IMS网络的结构和功能实体解析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图7.13IMS网络分层结构IP接入网络层：主要功能包括发起和终结各类SIP会话；实现IP分组承载与其他各种承载之间的转换；根据业务部署和会话层的控制实现各种QoS策略；完成与PSTN/PLMN之间的互联互通。IMS系统的大部分核心功能实体均处于本层。③支持用户安全：支持接入CS域、PS域和IMS域的鉴权过程，生成加密数据并将数据传递到相关网络实体，如MSC/VLR，SGSN 或CSCF。

1.网络结构

IMS网络底层采用基于IP 协议的分组交换网络进行传输，可以分为三层，如图7.13所示。

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图7.13　IMS网络分层结构

（1）IP接入网络层：主要功能包括发起和终结各类SIP会话；实现IP分组承载与其他各种承载之间的转换；根据业务部署和会话层的控制实现各种QoS策略；完成与PSTN/PLMN之间的互联互通。设备包括各类SIP终端、有线接入网关、无线接入网关、互联互通网关等。

（2）IP多媒体核心网络层：全部基于IP，该层与PS域共用物理实体，提供多媒体业务环境。该层完成基本会话的控制，完成用户注册、SIP会话路由控制，与应用服务器交互执行应用业务中的会话、维护管理用户数据、管理业务QoS策略等功能，与应用层一起为所有用户提供一致的业务环境。IMS系统的大部分核心功能实体均处于本层。

（3）业务网络层：指通过为服务网络增强逻辑应用的服务器（CAMEL，Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic）、OSA/PARLAY 和SIP 技术提供多媒体业务的应用平台，可以向用户提供多媒体业务逻辑，也可以实现传统的基本电话业务，如呼叫前转、呼叫等待、会议等。

IMS网络的主要功能实体如图7.14所示，主要包括了会话控制功能实体、归属用户服务器、签约定位服务器、出口网关控制功能实体、媒体网关控制功能实体、媒体网关、信令网关、策略决策功能实体等。各功能实体之间通过已定义的接口和协议进行通信。

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图7.14　IMS网络功能实体示意图

2.主要功能实体

下面详细介绍IMS 网络中的主要设备和功能实体，包括代理呼叫会话控制功能（PCSCF）、查询呼叫会话控制功能（I-CSCF）、服务呼叫会话控制功能（S-CSCF）、归属用户服务器（HSS）、出口网关控制功能（BGCF）、媒体网关控制功能（MGCF）和策略决策功能（PDF）等。

(1)P-CSCF

P-CSCF是IMS用户的网络接入节点。所有SIP信令，无论是来自UE的还是发送给UE的，都必须经过它。通过P-CSCF发现规程的机制，UE 可以获得P-CSCF 的地址。其作用就像代理服务器，负责验证请求，将它转发给指定目标，并处理和转发响应。主要功能如下。

①将UE发来的注册请求消息转发给I-CSCF。

②将从UE收到的SIP请求和响应转发给S-CSCF。

③将SIP请求和响应转发给UE。

④发送计费相关信息给CCF。

⑤提供SIP信令的完整性和机密性保护。

⑥执行SIP消息压缩/解压缩。

⑦和PDF交互，授权承载资源并进行QoS管理。

(2)I-CSCF

I-CSCF可以充当所有用户的连接点，也可以用作当前网络服务区内漫游用户的服务接入点。在一个运营商的网络中可以有多个I-CSCF。主要功能如下。

①为一个发起SIP注册请求的用户分配一个S-CSCF。

②在对会话相关和会话无关的处理中，将从其他网络来的SIP请求路由到S-CSCF；查询归属用户服务器HSS，获取为某个用户提供服务的S-CSCF地址；根据从HSS获取的S-CSCF地址将SIP请求和响应转发到S-CSCF。

③生成计费记录，发给CCF。

④提供网间拓扑隐藏网关功能，对外隐藏运营商网络的配置、容量和网络拓扑结构。

(3)S-CSCF

S-CSCF是IMS的核心功能模块，位于归属网络，为UE进行会话控制和注册服务。它可以根据网络运营商的需要，维持会话状态信息，并与服务平台和计费功能进行交互。在相同运营商的网络中，不同的S-CSCF 可以有不同的功能。在一个呼叫过程中，它执行如下主要功能。

①充当注册服务器接收注册请求，并通告位置服务器（如HSS）来使该请求信息生效，得到UE的IP地址以及哪个P-CSCF正在被UE用作IMS入口等信息。

②通过IMS认证和密钥协商AKA 机制来实现UE与归属网络间的相互认证。

③处理消息流，包括：为已经注册的会话终端进行会话控制；作为代理服务器，处理或转发收到的请求；作为用户代理，中断或者独立发起SIP事务；与服务平台交互来向用户提供服务；提供终端相关的服务信息。

④当代表主叫的终端时，根据被叫的名字（如电话号码或SIP URL）从数据库中获得为该被叫用户提供服务的I-CSCF地址，把SIP请求或响应转发给该I-CSCF；或者根据运营策略，把SIP请求或响应转发给IP多媒体核心网位于系统外的SIP服务器；当呼叫要路由到PSTN或CS域时，把SIP请求或响应转发给BGCF。

⑤当代表被叫的终端时，如果用户在归属网络中，把SIP请求或响应转发给P-CSCF；如果用户在拜访网络中，把SIP请求或响应转发给I-CSCF。根据HSS和业务控制功能的交互作用，把要路由到CS域的入局呼叫的SIP请求进行修改。当呼叫要路由到PSTN 或CS域时，把SIP请求或响应转发给BGCF。

⑥发送计费消息。

(4)HSS

HSS是IMS中所有与用户和服务器相关的数据的主要存储服务器。存储在HSS的IMS相关数据主要包括用户身份信息（用户标识、号码和地址）、用户安全信息（用户网络接入控制的鉴权和授权信息）、用户的位置信息和用户的签约业务信息。逻辑功能如下。

①移动性管理：支持用户在CS域、PS域和IMS域移动性。

②支持呼叫和会话建立：支持在CS域、PS域和IMS域的呼叫/会话建立。对于被叫业务，提供当前用户的呼叫/会话的控制实体信息。

③支持用户安全：支持接入CS域、PS域和IMS域的鉴权过程，生成加密数据并将数据传递到相关网络实体，如MSC/VLR，SGSN 或CSCF。

④支持业务定制：提供CS域、PS域和IMS域使用的业务签约数据。

⑤用户标识处理：处理用户在CS域、PS域和IMS域使用的所有标识之间的关联关系。

⑥接入授权：在MSC/VLR、SGSN 或CSCF请求的用户移动接入时，HSS通过检查用户是否允许漫游到此拜访网络，进行移动接入授权。

⑦支持业务授权：为被叫的会话建立提供基本的授权，同时提供业务触发。此外还负责把用户业务相关的更新信息提供给相关网络实体，如MSC/VLR、SGSN 或CSCF。

⑧支持应用业务。

(5)BGCF

BGCF用于选择与PSTN/CS域接口点相连的网络，主要功能如下。

①接收来自S-CSCF的请求，选择恰当的PSTN/CS域的接口点。

②当BGCF发现与被叫PSTN/CS用户会话实现互通的MGCF与自己处于同一运营商网络中时，直接选择一个本地MGCF，由其负责与PSTN/CS域进行交互。

③若与被叫PSTN/CS用户会话实现互通的MGCF 与自己处于不同的运营商网络，则BGCF会选择对方运营商网络中的一个BGCF，由其最终选择互通MGCF；如果网络运营商需要隐藏拓扑，则BGCF会将消息首先发给本网的I-CSCF进行SIP路由拓扑隐藏处理，然后由I-CSCF转发到对方运营商网络的BGCF。

④可支持计费功能，生成计费相关的信息。

(6)MGCF

MGCF是使IMS用户和PSTN/CS用户之间进行通信的网关，主要功能如下。

①实现IMS与PSTN/CS的控制面交互，支持IMS的SIP与PSTN/CS域呼叫控制协议ISUP/BICC的交互及会话互通。

②通过控制IM-MGW 完成PSTN/CS域承载与IMS域用户面RTP的实时转换，以及必要的编解码转换。

③对来自PSTN/CS域指向IMS用户的呼叫进行号码分析，选择合适的CSCF。

④生成计费相关的信息。

(7)PDF

PDF作为策略决策点，进行基于业务的本地策略控制。根据AF（Application Function，如P-CSCF）的策略建立信息来决定策略，主要功能包括策略信息下发，支持来自AF的授权建立处理，为计费和呼叫保持/恢复补充业务支撑等。