GIỚI THIỆU CHUNG TỔNG QUAN IMS
Tổng quan về các công trình nghiên cứu liên quan
Hình 1.1: Kiến trúc mạng đa truy cập trên nền IMS
Giải pháp IMS được xem là tiềm năng cho mục tiêu hội tụ mạng truy cập giữa cố định và di động, bao gồm VoLTE và VoWiFi VNPT đã bắt đầu triển khai giải pháp IMS từ năm 2011 với thiết bị của ALU, nhưng vẫn chưa áp dụng công nghệ này cho VoLTE và VoWiFi.
Công nghệ 4G/LTE đã được triển khai rộng rãi trên toàn cầu, và các nhà mạng Việt Nam cũng đã cung cấp dịch vụ này cho khách hàng Tuy nhiên, thách thức đặt ra là cần đa dạng hóa và nâng cao chất lượng dịch vụ 4G Dịch vụ VoLTE đã có mặt trên hơn 100 mạng ở 55 quốc gia, với dự đoán khoảng 2.3 tỷ thuê bao vào năm 2021, trong khi dịch vụ VoWiFi được triển khai trên 40 mạng của 25 quốc gia Tại Việt Nam, một số nhà mạng như Viettel và Mobifone đã bắt đầu nghiên cứu và triển khai dịch vụ VoLTE và VoWiFi, nhưng hiện tại chưa có nhà mạng nào cung cấp cả hai dịch vụ này trên cùng một giải pháp hội tụ.
Các bộ tiêu chuẩn liên quan IMS:
IETF: đưa ra các tiêu chuẩn sau đây liên quan đến IMS: RFC3261 cho SIP, RFC 2327 cho SDP, RFC 3588 cho Diameter và RFC 3550 cho RTP.
3GPP is the primary standards organization responsible for the Internet Multimedia Subsystem (IMS), focusing on architecture, node functions, protocols, and interfaces Key IMS standards established by 3GPP include TS 23.218, which addresses IP Multimedia session handling and IM call models at Stage 2; TS 23.228, detailing the IMS framework at Stage 2; and TS 24.228, outlining signaling flows for IP multimedia call control based on the Session Initiation Protocol (SIP) and Session Description Protocol (SDP) at Stage 3.
ITU-T: chỉ định các giao thức được sử dụng bởi IMS như E.164, H.248 và G.711; định nghĩa các giao thức cho IMS như E.164, H.248 và G.711.
GSMA đã đưa ra tiêu chuẩn hóa cho dịch vụ thoại và SMS qua LTE với các tài liệu quan trọng như IR.92, IR.94, IR.64 và IR.88 IR.92 xác định các tính năng cần thiết của E-UTRAN, Evolved Packet, IMS core và thiết bị người dùng (UE) để cung cấp dịch vụ thoại dựa trên IMS qua LTE IR.94 thiết lập bộ tính năng tối thiểu cho thiết bị và mạng nhằm đảm bảo dịch vụ thoại video qua IMS trên LTE IR.64 cung cấp hướng dẫn về việc tập trung hóa các dịch vụ IMS và duy trì tính liên tục cho các thiết bị vô tuyến, giúp người dùng nhận dịch vụ một cách nhất quán qua cả miền chuyển mạch kênh (CS) và miền chuyển mạch gói (PS) Cuối cùng, IR.88 đưa ra tiêu chuẩn cho các nhà mạng LTE khi thuê bao thực hiện chuyển vùng giữa các mạng khác nhau.
Kiến trúc mạng IMS
Hình 1.2: Mô hình tham chiếu của IMS (Nguồn: 3GPP, TS 23.228 “IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2”)
P-CSCF (Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi ủy quyền): P – CSCF là điểm khởi đầu cho các phiên báo hiệu tới IMS để kích hoạt VoLTE từ phía UE P – CSCF sẽ hoạt động như một SIP proxy để chuyển tiếp các bản tin SIP giữa UE và mạng lõi IMS Bốn chức năng cơ bản của P-CSCF là: nén SIP, kết hợp bảo mật IP (IPSec), tương tác với chức năng quyết định chính sách (PDF) và xác định các phiên khẩn cấp P-CSCF thực hiện các chức năng sau đây: [3] o Chuyển tiếp các yêu cầu SIP REGISTER tới các CSCF truy vấn (I- CSCF) o Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP của UE tới CSCF phục vụ (S-CSCF) o Chuyển tiếp các yêu cầu và đáp ứng SIP tới UE. o Phát hiện các yêu cầu thiết lập phiên. o Tạo thông tin tính cước để gửi cho nút tính cước CCF. o Bảo vệ toàn vẹn báo hiệu SIP và duy trì liên kết bảo mật giữa UE và P-CSCF sử dụng giao thức IPSec. o Nén và giải nén các bản tin SIP từ UE. o Kiểm tra phương tiện P-CSCF có thể kiểm tra nội dung bản tin giao thức mô tả phiên (SDP) và kiểm tra xem nó chứa các loại phương tiện hay codec Khi SDP không phù hợp với chính sách của nhà khai thác thì P-CSCF sẽ loại bỏ yêu cầu và gửi bản tin báo lỗi SIP tới UE. o Duy trì và bộ định phiên. o Tương tác với chức năng quyết định chính sách.
I-CSCF (Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi truy vấn): I-CSCF là điểm liên lạc trong mạng cho tất cả các kết nối dành cho người dùng của mạng đó Khi đăng ký IMS, nó sẽ thẩm vấn HSS để xác định S-CSCF phù hợp để định tuyến yêu cầu đăng ký Đối với các cuộc gọi đến, nó sẽ thẩm vấn HSS để xác định S-CSCF mà người dùng đã đăng ký [3]
S-CSCF (Chức năng điều khiển phiên cuộc gọi phục vụ): S-CSCF cung cấp chức năng thiết lập phiên, chia nhỏ phiên, điều khiển phiên và chức năng định tuyến Nó tạo các bản ghi cho mục đích tính cước cho tất cả các phiên dưới sự kiểm soát của nó và gọi máy chủ ứng dụng dựa trên các IFC nhận được từ HSS S-CSCF đóng vai trò là nhà đăng ký SIP cho các VoLTE UE mà HSS và I-CSCF gán cho nó Nó truy vấn HSS cho các cấu hình thuê bao hiện hành và xử lý các cuộc gọi liên quan đến các điểm cuối này sau khi chúng đã được đăng ký S-CSCF thực hiện các chức năng sau đây:
S-CSCF quản lý các yêu cầu đăng ký bằng cách nhận diện địa chỉ IP của UE và P-CSCF mà UE đang sử dụng như một điểm truy cập IMS.
- Nhận thực người dùng bằng cơ chế nhận thưc và đồng thuận khóa IMS(AKA) giữa UE và mạng nhà.
- Tải thông tin người dùng và dữ liệu liên quan đến dịch vụ từ HSS.
Định tuyến lưu lượng đầu cuối di động đến P-CSCF và định tuyến lưu lượng khởi xướng từ di động tới I-CSCF là những bước quan trọng trong quá trình quản lý và điều phối lưu lượng, bao gồm cả việc chuyển tiếp tới thực thể điều khiển cổng thoát (BGCF) hoặc máy chủ ứng dụng.
- Thực hiện chức năng điều khiển phiên, S-CSCF có thể hoạt động giống như một máy chủ đại diện.
- Tương tác với các nền tảng dịch vụ.
Phiên dịch số E.164 sang URI là cần thiết để nhận dạng tài nguyên hợp nhất thông qua cơ chế phiên dịch tên miền DNS Điều này quan trọng vì việc định tuyến bản tin SIP trong IMS chỉ dựa vào các SIP URI Do đó, khi một khách hàng gọi một số điện thoại thay vì sử dụng SIP URI, S-CSCF phải áp dụng các dịch vụ phiên dịch số để đảm bảo kết nối.
- Giám sát bộ định thời đăng ký và có thể đăng ký lại khi cần.
- Duy trì bộ định thời phiên.
S-CSCF thực hiện kiểm tra nội dung bản tin SDP để xác định các loại phương tiện và codec có trong đó Nếu SDP không phù hợp với chính sách của nhà mạng hoặc yêu cầu dịch vụ của khách hàng, S-CSCF sẽ từ chối yêu cầu và gửi thông báo lỗi.
The Telephony Application Server (TAS) is a crucial component of the IMS (IP Multimedia Subsystem) architecture, designed to provide a minimum set of mandatory multimedia voice services as defined by 3GPP standards.
MRF (Chức năng quản lí tài nguyên phương tiện) là một chức năng quan trọng trong hệ thống IMS và I/S-CSCF, cung cấp xử lý mặt phẳng phương tiện độc lập với các loại ứng dụng như chuyển mã, cuộc gọi hội thảo nhiều bên và thông báo mạng Chức năng này hoạt động dưới sự kiểm soát của máy chủ ứng dụng IMS, ví dụ như VoLTE AS, và cung cấp các chức năng xử lý phương tiện cơ bản cho CSCF Các giao diện giữa mặt phẳng điều khiển và MRF được xác định bởi các tham chiếu 3GPP Mr, Mr và Cr, trong khi giao diện giữa mặt phẳng phương tiện và MRF được quy định bởi tham chiếu Mb cho truyền tải RTP/RTCP.
IBCF/TrGW (Chức năng điều khiển kết nối liên mạng /Cổng chuyển):
IBCF và TrGW đảm nhận vai trò quan trọng trong việc quản lý mặt phẳng điều khiển và phương tiện tại các điểm kết nối mạng với các PMN khác IBCF có khả năng được triển khai tại bộ điều khiển biên phiên kết nối, giúp tối ưu hóa quy trình truyền tải dữ liệu và nâng cao hiệu suất mạng.
IMS-ALG/IMS-AGW (Cổng mức ứng dụng IMS/Cổng truy cập IMS) là một tùy chọn triển khai có thể hoạt động độc lập hoặc kết hợp với P-CSCF Chức năng chính của IMS-ALG/IMS-AGW là quản lý mặt phẳng điều khiển và phương tiện tại điểm truy cập vào mạng IMS Nó cung cấp các chức năng kiểm soát cổng và NAT cục bộ, đồng thời chỉ báo và đảm bảo tính khả dụng của IP realm, quản lý chính sách lưu lượng truy cập, và đánh dấu gói QoS để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
MGCF/IMS-MGW, hay Chức năng điều khiển cổng phương tiện và IMS Cổng phương tiện IMS, đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng phương tiện tại các điểm kết nối mạng với mạng chuyển mạch kênh Nó bao gồm kết nối với mạng CS thông qua các giao thức BICC, ISUP và SIP-I, đồng thời có khả năng thực hiện chuyển mã cho mặt phẳng phương tiện.
BGCF (Chức năng điều khiển cổng) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nút tiếp theo để định tuyến bản tin SIP, dựa trên thông tin từ SIP/SDP và dữ liệu cấu hình định tuyến Đối với kết cuối trên tên miền CS, BGCF xác định mạng gửi ra và chọn MGCF phù hợp, trong khi với các mạng IMS ngang hàng, nó chọn IBCF thích hợp để xử lý kết nối BGCF cũng có khả năng cung cấp chỉ thị cho MGCF/IBCF về mạng kết nối tiếp theo, thông qua việc sử dụng tiêu đề tuyến đường để chỉ định nút xâm nhập mạng tiếp theo.
HSS là cơ sở dữ liệu mạng quan trọng, lưu trữ các yếu tố dữ liệu tĩnh và động liên quan đến thuê bao Nó cung cấp thông tin hồ sơ người dùng cho MME và core IMS trong quá trình đính kèm UE và đăng ký IMS.
Chức năng ENUM/DNS cho phép chuyển đổi số E.164 sang URI SIP thông qua DNS, giúp định tuyến tin nhắn trong các phiên IMS Bên cạnh đó, nó cũng hỗ trợ chuyển đổi tên miền (FQDN) thành địa chỉ IP bằng DNS.
Một số khái niệm IMS
1.3.1 Đánh số, định danh và đánh địa chỉ
Trong IMS, người dùng được xác định thông qua định danh người dùng công cộng và danh tính người dùng riêng Danh tính dịch vụ công cộng (PSI) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dịch vụ, tính năng dịch vụ hoặc nhóm dịch vụ mà người dùng tham gia.
Nhà mạng gán định danh cá nhân cho mỗi thuê bao để xác thực, và thông tin này không được phép tiết lộ cho người dùng khác Danh tính người dùng cá nhân có định dạng NAI (tên người dùng @ realm) và được cung cấp trong tác nhân người dùng khi đăng ký Định danh cá nhân có thể được cấu hình trong tác nhân người dùng theo nhiều cách khác nhau.
Nó có thể được cấu hình trực tiếp trong tác nhân người dùng bởi người vận hành hoặc người dùng.
Lấy từ ISIM nếu tác nhân người dùng có quyền truy cập vào ISIM.
Nó có thể được truy xuất từ IMSI khi tác nhân người dùng không có quyền truy cập vào ISIM, nhưng vẫn có thể sử dụng IMSI, chẳng hạn như thông qua một USIM.
Định danh công cộng của người dùng, như ví dụ 234150999999999@ims.mnc015.mcc234.3gppnetwork.org, được sử dụng để liên lạc với người dùng IMS khác và các dịch vụ IMS Đây thường là các danh tính tương tự như danh thiếp, có thể là URI SIP hoặc URI TEL Thông tin và danh tính của người dùng được lưu trữ trong hồ sơ người dùng.
Người dùng cần đăng ký ít nhất một định danh công cộng và địa chỉ liên hệ để sử dụng dịch vụ IMS Định danh công cộng bao gồm phần người dùng, giúp xác định duy nhất người dùng trong miền của nhà điều hành, và phần máy chủ, xác định duy nhất miền của nhà điều hành.
Ví dụ: sip:joe.doe@operator.net
Liên kết giữa định danh người dùng công cộng theo số E.164 và định danh người dùng ở định dạng "user @ domain" được thực hiện thông qua dịch vụ ENUM trong IPWorks.
Số E.164 có thể được vận chuyển dưới dạng URI TEL hoặc dưới dạng số điện thoại trong URI SIP:
Số định danh công cộng tạm thời (Temporary Public Identity) được sử dụng để đăng ký khi kết nối với mạng di động, áp dụng cơ chế xác thực IMS AKA dựa trên USIM Người dùng sử dụng IMSI từ ISIM hoặc USIM để truy cập vào danh tính này.
Ví dụ : sip:234150999999999@ims.mnc015.mcc234.3gppnetwork.org
IMPU dạng ký tự đại diện là một danh tính được đăng ký ngầm bởi một IMPU khác, nhằm hỗ trợ tổng đài PBX Điều này cho phép nhiều danh tính được đăng ký rõ ràng thông qua một danh tính duy nhất Tất cả các danh tính này sẽ chia sẻ cùng một hồ sơ dịch vụ và nhận được dịch vụ đồng nhất từ tổng đài.
Bảng 1.1: Các loại địa chỉ người dùng IMS Loại địa chỉ
Ví dụ Sử dụng Định danh cá nhân người dùng
Xyz123@domain.com 4687131001@edu.imt.se
Danh tính chính được sử dụng cho việc xác thực và ủy quyền là địa chỉ SIP công cộng, ví dụ như sip:john.smith@domain.com và sip:4687131001@edu.imt.se Địa chỉ SIP này cho phép định danh người dùng và hỗ trợ việc kết nối các phiên SIP đến người dùng thông qua số điện thoại.
Số định danh công cộng +4687131001 là định dạng quốc tế được gán cho từng người dùng, giúp xác định địa chỉ các phiên SIP kết thúc đến người dùng.
Số điện thoại URI tel:+4687131001 là định dạng quốc tế dành cho số định danh TEL công cộng, được liên kết với từng người dùng để xác định địa chỉ các phiên SIP kết thúc đến người dùng Đây là thông tin quan trọng để liên hệ với đại lý người dùng.
4687131001@138.85.84.61:506 0 Địa chỉ IP được sử dụng để đánh dấu đại lí người dùng đang được đăng ký.
1001 Số máy lẻ trong cùng 1 nhóm
Hình 1.3: Mối quan hệ giữa định danh người dùng công cộng và người dùng cá nhân
(Nguồn: 3GPP, TS 23.228 “IP Multimedia Subsystem (IMS); Stage 2”)
Nhiều định danh cá nhân của người dùng có thể liên kết với một định danh công cộng, cho phép kết nối nhiều tác nhân sử dụng các loại truy cập khác nhau Tất cả cuộc gọi sẽ được gửi đến các tác nhân người dùng liên kết với định danh công cộng đó.
Dịch vụ công cộng Định danh dịch vụ công cộng (PSI) là một công cụ quan trọng để xác định dịch vụ hoặc nhóm dịch vụ được lưu trữ trên máy chủ ứng dụng PSI thường được biểu thị dưới dạng URI SIP hoặc URI TEL, giúp người dùng dễ dàng truy cập và sử dụng dịch vụ.
Các số đã nhận được trong các yêu cầu SIP INVITE có thể được chuẩn hóa thành định dạng quốc tế khi cần.
Nếu URI yêu cầu trong SIP INVITE nhận được chứa URI SIP với thẻ “người dùng
Khi sử dụng "điện thoại" hoặc URI TEL, việc chuẩn hóa số được thực hiện dựa trên ngữ cảnh của cuộc gọi đi Ngữ cảnh này có thể được lấy từ nhiều nguồn, như tải xuống từ HSS khi người dùng khởi tạo đã đăng ký, hoặc từ tham số ngữ cảnh điện thoại trong INVITE Sau khi quá trình chuẩn hóa số hoàn tất, số trong URI yêu cầu sẽ được chuyển đổi thành định dạng số E.164.
Số dịch vụ là số ngắn (cục bộ) cho phép người dùng truy cập các dịch vụ do nhà mạng cung cấp Mặc dù các số này không được chuẩn hóa, nhưng việc thêm bối cảnh điện thoại giúp người dùng dễ dàng nhận diện và sử dụng chúng.
Chuẩn hóa số được thực hiện trong S-CSCF.
Mục đích của xác thực là để đảm bảo rằng người dùng truy cập mạng được ủy quyền, do đó ngăn chặn người dùng gian lận sử dụng mạng
Xác thực gói NASS (NBA)
Các giao diện được sử dụng trong IMS
Điểm tham chiếu Gm là điểm kết nối giữa P-CSCF và UE, chịu trách nhiệm truyền tải tất cả các bản tin báo hiệu SIP giữa UE và IMS Các thủ tục tại điểm tham chiếu Gm được phân loại thành ba nhóm chính: đăng ký, điều khiển phiên và giao dịch Trong khi đó, điểm tham chiếu Mw được thiết lập giữa hai CSCF khác nhau, tạo điều kiện cho việc trao đổi thông tin giữa chúng.
Mw được sử dụng để kết nối giữa các CSCF khác nhau, với ba loại thủ tục chính tại điểm tham chiếu Mw: đăng ký, điều khiển phiên và giao dịch Điểm tham chiếu điều khiển dịch vụ IMS (ISC – CSCF và AS) đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc này.
IMS và ISC là các điểm tham chiếu quan trọng cho việc gửi và nhận thông điệp SIP giữa CSCF và AS Thủ tục ISC được chia thành hai loại chính: định tuyến yêu cầu khởi tạo SIP tới AS và các yêu cầu SIP do AS khởi tạo Điểm tham chiếu Cx, nằm giữa HSS và CSCF, lưu trữ số liệu thuê bao và số liệu dịch vụ, sử dụng giao thức Diameter, và hỗ trợ các thủ tục quản lý vị trí, xử lý số liệu, và nhận thực thuê bao Điểm tham chiếu Dx, giữa CSCF và SLF, hoạt động kết hợp với Cx và cũng sử dụng giao thức Diameter, cung cấp cơ chế định tuyến bổ sung Cuối cùng, điểm tham chiếu Sh giữa AS và HSS sử dụng giao thức tương ứng để hỗ trợ các chức năng cần thiết.
Trong hệ thống Diameter, các thủ tục được chia thành hai loại chính là xử lý số liệu và khai báo/thuê dùng số liệu, với HSS duy trì danh sách các AS cho phép đạt được hoặc lưu trữ số liệu Điểm tham chiếu Si giữa IM-SSF và HSS được sử dụng để truyền tải thông tin thuê bao CAMEL, bao gồm các trigger từ HSS tới IM-SSF thông qua giao thức MAP Khi các HSS có địa chỉ phân tán, AS cần liên lạc với SLF thông qua điểm tham chiếu Dh Điểm tham chiếu Mm cho phép thông tin qua lại giữa các mạng IP đa phương tiện, giúp I-CSCF nhận yêu cầu phiên từ nhà hỗ trợ SIP khác Điểm tham chiếu Mg liên kết MGCF với IMS, cho phép MGCF gửi báo hiệu phiên từ miền CS đến x-CSCF bằng giao thức SIP Khi S-CSCF phát hiện phiên cần định tuyến tới miền CS, nó sử dụng điểm tham chiếu Mi để gửi phiên tới BGCF BGCF lựa chọn miền CS cần thực hiện thoát ra qua điểm tham chiếu Mj và gửi phiên tới MGCF Điểm tham chiếu Mk cho phép BGCF gửi phiên tới BGCF trong mạng khác khi thực hiện breakout.
Giao diện Mn là điểm tham chiếu điều khiển giữa MGCF và IMS-MGW, quản lý mặt phẳng thuê bao giữa truy cập IP và IMS-MGW, cũng như giữa truy cập CS Nó dựa trên H.248 và liên quan đến giao diện Mc để điều khiển CS-MGW Sự khác biệt chính giữa giao diện Mn và Mc là giao diện Mn hỗ trợ các thủ tục H.248 mới cho việc xử lý truy cập đầu cuối IP và một số thủ tục cho kết nối CS.
Điểm tham chiếu Ut cho phép thuê bao quản lý và cấu hình an toàn các dịch vụ mạng liên quan đến thông tin thuê tại AS, sử dụng giao thức HTTP để tạo số nhận dạng dịch vụ công cộng (PSI) và quản lý tài nguyên dịch vụ Điểm tham chiếu Mr giữa MRFC và S-CSCF sử dụng giao thức SIP để kích hoạt các dịch vụ liên quan đến kênh mang Điểm tham chiếu Mp giữa MRFP và MRFC cho phép điều khiển luồng truyền thông, trong khi điểm tham chiếu Mb sử dụng giao thức RTP để tương tác giữa thiết bị đầu cuối và phần tử mạng Điểm tham chiếu Mx giữa x-CSCF và IBCF sử dụng SIP để tương tác với các mạng IMS khác Điểm tham chiếu Mr’ giữa AS và MRFC cho phép tương tác giữa AS và phần điều khiển xử lý đa phương tiện với giao thức SIP Cuối cùng, điểm tham chiếu Cr cho phép gửi nhận yêu cầu/đáp ứng về phương tiện và MRPF phục vụ, trong khi điểm tham chiếu Ici là giao diện giữa IBCF với IBCF hoặc I-.
CSCF trong mạng IMS sử dụng giao thức SIP để quản lý cuộc gọi Điểm tham chiếu Izi (TrGW – TrGW) là giao diện giữa các TrGW hoặc nút mạng điều khiển phần media trong mạng IMS khác, với các giao thức RTP và MSRP được áp dụng để truyền tải dữ liệu.
Các giao thức báo hiệu được sử dụng trong IMS
1.5.1 Giao thức khởi tạo phiên (SIP)
Giao diện SIP, được chỉ định bởi IETF, hỗ trợ thiết lập các phiên đa phương tiện trên mạng IP và hoạt động như giao diện giữa các thực thể kiểm soát phiên IMS và các nền tảng dịch vụ ứng dụng đa phương tiện Mục tiêu chính của IMS là giúp các nhà khai thác di động cung cấp dịch vụ đa phương tiện cho thuê bao thông qua các ứng dụng và giao thức Internet IMS tạo ra một kiến trúc mạng lõi duy nhất, cho phép truy cập qua nhiều công nghệ như mạng dữ liệu di động, WLAN và băng thông rộng cố định, đảm bảo người dùng luôn sử dụng cùng giao thức và dịch vụ bất kể công nghệ truy cập nào.
SIP (Session Initiation Protocol) khác biệt so với nhiều ứng dụng IP khác vì nó sử dụng mô hình giao tiếp giữa người dùng với nhau, thay vì từ máy khách đến máy chủ Trong hệ thống này, bất kỳ người dùng nào cũng có thể gửi yêu cầu và nhận phản hồi từ người dùng khác Tất cả các thiết bị đều có chức năng vừa là máy khách vừa là máy chủ, với yêu cầu được gửi từ phần máy khách và phản hồi từ phần máy chủ.
Tín hiệu SIP có một tuyến hoàn toàn khác với luồng truyền thông.
SIP được sử dụng để phân phối mô tả phiên hoặc đối tượng đến hệ thống cuối Giao thức mô tả phiên (SDP) thường được áp dụng trong các phiên đa phương tiện nhằm mô tả các điểm cuối và thương lượng các thuộc tính cho phiên.
Trong giao thức SIP, một giao dịch được hình thành từ yêu cầu và phản hồi tương ứng Mỗi yêu cầu có thể nhận nhiều phản hồi tạm thời trước khi có phản hồi cuối cùng Đặc biệt, trong mỗi bản tin SIP, có một tiêu đề Via kèm theo chuỗi thông tin liên quan.
Transaction ID , được sử dụng làm ID giao dịch Sử dụng Transaction ID , chúng ta có thể xem yêu cầu nào thuộc về phản hồi nhất định.
Tất cả các giao dịch trong cùng một phiên tạo thành một hộp thoại, thể hiện mối quan hệ SIP ngang hàng giữa hai tác nhân người dùng trong một khoảng thời gian nhất định Hộp thoại này giúp sắp xếp các tin nhắn giữa các tác nhân và cung cấp bối cảnh cần thiết để diễn giải các tin nhắn SIP.
Khi hai UAs thiết lập một hộp thoại, một trong số họ có thể khởi động giao dịch mới UA gửi yêu cầu sẽ đóng vai trò máy khách, trong khi UA nhận yêu cầu sẽ là máy chủ Hộp thoại được xác định bởi Call-ID và các thẻ trong trường tiêu đề “To” và “From” của bản tin Hộp thoại cũng được gọi là một chân gọi (call leg).
Các loại bản tin SIP
SIP hoạt động theo mô hình giao dịch yêu cầu/ phản hồi tương tự như HTTP, trong đó mỗi giao dịch bao gồm một yêu cầu để gọi một phương thức hoặc chức năng cụ thể trên máy chủ, và sẽ nhận được ít nhất một phản hồi.
SIP được định nghĩa trong một số RFC của IETF.
RFC 3261 là tiêu chuẩn quan trọng, quy định các yêu cầu như INVITE, ACK, CANCEL, BYE, REGISTER và OPTIONS, cùng với phản hồi và định tuyến tin nhắn SIP Các yêu cầu và tính năng bổ sung được nêu rõ trong các RFC sau này.
Hình 1.4: Chuỗi các bản tin SIP Các loại bản tin yêu cầu
REGISTER được sử dụng để liên kết địa chỉ SIP với địa chỉ liên hệ của người dùng Mục đích của REGISTER đã được mở rộng trong IMS để bao gồm xác thực người dùng.
Hộp thoại INVITE được thiết lập để yêu cầu phiên làm việc với tác nhân người dùng khác, thường kèm theo SDP SDP chứa thông tin về các định dạng phương tiện mà tác nhân mong muốn sử dụng, cùng với địa chỉ IP và số cổng để nhận luồng phương tiện.
ACK là xác nhận cuối cùng chấm dứt giao dịch INVITE, được gửi bởi UAC sau khi nhận phản hồi cuối cùng từ UAS Giao dịch ACK là một giao dịch độc lập và không có phản hồi nào đi kèm.
Thông báo PRACK là một cơ chế cảm ơn được sử dụng để xác nhận các phản hồi tạm thời, nhằm đảm bảo tính đáng tin cậy Khi phản hồi tạm thời chứa thông tin quan trọng như SDP, máy chủ có thể yêu cầu PRACK từ máy khách bằng cách thêm yêu cầu 100rel vào phản hồi Sau đó, máy chủ sẽ nhận được một PRACK từ máy khách như một xác nhận rằng phản hồi đã được nhận.
BYE kết thúc một phiên.
INFO được sử dụng để truyền tải thông tin cấp ứng dụng qua đường dẫn tín hiệu SIP mà không làm thay đổi trạng thái của phiên hoặc hộp thoại SIP.
REFER chỉ ra rằng người nhận nên liên hệ với bên thứ ba, sử dụng thông tin
REFER là một công cụ hữu ích được cung cấp theo yêu cầu, cho phép người dùng kích hoạt nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm chuyển cuộc gọi và thực hiện cuộc gọi 3 bên.
Các loại bản tin trả lời
Mỗi yêu cầu SIP, ngoại trừ ACK, đều nhận được ít nhất một phản hồi Có nhiều loại phản hồi khác nhau được sử dụng trong giao thức SIP.
Phản hồi tạm thời cung cấp thông tin về tiến trình của một yêu cầu.
Một số các thủ tục cơ bản trong IMS
Trong phần này sẽ mô tả một phiên đăng ký cho IMS trong trường hợp của VoLTE
Hình 1.6: Luồng bản tin đăng ký Đăng nhập mạng Đăng ký IMS
VoLTE UE khởi tạo một ĐĂNG KÝ SIP đến P-CSCF, sử dụng địa chỉ IP P-CSCF được cung cấp trong quá trình đăng nhập mạng LTE Yêu cầu đăng ký này bao gồm các thông tin cần thiết để thiết lập kết nối.
Trong tiêu đề liên hệ, số nhận dạng dịch vụ truyền thông IMS (ICSI) cho dịch vụ thoại đa phương tiện IMS được chỉ định là +g.3gpp.icsi-ref= urn:urn-7:3gpp-service.ims.icsi.mmtel; audio; video; đảm bảo tính năng và khả năng tương tác của dịch vụ.
+sip.instance=""
P-Access-Network-Info: 3GPP-E-UTRAN-FDD;utran-cell-id-
3gpp=:>"
Định danh công cộng người dùng (IMPU) có thể được biểu thị dưới các dạng khác nhau, bao gồm SIP-URI (ví dụ: user@example), MSISDN dạng SIP-URI (chẳng hạn như sip:+447700900123@example.com;user=phone) và Tel-URI (ví dụ: tel:+447700900123).
Định dang cá nhân (IMPI) : username@realm
Các thông tin trong phần đầu liên quan các tham số IMS AKA: sec-agree, sec-argee proxy Security-Client.
P-CSCF nhận yêu cầu SIP REGISTER từ UE và chèn tiêu đề đường dẫn với SIP-URI xác định P-CSCF để định tuyến Đồng thời, P-CSCF thêm tiêu đề P-Charging-Vector với giá trị icid và mạng P-Visited-Network-ID để xác định miền mạng của P-CSCF, sau đó chuyển tiếp yêu cầu đến I-CSCF Tên của I-CSCF được xác định thông qua truy vấn DNS hoặc có thể được cấu hình trước trong P-CSCF.
I-CSCF thực hiện truy vấn HSS thông qua yêu cầu ủy quyền người dùng (UAR) để xác định và lấy tên S-CSCF cho danh tính người dùng công cộng HSS sẽ xác nhận tính hợp lệ và tình trạng không bị cấm của danh tính người dùng công cộng cũng như danh tính người dùng riêng Trong trường hợp không có S-CSCF liên quan đến danh tính người dùng công cộng, HSS có khả năng cung cấp thông tin về các khả năng của S-CSCF, giúp I-CSCF lựa chọn S-CSCF phù hợp.
- Khi S-CSCF được xác định, I-CSCF chuyển tiếp yêu cầu ĐĂNG KÝ SIP tới S-CSCF.
S-CSCF xác định rằng SIP REGISTER là yếu tố quan trọng trong quá trình đăng ký IMS ban đầu, liên quan đến bảo mật IMS-AKA Để đảm bảo bảo mật này, S-CSCF khởi tạo yêu cầu xác thực đa phương tiện (MAR) gửi đến HSS, nhằm truy xuất các vectơ xác thực cần thiết HSS lưu trữ tên S-CSCF tương ứng với danh tính người dùng công cộng đã đăng ký và trả về các vectơ xác thực cho S-CSCF để thực hiện quy trình bảo mật.
Khi nhận được các vectơ xác thực IMS AKA, S-CSCF lưu trữ XRES để xây dựng các phản hồi mong muốn và thực hiện trả lời cho yêu cầu SIP.
Đăng ký với phản hồi lỗi 401 cho thấy cơ chế bảo mật AKAv1-MD5 đang được áp dụng Thông số RAND (thách thức) và AUTN (được UE sử dụng để xác thực mạng) cùng với khóa toàn vẹn và khóa mật mã cũng được đưa vào.
P-CSCF loại bỏ khóa mật mã và khóa toàn vẹn khỏi phản hồi 401 không hợp lệ, đồng thời liên kết chúng với danh tính người dùng cá nhân thông qua một tập hợp các liên kết bảo mật tạm thời cho kết quả thách thức Sau đó, P-CSCF chuyển tiếp phản hồi này tới UE.
UE trích xuất tham số RAND và AUTN, sau đó tính toán RES để lấy khóa mật mã và khóa toàn vẹn từ RAND Dựa trên các tham số nhận được từ P-CSCF (IPSec), UE tạo ra một tập hợp liên kết bảo mật tạm thời và gửi yêu cầu ĐĂNG KÝ mới tới P-CSCF, kèm theo tiêu đề ủy quyền chứa RES nhằm đảm bảo tính toàn vẹn của tin nhắn.
P-CSCF thực hiện việc kiểm tra các liên kết bảo mật tạm thời và xác minh thông tin bảo mật từ UE Sau đó, P-CSCF chuyển tiếp yêu cầu ĐĂNG KÝ SIP đến I-CSCF cùng với RES.
I-CSCF sử dụng thông báo yêu cầu ủy quyền người dùng (UAR) để lấy thông tin tên S-CSCF từ HSS Sau đó, I-CSCF sẽ chuyển tiếp yêu cầu đến S-CSCF tương ứng.
S-CSCF kiểm tra xem RES trong SIP REGISTER đã được nhận và XRES đã được lưu trữ trước đó hay chưa Sau đó, S-CSCF yêu cầu gán máy chủ (SAR) đến HSS để tải hồ sơ người dùng và đăng ký VoLTE UE S-CSCF lưu trữ tiêu đề tuyến đường của P-CSCF và liên kết với địa chỉ liên lạc của VoLTE UE, nhằm định tuyến tin nhắn đến UE VoLTE trong tương lai Các tham số của tiêu đề P-Charging-Vector cũng được lưu trữ, và S-CSCF gửi phản hồi 200 OK cho I-CSCF, bao gồm tên hiển thị của người dùng từ hồ sơ HSS trong P-Associated-URI, để chuyển tiếp tin nhắn đến P-CSCF.
Khi nhận 200 OK từ I-CSCF, P-CSCF cập nhật các liên kết bảo mật tạm thời thành một tập hợp mới Sau đó, nó gửi 200 OK đến VoLTE UE, đảm bảo rằng tất cả tin nhắn trong tương lai gửi đến UE đều được bảo vệ bằng các liên kết bảo mật này.
Khi nhận được phản hồi 200 OK, UE sẽ chuyển đổi liên kết bảo mật tạm thời thành một tập hợp các liên kết bảo mật mới Những liên kết này sẽ được sử dụng cho các tin nhắn tiếp theo gửi đến P-CSCF.
- VoLTE UE hiện đã được đăng ký với mạng IMS cho các dịch vụ VoLTE, với tín hiệu SIP được truyền qua mặc định truyền qua EPC.
Hình 1.7: Luồng bản tin đăng ký với bên thứ ba
Tổng kết chương
Trong chương này, chúng ta đã thảo luận về kiến trúc mạng IMS theo đề xuất của 3GPP, các khái niệm cơ bản trong IMS, các loại giao thức được áp dụng và các thủ tục thiết yếu trong hệ thống IMS.