IMS相關(guān)實(shí)體和功能的描述

本节讨论IMS实体和关键功能。这些实体大体上可以被分为六种主要类别：

•  会话管理和路由类(CSCF)；

•  数据库(HSS,SLF)；

•  服务(应用服务器，MRFC,MRFP)；

•  网络互连互通功能(BGCF,MGCF,IMS-MGW,SGW)；

•  支撑功能(PDF,SEG,THIG)；

•  计费。

需要理解的重要一点是，建立IMS规范时，并不详细制定网络实体的内部功能规范。相反地，规范定义了实体之间的参考点和参考点支持的功能。例如，CSCF如何从数据库获得用户数据。2.3节介绍了各种不同的参考点。另外，本节最后介绍了通用分组无线服务(GPRS)功能。

2.2.1呼叫会话控制功能(CSCF)

呼叫会话控制功能(CSCF,CallSession Control Function)有三种不同类型：代理-CSCF(P-CSCF)、服务-CSCF(S-CSCF)和问询-CSCF(I-CSCF)。每个CSCF都有自己特定的任务，并且这些任务将在随后的章节中进行说明。所有CSCF的共同点就是它们在注册和会话建立过程期间起作用，并且形成SIP路由系统。而且，所有功能都能够发送计费数据给离线计费功能。P-CSCF和S-CSCF能够执行一些共同的功能。这两个实体都能够代表用户释放会话(例如，当S-CSCF监测到会话挂起或者P-CSCF接收到一个媒体承载丢失的通告时)，并且能够检查会话描述协议(SDP)有效负荷的内容以及检查它是否包含不允许提供给用户的媒体类型和编码类型。当被提议的SDP不符合运营商的策略时，这两个CSCF会拒绝该请求并且发送SIP错误消息给UE。

2.2.1.1 代理-CSCF(P-CSCF)

代理呼叫会话控制功能(P-CSCF)是IMS系统中用户接触到的第一个实体。它意味着所有来自用户的SIP信令业务都必须发送给P-CSCF。相似地，所有来自网络的终结SIP信令业务都必须从P-CSCF发送给UE。有四种独一无二的任务分配给P-CSCF：SIP压缩、IPSec安全关联、与策略决策功能(PDF)交互以及紧急会话检测。

因为SIP协议是基于文字的信令协议，它包含了包括扩展信息和与安全相关的信息在内的大量信元头和头参数，这就意味着整个消息的大小远大于二进制编码的协议。为了加速会话建立过程，3GPP已经强制要求支持UE和P-CSCF之间的SIP压缩。如果UE指示它希望接收到压缩后的信令消息的时候，P-CSCF就需要压缩消息。SIP压缩在3.16节、12.13.15节和第23章进行了更详细的说明。

P-CSCF负责维持安全关联以及为SIP信令应用完整性和机密性保护。这是在SIP注册期间伴随着UE和P-CSCF协商IPSecSA而完成的。在初始的注册之后,P-CSCF能够应用SIP信令的完整性和机密性保护。更多细节说明参见10.6节和10.7节。

当运营商希望应用SBLP的时候，P-CSCF还被赋予了将会话和媒体相关信息中继转发给PDF的任务。基于接收到的信息，PDF能够得到授权的IPQoS信息,这些信息当GGSN在接受辅助PDP上下文激活之前需要执行基于业务的局部策略（SBLP）的时候会传送给GGSN,这个概念在3.10节进行了阐述。而且，IMS能够通过PDF传递IMS计费相关信息给GPRS网络；类似地，IMS还可以通过PDF接收来自GPRS网络的GPRS计费相关信息。这使得来自IMS和GPRS网络的计费数据记录融合到计费系统中成为可能。在3.11.6节中介绍了这种融合是如何实现的。

IMS紧急会话还没有完全定义清楚（版本7中还将继续相关工作），因此IMS网络监测紧急会话尝试并且引导UMTS UE使用CS网络用于紧急会话是非常重要的功能。这种监测是P-CSCF的任务之一。这个功能在支持IMS紧急会话的时候也不会消失，在特定的漫游情况下，可能出现UE本身无法意识到用户已经拨打了一个紧急号码的现象。版本7中规划了P-CSCF能够选择紧急CSCF来处理紧急会话的功能。这样的选择是必须的，因为在IMS漫游情况下，分配的S-CSCF是在归属网络中，而归属S-CSCF无法传送请求给正确的紧急呼叫中心。

2.2.1.2问询-CSCF

问询CSCF（I-CSCF）是一个运营商网络内部的接触点，所有与这个网络运营商的用户连接都要经过这个实体。分配给I-CSCF有四个独特的任务如下：

•  从归属用户服务器（HSS）获取下一跳的名字（S-CSCF或者应用服务器）;

•  基于来自HSS的接收能力集分配S-CSCF。当用户注册到网络的时候，或者当用户没有注册到网络但是拥有与非注册状态相关的业务（例如话音邮件）时接收到SIP请求的时候，就会分配一个S-CSCFo这个过程可以详见3.9节；

•  发送进入的请求给已经分配的S-CSCF或者应用服务器（假设公共业务身份参见11.11节）；

•  提供拓扑隐藏网间网关（THIG,TopologyHidingInter-networkGateway）功能，在2.2.5节将进一步解释THIG。

2.2.1.3服务-CSCF

服务CSCF（S-CSCF）是IMS的核心所在，它负责处理注册过程，进行路由判断，维持会话状态并且存储业务配置。当用户发送一个注册请求的时候，它就会被传送给S-CSCF,S-CSCF将从HSS下载鉴权数据。基于鉴权数据，它会生成一个回应给UE。在接收到响应并确认之后，这个S-CSCF接受这个注册并且开始监督注册状态。在此过程之后，用户就能够发起和接收IMS业务。而且，S-CSCF从HSS下载业务配置作为注册过程的一部分。

业务配置是特定用户信息的集合，它永久性地存储在HSS中。当特定的公共用户身份（例如，joe.doe@ims.example.com）在IMS中进行注册的时候，S-CSCF下载与这个特定公共用户身份相关的业务配置。当用户发送SIP请求或者接收到来自其他人的请求时，S-CSCF使用包含在业务配置中的信息来决定什么时候联系，以及特别是联系哪个（些）应用服务器。而且，业务配置可能包含有关S-CSCF需要应用的媒体策略类型的进一步说明一一例如，它可能指出用户只允许使用音频和应用媒体分量而不允许使用视频媒体分量。

在它接收到所有UE发起或者UE终结的会话和活动的时候，S-CSCF负责关键的路由决策。当S-CSCF接收到通过P-CSCF的UE发起请求的时候，它需要在进一步发送请求之前决定是否联系应用服务器。在可能的应用服务器交互之后，S-CSCF或者继续IMS中的会话或者转换到其他域（CS或者其他IP网络）。而且,如果UE使用移动台ISDN（MSISDN）号寻址找到了被叫方，那么S-CSCF在进一步发送请求之前将MSISDN号（也就是电话URL）转换为SIP通用资源标识符（URI）格式，此时IMS不会基于MSISDN号传送请求。同样地，S-CSCF接收

所有终结于UE的请求。虽然S-CSCF从注册信息中确认了UE的IP地址，但是它通过P-CSCF传送所有请求，此时P-CSCF负责SIP压缩和安全功能。在发送请求给P-CSCF之前，S-CSCF可能传送请求给应用服务器，例如，检查可能的重定向指令。图2-7给出了S-CSCF在路由决策中的角色。

图2-7  S-CSCF路由和基本IMS会话建立

另外，S-CSCF能够发送账号相关信息给在线计费系统（OCS,OnlineChargingSystem）进行在线计费（即支持预付费用户）。

2.2.2数据库

IMS体系结构中有两个主要的数据库：归属用户服务器（HSS）和订购关系定位功能（SLF）。

HSS是用于所有用户和IMS业务相关数据的主要数据存储单元。存储在HSS中的主要数据包括用户身份、注册信息、接入参数以及业务触发信息[3GPPTS23.002]。用户身份包括两种类型：专用用户身份和公共用户身份（参见3.5.1.1节和3.5.1.2节）。专用用户身份是归属网络运营商分配的用户身份，它用于诸如注册和授权的目的；而公共用户身份是其他用户用于与这个终端用户进行通信请求的用户身份。IMS接入参数用于建立会话，它包括了像用户鉴权、漫游授权和已分配的S-CSCF名字之类的参数。业务触发信息使得SIP业务执行成为可能。HSS还提供了用户对S-CSCF能力方面特定的需求。这个信息被I-CSCF用来为用户选择最适合的S-CSCF（参见3.9节）。除了与IMS功能体相关的功能之外，HSS还包含了PS域和CS域所需要的归属位置寄存器和鉴权中心（HLR/AUC）功能的子集。HSS的结构如图2-8所示。HSS不同功能之间的通信并没有标准化。

图2-8   HSS结构

HLR功能用于提供支持给PS域实体，例如GGSN和SGSN。这就使用户能够接入PS域业务。类似地，HLR也用于提供支持给CS域实体，例如MSC/MSC服务器。这就使用户能够接入CS域业务并且支持向GSM/UMTS的CS域网络的漫游。AUC为每个移动用户存储密钥，密钥用来为每个用户生成动态的安全数据。这些数据可以用于国际移动用户身份（IMSI）和网络的相互鉴权。安全数据也用于提供UE与网络之间无线链路上进行通信的完整性保护和加密。在归属网中可能有不止一个HSS,这依赖于移动用户的数目、设备容量和网络的架构。在HSS与其他网络实体之间有多个参考点。

订购关系定位功能（SLF）作为一种地址解析机制，当网络运营商部署了多个独立可寻址的HSS的时候，这种机制使I-CSCF.S-CSCF和AS能够找到用于给定用户身份的订购关系数据的HSS地址。

2.2.3业务功能

本书中的三项功能归类到IMS业务相关的功能——也就是多媒体资源功能控制器（MRFC）,多媒体资源功能处理器（MRFP）和应用服务器（AS）。

根据前面提到的分层设计思想，应用服务器（AS）并不是纯粹的IMS实体；实际上，它们是IMS之上的功能。不过，我们在这里把AS描述成IMS功能的一部分，因为在IMS中AS是提供增值多媒体业务的实体。AS驻留在用户的归属网络或者在第三方的位置。这里的第三方指网络或者独立的AS。AS主要功能有：

•  处理和影响从IMS接收到的SIP来话的能力；

•  发起SIP请求的能力；

•  发送账目信息给CCF和OCS的能力。

提供的业务并不局限于基于SIP的业务，因为运营商能够为其IMS用户基于移动网络增强逻辑的定制应用（CAMEL）业务环境（CSE）和开发业务结构（OSA）提供业务接入［3GPPTS23.228］=因此，“AS”是一个术语，一般用来捕捉SIPAS、OSA业务性能服务器（SCS）和CAMELIP多媒体业务交换功能（IM-SSF）的行为。

通过使用OSA,运营商能够利用诸如呼叫控制、用户交互、用户状态、数据通话控制、终端性能、账户管理、计费和策略关联等业务能力特征进行业务的开发［3GPPTS29.198］。OSA结构的附加好处就是，它可以用作以安全的方式提供第三方AS给IMS的标准化机制，因为OSA自身就包含了初始接入、鉴权、授权、注册和发现等特征（S-CSCF不能为第三方直接安全地接入到IMS提供鉴权和安全功能）。由于对OSA业务的支持是基于运营商的选择，而不是从结构上就要求在多个实体内支持OSA协议和特征，因此OSASCS用来终止来自S-CSCF的SIP信令。OSASCS使用OSA应用程序接口（API）与实际的OSA应用服务器进行通信。

在IMS结构中已经介绍了IM-SSF功能，它支持CAMEL业务环境（CSE）中开发的继承业务。它拥有CAMEL网络特征（触发检测点，CAMEL业务交换有限状态机等等）并且与CAMEL应用部分（CAP）相互配合。

SIPAS是基于SIP的服务器，拥有广泛的增值多媒体业务。SIP AS可以被用于提供在线状态业务、消息、按键通话和会议业务。SIP服务器的不同功能作为业务提供的一部分在12.3节和3.13.4节有更详细的说明。

图2-9说明了不同功能是如何连接的。从S-CSCFSIPAS的角度看，OSA业务性能服务器和IM-SSF展示了相同的参考点行为。

一个AS可能专用于一个单一业务，而用户可能有多于一个的业务，因此每个用户可能有一个或者多个ASo另外，在一个通话中也可能需要一个或者多个

图2-9   不同AS类型之间的关系

AS参与。例如，运营商可能用一个AS根据用户的选择（例如，在下午5点到早上7点之间将所有输入的多媒体通话都定向于应答机）对终止给用户的业务进行控制，使用另外一个AS根据UE的性能（屏幕尺寸、色彩种类等）对及时消息的内容进行自适应调整。

在IMS体系结构中，MRFC和MRFP都可以为与承载相关的业务，例如会议和公告，给用户或承载提供相应的机制进行代码转换。MRFC的任务是处理来自和去往S-CSCF的SIP通信，并且控制多媒体资源功能处理器（MRFP）。随后，MRFP提供MRFC请求和指示的用户平面资源。MRFP完成下列功能：

•  输入媒体流的混合（例如，为多方通话进行的混合）；

•  媒体流信源（如多媒体公告信源）；

•  媒体流处理（例如，音频代码转换，媒体分析）[3GPPTS23.228,TS23.002]。

目前，IMS体系结构中MRFC和MRFP的角色相对次要一些，因为在IMS会议工作[3GPPTS24.147]中MRFC与AS在同一个位置，而MRFC和MRFP之间的参考点还没有进行很好定义。

2.2.4互连互通功能

本节介绍了四种互连互通功能，这些功能是IMS和CSCN之间信令和媒体交换所必需的。

2.2.1.3节说明了S-CSCF决定什么时候转换到CSCNo为了进行转换,S-CSCF发送SIP会话请求给出口网关控制功能（BGCF）；它进一步选择CS域出口的位置。所选择的出口既可以与BGCF处于相同网络，也可以位于另外一个网络。如果这个出口位于相同的网络，那么BGCF选择媒体网关控制功能（MGCF）进行进一步的通话处理。如果出口位于另外一个网络，那么BGCF将会话转发到相应网络的BGCF[3GPPTS23.228]。后一种情况允许接近被叫用户的基于IP的信令和媒体的传输。

当SIP会话请求到达MGCF的时候，它在ISDN用户部分（ISUP）或者承载独立呼叫控制（BICC）与SIP协议之间进行协议的转换，并且通过信令网关（SGW）发送转换请求给CSCN。SGW在基于IP的信令传输（即SCTP/IP和SS7MTP信令传输之间）和基于七号信令系统（SS7）信令传输之间的传输层进行信令转换（双向）。SGW不对应用层（例如，BICC,ISUP）的消息进行解释说明，如图2-10所示。MGCF还控制了IMS媒体网关（IMS-MGW）。IMS-MGW提供了CSCN网络和IMS之间的用户平面链路。它终止来自CS网络的承载信道和来自骨干网（例如，IP网络中的RTP流或者ATM骨干网中的AAL2/ATM连接）的媒体流，执行这些终端之间的转换并且在需要时为用户平面进行代码转换和信号处理。另外，IMS-MGW能够提供音调和公告给CS用户。IMS-MGW是受MGCF控制的。

图2-10  SGW中的信令转换

类似地，所有从CS用户到IMS用户的来话控制信令都指定到MGCF,它执行必要的协议转换并发送SIP会话请求给I-CSCF用来中止会话。同时，MGCF与IMS-MGW交互，并且在用户平面预留必要的IMS-MGW资源。3.14节涵盖了整个IMS-CS互连概念，并且还给出了两个图例。

2.2.5支撑功能

策略决策功能（PDF）负责根据从P-CSCF获得的会话和媒体相关的信息制定策略。对于SBLP控制而言，它就相当于一个策略决策点（参见3.10节）。

IMS中的会话建立使用SIP和SDP,它包括了端到端消息交换。在消息交换期间，UE协商媒体特征集（例如，公共编解码器）。如果运营商应用SBLP,那么P-CSCF将转发会话发起者的指示以及相关SDP信息给PDF。随后，PDF分配并返回一个授权标记，这个标记将由P-CSCF传递给UE。PDF通过将SDP参数映射为授权的IPQoS参数，实现对选定媒体类型的IP流进行标记和授权，以便通过Go接口向接入网进行传输——在UMTS/GPRS接入情况下也就是GGSN。在接收到PDP上下文激活或者修改请求时,GGSN就会要求从PDF获取授权信息。PDF比较接收到的绑定信息和存储的授权信息，并且返回授权决定。如果绑定信息是正确的，那么PDF会在这个授权决定中将媒体授权的详细内容发送给GGSN。

除了承载授权决定之外，PDF还接收有关SBLP支配的PDP上下文释放时间或者UE丢失/恢复其无线承载时间的信息，以及有关SBLP支配的PDP何时使用流媒体或者会话业务类型的信息。基于这些信息，PDF能够通知P-CSCF有关发生的事件。这使得P-CSCF能够影响计费，甚至它可能代表用户开始释放IMS会话。而且，PDF能够请求GGSN对特定SBLP支配的PDP上下文进行去激活。

安全网关(SEG)拥有保护安全域之间控制平面业务的功能。安全域指的是由专一管理机构管理的网络。一般来说，它的边界就是运营商的边界。SEG放在安全域的边界，并且它针对目标安全域的其他SEG执行本安全域的安全策略。在IMS中所有的IMS业务都要经过SEG,特别是当业务是不同域间也就意味着业务是由它接收到的不同的安全域发起的时候。当保护域间IMS业务安全的时候，保密性、数据完整性以及鉴权都是必须有的［3GPPTS33.203］。在安全域中所包含的概念在3.19.3.2节有更清晰、彻底的说明。

THIG功能可以用来对运营商网络之外隐藏配置、容量和网络拓扑。如果运营商希望使用隐藏功能，那么运营商必须在接收来自其他IMS网络的请求或者响应的时候将THIG功能放置在路由路径上。类似地，在发送请求或者响应给其他IMS网络的时候，THIG也必须放置在路由路径上。THIG执行所有信元头的加密和解密工作，这些信元头揭示了有关运营商IMS网络拓扑信息。

2.2.6计费实体

不同计费实体和相应的参考点将在3.11节进行单独介绍。

2.2.7GPRS实体

2.2.7.1GPRS业务支持节点

GPRS业务支持节点(SGSN)连接RAN和分组核心网。它负责为PS域进行控制和业务处理功能。控制部分包括两大主要功能：移动性管理和通话管理。移动性管理处理UE的位置和状态并且对用户和UE进行鉴权。控制部分的通话管理处理连接接纳控制和现有数据连接中的任何变化，它也负责监督管理3G网络业务和资源，而且它还负责业务处理的执行。SGSN是作为用户数据通道的网关，换言之，它是UE和GGSN之间用户业务的中继。作为这个功能的一部分，SGSN也需要保证这些连接接收到适当的QoS。另外，SGSN还生成计费信息。

2.2.7.2GPRS网关支持节点

GPRS网关支持节点(GGSN)提供与外部分组数据网之间的互连。GGSN的主要功能就是提供UE与外部数据网之间的连接，而外部数据网提供基于IP的应用和业务。例如，外部数据网可以是IMS或者因特网。换句话说，GGSN将包含SIP信令的IP包从UE传送到P-CSCF,反之亦然。另外，GGSN负责将IMS媒体IP包转发给目标网络（例如，向通话终点网络的GGSN）。而提供的网络互连业务是作为接入点实现的，接入点是与用户希望连接的不同网络相关的。在大多数情况下，IMS有它自己的接入点。当UE激活和接入点（IMS）承载（PDP上下文）时，GGSN分配一个动态IP地址给UEo这个分配的IP地址用于IMS注册和在UE初始化通话时作为UE的联系地址。另外，GGSN还为IMS媒体业务监测和管理PDP上下文的使用并且生成计费信息。