Tìm hiểu hoạt động giao thức SIP trong IMS

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I

----------

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI
LỚP D11VT1
Giảng viên hướng dẫn :

Ths. NGUYỄN THANH TRÀ

Sinh viên thực hiện

Mã SV

NGUYỄN MINH ĐẠT

B112101009

ĐỒNG THỊ NHƯ QUỲNH

B112101038

HÀ TRỌNG THỦY

B112101041

MÙI MINH CHÂU

1021010013

LÊ BÁ HÙNG

1021010045

NGUYỄN TRỌNG TUẤN

B112101049

Hà Nội, tháng 10/2014


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA VIỄN THÔNG I

----------

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN HỌC: BÁO HIỆU VÀ ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI
Đề tài: “Tìm hiểu hoạt động giao thức SIP trong
IMS”
LỚP D11VT1
Giảng viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện

Ths. NGUYỄN THANH TRÀ

Mã SV

NGUYỄN MINH ĐẠT

B112101009

ĐỒNG THỊ NHƯ QUỲNH

B112101038

HÀ TRỌNG THỦY

B112101041

MÙI MINH CHÂU

1021010013

LÊ BÁ HÙNG

1021010045

NGUYỄN TRỌNG TUẤN

B112101049

Nhận xét


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua xu hướng hội tụ mạng Internet, mạng di động và mạng PSTN
đang là vấn đề 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 nhât các mạng với mục đích tạo ra một
mạng IP duy nhất. Phân hệ IP Multimedia Subsystem (IMS) là một trong những kiến
trúc đã ra đời trong xu thế phát triển đó. IMS 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 tô
chức chuẩn hóa trên thế giới. 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, là một phân hệ không thể thiếu trong kiến trúc NGN.
IP Mutilmedia System (IMS) là một kiến trúc gồm nhiều chức năng được gắn kết
với nhau thông qua các giao tiếp đã được chuẩn hóa nhằm cung cấpcác dịch vụ đa
phương tiện qua vùng chuyển mạch gói IP cơ bản. IMS được coi như kiến trúc cho
việc hội tụ mạng thoại,dữ liệu và di động.
Giao thức SIP là một giao thức mới xuất hiện nhằm phục vụ cho mạng điện thoại IP
nhưng đã được ứng dụng rộng rãi. Trong cấu trúc mạng NGN, SIP đã được chọn làm
giao thức báo hiệu chính, SIP rất được chú ý và ngày càng được sử dụng rộng rãi trong
các kiến trúc của mạng NGN. Tháng 11 năm 2000, SIP được chấp nhận như một giao
thức báo hiệu của 3GPP và trở thành một thành phần chính thức của cấu trúc IMS. Đặc
điểm của SIP là đơn giản, mở, dễ dàng triển khai và tương thích với các giao thức IP
đã có.


Tiểu luận: Tìm hiểu giao thức SIP trong IMS

TỔNG QUAN TIỂU LUẬN
Trong nội dung bài Tiểu luận này, nhóm làm đề tài xin trình bày theo bố cục gồm 4
chương chính:
Chương I: Giới thiệu tổng quan về giao thức SIP: giúp người đọc nắm được kiến
thức cơ bản về thành phần và các thủ tục hoạt động của SIP.
Chương II: Giới thiệu tổng quan về IMS: giúp người đọc nắm được kiến trúc cơ bản
IMS, các phân lớp trong IMS.

Chương III: Ứng dụng của SIP trong IMS: Sau khi tìm hiểu về SIP và IMS, nội
dung chương II sẽ trình bày hoạt động của SIP trong IMS, các thủ tục đăng ký, thiếp
lập phiên và giải phóng phiên.
Chương IV: Hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 và triển khai mạng viễn
thông Việt Nam: Trong xu thế địa chỉ Ipv4 đang dần cạn kiệt, Ipv6 được sử dụng rộng
rãi hơn, chương này chúng ta xem xét hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 như
thế nào. Bên cạnh đó, chúng ta khảo sát tình hình thực trạng IMS đang được triển khai
trên mạng viễn thông Việt Nam như thế nào.
Nhóm làm đề tài đã cố gắng tìm hiểu đề tài qua các tài liệu để có những kiến thức làm
nên bài tiểu luận này. Tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót hay nhầm lẫn, rất
mong nhận được sự góp ý của Cô và các bạn đọc để nhóm hoàn thiện hơn nội dung bài
tiểu luận, cũng như củng cố thêm kiến thức về chuyên đề.
Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 7_Lớp D11VT1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................A
TỔNG QUAN TIỂU LUẬN ........................................................................................ B
MỤC

LỤC

.....................................................................................................................C

DANH

MỤC VIẾT TẮT .............................................................................................. F DANH
MỤC

HÌNH

VẼ................................................................................................G

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN GIAO THỨC SIP..........................................................1
1.1. Định nghĩa ............................................................................................................1
1.1.1. Chức năng của SIP..........................................................................................1
1.1.2. Các chức năng điều khiển của giao thức khởi tạo phiên (SIP) .......................2
1.1.3. Một số khái niệm trong SIP ............................................................................2
1.2. Thành phần SIP...................................................................................................3
1.2.1. UA (User Agent): ...........................................................................................4
1.2.2. Máy chủ mạng (Network Server) ...................................................................5
1.2.3. Địa chỉ SIP ......................................................................................................5
1.2.4. Cấu trúc bản tin SIP ........................................................................................5
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ IMS.........................................................................8
2.1. Định nghĩa ............................................................................................................8
2.2. Kiến trúc IMS ......................................................................................................9
2.2.1. Lớp dịch vụ ...................................................................................................12
2.2.2. Lớp lõi IMS ..................................................................................................13
2.2.2.1. Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF) ...............................................13
a) P-CSCF (Proxy – CSCF) ..........................................................................14
b) I-CSCF (Interrogating – CSCF) ................................................................15
c) S-CSCF (Serving – CSCF)........................................................................16
2.2.2.2. Chức năng điều khiển kết nối mạng .......................................................17
a) Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) ..................................17
b) Chức năng điều khiển cổng truyền thông (MGCF). .................................17
2.2.2.3. Chức năng tài nguyên truyền thông đa phương tiện (MRF) ..................18

2.2.3. Lớp truyền tải................................................................................................18
2.2.3.1. NASS (Network Attachment Subsystem). .............................................19
2.2.3.2. RACF (Resource & Admission Control Functionality). ........................19
a) S-PDF (Serving Policy Decision Function) ..............................................19
b) A-RACF (Access Resource and admission Control Function).................19
2.2.3.3. PSTN/CS Gateway .................................................................................19
a) Chức năng cổng báo hiệu (SGW) .............................................................20
b) Chức năng cổng kết nối đa phương tiện (MGW)......................................20
c) IMS GW và TrGW. ...................................................................................20
CHƯƠNG III: HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS ...........................................22
3.1. Đặc tính kỹ thuật của SIP.................................................................................22
3.2. Thủ tục đăng ký.................................................................................................23
3.3. Thủ tục thiết lập phiên......................................................................................25
3.3.1. Thủ tục khởi xướng phiên.............................................................................27
3.3.2. Thủ tục từ S-CSCF tới S-CSCF....................................................................30
3.3.3 Thủ tục kết cuối Mobile.................................................................................33
3.3.4 Tổng kết thủ tục thiết lập phiên ....................................................................37
3.4. Thủ tục giải phóng phiên ..................................................................................38
3.5. Một số chuẩn mở rộng. .....................................................................................40
3.5.1. Chuẩn nén SIGCOMP ..................................................................................40
3.5.2. Giao thức mô tả phiên SDP (Session Description Protocol) ........................42
3.5.3. Dự trữ tài nguyên (Resource Reservation) ...................................................43
CHƯƠNG IV: HOẠT ĐỘNG CỦA SIP TRONG IMS TRÊN NỀN IPV6 VÀ
TRIỂN KHAI TRONG MẠNG VIỄN THÔNG Ở VIỆT NAM .............................44
4.1. Hoạt động của SIP trong IMS trên nền Ipv6 ................................................44
4.1.1. Sự liên kết mạng giữa Ipv4 và Ipv6..............................................................44
4.1.2.. Trạng thái lưu lượng truyền thông và đẩy mạnh IPv6................................46
4.1.3. Kết luận và giải pháp trong tương lai. ..........................................................48
4.2. Triển khai IMS tại Việt Nam ...........................................................................48
4.2.1. Giới thiệu về viễn thông Việt Nam...............................................................48

4.2.2. Triển khai IMS tại Việt Nam ........................................................................50
KẾT LUẬN ..................................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................53


DANH MỤC VIẾT TẮT
AUTN

Authentication Vector

Vector nhận thực

CK

Ciphering Key

Khóa mật mã

GGSN

Gateway GPRS Support Node

Nút hỗ trợ cổng vào ra GPRS

IETF

Internet Engineering Task Force

IMS

IP Multimedia Subsystem

Tổ chức đặc nhiệm kỹ thuật
Internet
Phân hệ đa phương tiện IP

IK

Integrity Key

Khóa Intergrity

ISIM
LIA

IP Multimedia Services Identity
Module
Location-Info-Answer

Modun nhận dạng các dịch vụ
đa phương tiện IP
Trả lời – thông tin vị trí

LIR

Location-Info-Request

Yêu cầu thông tin vị trí

MAA

Multimedia-Auth-Answer

MAR

Multimedia-Auth-Request

RAND

Random challenge

Trả lời cho nhận thực đa
phương tiện
Yêu cầu nhận thực đa phương
tiện
Ngẫu nhiên không liên tiếp

RES

Response

Đáp ứng

SA

Security Association

Sự kết hợp bảo mật

SAA

Server-Assignment-Answer

Trả lời sự phân bổ máy chủ

SAR

Server-Assignment-Request

Yêu cầu phân bổ máy chủ

SGSN

Serving GPRS Support Node

Nút hỗ trợ phục vụ GPRS

UAA

User-Authorization-Answer

UAR

User-Authorization-Request

Trả lời sự trao quyền người
dùng
Yêu cầu trao quyền người dùng

UE

User Equipment

Thiết bị của người dùng

VoIP

Voice over Internet Protocol

XRES

Expected response

Truyền thoại theo giao thức
internet
Đáp ứng kỳ vọng


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: SIP trong mô hình TCP/IP...............................................................................1
Hình 1.2: Cấu trúc của SIP ..............................................................................................4
Hình 1.3: Sơ đồ User Agent ............................................................................................4
Hình 1.4: Cấu trúc bản tin SIP.........................................................................................6
Hình 2.1: Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông.......................................8
Hình 2.2: Kiến trúc phân lớp của IMS ..........................................................................11
Hình 2.3: Kiến trúc IMS của 3GPP ...............................................................................11
Hình 2.4: Các máy chủ ứng dụng IMS ..........................................................................12
Hình 2.5: Kiến trúc các CSCF .......................................................................................14

Hình 2.6: Kiến trúc MRF...............................................................................................18
Hình 2.7: Kết nối IMS và mạng PSTN/CS ...................................................................20
Hình 2.8: IMS-ALG và TrGW ......................................................................................21
Hình 3.1: Luồng bản tin báo hiệu đăng ký ....................................................................23
Hình 3.2: Sự đăng ký IMS.............................................................................................25
Hình 3.3 Các thủ tục của phiên SIP...............................................................................26
Hình 3.4: Thủ tục khởi xướng di động – Roaming .......................................................28
Hình 3.5 Thủ tục S-CSCF tới S-CSCF giữa hai mạng khác nhau. ..............................31
Hình 3.6 Thủ tục kết cuối mobile trong trường hợp chuyển mạng ...............................35
Hình 3.7 Luồng gọi từ Mobile tới Mobile được đơn giản hóa ......................................37
Hình 3.8 Thủ tục giải phóng phiên ................................................................................38
Hình 4.1: Sự liên kết mạng giữa client IPv4 và IPv6 ....................................................44
Hình 4.2: Sự liên kết mạng giữa Ipv4 và Ipv6 ..............................................................45
Hình 4.3: Đặc điểm ANAT của SBC ............................................................................47
Hình 4.4: Biểu đồ thuê bao điện thoại cố định ..............................................................49
Hình 4.5: Biểu đồ thuê bao di động...............................................................................49
Hình 4.6: Biểu đồ người dùng sử dụng Internet ............................................................49
Hình 4.7: Mô hình triển khai hệ thống IMS của VNPT ................................................50


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN GIAO THỨC SIP
1.1. Định nghĩa
Giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol) là một giao thức báo
hiệu được thực hiện điều khiển phiên cho các kết nối đa dịch vụ. Về cơ bản, hoạt động
điều khiển bao gồm khởi tạo, thay đổi và kết thúc một phiên có liên quan đến các phần
tử đa phương tiện như thoại, message, game trực tuyến…
Ngoài ra giao thức khởi tạo phiên được sử dụng để thiết lập các phiên trong mạng
IP, một phiên có thể đơn giản là một cuộc điện thoại 2 chiều, một thông báo danh sách
các tin nhắn hoặc một hội nghị sử dụng truyền thông đa chiều.
Vị trí của SIP trong ngăn xếp giao thức đa phương tiện, SIP là một giao thức

thuộc lớp ứng dụng trong mô hình TCP/IP.

Hình 1.1: SIP trong mô hình TCP/IP

1.1.1. Chức năng của SIP
• Thứ nhất, nó kích thích sự phát triển của các mô hình ứng dụng và dịch vụ dựa
trên Web. Đây là một điều kiện thuân lợi đối với các nhà cung cấp dịch vụ do được sử
dụng nguồn tài nguyên dồi dào các công cụ có sẵn và cũng thuận lợi đối với người
dung vì họ đã quen thuộc với cách sử dụng Web.
• Thứ hai là khả năng mở rộng, lí do và SIP là giao thức có tính phân bố cao, và là giao
thức báo hiệu đồng cấp, khác với các giao thức báo hiệu truyền thống khác, đặc biệt là báo
hiệu số 7(SS7) có tính xử lý tập trung cao, trong đó nó hoạt động của nó tập

Nhóm 7_Lớp D11VT1

Trang 10


trung tại một số điểm báo hiệu có cấu trúc mạng báo hiệu phức tạp; các phần tử SIP
phân tán đến tận biên của mạng và được nhúng tới các điểm đầu cuối.
• Thứ ba là khả năng phổ cập của SIP. Được phát triển bởi IETF, SIP kế thừa các
đặc điểm của 2 giao thức HTTP ( sử dụng cho web) và SMTP ( sử dụng cho e-mail).
Dựa vào các nguyên tắc có được từ môi trường IP, SIP được thiết kế là giao thức độc
lập ứng dụng, có tính mềm dẻo và có khả năng áp dụng cho nhiều môi trường khác
nhau và cung cấp các dịch vụ đa dạng.
SIP là giao thức báo hiệu điều khiển thuộc lớp ứng dụng
Ưu điểm của SIP so với các giao thức báo hiệu khác đó chính là tính mềm dẻo, được
thiết kế nhanh và đơn giản.
1.1.2. Các chức năng điều khiển của giao thức khởi tạo phiên (SIP)
SIP hỗ trợ 5 chức năng điều khiển phiên sau:

• Định vị người dung ( User Location): Xác định vị trí thiết bị đầu cuối của
khách hàng
• Khả dụng người dùng ( User Availability): Xác định trạng thái sẵn sàng của
thuê bảo bị gọi để thiết lập đường truyền
• Năng lực người dùng (User Capability): Xác định phương tiện và các thông số
được sử dụng.
• Thiết lập phiên ( Session setup): Thiết lập các thông số của phiên cho cả thuê
bao chủ gọi và thuê bao bị gọi
• Quản lí phiên ( Session management): Tạo, kết thúc, sửa đổi phiên
1.1.3. Một số khái niệm trong SIP
• Cuộc gọi (Call): Một cuộc gọi bao gồm tất cả các thành viên được mời bởi một
tài nguyên chung.
• Client: là một chương trình ứng dụng gửi đi các yêu cầu SIP ( request). Client
có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc không đến người sử dụng. Client chứa trong các
Proxy và UA( user agent)
• Server: là một chương trình ứng dụng có nhiệm vụ nhận các yêu cầu hợp lệ từ
các dịch vụ và gửi trả lại đáp ứng. Server có thể là Proxy, Redirect, UAS.
• Đáp ứng kết thúc (Final Respond) : là đáp ứng kết thúc một phiên giao dịch SIP.
Các bản tin đáp ứng :1xx là các bản tin chung, 2xx là bản tin đã nhận thành công,


3xx chuyển địa chỉ, 4xx yêu cầu không được đáp ứng hoặc bản tin đó chứa cú
pháp bị lỗi, 5xx là sự cố của server, 6xx là sự cố toàn mạng.
• Lời mời (INVITATION): là yêu cầu được gửi từ User hoặc Server đề nghị tham
gia vào một phiên hội thoại . Một lời mời đầy đủ bao gồm một yêu cầu INVITE
ngay sau yêu cầu ACK (acknowledge)
• ACK: bản in này khẳng định client đã nhận được bản tin trả lời bản tin INVITE
• BYE: Bắt đầu và kết thúc một cuộc gọi.
• CANCEL: hủy yêu cầu đang nằm trong hàng đợi.
• REGISTER: đầu cuối SIP sử dụng bản tin này để đăng ký với REGISTRAR

SERVER
• OPTIONS: sử dụng để xác định năng lực của server
• Phiên (Session): theo đặc tả SDP ( giao thức mô tả phiên) thì một phiên đa
truyền thông là tập hợp các người gửi và nhận cùng với dòng dữ liệu từ nơi gửi
đến nơi nhận.
• Bản tin: dữ liệu gửi giữa các phần tử SIP, nó như một phần của giao thức. Có 2
loại bản tin là bản tin yêu cầu (Request) và đáp ứng (Response)
• Yêu cầu (Request): là một bản tin được gửi từ client đến server và yêu cầu hoạt
động.
• Đáp ứng (Response): là bản tin được gửi từ server đến client chỉ ra trạng thái
của yêu cầu gửi từ client đến server.
• Proxy, Proxy server: hoạt động như một phần tử trung gian, đóng vai trò như
Server, Client.
1.2. Thành phần SIP
Giao thức SIP gồm 2 thành phần chính:
• Đại lý người dung ( User Agent)
• Máy chủ mạng (Network server)


Hình 1.2: Cấu trúc của SIP

1.2.1. UA (User Agent):
UA là hệ thống cuối cùng hoạt động trên nhân danh của người dùng, UA phải có
khả năng thiết lập một phiên của phương tiện này với các UA khác. UA bao gồm UAC
(User Agent Client) để thiết lập cuộc gọi và UAS (User Agent Server) dùng để kết thúc
cuộc gọi.
UA có thể là máy điện thoại SIP hoặc máy tính chạy phần mềm đầu cuối SIP ( Điện
thoại SIP giống như điện thoại VoIP hoặc điện thoại mềm, các điện thoại này cho phép
thực hiện cuộc gọi và sử dụng bằng công nghệ VoIP giao thức truyền giọng nói qua
Internet, điện thoại SIP chạy trên phần cứng giống như điện thoại để bàn nhưng cũng

có thể nhận các cuộc qua Internet mà không cần phải sử dụng hệ thống PSTN truyền
thống, điện thoại SIP cũng có thể chạy trên phần mềm)

Hình 1.3: Sơ đồ User Agent


1.2.2. Máy chủ mạng (Network Server)
Máy chủ mạng bảo gồm:
•

Máy chủ ủy quyền (Proxy Server): hoạt động như một phần tử trung gian, cũng

như một client và server nhằm mục đích tạo ra các yêu cầu thay mặt cho các client
khác.
•

Máy chủ định vị (Location Server): là phần mềm định vị thuê bao, cung cấp

thông tin về những vị trí có thể của thuê bao bị gọi cho các phần mềm máy chủ ủy
quyền mà máy chủ chuyển đổi địa chỉ.
•

Máy chủ chuyển đổi địa chỉ( Redirect Server): là phần mềm nhận yêu cầu SIP

và chuyển đổi địa chỉ SIP sang một địa chỉ khác và gửi lại đầu cuối.
• Máy chủ đăng ký( Register Server): là phần mềm nhận các yêu cầu đăng ký,
trong
nhiều trường hợp máy chủ đảm nhiệm luôn chức năng an ninh như xác nhận người
dùng
1.2.3. Địa chỉ SIP

Địa chỉ SIP thường là URI với giản đồ SIP, hoặc là SIPs được sử dụng trong 1 số
trường header như To, From, Contact để chỉ ra đích.. SIP URI chứa bản đồ SIP với dấu
‘:’ sau đó sẽ là địa chỉ có dạng name@domain hoặc địa chỉ IPv4, tiếp theo là dấu ‘:’sau
đó là post number, và sau là ‘;’, các thông số của URI được phân cách bởi dấu ‘;’
Ví dụ: sip:: 5060; transport=udp; method=INVITE;
ttl=1;maddr=240.101.102.103
Số cổng 5060 dành cho SIP, với SIP URI nếu như không có cổng, thì nó giả định là
5060, SIPs URI cổng được giả định là 5061
• Thông số truyền tải “transport” là UDP được sử dụng, các thông số transport
khác có thể là TCP,TLS
• Thông số Method được sử dụng để chỉ ra các phương thức được sử dụng. Giá trị
mặc định là INVITE. Thông số này không có trong các trường header và from,
nhưng có thể sử dụng trong header contact để đăng ký.
• Thông số ttl(time to live) chỉ được sử dụng nếu như thống số maddr chứa địa chỉ
multicast và thông số truyền tải chứa UDP. Giá trị mặc định là 1.
• Thông số maddr chứa các địa chỉ multicast khi mà các yêu cầu có thể chuyển
hướng.
1.2.4. Cấu trúc bản tin SIP


Bản tin SIP có ba phần: startline, header, và message body:


Hình 1.4: Cấu trúc bản tin SIP

a) Startline:
Startline có 2 loại: Request và Response
Start Line

Syntax

Request

Method Request – URI SIP – Version

Response

SIP-Version Status-Code Response-Phrase

B ả n g 1 . 1 : Cấ u t r ú c p h ầ n s t a r t l i n e t r o n g b ả n t i n S I P

b) Header:
SIP có 4 loại header: general header, entity header, request header, và respone
header. 2 loại đầu xuất hiện trong cả 2 loại bản tin, 2 cái sau xuất hiện trong loại bản
tin là request hoặc response. Một start line cho phép đi kèm với một hoặc nhiều header.
Tùy theo bản tin là request hay response mà ta dùng header cho phù hợp.
c) Message Body:
SIP message body: Phần thân (body) của bản tin SIP chứa những mô tả phiên giống
như phần mô tả trong SDP. Một mô tả phiên gồm có 3 phần: mô tả phiên (a single
session description), mô tả thời gian (zero or more time descriptions), and mô tả về
truyển dẫn (zero or more media descriptions)


Session Description
Session
Time
Media
Descripton Descripton Descripton

B ả n g 1 . 2 : Cấ u t r ú c p h ầ n t h â n b ả n t i n S I P

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ IMS
2.1. Định nghĩa
IMS ( IP Multimedia Subsystem), là một phần của kiến trúc mạng thế hệ kế tiếp
(NGN) và được cấu thành và phát triển bởi tổ chức 3GPP, 3GPP2 và tổ chức đứng đầu
mạng Internet là IETF để hỗ trợ truyền thông đa phương tiện hội tụ giữa các tín hiệu
thoại, video, audio với dữ liệu và hội tụ truy nhập giữa mạng 2G, 3G và mạng không
dây.
IMS là một kiến trúc mạng nhằm tạo sự thuận tiện cho việc phát triển và phân
phối các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng, bất kể là họ đang kết nối thông qua
mạng truy nhập nào. IMS hỗ trợ nhiều phương thức truy nhập như GSM, UMTS,
CDMA2000, truy nhập hữu tuyến băng rộng như cáp xDSL, cáp quang, cáp truyền
hình, cũng như truy nhập vô tuyến băng rộng WLAN, WiMAX.
IMS hồ trợ nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, bao gồm các dịch vụ nhắn tin tức
thời (Instant Messaging - IM), hội nghị truyền hình (Video Conferencing) và Video
theo yêu cầu (Video on Demand - VoD). IMS cũng có khả năng cung cấp các cơ chế
xác thực và chuyển đổi giữa các mạng khác nhau cho khách hàng di động. Do đó, các
tổ chức tiêu chuẩn như ITU, ETSI đã chọn IMS làm nền tảng cho mạng hội tụ.

Hình 2.1: Kiến trúc IMS hỗ trợ sự hội tụ thiết bị truyền thông

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 thế, IMS là một mạng phủ (overlay), phân phối dịch vụ trên nền hạ
tầng chuyển mạch gói. IMS cho phép chuyển dần từ mạng chuyển mạch kênh sang
chuyển


mạch gói trên nền IP, tạo thuận lợi cho việc quản lý mạng thông tin di động. Việc kết

nổi 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 thế sử dụng một hay nhiều loại thiết bị
khác nhau, di chuyến từ mạng này sang mạng khác mà vẫn có thể dùng cùng một dịch
vụ.
IMS sử dụng các giao thức đã được chuẩn hóa như SIP (điều khiển, thiết lập
phiên), COPS (để đảm bảo QoS) và Diameter (cung cấp các cơ chế nhận thực, xác thực
và truy nhập CSDL thuê bao). IMS có khả năng bảo mật tốt với nhiều cơ chế bảo vệ
khác nhau để ngăn chặn sự tấn công từ bên ngoài và kiểm soát người dùng truy nhập từ
các mạng khác.
Để các đầu cuối đường dây có thể truy nhập độc lập với vận hành và bảo dường
qua mạng Internet, phân hệ đa phương tiện IP đã cố gắng tương thích với các chuẩn
IETF (chuẩn Internet). Trong một số trường hợp là lấy chuẩn giao thức của IETF, do
đó các giao diện này tương thích hợp lý với các chuẩn Internet ví dụ như giao thức SIP
...
Các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đang chuyển dịch vụ thoại truyền thống
sang VoIP để tối ưu cho giá thành đầu tư và giá thành dịch vụ. Tuy nhiên nếu chỉ
chuyển sang mỗi mạng VoIP thì vẫn không đủ đế giải quyết hết những lo âu về giá
thành đầu tư, giá cước thu nhập mà còn phải tăng nhiêu chi phí mới. Khi dịch vụ thoại
chuyển sang mạng IP, nó sẽ trở thành một phần của bộ các dịch vụ truyền thông
hướng kết nối đa phương tiện thời gian thực chạy trên mạng IP và cùng chia sẻ mô
hình hoạt động client- server chung như dịch vụ tin khẩn, cuộc gọi khẩn, hội nghị
mạng và các dịch vụ VoIP,
3G ... Thêm vào đó để VoIP có thể hỗ trợ lớp các dịch vụ mới như dịch vụ đa phương
tiện, dịch vụ tích hợp thì cần có một nền tảng chuyền tiếp dịch vụ mới. Nền tảng ở đây
được chọn chính là IMS do 3GPP định nghĩa và phát triển. Giải pháp của họ là kết hợp
thoại thế hệ kế tiếp với hệ thống dữ liệu, phần mềm và các dịch vụ chuyên nghiệp để
đáp ứng hoạt động trên cả mạng dây và mạng không dây.
2.2. Kiến trúc IMS
Với việc nghiên cứu và phát triển IMS, các yêu cầu cơ bản về cấu trúc của một hệ
thống IMS đã được đặt ra gồm:

• Hỗ trợ các phiên truyền thông đa phương tiện;
• Kết nối IP cho các thiết bị di động trên cả vùng mạng nhà và mạng khách;


• Đảm bảo chất lượng thông tin cho các phiên đa phương tiện;
• Hỗ trợ các chính sách sử dụng đúng tài nguyên yêu cầu;
• Đảm bảo an toàn thông tin trong các môi trường kết nối;
• Hỗ trợ chính sách tính cước;
• Thực hiện chuyển vùng linh hoạt, phối hợp kết nối với các mạng khác;
• Ứng dụng cơ chế điều khiển dịch vụ linh hoạt;
• Phân lớp cấu trúc và đa dạng hình thức truy nhập.
Chính từ các yêu cầu đó, về kiến trúc IMS, tiêu chuẩn tổ chức 3GPP không chuẩn
hóa các node mạng mà chuẩn hóa các chức năng. Điều này có nghĩa rằng kiến trúc của
IMS là sự tổ hợp của các chức năng được gắn kết với nhau thông qua các giao tiếp đã
được chuẩn hóa. Mục tiêu kiến trúc IMS là cung cấp nhiều giá trị gia tăng hơn 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. Với IMS, nhà cung cấp mạng sẽ không chỉ làm
công tác chuyển tải thông tin một cách đơn thuần mà trở thành tâm điểm trong việc
phân 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.
Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp chức năng:
• Lớp dịch vụ, ứng dụng (Application plane).
• Lớp điều khiển (Control plane) hay là lớp IMS, IMS lõi.
• Lớp truyền tải và người dùng (Transport & User plane).


Hình 2.2: Kiến trúc phân lớp của IMS

Hình 2.3: Kiến trúc IMS của 3GPP

Lớp dịch vụ: bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các
máy chủ thuê bao thường chú 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.


2.2.1. Lớp dịch vụ
Máy chủ ứng dụng (Application Server - AS).
AS là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ. Tùy
thuộc vào dịch vụ thực tế mà AS hoạt động trong chế độ SIP Proxy, SIP UA hay SIP
B2BUA. Các AS kết nối với S-CFCS thông qua giao tiếp SIP. Có 3 loại AS: SIP AS,
OSA-SCS, IM-SSF. Các máy chủ OSA-SCS, IM-SSF đóng vai trò làm cầu nối đế IMS
giao tiếp với OSA và gsmSCF.
Ngoài ra các máy chủ có thể được kết nối tới HSS đề tải về hoặc gửi lên các
thông tin dữ liệu của khách hàng. SIP AS, OSA-SCS giao tiếp với HSS thông qua
giao thức Diameter trong khi đó IM-SSF sử dụng giao tiếp MAP (Mobile Application
Part).
AS có thể đặt ở mạng nhà hoặc ở mạng ngoài mà nhà điều hành mạng nhà xác
nhận sự đồng ý dịch vụ. Nếu AS đặt ở ngoài mạng nhà, nó không tương tác với HSS.
Các AS được mô tả như sau:

Hình 2.4: Các máy chủ ứng dụng IMS

SIP AS: Đây là AS thụ động thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý các dịch vụ
đa phương tiện ĨP dựa trên nền SIP.
Máy chủ tiềm trữ phục vụ OSA: OSA-SCS (Open Service Access -Service
capability Server): AS này cung cấp một giao tiếp đến máy chủ ứng dụng truy nhập

dịch vụ mở (OSA), thừa hưởng tất cả các tính năng của OAS đặc biệt là khả năng truy
nhập bảo mật từ các mạng bên ngoài. OSA-SCS giao tiếp với máy chủ ứng dụng OSA
thông qua giao diện lập trình ứng dụng API (Application Programming Interface).
Chức năng chuyển mạch đa dịch vụ IP: IM-SSF (IP Multimedia Service
Switching Function): Đây là máy chủ ứng dụng đặc biệt cho phép IMS tái sử dụng lại


dịch vụ logic cao cấp của những ứng dụng theo yêu cầu khách hàng mạng di động
(CAMEL - Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic) mà đã được
phát triển trong hệ thống GSM. IM-SSF cho phép chức năng điều khiển dịch vụ GSM
(GMSSCF - GSM Service Control Function) thực hiện điều khiển các phiên IMS. IMSSF giao tiếp với GMSCSF thông qua giao tiếp CAP (CAMEL Application Part).
Máy chủ quản lý Cơ sở dữ liệu (CSDL) HSS và SLF.
Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) là trung
tâm lưu trừ cho thông tin người dùng, nó được phát triển từ HLR (Home Location
Register) trong hệ thống GSM. HSS là một cư sớ dữ liệu lưu trữ thông tin của tất các
các thuê bao khách hàng. Dữ liệu này bao gồm thông tin vị trí, thông tin bảo mật (bao
gồm cả thông tin nhận thực và cho phép), thông tin hồ sơ thuê bao (bao gồm các dịch
vụ mà người dùng đã đăng ký) và S-CSCF được phân bổ cho thuê bao...
Trong một mạng IMS có thể có nhiều hơn một HSS, thông thường HSS được
xây dựng theo cơ chế có dự phòng để tránh bị mất thông tin khi có lồi xảy ra.
Chức năng định vị thuê bao SLF (Subscriber location Function) là một CSDL
nhằm xác định thông tin của khách hàng đang được lưu trên HSS nào. Chính vì vậy với
những mạng mà chỉ có 1 HSS thì không yêu cầu phải có SLF, tuy nhiên trong trường
hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF sẽ được
thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.
Cả HSS và SLF đều hoạt động theo giao thức Diameter ứng dụng dành riêng cho
IMS.
2.2.2. Lớp lõi IMS
Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa
phương

tiện. Các chức năng của nó bao gồm:
2.2.2.1. Chức năng điều khiển phiên gọi (CSCF)
CSCF (Call Session Control Function) - Chức năng này là đặc biệt cần thiết cho
IMS, làm nhiệm vụ xử lý các bản tin báo hiệu SIP trong hệ thống IMS. CSCF có
nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hồ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng như
quản lý những tương tác dịch vụ của người dùng. Tùy thuộc vào chức năng mà nhà
khai thác cung cấp CSCF có 3 loại:


• CSCF ủy quyền - P-CSCF (Proxy-CSCF).
• CSCF tham vẫn - I-CSCF (Interrogating-CSCF).
• CSCF phục vụ - S-CSCF (Serving-CSCF).
a) P-CSCF (Proxy – CSCF)

Hình 2.5: Kiến trúc các CSCF

Proxy-CSCF (P-CSCF) là một proxy SIP. Sở dĩ gọi là proxy vì nó có thể nhận
các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyền tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong
hệ thống IMS. P-CSCF là điểm kết nối đầu tiên (chức năng báo hiệu) giữa các đầu cuối
IMS và mạng IMS - là điếm kết nổi đầu tiên giữa hạ tầng IMS và người dùng IMS/SIP.
Theo quan điếm từ SIP thì P-CSCF đóng vai trò là một máy chủ outbound/inbound SIP
Proxy, điều này có nghĩa rằng tất cả các yêu cầu khởi tạo phiên được xuất phát hoặc
gửi đến một đầu cuối IMS đều phải chuyển giao qua P-CSCF sau đó nó thực hiện
chuyển tiếp các bản tin SIP yêu cầu và đáp úng tới hướng tương ứng.
Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF
trong mạng mà nó đang kết nối. Một P-CSCF được chỉ định cho một đầu cuối IMS
trong suốt quá trình đăng ký và không thay đổi trong khoảng thời gian này.
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 chuyển tiếp 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, điều này ngăn chặn quá trình khởi tạo các bản tin không đúng theo
khuôn dạng của SĨP từ các đầu cuối IMS.


 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,
replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng.
 P-CSCF cũng bao gồm các chức năng nén và giải nén các bản tin SIP. Cơ
chế này giúp giảm được thời gian trễ khi truyền lan các bản tin SIP trong mạng,
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.
 P-CSCF có thể được đặt trong mạng chủ hoặc mạng khách, đối với mạng
di động dựa trên nền GPRS, P-CSCF luôn được đặt cùng vị trí với nút hỗ trợ
cổng vào ra GPRS (GGSN - Gateway GPRS Support Node).
b) I-CSCF (Interrogating – CSCF)
CSCF truy vấn là một SIP Proxy nằm tại biên của vùng quản lý. Trong
hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ, I-CSCF là điểm liên lạc cho tất cả
các kết nổi hướng đến một UE nằm trong mạng đó. Địa chỉ IP của I- CSCF
được chứa 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.
 I-CSCF còn mã hoá các phần của các thông điệp SIP mà chứa các thông
tin nhạy cảm về vùng như: số lượng server trong vùng, tên DNS hay dung lượng
của chúng. Chức năng này còn được gọi là THIG, nó thường không được triển
khai bởi hầu hết các mạng.
 I-CSCF thường đặt trong mạng chủ.Trong một vài trường hợp đặc biệt
(I- CSCF có tính năng THIG) nó có thể được đặt ở một mạng khách.