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基于IMS的固定和移動網(wǎng)絡融合

糜正琨 2008/06/03

　　摘要：3GPP提出的IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)技術體現(xiàn)了通信網(wǎng)和因特網(wǎng)技術的結合、下一代網(wǎng)絡和3G網(wǎng)絡技術的結合，已受到通信界和信息技術界的廣泛認同，成為固定和移動網(wǎng)絡融合的核心技術。其網(wǎng)絡融合綜合了互聯(lián)網(wǎng)IP技術、軟交換技術和蜂窩核心網(wǎng)技術，業(yè)務融合綜合了開放式Parlay/OSA技術和WebServices技術，管理融合綜合了電信網(wǎng)管理、IP網(wǎng)絡管理和策略控制技術。面對互聯(lián)網(wǎng)的嚴峻挑戰(zhàn)，各個標準化組織正通力合作推進IMS的發(fā)展，統(tǒng)一IMS、業(yè)務代理和有管理的P2P業(yè)務是進一步研究的重要內(nèi)容。

　　關鍵詞：IP多媒體子系統(tǒng)；網(wǎng)絡融合；業(yè)務融合

　　Abstract:IPMultimediaSubsystem(IMS) proposed by 3GPP embodies an integration of communication network with Internet technology and a fabrication of Next Generation Network (NGN) with 3G technology. IMS has been widely acknowledged in telecom industry and Information Technology (IT) as the core technology for Fixed-Mobile Convergence (FMC). Network convergence is the integration of Internet IP, SoftSwitch and cellular core network technology. Service convergence is the synthesis of open Parlay/OSA technology and web service technology. Management convergence is the interfusion of telecom network, IP network management and policy control technology. To cope with a grim challenge from Internet, all standardization organizations are interacting to push forward the further development of IMS. A unified IMS, proxy service and managed P2P service are important subjects for further research.

　　Keywords:IPmultimediasubsystem; network convergence; service convergence

　　基金項目：國家自然科學基金資助項目(60472105)

　　二十世紀末，隨著Internet的飛速發(fā)展，通信業(yè)界改變了以ATM交換技術為基礎構建全球信息基礎設施的導向，確立了以IP路由技術為核心的下一代網(wǎng)絡(NGN)發(fā)展方向。固定通信網(wǎng)率先以VoIP為突破口，提出了軟交換組網(wǎng)技術和Parlay開放式業(yè)務技術；IETF重用互聯(lián)網(wǎng)技術框架提出了IP網(wǎng)絡通信控制的會話啟動協(xié)議(SIP)技術；以3GPP為代表的移動通信界將上述技術和蜂窩移動核心網(wǎng)技術結合起來，以實現(xiàn)多媒體業(yè)務為目標，提出了IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)技術，很快受到通信界和信息技術界的廣泛認同，成為固定和移動網(wǎng)絡融合(FMC)的核心技術，并沿著未來信息通信網(wǎng)絡融合技術的定位方向不斷發(fā)展前進。

　　1.IMS國際標準研究

　　3GPP采用和其他標準化組織密切合作的方式制訂IMS技術標準，并依靠各國通信界的協(xié)同不斷發(fā)展和完善(如表1所示)。其中，最重要的合作就是和IETF聯(lián)合開發(fā)了IMS網(wǎng)絡的核心控制協(xié)議SIP[1]，共同研究SIP的擴展和應用。另一個重要的合作是和Parlay組織聯(lián)合開發(fā)了支持開放式業(yè)務提供的Parlay/開放業(yè)務接入(OSA)應用程序接口(API)，將源于固定智能網(wǎng)結構開放的Parlay技術引入IMS網(wǎng)絡的OSA結構[2]。最重要的協(xié)同就是ETSI的TISPAN研究組和ITU-T提出了IMS中融入固定接入的技術[3]，另一個重要的協(xié)同是OMA組織提出了許多基于IMS實現(xiàn)的業(yè)務規(guī)范和技術[4]。

　　3GPP依照UMTS 3G移動通信系統(tǒng)的系列標準版本定義了IMS的分階段演進計劃[5]，如表2所示。其中，2002年完成的R5是第一個全IP移動網(wǎng)絡標準，它將核心網(wǎng)歸為一個統(tǒng)一的基于IP的分組(PS)域，具有服務質量(QoS)保證，能夠提供各種類型的多媒體增值業(yè)務，其核心技術標準就是IMS。R6進一步完善IMS接口和功能，增加對于WLAN的接入支持，并研究IMS域的計費和QoS控制技術。R7融合TISPAN關于NGN的研究標準，增加對于xDSL接入技術的支持，提出策略控制與計費(PCC)技術以及WLAN/3G語音連續(xù)通信的話音連接連續(xù)(VCC)技術。正在研究中的R8將協(xié)同各個標準化組織的工作，研究支持組合業(yè)務的業(yè)務代理技術以及下一步的統(tǒng)一IMS架構。


　　2.以IMS為核心的FMC技術

　　按照上述思想提出的IMS分層網(wǎng)絡結構如圖1所示，圖1演示出了不同標準版本的演進過程。底層為以IPv4/IPv6為核心技術的傳送層，包括話音、視頻、數(shù)據(jù)等各種媒體在內(nèi)的數(shù)據(jù)流既可經(jīng)由2G/3G移動網(wǎng)接入技術接入網(wǎng)絡，也可經(jīng)由Wi-Fi、DSL等固定網(wǎng)寬帶接入技術接入網(wǎng)絡，但所有媒體流均以IP分組的形式在網(wǎng)絡中傳輸，網(wǎng)絡運營商構建統(tǒng)一的IP寬帶網(wǎng)絡為所有用戶服務，體現(xiàn)了以IP為核心的網(wǎng)絡融合。上層為以信息技術為核心的業(yè)務/應用層，業(yè)務運營商通過部署在各類應用服務器中的業(yè)務邏輯向端用戶提供增值業(yè)務，業(yè)務提供獨立于用戶的接入技術，體現(xiàn)了以信息與通信技術(ICT)為核心的業(yè)務融合，并通過API調用融合通信網(wǎng)的能力。中間層就是以SIP為核心技術的IMS控制層，向下對傳送層的IP多媒體通信進行呼叫控制和管理，向上為業(yè)務應用層提供調用通信網(wǎng)能力的開放式接口，實現(xiàn)業(yè)務層和網(wǎng)絡層的分離，支持獨立于網(wǎng)絡運營商的業(yè)務運營商的形成，體現(xiàn)了多媒體業(yè)務的融合控制與管理。


　　2.1 網(wǎng)絡融合技術

　　IMS網(wǎng)絡融合的基本思想是將互聯(lián)網(wǎng)IP技術、源于固定網(wǎng)演進的軟交換技術和移動核心網(wǎng)技術有機地結合起來，實現(xiàn)固定和移動通信網(wǎng)融合的目標。

　　首先，IMS鑒于VoIP的成功應用，在承載層摒棄了長期以來在傳統(tǒng)電信網(wǎng)中占主導地位的電路交換(CS)域，采用基于IP技術的單一的PS域傳輸各種媒體和信令數(shù)據(jù)流，即首次提出在通信網(wǎng)中采用全IP承載網(wǎng)絡，使之成為通信網(wǎng)融合的底層基礎。

　　其次，在業(yè)務組網(wǎng)上繼承蜂窩移動通信系統(tǒng)特有的網(wǎng)絡技術，沿用原籍網(wǎng)絡和訪問網(wǎng)絡的概念，繼續(xù)采用擴展的移動性管理技術以及集中設置的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫支持用戶漫游和切換。在2G網(wǎng)絡歸屬位置寄存器(HLR)的基礎上擴展形成IMS至關重要的網(wǎng)元原籍用戶服務器(HSS)，存儲包括位置信息、認證授權信息、用戶文檔以及歸屬SIP服務器在內(nèi)的處理多媒體會話所需的各種用戶信息。因此，IMS系統(tǒng)在靈活提供IP多媒體業(yè)務的同時仍保持移動通信的所有特點，體現(xiàn)了移動通信網(wǎng)絡技術和Internet技術的有機結合。

　　另外，在異構網(wǎng)絡互通和異構終端接入上借鑒軟交換組網(wǎng)技術，通過網(wǎng)關實現(xiàn)與傳統(tǒng)固定及移動網(wǎng)絡的互通，設有信令網(wǎng)關(SGW)、媒體網(wǎng)關(MGW)、媒體網(wǎng)關控制器(MGCF)等網(wǎng)元，而且在MGCF和MGW也采用IETF和ITU-T共同制訂的H.248協(xié)議。在用戶接入側，通過相應接入網(wǎng)關和服務器的設置，不但可以接入移動終端，也可以接入固定電話終端、多媒體終端、PC機等，接入方式不限于蜂窩射頻接口，也可以是無線的WLAN、WiMAX，或者是有線的LAN、DSL、同軸電纜等技術。因此，IMS系統(tǒng)不但適用于移動網(wǎng)絡，同樣也適用于固定網(wǎng)絡，這充分體現(xiàn)了固定/移動網(wǎng)絡的融合。

　　同時，IMS借鑒通信網(wǎng)的交換控制技術，在IP承載層之上引入了集中的呼叫/會話控制層。但是由于其下層已不是傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)，而是IP分組網(wǎng)，因此IMS不再采用電信網(wǎng)信令，而是最大限度地重用Internet技術和協(xié)議。控制信令放棄使用ITU-T定義的在綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(ISDN)信令基礎上開發(fā)的成熟的H.323協(xié)議簇，選用了雖然并未成熟然而在技術上卻簡單而又易于擴展的SIP協(xié)議。其核心網(wǎng)元呼叫會話控制功能(CSCF)相當于SIP代理服務器，除了完成SIP消息轉發(fā)功能以外，還負責多媒體通信的呼叫控制。關于SIP消息的路由，對于SIP終端用戶，重用域名系統(tǒng)(DNS)協(xié)議進行地址解析；對于使用傳統(tǒng)電話號碼的終端用戶，重用IETF開發(fā)的電話號碼映射(ENUM)協(xié)議進行地址解析。由于大部分網(wǎng)絡接口采用的都是Internet協(xié)議，因此，IMS系統(tǒng)不但支持3G用戶之間基于IP網(wǎng)絡的多媒體通信，而且也能毫無困難地支持3G用戶和Internet用戶之間的通信。

　　2.2 業(yè)務融合技術

　　業(yè)務融合是IMS更高層次的融合，也是對于未來異構信息通信網(wǎng)絡更為重要的深層次的融合。從網(wǎng)絡平滑演進的角度考慮，IMS支持3種業(yè)務提供方式。

　　第一種方式是繼續(xù)重用固定和移動智能網(wǎng)技術，由業(yè)務控制點(SCP)提供網(wǎng)絡運營商的簽約智能業(yè)務，以保證融合網(wǎng)絡仍然能提供原來網(wǎng)絡中的所有增值業(yè)務。其技術上的更新只是原來始終和交換機位于一體的業(yè)務交換功能(SSF)和CSCF分離，成為獨立的IM-SSF。

　　第二種方式是重用SIP網(wǎng)絡的業(yè)務技術。由于IMS控制層采用的是SIP協(xié)議，因此很自然地可以通過設置各種SIP服務器，利用互聯(lián)網(wǎng)中廣泛使用的公共網(wǎng)關接口(CGI)、Servlet、JavaBean、呼叫處理語言(CPL)等技術，向用戶提供各種業(yè)務應用。

　　第三種方式稱之為Parlay/OSA業(yè)務架構，即重用已經(jīng)在軟交換網(wǎng)絡中應用的Parlay技術，通過和Parlay組織的密切合作，聯(lián)合開發(fā)調用IMS網(wǎng)絡能力的API，實現(xiàn)基于API的開放式業(yè)務提供，由業(yè)務層的OSA應用服務器(AS)提供業(yè)務應用。這些應用服務器既可以屬于網(wǎng)絡運營商，也可以屬于獨立的第三方業(yè)務運營商，從而使通信網(wǎng)由封閉的網(wǎng)絡成為開放的網(wǎng)絡，使業(yè)務層和網(wǎng)絡控制層真正分離。尤其是，3GPP又針對常用的API定義了Web Services接口，使得IMS業(yè)務應用可以方便地和互聯(lián)網(wǎng)中的Web服務相結合，實現(xiàn)通信網(wǎng)和Internet的業(yè)務融合。因此，Parlay/OSA代表了IMS的發(fā)展方向，是業(yè)務融合的核心技術。

　　2.3 管理融合技術

　　IMS在業(yè)務管理和運營管理上，充分重用電信網(wǎng)的運營支撐系統(tǒng)(OSS)和業(yè)務支撐系統(tǒng)(BSS)技術；在網(wǎng)絡管理上借鑒IP網(wǎng)絡接入認證技術和安全技術；在QoS控制和計費上提出了基于策略控制的PCC技術。

　　3.IMS面臨互聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)

　　由于互聯(lián)網(wǎng)應用的快速擴張，技術的不斷更新，尤其是理念的沖突，使得IMS正受到互聯(lián)網(wǎng)的嚴峻挑戰(zhàn)。

　　首先，互聯(lián)網(wǎng)的應用直接架構在網(wǎng)絡層之上，通常采用結構瀏覽器/客戶/服務器(B/C/S)，業(yè)務提供依賴于服務器和終端智能，沒有網(wǎng)絡控制層的概念，其基本思想是網(wǎng)絡應盡可能簡單，以確保其可擴展性。因此，互聯(lián)網(wǎng)人士認為IMS和傳統(tǒng)電話網(wǎng)沒有本質的差別，只是承載層換成IP形式而已，甚至認為IMS最終將由于不堪自身重負而告失敗。

　　其次，互聯(lián)網(wǎng)始終強調內(nèi)容為王，認為連接是網(wǎng)絡必須提供的基本功能，網(wǎng)絡應該通過和內(nèi)容提供商的合作，通過附著在內(nèi)容后面的廣告等后端服務贏利，而不是依靠連接贏利。有些IT業(yè)主流企業(yè)甚至提出網(wǎng)絡中立說[6]，即網(wǎng)絡是信息社會的公共資源，應該公平地提供給內(nèi)容服務商。他們淡化運營商的角色，不重視運營管理、計費管理等技術，而這恰恰是IMS的重要技術之一。

　　更為嚴重的是，近年來市場上迅猛發(fā)展的P2P業(yè)務對IMS構成了直接的威脅[7]。P2P是應用層面的自組織技術，依賴于計算終端的協(xié)同合作可在網(wǎng)絡帶寬并不十分寬裕的條件下獲得所需的服務。它擺脫了對于集中式網(wǎng)絡基礎設施的依賴，完全不需要IMS控制層的干預。雖然，P2P業(yè)務消耗了大量的網(wǎng)絡資源，存在尚未解決的安全、知識產(chǎn)權等問題，然而這項創(chuàng)新技術已經(jīng)獲得許多客戶，特別是年輕群體的認同，是不可忽視的技術發(fā)展方向。

　　IMS必須在這樣的挑戰(zhàn)性環(huán)境中確定其定位，尋求其發(fā)展的方向。

　　4.IMS技術的發(fā)展方向

　　無論從技術上還是應用目標上說，IMS首先是一個FMC技術。因此，首要考慮的是如何將IMS技術和NGN結合起來，支持多種接入，特別是固定接入技術。需要解決的問題包括：固定終端接入時的地址穿越，業(yè)務邊界控制設備(SBC)技術，不同類型終端的認證鑒權，移動終端漫游管理和固定終端游牧管理，基于域名的路由機制等。各國提出了不少解決方案，其研究歸口于TISPAN和ITU-T。

　　經(jīng)過多年的探索，業(yè)界取得共識網(wǎng)絡演進必須基于業(yè)務驅動的策略。必須指出的是，雖然基于SIP技術的IMS支持的業(yè)務從語音業(yè)務擴展到了寬帶多媒體業(yè)務，然而其控制機理本質上還是源于傳統(tǒng)電信網(wǎng)，因此它最適合于提供的還是諸如VoIP、集群話音、集群視頻等實時會話型業(yè)務，諸如Web、電子商務等純數(shù)據(jù)型業(yè)務并不適合由IMS提供，其他許多有前景的業(yè)務，如流媒體業(yè)務、IPTV、消息類業(yè)務等的確IMS已提出或正在積極研究其提供方法，但是已有其他的非IMS提供方式。因此，切不要認為IMS是包羅萬象的，更確切地說，IMS是電信界提出的網(wǎng)絡融合技術，考慮得更多的必然就是和傳統(tǒng)電信業(yè)務模式類似的業(yè)務。為了使IMS在未來融合的信息通信網(wǎng)絡中繼續(xù)保持其重要的地位，在積極研究擴大IMS業(yè)務能力的同時，必須研究新的體系結構既能夠包容IMS型業(yè)務，也能夠包容非IMS型業(yè)務，由此形成融合的開放式的業(yè)務平面。這就是熱點研究之中的業(yè)務代理技術，實際上就是架構在IMS之上的綜合業(yè)務平臺，如圖2所示。它至少能夠提供4大類業(yè)務：IMS類業(yè)務、消息類業(yè)務、流媒體業(yè)務、Web業(yè)務以及它們的組合，也就是說，除了IMS系統(tǒng)的SIP協(xié)議和API以外，業(yè)務平臺還應能支持其他眾多的非IMS系統(tǒng)協(xié)議和接口，由此構成融合的業(yè)務層。IMS系統(tǒng)是其中的一個重要組成部分，擔負起通信網(wǎng)絡的融合重任。


　　 目前各個標準化組織正通力合作推進統(tǒng)一IMS的研究，也就是在原來基于SIP協(xié)議的核心IMS的基礎上，擴展其他接口和協(xié)議，支持各種接入方式和網(wǎng)絡互通，組合各種業(yè)務提供方式，使之真正成為信息通信網(wǎng)絡融合的基礎。已同意該項研究歸總于3GPP，即現(xiàn)在剛剛起步的R8研究。

　　最后需要強調的一點是，IMS的優(yōu)勢在于它是一個安全可靠、具有服務質量保證的網(wǎng)絡系統(tǒng)，這正是通信網(wǎng)區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)的重要特點，因此，IMS必須繼續(xù)十分重視融合管理技術的研究，確�；贗MS的網(wǎng)絡是一個可運營、可管理和可贏利的網(wǎng)絡。對于P2P這樣典型的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式，雖然其發(fā)展勢頭十分迅猛，但是人們也意識到了其中存在的嚴重的安全問題和網(wǎng)絡擴展性的問題，通信界已改變簡單的圍堵思路，開始將P2P引入通信網(wǎng)，研究有管理的P2P業(yè)務技術，并已提出基于IMS的P2P管理架構和技術。

　　5.結束語

　　IMS由通信界提出，其直接目標是支持固定和移動網(wǎng)絡融合，長遠目標是支持范圍更廣的信息通信網(wǎng)絡融合。融合技術包括基于IP的融合承載層、基于SIP的融合控制層和基于API的融合業(yè)務層，其中業(yè)務融合是最為重要的。其區(qū)別于互聯(lián)網(wǎng)融合的一個重要特點是，IMS融合網(wǎng)絡應是一個具有服務質量保證的可靠可信的網(wǎng)絡。但是IMS的發(fā)展不應局限于SIP控制協(xié)議和API業(yè)務提供模式，不但要支持各種接入技術，更要包容各種控制協(xié)議和業(yè)務接口，支持多種業(yè)務模式。統(tǒng)一IMS體現(xiàn)了以IMS為基礎探索未來信息網(wǎng)絡融合的研究方向。

　　6.參考文獻

　　[1]SIP:SessionInitiation Protocol[R]. RFC3261. 2002.

　　[2]3GPPTS23.198V7.3.0. Open Service Access (OSA) Stage 2[S]. 2007.

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　　[4]OMAEnablerand Reference Releases [EB/OL]. 　　http://www.openmobilealliance.org/Technical/released_enablers.aspx.

　　[5]3GPPTS23.228v7.10.0 IP Multimedia Subsystem (IMS) Stage 2[S].2007.

　　[6]網(wǎng)絡中立性之爭[EB/OL].

　　[7]Sripanidkulchaik,Ganjam a, Maggs b, et al. The feasibility of supporting large-scale live streaming applications with dynamic application end-points[C]// Proceedings of Conference on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communication (SIGCOMM’04), Aug 30-Sept 3, 2004, Portland, OR, USA. New York, NY, USA: ACM, 2004: 107-120.

　　作者簡介：

　　糜正琨，南京郵電大學通信與信息工程學院教授、博士生導師，中國通信學會會士。目前主要研究方向是下一代網(wǎng)絡技術和異構網(wǎng)絡融合技術。曾獲江蘇省科技進步二等獎一項，信息產(chǎn)業(yè)部科技進步二等獎和三等獎各一項，已發(fā)表SCI、EI收錄論文30余篇，出版專著和國家級教材8部，申請國家發(fā)明專利4項。

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