IP多媒体子系统

**IP 多媒體子系統**（IP Multimedia Subsystem，IMS）或 **IP 多媒體核心網路子系統**（IP Multimedia Core Network Subsystem, IMCNS）是一個基於網際網路協定提供多媒體業務的體系架構。傳統行動電話使用類電路交換網路提供語音通話服務，而非使用電腦封包交換通信方式的網路。雖然已有很多方式在智慧型手機上提供網路電話與其他網際網路多媒體服務，但並未形成行業標準，IMS 則為此提供了一個標準化體系架構。

IMS 的最初的版本（3GPP Rel-5）主要是給出了一種基於 GPRS 來實現網際網路協定多媒體業務的方法。在這個版本的基礎上，3GPP、3GPP2 以及 TISPAN 進行了進一步的更新，以支援 GPRS 之外，諸如 WLAN、CDMA2000 和固定電話線等其他接入方式。

IMS 在設計時優先使用屬於 IETF 的協定，比如，對談發起協定。援引 3GPP 的說法，IMS 並非刻意將應用標準化，而是幫助無線和有線終端的多媒體和通話應用提供一個接入方法，藉此，輔助移動固網融合。方式是使用一個獨立的控制層將網路接入的工作從服務層剝離出來。理論上講，服務不再需要控制器，因為有單獨的控制層負責統籌。但從實踐情況看，此舉並未對布網開銷與複雜程度有太大幫助。

有線與無線網路中功能與 IMS 重疊的服務包括通用存取網路、軟交換和 SIP，可將上述服務混合使用達到替代 IMS 的效果。

現今有太多內容取得 / 繞過傳統網路業者與他人聯絡的方式，因此 IMS 的作用受到挑戰。

基於 IMS 達成全球標準的例子可見多媒體通話，這是 VoLTE 和富通訊解決方案（又被稱作 joyn 或進階訊息服務）的基礎。

## 歷史

* IMS 最初是由一個名為 3G.IP 的行業論壇組織所定義的，並於 1999 年的成型。3G.IP 開發的 IMS 架構後來被帶入 3GPP，成為其 3G 移動系統標準化工作的一部分。IMS 的第一次出現是在 3GPP 標準版本 5 中，首次在 3G 網路中引入了分組域的多媒體業務，但主要是基於 GPRS。
* 3GPP2（另一個 3G 標準化組織）基於 3GPP IMS 構建了他們的 CDMA2000 多媒體域（Multimedia Domain，MMD），為 IMS 增加了 CDMA2000 接入。
* 3GPP 標準第 6 版加入了與 WLAN 的互動，支援使用者通過 WLAN 接入 IMS。
* 3GPP 標準第 7 版，與 TISPAN R1.1 版本一起，增加了對固定網路的支援。AGCF（Access Gateway control function）和 PES（PSTN Emulation Service）被引入，以繼承 PSTN 的業務和終端。

## 架構

以下將簡述上圖所列的各個功能組。

IP 多媒體核心子系統是由一系統功能組組成的。各個功能組之間由一組標準介面聯鏈起來，組成一個 IMS 管理網路。一個功能組並非是一個節點（即硬體實體）：它的實現方式是開放的，允許將多個功能組布署在一個節點，亦允許一個功能組由多個節點實現。考慮到容量、負載均衡和管理等方面，還允許在一個網路存在有多個相同的功能組。

### 網路存取

使用者有多種途徑存取 IMS，最普遍的是使用網際網路協定（IP）。IMS 終端（如移動電話、個人數位助理（PDA）以及電腦）只需要使用 IP 協定並且運行會話發起協定（SIP）使用者代理，就可以直接存取 IMS，即使他們已經漫遊到其它國家或網路。

IMS 支援網路存取途徑有：

固定線路存取（如數位使用者線路（DSL）、纜線數據機以及以太網），移動存取（如 WCDMA、CDMA2000、GSM 以及 GPRS），無線存取（如 WLAN 和 WiMAX）。

另外像普通老式電話服務，H.323 和非 IMS 相容的網路電話系統等電話系統可以通過閘道器接入 IMS。

### 核心網路

#### 歸屬使用者伺服器（HSS - Home Subscriber Server）

歸屬使用者伺服器是一個核心的使用者資料庫。它為 IMS 網路中實際管理通話的實體提供支援。如存取使用者相關的資訊（稱之為使用者組態），對使用者認證和授權以及 提供使用者位置 IP 位址等相關資訊。它和 GSM 的歸屬位置暫存器（HLR - Home Location Regiser）和認證中心（AuC - Authentication Centre）相似。

在同時使用多個 HSS 時，需要使用者位置功能組（SLF - Subscriber Location Function）對映使用者儲存的位置。即當查詢某個使用者組態時，由 SLF 指出哪個 HSS 儲存了這個使用者組態。

##### 使用者標識

IMS 可以使用多種使用者標識：IP 多媒體私有標識（IMPI - IP Multimedia Private Identity），IP 多媒體公共標識（IMPU - IP Multimedia PUblic Identity），全域可路游使用者代理統一資源標識符（GRUU - Globally Routable User Agent URI），通配公共享戶標識（Wildcarded PUblic User Identity）。IMPI 和 IMPU 是一種統一資源標識符（URI），它可以是數字（Tel URI，如 tel: +1-555-123-4567），也可以是字元標識符（SIP URI，如 sip:john.doe@example.com）。

##### IP 多媒體私有標識（IMPI）

IP 多媒體私有標識是一種由主網路操作者永久性分派的全域性標識，它可以用於註冊、認證、管理和計費等用途。每個 IMS 使用者可以有多個 IMPI。

##### IP 多媒體公有標識（IMPU）

當 IMS 使用者想要和其他使用者通訊時，需要使用 IP 多媒體公有標識（它可以寫在那個人的名片上）。IMS 允許一個 IMPI 上綁定多個 IMPU。IMPU 也可以和其它電話共享（就像一個家庭使用一個電話號碼）。

##### 全域可路由使用者代理統一資源標識符（GRUU）

全域可路由使用者代理統一資源標識符是一個由 IMPU 和 UE 實例組成的標識符。IMS 中有兩類 GRUU：公共 GRUU (P-GRUU) 和臨時 GRUU (T-GRUU)

* P-GRUU 明示了使用者的 IMPU 並且長期有效
* T-GRUU 隱藏了使用者的 IMPU。當使用者顯式注銷 T-GRUU 或者過了有效期時，T-GRUU 就會失效。

##### 通配公共享戶標識（Wildcarded PUblic User Identity）

通配公共享戶標識表示一組相似的 IMPU。

HSS 使用者資料庫儲存使用者的 IMPU，IMPI，國際移動使用者識別碼（IMSI），MSISDN，使用者服務組態，服務開關和其它資訊。

#### 呼叫對談控制功能（CSCF - Call Session Control Function）

會話發起協定（SIP）伺服器和代理共同實現通話控制功能，稱之為 CSCF。它們在 IMS 系統中處理 SIP 訊號數據包。

* 代理 - CSCF（P-CSCF）是一個 SIP 代理，作為與 IMS 終端直聯通訊點。它可以設定在公網中也可以設定在 IMS 本網中。某些網路在這個功能組中可能使用了會談邊界控制器（SBC）。P-CSCF 其核心是一個特殊的 SBC。該 SBC 使用的使用者網路介面不僅保護網路，也保護了 IMS 終端。在 IMS 終端和 P-CSCF 之間傳遞加密訊號時，使用附加的 SBC 是毫無意義同時也是不可用的。終端可以使用 DHCP 協定來找到它的 P-CSCF，也可以使用組態（如出廠設定、3GPP IMS 管理物件）、或是記錄在 ISIM 中、或是在 PDP 環境（GPRS PDP Context）中賦值。
  * 它在 IMS 終端註冊之前就被分派給 IMS 終端，並且在註冊期間不會改變。
  * 它位於所有訊號的通路，可以檢查所有的訊號。IMS 終端必須忽略任何其它未加密的訊號。
  * 它提供使用者的認證，並且為 IMS 終端建立一個 IPsec 或 TLS 連接。這樣可以阻止欺騙攻擊和重放攻擊，並且保護使用者的隱私。
  * 它檢查訊號，確保 IMS 終端沒有企圖作弊（比如改變通常訊號路游，不遵守 IMS 網路路游策略）。
  * 它也可以使用 SigComp 壓縮和解壓縮 SIP 資訊，以降低較慢的無線電鏈路的負載。
  * 它也可以加入策略決擇功能（PDF - Policy Decision Function）。它可以允許媒體水平的資源（如 QoS）可以達到媒體水平。它也可以用作策略控制、帶寬管理等等。PDF 也可以作為獨立的功能組。
  * 它也產生費用記錄。
* 服務 - CSCF（S-CSCF）。從訊號層面的來看，S-CSCF 是 IMS 子系統的核心節點。它雖然是 SIP 伺服器，但也負責會話的控制。它永遠設定在 IMS 本網路中，徑直地使用 Cx 和 Dx 介面存取 HSS。它從 HSS 下載使用者組態並且上傳使用者與 S-CSCF 關聯資訊。（出於對處理使用者組態效率的考慮，S-CSCF 會在其本地快取使用者組態。但它不會在本地對使用者組態進行更改。）所有必要的使用者組態資訊都會從 HSS 那裡載入。
  * 它負責處理 SIP 註冊。它會將使用者位置（如終端的 IP 位址）和 SIP 位址進行綁定。
  * 它位於所有在它那裡註冊的使用者所發出的訊號資訊的通路上，可以檢查所有的資訊。
  * 它負責決定 SIP 資訊將抵達哪一個應用服務處理，以完成應用服務。
  * 它提供路游服務，通常是使用電子號碼（ENUM - Electronic Numbering）尋找
  * 它執行網路運營商的策略
  * 出於分散式負載和高可靠性的原因，IMS 網路中允許設定多個 S-CSCF。這種情況下，由 HSS 在使用者組態記錄哪一個 S-CSCF 被關聯到該使用者，而後由 I-CSCF 來查詢這些記錄。
* 詢問 - CSCF（I-CSCF）是另一個位於管理域邊緣的功能組。它的 IP 位址通過 DNS 發布，所以遠程伺服器可以尋找到它，並把它作為向它所在的域傳遞 SIP 包的跳點。
  * 它查詢 HSS，獲取 S-CSCF 的位址並且分派給使用者以完成 SIP 註冊。
  * 它也為 S-CSCF 傳遞 SIP 請求和回應。
  * 直到 IMS 第 6 版，它是可以用來把內網隱藏起來，使外部網路無法獲取內部網路的資訊（加密部分 SIP 資訊）。這裡稱之為隱藏內部網路拓撲閘道器（THIG - Topology Hiding Inter-network Gateway）。從第 7 版開始，這個功能從 I-CSCF 移走，作為互聯邊界控制功能組（IBCF - Interconnection Border Control Function）的一部分。IBCF 被用作外部網路的閘道器，提供 NAT 和防火墻功能。IBCF 實際上是 NNI 的會談邊界控制器的裁剪版本。

#### 應用伺服器（AS - Application Server）

SIP 應用伺服器負責和提供服務。它與 S-CSCF 之間使用會話發起協定（SIP）。由 3GPP 開發的語音持續呼叫功能（VCC Server）就是一個應用伺服器的典型案例。基於具體的服務不同，AS 可以選擇不同的 SIP 模式，如 SIP 代理模式，SIP 使用者代理（UA - User agent）模式和 SIP B2BUA 模式。AS 可以設定在 IMS 本網內也可以設定在外部的第三方網路。如果位於本網，它還可以使用 Sh 或 Si 介面查詢 HSS。

* SIP AS：負責和提供 IMS 具體服務
* IP 多媒體切換功能（IM-SSF - IP Multimedia Service Switching Function）：SIP 和 CAP 之間的介面，用以與 CAMEL 應用伺服器通訊。
* OSA 服務效能伺服器（OSA SCS - OSA Service Capability Server）：SIP 和 OSA 框架之間的介面。

##### 功能模型

AD-ILCM 和 AS-OLCM 用來儲存事務狀態並且可以根據特定服務的需要儲存會話狀態。對於 S-CSCF 來說，AS-ILCM 介面是輸入端，AS-OLCM 介面是輸出端。應用邏輯提供服務和 AS-ILCM、AS-OLCM 之間的互動。

##### 公共服務標識（PSI - Public Service Identity）

公共服務標識是用來標識應用服務提供的服務。作為使用者標識，PSI 可以提供 SIP 和 Tel URI 兩種標識格式。PSI 通常被 HSS 以完整 PSI 或通配 PSI 儲存。

* 完整 PSI 包含完整的 PSI 標識，可以直接用來路游。
* 通配 PSI 表達一組 PSI 標識。

#### 媒體伺服器

媒體資源功能組（MRF - Media Resource Function）提供與媒體相關的功能，包括媒體處理（如混音）、播放撥號音和語音提示。

MRF 可以進一步劃分為媒體資源功能控制器（MRFC - Media Reource Function Controller）和媒體資源功能處理器（MRFP - Media Resource Function Processor）。

* MRFC 是訊號層面的節點，它根據來自 AS 和 S-CSCF 的資訊來操控 MRFP。
* MRFP 是媒體層面的節點，用來混合、產生或者處理媒體流。它也可以管理共享資源的存取權限。

媒體資源協商器（MRB - Media Resource Broker）是一個功能實體。負責收集已經發布的 MRF 資訊，並且向 AS 這樣的資訊消費實體提供適當的 MRF 資訊。MRB 通常有兩個模式：

* 查詢模式：AS 主動查詢 MRB 相應的媒體並且建立使用 MRB 回應的呼叫。
* 線性模式：AS 向 MRB 發送 SIP INVITE，由 MRB 建立呼叫。

#### 出口閘道器控制功能

出口閘道器控制功能（BGCF - Breakout Gateway Control Function）是一個 SIP 代理，它處理來自 S-CSCF 的路由請求。BGCF 有基於電話號碼的路由功能，用來選擇與 PSTN 網路的介面點。當 BGCF 發現被叫網路位於一個 PSTN 網路時，BGCF 就選擇一個媒體閘道器控制功能 (MGCF)，將對談路由到 MGCF，MGCF 負責與 PSTN 網路互動。

#### 媒體閘道器控制功能

媒體閘道器控制功能（MGCF - Media Gateway Control Function）完成 IMS 網路與 PSTN 網路之間的呼叫控制協定轉換。主要是將 SIP 訊息轉換成 ISUP 訊息。並控制 IM-MGW 中媒體信道，管理 PSTN 網路的承載和與 IMS 網路的 IP 流間的連接。

### 介面描述

另外，IMS 要求一組垂直的介面規範來提供以下特性：

* 普遍的介面，在應用伺服器上用於帳務、安全、簽訂服務的資料、業務控制以及用來給諸如 presence functions 等的「積木」提供服務。
* 協調後的和加強的 QoS
* 在操作員控制下的基於對談的媒體關守
* 在各種業務、對談和傳輸層間關聯的帳務和付費

以上這些能力導致 IMSs 有別於通常的對談控制的網際網路應用。一個 IMS 是一種模型，在這種模型中，網路操作員和業務分別提供方控制網路和業務的接入，與此同時消費者會有消費帳單。網路是完全透明的，並且所有的服務由終點（endpoint）提供 —— 這與通常的網際網路模型相反。至少在理論上，這種更易控制的環境導致的結果是：使用者因為 QoS、單一登入和客戶服務而享受到了更好的體驗。

 

## 參見

* 下一代網路（NGN）
* IMS-2000

## 參考文獻