選擇UDP作為傳輸協(xié)議。SIP是文本形式的消息，這樣便于調(diào)試、擴(kuò)展和應(yīng)用。

使用SIP的控制協(xié)議，能跨越媒體和設(shè)備實(shí)現(xiàn)呼叫控制，支持豐富的媒體格式，可動(dòng)態(tài)增／刪媒體流，容易實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通和更加豐富的業(yè)務(wù)特性；同時(shí)，SIP還可以支持智能化向應(yīng)用和終端側(cè)發(fā)展，減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。在業(yè)務(wù)提供和會(huì)話控制分層方面，業(yè)務(wù)和會(huì)話控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)減少，方便業(yè)務(wù)開展。SIP將從根本上改變通信服務(wù)提供的方式以及用戶的通信消費(fèi)習(xí)慣，集成視音頻電話、消息、Web、電子郵件、同步瀏覽和視頻會(huì)議等業(yè)務(wù)為一體的新的通信方式，為電信業(yè)創(chuàng)新、移動(dòng)網(wǎng)與固定網(wǎng)的融合提供基礎(chǔ)。

（2）媒體協(xié)議層面　在IMS中使用RTP（實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議）和RTCP（實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議）來(lái)進(jìn)行媒體的傳輸。RTP使用UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)）來(lái)傳送視頻、音頻這樣的實(shí)時(shí)多媒體消息，RTP和RTCP經(jīng)常一起使用，RTCP對(duì)媒體流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及相關(guān)信息記錄。媒體流數(shù)據(jù)包在IP網(wǎng)絡(luò)上傳送，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包在傳送過(guò)程中的時(shí)延，連續(xù)發(fā)送的兩個(gè)數(shù)據(jù)包也會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和抖動(dòng)出現(xiàn)到達(dá)順序的先后差異。為了保證接收端在播放媒體數(shù)據(jù)時(shí)的質(zhì)量，在媒體數(shù)據(jù)包中加入RTP時(shí)間戳；接收端可以在緩存區(qū)內(nèi)按時(shí)間戳的順序?qū)κ盏降臄?shù)據(jù)包進(jìn)行排序，然后再開始播放。RTP數(shù)據(jù)包同樣也有順序號(hào)，依照順序號(hào)可以判斷網(wǎng)絡(luò)的丟包情況，如果因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的擁塞引起大量數(shù)據(jù)包的丟失，發(fā)送方和接收方就會(huì)向可以提供較好的服務(wù)質(zhì)量的方向調(diào)整。

（3）認(rèn)證和安全協(xié)議層面在IMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，需要進(jìn)行認(rèn)證的接口共有三個(gè)，這些接口所用到的認(rèn)證協(xié)議是DLAMETER，DLAMETER是較早使用的認(rèn)證協(xié)議RADIUS的改進(jìn)版本，DLAMETER協(xié)議中包含基本協(xié)議和在基本協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行關(guān)于DLAMETER的擴(kuò)展應(yīng)用。DLAMETER協(xié)議主要應(yīng)用于較可靠的傳輸協(xié)議，如：傳輸控制協(xié)議（TCP）和流控制傳輸協(xié)議（SCTP）。

3.客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)模式應(yīng)用

IMS在3GPP的版本中被設(shè)計(jì)成可以適應(yīng)實(shí)時(shí)的用戶端到端的移動(dòng)業(yè)務(wù)模式，如增強(qiáng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)和視頻電話業(yè)務(wù)，并且IMS通過(guò)諸如會(huì)話協(xié)商和管理、業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）和移動(dòng)管理等機(jī)制實(shí)現(xiàn)用戶端到端的通信業(yè)務(wù)。

除了端到端的模式外，另一種典型的應(yīng)用結(jié)構(gòu)是客戶機(jī)/服務(wù)器模式，這是一種基于SIP協(xié)議應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。服務(wù)器是一個(gè)典型的包含構(gòu)造模塊的容器結(jié)構(gòu)，這些模塊聯(lián)合起來(lái)，可以開發(fā)不同的應(yīng)用。客戶機(jī)通常是客戶機(jī)程序。

SIP應(yīng)用服務(wù)器（AS）就是IMS系統(tǒng)中的服務(wù)產(chǎn)生和執(zhí)行平臺(tái)。

呼叫服務(wù)呼叫功能服務(wù)器（S-CSCF），通過(guò)IMS的服務(wù)產(chǎn)生接口實(shí)現(xiàn)呼叫控制功能。

歸屬地用戶服務(wù)器HSS通過(guò)Sh接口實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)功能。

三、IMS的應(yīng)用

IMS的應(yīng)用主要集中在三個(gè)方面。

（1）在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。主要是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上利用IMS實(shí)現(xiàn)多媒體增值業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)方式。

（2）固定網(wǎng)絡(luò)因?yàn)闃I(yè)務(wù)更新和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的需要，在軟交換架構(gòu)的基礎(chǔ)上為用戶融合的應(yīng)用和VoIP應(yīng)用。

（3）通信業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的融合，這是IMS的引入所帶來(lái)的最突出的應(yīng)用。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與演進(jìn)，用戶通信需求的不斷提升，融合成為不可避免的發(fā)展方向。對(duì)現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)，固定和移動(dòng)的融合（FMC）更成為要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。固定和移動(dòng)的融合主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)層、控制層、傳送層和終端等多個(gè)層面上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的不同層面的融合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)融合的要求。

a）業(yè)務(wù)層的融合 采用開放的、標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用編程接口API可以實(shí)現(xiàn)將軟交換的核心網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)功能相分離，形成獨(dú)立的業(yè)務(wù)模塊化設(shè)計(jì)。

b）控制層的融合 實(shí)現(xiàn)控制和承載的相互分離，控制層面由統(tǒng)一的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音和多媒體呼叫的支持。

c）核心傳送層的融合 對(duì)于傳送層可以采用全I(xiàn)P傳輸?shù)姆椒�，使固定和移�?dòng)網(wǎng)絡(luò)共用一個(gè)核心傳送網(wǎng)絡(luò)。

d）終端的融合 對(duì)固定網(wǎng)絡(luò)增加無(wú)線接入的設(shè)備和終端，使固網(wǎng)用戶具備移動(dòng)通信能力；對(duì)移動(dòng)用戶，可以使用復(fù)合式的多模終端，使其可以方便的接入這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，獲取融合的業(yè)務(wù)服務(wù)。

最理想的實(shí)現(xiàn)融合的方式是選擇在控制層，這樣能夠由統(tǒng)一的控制設(shè)備同時(shí)控制固定和移動(dòng)用戶的業(yè)務(wù)，并用統(tǒng)一的媒體網(wǎng)關(guān)提供各種接口，支持移動(dòng)和固定用戶的接入。但目前，從網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)考慮，還很難將固定和移動(dòng)這兩方面相互獨(dú)立的設(shè)備實(shí)現(xiàn)融合，可行的方法是考慮實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層和終端的融合。

四、總結(jié)

IMS作為可以提供全業(yè)務(wù)模式的應(yīng)用系統(tǒng)，被認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的核心，本文從IMS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)入手，分析在第三代移動(dòng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的IMS的結(jié)構(gòu)，和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)介紹了IMS在移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)融合方面的應(yīng)用。

來(lái)源：中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)站