作者：强磊,饶少阳,陈卉 等
出版社：通信图书编辑部
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IMS核心原理与应用试读：
前言
IP多媒体子系统（IMS）原先是 3G移动网络中的一个业务子系统，用于提供基于IP的业务会话控制。随着几年来的发展，IMS的重要性越来越凸现出来，业界基本上认为IMS将成为未来取代软交换，融合固定交换网和移动交换网的首选方案（统一IMS方案）。同时，IMS与其他基于IP的业务网络，如IPTV等，也有很好的互通性和融合性。
为什么IMS会受到业界的青睐，成为未来语音与视频通信交换网络的首选方案呢？作者认为主要是以下几个方面的原因：一是 IMS基于IP分组交换网络与未来网络发展方向一致；二是IMS的业务与会话控制分离的思想，以及基于Web Service的业务开放架构降低了新业务的接入门槛，激发了业务创新，使基于IMS的增值业务将出现百花齐放的局面；三是IMS核心的SIP以及其他多数协议都是基于 IETF 的标准，并在上面增加相应的扩展以满足移动网的要求，这在保证了IMS持续性发展的同时，也为通信网和因特网的有机结合奠定了基础。
本书将围绕IMS这个主题展开描述，全书共分为9章。
第1章简单概述了IMS的概念、特点，介绍了基于IMS的业务。
第2章详细描述了IMS系统的组成结构、功能实体和各实体之间的接口参考点。
第3章介绍了实现IMS系统众多业务功能的各项信令协议和控制协议，通过对这些协议的了解将为后续章节的深入学习打下必要的基础。
第4章讨论了IMS的细节部分，通过对一些 IMS核心概念和关键技术的澄清，深入了解IMS各项技术细节。
第5章是本书的重点部分，通过对IMS基本会话过程的学习，我们将知道IMS是如何通过各种交互协议将各个功能实体串联起来以提供各种业务功能应用。
第6章是第5章的延续，介绍了一些相关的补充会话过程，从而使读者对IMS各种会话情况有一个全貌的了解。
第7章重点介绍了基于IMS的3个主要业务的详细细节，本章对于应用开发人员有一定的参考价值。
第8章描述了IMS的标准化情况以及最新进展，以保证本书的内容跟得上IMS的最新发展。
第9章为本书的总结，给出了一些IMS的实际开发和应用情况。
本书的第1至7章由强磊编写，他原先就职于中国电信，专门从事IMS、软交换及互联网业务应用的研究，现担任一家通信技术公司的副总经理，仍在从事移动通信业务的运营与产品的研发工作；第8章的部分和第9章由中国电信北京研究院饶少阳博士编写，饶少阳博士近年来一直从事 IMS 的研发工作，对 IMS应用及增值业务有较为深入的研究；第3章的部分、第8章的部分以及全书的修订和统稿工作由中国互联网络信息中心（CNNIC）陈卉女士完成，陈卉女士目前正在从事包括IMS在内的下一代网络寻址技术的研究，她不但对下一代通信网有着深厚的理解，而且对下一代因特网技术也有一定的研究。在这里，对饶少阳博士和陈卉女士的辛勤工作表示由衷的感谢！
作者2008年8月于北京第1章IMS概述1.1 什么是IMS
IMS是IP多媒体子系统（IP Multimedia Subsystem）的英文缩写，IMS具有以下几点特征：（1）IMS以IP为基础；（2）IMS与多媒体业务有关；（3）IMS是一个完整系统的一部分。
准确地说，IMS是3G R5（R，即Release，表示版本）标准之后新增的一个核心网子系统。所谓3G是在以频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）和模拟调制为特征的第一代通信系统，以时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）、码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）和数字调制为特征的第二代通信系统之后，为克服第二代移动通信系统因技术局限而无法提供宽带移动通信业务的缺陷而提出的第三代移动通信系统。
第三代移动通信系统统称为 IMT-2000，最早由国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）于1985年提出，当时考虑到系统将于2000年左右进入商用，工作频段在 2 000MHz，故于 1996 年正式定名为 IMT-2000 （International Mobile Telecommunication-2000）。目前主流的3G技术标准有以下3种。（1）WCDMA由标准化组织3GPP（3rd Generation Partnership Project）制定，以GSM MAP为核心网，UTRA为无线接口，又称为通用移动通信系统（UMTS，Universal Mobile Telecommunication System)；3GPP由欧洲ETSI、日本ARIB、韩国TTA和美国T1等标准化组织为共同制定第三代移动通信标准于1998年12月联合成立；（2）TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS（现归属CCSA，通信标准化协会）提出，目前已融合到3GPP关于 WCDMA-TDD 的相关规范中，在核心网部分基本一致；（3）cdma2000是在IS-95标准基础上提出的 3G标准，标准化由 3GPP2完成，3GPP2 以 ANSI/IS-41 为核心网，cdma2000、UWC136 为无线接口；3GPP2由美国TIA、日本ARIB和韩国TTA等组成，于1999年1月正式成立。
3GPP、3GPP2是制定3G标准的主体，我国的CCSA是这两个标准化组织的正式组织成员。上述标准组织的关系如图1-1所示。图1-1 国际无线标准组织之间的关系
第三代移动通信系统的主要性能包括：（1）话音质量应相当于公众交换电话网（PSTN，Public Switched Telephone Network）的质量；（2）满足移动性高比特率、可变速率业务的需求（快速移动环境下数据速率达到144kbit/s、室内到室外或步行条件下数据速率最高达到384kbit/s、室内环境下数据速率最高达到2Mbit/s）；（3）支持电路和分组交换数据业务；（4）自适应无线接口技术支持因特网通信中下行链路流量大于上行链路流量业务；（5）高效的频谱利用率；（6）支持各类移动通信终端；（7）可灵活增添新业务和技术；（8）良好的兼容性能，等等。
目前3GPP所规定的3G系统标准，从前到后的版本依次为R99、R4、R5、R6、R7和R8等。
从上述3G的性能特点中我们可以看出，3G系统的确在宽带移动通信业务上有了显著的进步。但是在3G的R5版本之前，系统的宽带性能虽然有大幅度提高，但是利用当时的R4版本核心网系统并不能够提供明显有别于2G的宽带多媒体业务（R4版本的3G系统简图如图1-2左侧所示），也不便于在现有系统中开发引入新的IP多媒体业务。因此，3GPP想要设计一个专门的子系统用于提供3G的IP多媒体业务，于是IMS在3G的R5版本中诞生了（如图1-2右侧所示）。图1-2 R4到R5的演进
根据3GPP的定义，IMS是由提供语音、视频、文本、聊天等多媒体业务并把这些业务组合在一起以在分组交换（PS，Packet Switch）域上传递的各种核心网设备构成的子系统。通俗地说，IMS就是在3G系统内的PS域上专门提供移动多媒体业务的子系统。
IMS不是一个独立完整的系统，它只是 3G核心网的一部分，因此它不包含接入部分，终端的接入手段和方法不由IMS负责；同时这个系统必须依赖于底层的承载网络（在3G中就是PS域的分组交换网络，如GPRS）而存在，无论是其自身控制机制的实现还是其所提供业务的数据传递都不能够离开底层的PS域。1.2 IMS的特点
IMS的关键核心技术及其特点列举如下。（1）IMS采用会话初始化协议（SIP，Session Initialization Protocol）作为IMS业务的呼叫控制协议，并通过SIP进行业务管理和业务拓展。（2）IMS采用IPv6，未来所有的IMS网络实体，包括移动终端都将使用IPv6。但是，实际产品要求同时支持IPv6和IPv4。（3）IMS支持业务用户的移动性和漫游性并对业务采用归属控制方式，即当IMS用户漫游时，其签约的业务由IMS用户的归属网络来控制。（4）IMS具有接入独立性。IMS被设计为独立于下层IP连通网络。（5）IMS可以通过特定的接口绑定SIP会话和IP媒体会话。这种绑定主要是为了QoS保障和计费的目的。1.3 IMS系统提供的业务
IMS系统除了能够提供最主要也是最基本的电话业务外，还包含了多种新型多媒体业务，本节简单介绍这些业务，第7章将对部分重要业务作详细介绍。1.3.1 基本的多媒体电话业务及其补充业务
IMS多媒体电话业务允许多媒体会话通信发生在两个或多个用户之间，它提供语音、视频或其他数据类型的实时双向会话传递。IMS多媒体电话通信是终端之间或终端和网络实体之间的点到点通信。点到点通信通常是对称的，但是在特殊情况下每个方向的媒体元素（类型）可以不同，或者虽然相同但有不同的速率和服务质量。IMS多媒体电话业务不同于其他基于IMS的业务，如蜂窝小区的推送业务（PoC，Push to Talk over Cellular）。
IMS多媒体电话是一种使用语音或语音与其他媒体混合的业务，但是该业务并不要求总是包含语音，可以是其他媒体或媒体混合（如文本和视频）。IMS多媒体电话支持的媒体类型和能力包括：（1）全双工语音；（2）实时视频，并当有语音时可与语音同步；（3）文本通信；（4）文件传送；（5）视频片断共享、图片共享和音频片断共享；每种媒体类型至少应支持至少一种公共的标准格式（如JPEG、AMR）。
此外，IMS多媒体电话业务还支持在IMS多媒体电话通信中增加或去除某种媒体类型的能力。它还包括补充业务，补充业务的特征与电路域语音的补充业务特征相同。1.3.2 IMS提供的其他多媒体业务
IMS能够提供的其他多媒体业务有很多种，并且还在不断扩充，本节仅介绍其中的一些。
1.位置业务
该业务由网络提供，包括一系列基于位置的应用，例如位置跟踪、地图服务和基于位置的信息服务，等等。
2.呈现业务
呈现业务提供了对其他用户或业务可获得的呈现信息的访问。其他多媒体业务可充分利用该业务所提供的功能。在一个基于呈现的业务中，业务用户可控制分发到其他用户和业务的呈现信息，并且可以规定向不同的用户和业务提供何种呈现状态。
3.消息业务
消息业务是指参与者之间实时的内容交互，一般来说，这里的内容是指文本消息，但也可以包含其他媒体类型。即时消息业务一般和呈现业务、好友列表业务一起捆绑使用。
4.推送（Push）业务
该业务是指信息推送者通过推送服务器向推送接收者推送某种类型的数据（如音频、视频、图片等）而不需要与推送接收者进行交互。
5.移动虚拟专用网（MVPN，Mobile Virtual Private Network）业务
MVPN提供了用户移动时安全接入到信息管理系统的机制，包括接入到相关的文档、视频和实时交易信息；此外还可在进行语音通信的同时检索和访问所需的信息。
6.游戏业务
该业务的扩展性很大，因此本书并不给出具体的定义以限制其范围。
7.家庭监控业务
使用该业务，用户可以通过视频远程监控家里的情况并且可结合远程控制以达到控制家里的家用电器或者其他设备的目的。这种监控可以由用户预先设置好的告警来触发，例如有外人闯入时触发业务可通知用户对家里情况进行监控。
8.白板通信业务
白板通信业务为用户提供了以自由格式进行通信的功能，用户可在与其他用户视频通信时采用该业务手写一条消息显示给对方浏览。白板通信业务允许两人以上共同浏览白板，这在会议场景中非常有利用价值，因此白板通信业务经常与会议业务捆绑使用。
9.紧急呼叫业务
出于管制的要求，IMS在提供基本语音的基础上还应提供紧急呼叫业务。紧急呼叫业务除了要求在终端和紧急呼叫中心之间建立一条连接外，还有一些特殊要求，例如：（1）即使用户终端没有USIM卡也要提供紧急呼叫业务；（2）IMS系统需要向紧急呼叫中心提供目前的终端地理位置信息；（3）IMS系统需要将用户的紧急呼叫路由到最近的呼叫中心；（4）需要提供主叫号码显示功能以实现回拨。
10.移动号码携带业务
移动号码携带业务是指移动用户更换运营商网络时无需更换其E.164移动号码。1.4 IMS所解决的问题
IMS除了能够给带来丰富的业务体验外，还解决了如下问题。
1.移动性
IMS架构首次为业务用户提供了独立于接入网技术体制的、强大的全网自动漫游能力和虚拟归属环境（VHE，Virtural Home Enviroment）能力。IMS终端无论在何时何地接入，均可获得拜访地的代理地址，并通过拜访地代理转接到归属地业务环境进行IMS业务处理和触发，从而享受到相同的业务。
2.统一认证
针对同一用户的不同可寻址号码（对应不同的接入方式）以及同一用户的所有增值业务（对应不同的AS），IMS架构提供了一个统一的业务接入授权认证入口，使得不同业务应用、不同号码可以共用相同的安全上下文，避免了在开放式IP环境中用户鉴权机制的重复建设，也使应用服务器（AS，Application Server）可以专注于应用业务的开发。
3.集中用户数据管理
IMS架构第一次真正实现了将相同个人用户的不同应用签约数据在网络层次的集中化统一管理，并将业务数据维护点与用户接入及业务提供点相隔开，彻底解决了固网业务提供本地化的问题，大大降低了由用户数据分散冗余所带来的建设及运维开销。
4.漫游计费
IMS网络允许在用户跨网或跨地漫游时根据拜访地SIP代理域名确定漫游地信息作为计费依据，从而真正解决了目前 PSTN/多媒体一体化软交换方案中仅依据用户接入IP地址无法实现有效跨地呼叫计费的问题。
5.网络的融合共享
公共共享组件架构使得网络业务控制层与具体业务和底层网络无关，它提供了一个公共共享的业务控制层，使得网络融合和业务融合成为可能；同时IMS架构提供了一个抽象的、无冗余的、安全的、开放的、可扩展能力强的业务平台，确保新增业务的开发定制快速化和新增业务所带来的网络重复建设的代价最小化。
6.QoS和安全
IMS架构在网络安全和QoS方面均有较全面和完善的规范定义和指导，允许在不同运营商间进行IMS网络路由的拓扑隐藏，支持完善的端到端IP QoS控制机制和网络安全机制，为多媒体业务的实施提供了有力的指导。
综上所述，IMS解决方案可以说是满足未来网络发展需求的、可持续发展的多媒体网络解决方案，因此，目前很多国际标准组织都将基于IMS的网络作为未来语音和多媒体通信网络的演进方向。第2章IMS系统结构
本章介绍IMS的组成结构，包括IMS内的各个组件实体的功能要求以及IMS内部组件实体之间和IMS与外围系统之间的接口。2.1 IMS系统组成结构
IMS系统组成结构如图2-1所示。图2-1 IMS组成结构与接口
从图2-1中可以看出，IMS由下列组件实体构成（本章所描述的组件实体参考3GPP TS 23.002和23.228 R7版本中所描述的实体）：CSCF、MGCF、IMS-MGW、MRFC、MRFP、BGCF、AS、IBCF、TrGW、HSS、SLF、AF和PDF。2.1.1 呼叫会话控制功能
呼叫会话控制功能（CSCF，Call Session Control Function）是IMS系统中最核心的实体组件，它主要完成IMS会话的建立、维持和拆除等各种会话控制功能。在IMS中有三种CSCF，它们分别是代理CSCF（P-CSCF）、服务CSCF（S-CSCF）和询问CSCF（I-CSCF）。三种CSCF的功能说明如下。
2.1.1.1 代理CSCF（P-CSCF）
P-CSCF是IMS的第一个联系点，它的地址由UE设备使用本地CSCF发现机制发现。P-CSCF像SIP代理服务器一样接收请求并在其内部进行业务处理或转发这些请求。P-CSCF不修改SIP INVITE消息中的请求URI。P-CSCS可作为一个用户代理运行，例如，在非正常条件下它可终止并独立地生成SIP事务。PDF可以是一个逻辑实体（作为P-CSCF的一个内部实体），也可以是一个独立的物理实体。由P-CSCF执行的功能包括：（1）转发从UE接收的SIP注册请求到由UE归属域名决定的I-CSCF；（2）转发从UE接收的SIP消息到SIP服务器（例如S-CSCF）；（3）转发SIP请求或响应到UE；（4）产生相关计费信息；（5）维持它自己和每个UE之间的安全关联；（6）执行SIP消息压缩和解压缩；（7）承载资源的授权和QoS管理。
2.1.1.2 问询CSCF（I-CSCF）
I-CSCF是运营商网络内去往该网络内用户的或位于该网络业务区域中漫游用户的所有连接的联系点。运营商网络内有多个I-CSCF。由I-CSCF执行的功能包括：（1）为执行SIP注册的用户分配S-CSCF；（2）路由来自另一网络的请求到S-CSCF；（3）从HSS获得S-CSCF的地址；（4）转发SIP请求或响应到S-CSCF；（5）产生相关计费信息；（6）执行拓扑隐藏网络间网关功能，运营商可使用 I-CSCF 中的拓扑隐藏网络间网关（THIG，Topology Hiding Inter-network Gateway）功能来向网络外部隐藏配置、能力以及网络拓扑。
2.1.1.3 服务CSCF（S-CSCF）
S-CSCF 提供注册服务、会话控制和相关的选路功能，并维持会话状态信息。S-CSCF 是统一 IMS 核心网中的中心节点，所有 IMS 终端发送和接收的SIP消息都需要经过 S-CSCF，并根据初始触发规则确定和业务应用平台之间的交互。
S-CSCF的主要功能有以下内容。
1.注册阶段（1）作为注册服务器，对来自UE的注册请求消息进行处理。（2）与归属用户服务器的交互，完成对用户的认证和鉴权，更新归属用户服务器上用户的注册状态信息。（3）认证通过之后，从归属用户服务器下载用户相关信息。（4）维护用户的注册状态（如强制用户进行重注册、解除用户注册、更新用户注册状态），并支持当用户注册状态发生变化时向用户发送相应的通知消息。
2.会话阶段（1）提供会话控制功能，可以工作在Proxy模式和UA模式。（2）与业务应用平台进行交互。（3）根据会话或业务需要控制媒体服务器MRS向IMS终端发送特定的专用资源（如录音通知）。（4）对于一个请求发起端点（如发起方UE或发起方AS）：
①如果请求来自发起端UE
当目的地用户是不同网络运营商的用户时，根据目的地名称（如所拨的号码或SIP URL）从一个数据库中获得该网络运营商为该用户服务的I-CSCF地址，并转发SIP请求或响应到I-CSCF；当目的地用户与发起方用户是相同网络运营商的用户时，转发SIP请求或响应到该运营商内的I-CSCF；根据运营商策略，转发SIP请求或响应到位于IMS子系统外部的ISP域中的SIP服务器；为路由到PSTN或CS域的呼叫转发SIP请求或响应到BGCF。
②如果请求来自AS
检验出来自AS的请求是一个发起请求，则采用相应的过程（例如，为发起方业务调用与业务平台之间的交互）；处理请求，即使生成该请求的 AS用户没有注册；处理来自或发往AS用户的请求；代表用户反映AS所发起会话的计费信息。（5）对于一个目的地端点（例如终结用户）：
当对一个归属网络内的归属用户采用移动终结过程时，或者对漫游到拜访网络而归属网络选择在路径中不采用I-CSCF时，转发SIP请求或响应到P-CSCF；当漫游到拜访网络而归属网络选择在路径中采用 I-CSCF 时，转发 SIP 请求或响应到I-CSCF；如果用户通过CS域接收到进入的会话，S-CSCF将根据HSS和所发生的业务控制交互修改 SIP 请求以路由进入的会话到 CS 域；为路由到 PSTN或CS域的呼叫转发SIP请求或响应到BGCF；如果SIP请求包含目的地端点的优先级特征，将执行优先级和能力匹配。（6）产生相关计费信息。2.1.2 归属用户服务器
归属用户服务器（HSS，Home Subscriber Server）不是IMS专有的组件，而是3G系统中CS、PS和IMS域共用的网络实体，但是它在IMS中却起着非常重要的作用。本节详细介绍该实体。
HSS是用户的主数据库，它包含订购相关信息以支持其他网元处理呼叫/会话。
一个HSS网络可包含一个或数个HSS，这取决于移动用户的数量、设备的能力和网络的组织。
HSS应用的一个例子是，HSS向呼叫控制服务器提供包括鉴权、授权、名字/地址的解析、位置依赖关系等在内的信息来实现选路/漫游过程。
HSS负责保存以下相关用户信息：（1）用户身份标识、名称和地址信息；（2）用户接入安全信息，用于鉴权和授权的网络接入控制信息；（3）系统级别之间的用户位置信息，HSS支持用户注册、存储系统之间的位置信息；（4）用户属性信息；（5）生成用户安全信息用于相互鉴权、通信完整性检查和加密。
基于这些信息，HSS还负责支持运营商不同域和子系统中的呼叫控制和会话管理实体：（1）集成不同种类的信息，向应用和业务域提供增强的特征；（2）支持IMS的IP多媒体功能，可支持IMS子系统的CSCF控制功能；（3）集成PS域所需的HLR/AUC功能；（4）集成CS域所需的HLR/AUC功能；（5）HSS同时还是存储IMS用户相关数据的通用用户属性（GUP，Generic User Profile）数据仓库。关于GUP，本书将在第4章予以介绍。
图2-2给出了HSS向3G系统所提供的全局性逻辑功能的视图。
图2-2中各逻辑功能说明如下。（1）移动性管理：通过CS域、PS域和IMS子系统支持用户移动性。（2）呼叫/会话建立支持：HSS支持CS域、PS域和IMS子系统中的呼叫/会话建立过程。对于呼叫终结，HSS提供当前为目的地用户服务的呼叫/会话控制实体。（3）用户安全信息生成：HSS为CS域、PS域和IMS子系统生成用户鉴权、完整性和加密数据。（4）用户安全支持：HSS存储生成的鉴权、完整性和加密数据并通过将这些数据提供给核心网内的相应实体（如 CSCF）从而支持接入CS域、PS域和IMS子系统时的鉴权过程。图2-2 HSS逻辑功能（5）身份标识处理：HSS提供了系统用户各种标识之间的关系（如IMS中的私有标识和公共标识之间的关系）。（6）接入授权：当CSCF等网元发出相关请求时，HSS将检查当前用户是否被允许漫游到当前的拜访网络，以对用户的移动接入进行授权。（7）业务授权支持：HSS 为移动终结的呼叫/会话以及业务调用提供基本的授权。此外，HSS向相关的服务实体（如CSCF）升级与用户业务相关的信息。（8）业务提供支持：HSS提供对用于CS域、PS域和IMS子系统内的业务属性数据的访问。（9）应用业务和CAMEL业务支持：HSS与SIP应用服务器和 OSA-SCS通信以支持IMS子系统中的应用业务，与IM-SSF通信以支持与IMS相关的CAMEL业务，同时它还与gsmSCF通信以支持CS和PS域中的CAMEL业务。（10）GUP数据仓库：HSS支持IMS相关数据的存储，并通过Rp参考点提供对这些数据的访问。2.1.3 签约位置功能
签约位置功能（SLF，Subscription Locator Function）包括：（1）在注册和会话建立期间，I-CSCF/S-CSCF查询SLF获得包含所需用户特定数据（呼叫控制相关）的HSS。CSCF通过Dx接口访问SLF。（2）AS查询SLF获取包含所需用户特定数据（业务相关）的HSS。AS通过Dh接口访问SLF。（3）3GPP AAA服务器查询SLF获得包含所需用户特定数据（认证相关）的HSS。3GPP AAA服务器通过Dw接口访问SLF（该接口不在本书讨论范围之内）。（4）SLF与不同HSS之间的同步是由IMS运维系统完成的。SLF在单HSS环境下是不需要的，如果AS预先配置了相关的HSS，则也不需要查询SLF。2.1.4 应用服务器
IMS应用服务器（AS，Application Server）包括SIP应用服务器、OSA应用服务器和CAMEL IM-SSF，主要功能是提供增值IP多媒体业务。它们驻留在用户的归属网络中或者第三方位置上，这里的第三方位置可以是一个网络或一个单独的AS。需要注意的是，OSA应用服务器不直接和IMS网络实体交互，而是通过OSA业务能力服务器与IMS网络实体交互。（1）AS（SIP应用服务器/OSA业务能力服务器/IM-SSF）利用Sh和Si接口（见2.2节）与HSS通信。（2）S-CSCF与AS的接口用于提供驻留在AS中的业务。这个接口包括两种情况：
①S-CSCF到一个位于归属网络的AS；
②S-CSCF到一个位于外部可信网络（如第三方或拜访网络）的AS。（3）S-CSCF不提供第三方到IMS的接入鉴权和安全功能。OSA框架提供了一种第三方安全接入IMS系统的标准方法。（4）I-CSCF到AS的接口用于将目的地标识为AS的SIP请求直接转发给AS。（5）AS可代表运营商网络支持的业务从而影响SIP会话。AS可以驻留并执行业务。2.1.5 媒体网关控制功能
媒体网关控制功能（MGCF，Media Gateway Control Function）包括：（1）控制与IMS-MGW媒体通道连接控制相关的呼叫状态；（2）与CSCF、BGCF、PSTN实体通信；（3）根据来自传统网络的入呼叫路由号码决定下一跳；（4）执行ISUP/TCAP和IMS呼叫控制协议之间的协议转换；（5）向CSCF或IMS-MGW转发MGCF所接收的带外信息。
需要说明的是，如果来自CS域或PSTN的ISUP/TCAP不是由IP承载，而是由基于No.7信令（SS7）的电路方式承载，在上述信令送到MGCF之前还需要通过信令网关功能实体（SGW，Signal Gate Way）对底层承载进行转换。SGW在纯分组承载环境下是不需要的，因此在图2-1中没有画出。2.1.6 IP多媒体子系统—媒体网关功能
IP多媒体子系统—媒体网关功能（IMS-MGW，IP Multimedia Subsystem-Media Gateway Function）用于终结来自电路交换域的承载通道以及来自分组网络的媒体流（如IP网络中的RTP流）。之所以在MGW之前还特别标注IMS是因为在3G R4之后的CS域中也有一个CS-MGW，它的功能和IMS-MGW基本类似，但其主要是为CS域的语音通信服务，与IMS-MGW相比，CS-MGW存在很多细节上的区别。IMS-MGW 可以支持媒体转换、承载控制和负荷处理（如编码、回声消除、会议桥等），具体功能包括：（1）与MGCF交互以完成资源控制；（2）拥有并处理诸如回声消除之类的资源；（3）具备编码能力。
IMS-MGW具备了必需的资源以支持UTMS/GSM的媒体传输。在IMS-MGW与MGCF之间采用H.248协议进行交互，但这里的H.248协议为了支持附加的编码和成帧协议进行了一定的修改。3G系统中的H.248协议将在第3章中介绍。2.1.7 媒体资源功能控制器
多媒体资源功能控制器（MRFC，Multimedia Resource Function Controller）包括：（1）控制MRFP中的媒体流资源；（2）解释来自AS和S-CSCF的信息（如会话标识符）并据此对MRFP进行相应的控制；（3）生成CDR（呼叫详细记录）。2.1.8 多媒体资源功能处理器
多媒体资源功能处理器（MRFP，Multimedia Resource Function Processor）的主要功能包括：（1）控制Mb参考点上的承载；（2）提供资源供MRFC控制；（3）混合进入的媒体流（如针对多方）；（4）作为媒体流的源（如针对多媒体通知）；（5）处理多媒体流（如音频编码和媒体分析）；（6）层控制（如在会议环境中管理对资源共享的接入权限）。2.1.9 出域网关控制功能
出域网关控制功能（BGCF，Breakout Gateway Control Function）负责选择将在其中发生PSTN/CS出域的网络。如果BGCF发现出域发生在与 BGCF相同的网络，那么BGCF将选择负责与 PSTN/CS域互通的MGCF。如果出域是在另一网络，BGCF将转发会话信令到另一个所选择网络中的BGCF。BGCF具体执行的功能包括：（1）从S-CSCF接受请求以选择适合会话的PSTN/CS出域点。（2）选择与 PSTN/CS 域发生互通的网络。如果互通的是另一网络，那么BGCF 将转发SIP信令到该网络的 BGCF。如果互通的是另一网络并且运营商需要网络隐藏，BGCF将通过I-CSCF（THIG）转发SIP信令到其他网络的BGCF。（3）选择与 PSTN/CS 域发生互通的 MGCF 并转发信令到 MGCF（IMS 与PSTN/CS属于同一运营商网络）。（4）生成CDR。
当需要选择与哪一网络发生互通时，BGCF 将利用从其他协议得到的信息或管理信息。2.1.10 互通网关控制功能
互通网关控制功能（IGCF，Interworking Gateway Contral Function）实体用于不同IMS网络之间或者IMS网络与其他基于SIP的多媒体网络之间的互通，详细内容请见4.11节。2.1.11 转换网关
转换网关（TrGW，Transition GateWay）位于媒体流路径中并受IBCF（IMS ALG）控制。它主要提供网络地址/端口转换功能和 IPv4/IPv6协议转换等转换功能。2.1.12 策略决定功能
策略决定功能（PDF，Policy Decision Function）主要是为基于服务的IP承载资源的本地策略控制提供一个策略决策点，具体来说就是 PDF做出关于IP承载资源分配请求的决定。2.1.13 应用功能
应用功能（AF，Application Function）一般不作为一个单独的物理设备实体存在而是体现在P-CSCF等设备中。
AF提供需要IP承载资源控制或者基于流承载计费控制的应用。A能够与PDF通信以传送QoS相关的业务或与计费规则功能（CRF，Charging Rules Function）通信以传递动态的计费相关信息。CRF的功能是作为基于流计费功能的控制器向GGSN提供可应用的计费规则。2.2 IMS体系参考点
在上述的各种 IMS 组件之间需要通过相应的协议进行信息交互以分工协作实现IMS系统的整体功能，这种组件实体的交互被称为接口。在3GPP中用参考点（RP，Reference Point）来表示各种接口。本节将逐一介绍IMS子系统内的以及与IMS系统有关的各种接口。
1.Mw（CSCF—CSCF）参考点
Mw参考点允许在CSCF之间通信和转发信令消息，如注册和会话控制。该接口的协议基于SIP实现。
2.Cx（HSS—CSCF）参考点
Cx参考点支持HSS与CSCF之间的信息交互，采用Diameter协议。该参考点上的操作可以分为以下3个功能组。（1）定位管理过程，它执行有关注册和注销的操作以及定位检索操作。（2）用户数据处理过程，它供注册期间下载用户信息，支持恢复机制，支持用户数据升级和恢复机制的操作。（3）用户鉴权过程。
具体来说，HSS与CSCF之间进行信息交互的过程主要包括：（1）与S-CSCF分配（HSS指定负责服务用户的S-CSCF）相关的过程；（2）从HSS检索路由信息的相关过程；（3）授权相关过程（如漫游协议的检查）；（4）鉴权相关过程，在HSS和CSCF之间传送用户的安全参数；（5）过滤规则控制相关过程，从HSS传送用户的过滤规则参数到CSCF。
3.3.2节将详细描述上述Cx参考点的操作。
3.Dx（CSCF—SLF）参考点
Dx参考点位于CSCF和SLF之间，用于检索拥有某给定用户订购关系的HSS的地址，采用Diameter协议。该接口在单HSS环境中不需要。Dx接口提供以下两类消息。（1）从I-CSCF或S-CSCF查询订购位置的操作：DX_SLF_QUERY，该操作指明正在寻找HSS的用户身份标识。（2）向 I-CSCF 或 S-CSCF 提供 HSS 名字的响应：DX_SLF_RESP，以使I-CSCF或S-CSCF可继续查询所选择的HSS。
4.Gm（UE—CSCF）参考点
Gm参考点支持UE和IMS子系统（CSCF）之间的通信，如注册和会话控制采用SIP。
5.Mg（MGCF—CSCF）参考点
Mg参考点（MGCF-CSCF）允许MGCF转发进入的会话信令（来自PSTN）到CSCF，或反之，以实现IMS与PSTN的互通，采用SIP。
6.Mn（MGCF—IMS-MGW）参考点
Mn参考点描述了IMS中MGCF和IMS-MGW之间的接口。该接口完全遵循适合IMS—PSTN/PLMN互通的H.248标准功能。
通过该参考点可实现IMS-MGW物理节点资源的动态共享。一个物理IMS-MGW可以划分为多个逻辑上独立的、包含一组静态分配终端的虚拟MGW/域。
当IMS-MGW根据用于IMS的H.248协议和功能来控制承载和管理资源时，通过该参考点实现域间传输资源的动态共享。
7.Mr（S-CSCF—MRFC）参考点
Mr参考点实现S-CSCF与MRFC之间的交互，用于S-CSCF控制MRFC提供相关的资源，采用SIP。
8.Mp（MRFC—MRFP）参考点
Mp参考点（MRFC-MRFP）允许MRFC控制由媒体资源功能（MRF，Media Resource Function）提供的媒体流资源。Mp参考点完全遵循H.248标准。
9.Mi（S-CSCF—BGCF）参考点
Mi参考点允许S-CSCF转发会话信令到BGCF以实现与PSTN网络的互通。Mi参考点基于SIP实现。
10.Mj（BGCF—MGCF）参考点
Mj参考点允许BGCF转发会话信令到MGCF以实现与PSTN网络的互通。Mj参考点基于SIP实现。
11.Mk（BGCF—BGCF）参考点
Mk参考点允许BGCF或IMS ALG转发会话信令到另一个BGCF。Mk参考点基于SIP实现。
12.Mb（异网媒体互通）参考点
Mb参考点是到IPv6网络业务的参考点，通过Mb参考点可访问IPv6网络。GPRS向UE提供了IPv6网络业务，因此GPRS Gi参考点（GGSN到分组数据网络的参考点）和IMS Mb参考点可以是相同的。Mb提供了不同类型网络之间进行媒体通信的接口。
13.ISC（S-CSCF—AS）参考点
该接口在S-CSCF和AS之间，用于为IMS提供业务。该接口的协议基于SIP实现。AS用该接口通过S-CSCF控制IP多媒体会话。该接口上S-CSCF与AS之间的事务可以作为S-CSCF向AS代理一个SIP请求的结果发起或者由AS通过生成并向S-CSCF发送一个SIP请求发起。
ISC接口应能够支持在AS和S-CSCF之间订购事件通知以允许向AS通知隐性注册的公共用户身份标识、注册状态和UE能力以及特征。
S-CSCF应决定AS是否需要接收与呼入初始SIP请求相关的信息以确保业务的处理。S-CSCF的决策是根据从 HSS接收的过滤信息（即过滤规则，这将在第4章4.3.1.2节中详细介绍）。该过滤信息针对每一用户以每一个AS的基础存储和传递。AS的名字或地址信息从HSS处接收。对每一个进入的SIP请求，S-CSCF将在执行其他路由程序（如分支、呼叫优先）之前为ISC交互执行过滤。
S-CSCF不处理业务交互问题。一旦IM SSF、OSA SCS或SIP AS得到S-CSCF请求SIP会话的通知，IM SSF、OSA SCS或SIP AS将通过向S-CSCF发送消息以确保S-CSCF清楚任何所发生的动作。从S-CSCF的视角看，SIP AS、OSA SCS （业务能力服务器）和IM-SSF将表现出相同的接口行为。当多于一个的AS名字或地址从HSS传送到S-CSCF，S-CSCF将按照HSS提供的顺序联系应用服务器。从第一个应用服务器得到的响应将作为第二个应用服务器的输入。如果 S-CSCF在ISC接口上接收到由AS发起的指向由该S-CSCF所服务用户的SIP请求，那么该 S-CSCF 将把该请求视为一个到该用户的终结请求并提供终结请求相关功能。AS可能会代表用户生成SIP请求和会话。这些请求将转发给为相关用户服务的S-CSCF，这些S-CSCF将对这些请求执行正常的发起过程。
此外，一些特定的要求也适用于ISC接口：ISC接口应能够传递计费信息；ISC接口上的协议应允许S-CSCF区分Mw、Mm和Mg接口上的SIP请求和ISC接口上SIP请求的不同。
14.Sh（HSS—AS）参考点
Sh参考点（HSS—SIP AS或OSA SCS）用于应用服务器（包括AS或OSA SCS）与HSS之间的通信，用于传送用户属性信息，如用户业务相关信息、用户位置信息和计费功能地址等，采用Diameter协议。
Sh遵循以下要求：（1）Sh接口是一个运营商内部接口；（2）HSS需要清楚将通过该接口把何种信息提供给每个独立的AS；（3）Sh接口透明地传输业务相关数据、用户相关信息等数据，这里的透明是指HSS或接口协议并不理解接口所传数据的内容；（4）Sh接口还支持传送存储在HSS中的用户相关数据，如用户业务相关数据、MSISDN、拜访网络能力和用户位置等；（5）Sh 接口还支持传送标准化的数据，如可由不同应用服务器访问的组列表，这些应用服务器应理解这些数据格式，这使得AS之间公共信息可以共享。
在Sh参考点上的操作可以分为以下两个过程：（1）数据处理过程，从HSS下载数据到AS以及HSS中数据的更新；（2）订购/通知过程，AS向HSS订购数据发生变化的通知，HSS通知AS先前所订购的数据发生变化。
第3章3.3.3节将详细描述上述Sh参考点的操作。
15.Dh（AS—SLF）参考点
Dh参考点位于 AS和SLF之间，用于检索拥有某给定用户订购关系的 HSS的地址，采用Diameter协议。该接口在单HSS环境中不需要。Dh接口提供了：（1）一个从I-CSCF或S-CSCF查询订购定位器的操作DH_SLF_QUERY，该操作中指明了正在寻找HSS的用户身份标识；（2）一个响应，以向 I-CSCF 或 S-CSCF 提供 HSS 名字：DX_SLF_RESP，AS从而可以继续查询所选择的HSS，可存储HSS名字用于此后的Sh操作中。
16.Si（HSS—AS，CAMEL）参考点
Si参考点（HSS—SIP AS或OSA SCS）用于应用服务器（包括AS或OSA SCS）与HSS之间的通信，采用MAP协议。该接口传送CAMEL订购信息，该信息包含基于CAMEL的应用服务器所用的触发器。
17.Ut（UE—AS）参考点
Ut参考点位于UE和SIP应用服务器之间。该接口使得用户可以管理与其业务相关的信息，如管理公共业务身份的生成、管理由呈现等业务使用的授权策略和管理会议策略等。该接口应支持HTTP协议。
18.Mx（CSCF/BGCF—IBCF）参考点
Mx参考点允许在CSCF/BGCF和IMS ALG之间转发信令消息，如有关会话建立的消息。
19.Ix（IBCF—TrGW）参考点
该接口由IBCF（IMS ALG）用来控制TrGW，如请求网络地址解析（NAT，Network Address Translation）绑定。
20.Ma（I-CSCF—AS）参考点
该接口在I-CSCF和AS（包括SIP AS、OSA SCS和CAMEL IM-SSF）之间用于直接转发目的地为AS上公共业务标识的SIP请求到该AS上，采用SIP。
21.Go（GGSN—PDF）参考点
Go 参考点（GGSN—PDF）允许PDF对 GGSN中的承载使用应用策略，采用COPS协议。有关Go参考点的详细内容请阅读第4章4.4.3.2节。
22.Gq（PDF—AF）参考点
Gq参考点（PDF—AF）允许在PDF和AF之间交换动态QoS相关业务信息，该信息由PDF用于基于服务的本地策略决定。接口使用COPS协议。有关Gq参考点的详细内容请阅读第4章4.4.3.3节。
23.Mm（异网SIP信令互通）参考点
Mm参考点是位于CSCF/IMS ALG与IP网络之间的IP接口。该接口用于接收来自另一个SIP服务器或终端的会话请求。
关于本章所描述的IMS系统结构中的实体和参考点，感兴趣的读者可进一步阅读3GPP的相关文档。此外有一些参考点没有在此处列出，如有关计费的接口，这些接口将在后续的专门章节中介绍。第3章IMS核心协议
IMS作为多媒体呼叫/会话的控制系统，需要信令协议的支持。本章主要介绍IMS核心的关键协议，包括：呼叫控制协议——SIP，媒体描述协议——SDP，AAA协议——Diameter协议；对于 H.248、COPS、RTP、RTCP、XML等涉及业务、承载和策略的协议，本章也进行了简单介绍。3.1 SIP3.1.1 SIP基础
3.1.1.1 SIP基本概念
IMS中的核心协议是IETF RFC 3261所定义的用于呼叫控制的会话初始协议（SIP，Session Initialization Protocol）。该协议原用于因特网中诸如VoIP应用中的呼叫控制，在IMS中3GPP组织对其进行了一定扩展以适应移动网络及IMS网络特点，用于IMS中终端与网络各种CSCF以及网络中各CSCF之间的会话控制和信息交互过程。
SIP使得被称为用户代理（UA，User Agent）的会话端点（如IMS中的UE）能够发现另一个端点并且在它们希望共享的会话特征上达成一致。为了实现会话参与者的定位以及其他功能，SIP采用网络主机（被称为代理服务器，在IMS中即CSCF设备）的结构，用户代理可以发送注册、会话邀请和其他请求到代理服务器。
SIP 是独立于底层传输协议以及正在建立的会话类型的应用层控制协议，能够建立、修改和终结多媒体会话（会议），如 Internet 电话呼叫。SIP能够邀请参与者到已经存在的会话。它透明地支持名字映射和重定向服务，能够非常好地支持个人移动性，使得用户不论网络位置在哪里都可保持单一可见的标识。
SIP支持建立和终结通信的5个方面如下：（1）用户定位：确定通信终端系统；（2）用户可用性：确定被叫方参与通信的意愿；（3）用户能力：确定使用的媒体和媒体参数；（4）会话建立：主叫方和被叫方会话参数的建立；（5）会话管理：包括转移和终结会话、修改会话参数以及调用业务。
SIP 不是一个垂直的集成通信系统（不能完成所有功能），而是需要与其他IETF协议共同协作完成多媒体会话。典型地，其他IETF协议包括：实时传输协议（RTP，Realtime Transport Protocol）（RFC 1889）用于传输实时数据和提供QoS反馈；实时流协议（RTSP，Realtime Streaming Protocol）（RFC 2326）用于控制流媒体的传送；媒体网关控制协议（H.248/MeGaCo）（RFC 3015）用于控制媒体网关，实现与PSTN的互通；会话描述协议（SDP，Session Description Protocol） （RFC 2327）用于描述多媒体会话。因此，SIP应该与其他协议结合使用以提供到用户的完整业务。然而，SIP的基本功能性和操作不依赖于任何这些协议。
SIP 提供原语来实现不同的业务。它不提供会议控制业务，也不规定如何管理一个会议，但可用于初始化使用其他会议控制协议的会话。SIP 不提供任何网络资源预留能力，但提供一组基本安全业务能力，包括鉴权（用户对用户和代理对用户）、完整性保护以及加密和私有业务等。
SIP可以与IPv4和IPv6同时工作。SIP的早期协议是RFC 2543，2002年7月发布的RFC 3261取代了RFC 2543。RFC 3261修改了RFC 2543中的错误和不合理部分，并且结合其他相关协议，包括RFC 2976（INFO方法）、RFC 3262（SIP中临时响应的可靠性）、RFC 3263（定位SIP服务器）、RFC 3265（事件通知）等对RFC 2543做了相应的扩展。
IETF定义的SIP网络由4种类型的逻辑SIP实体组成，即用户代理、代理服务器、重定向服务器和注册服务器。每一实体具有特定的功能，并且作为客户机（初始请求）或服务器（响应请求）或两者的结合参与到SIP通信中。一个“物理设备”可以具有多于一个逻辑SIP实体的功能性，例如，作为代理服务器的网络服务器同时可具备注册服务器的功能。
SIP本身也是一个分层结构的协议，但它不指定每层的具体实现方式。并不是每个实体都包括所有SIP层，不同的 SIP实体可能包含某层或某几层。SIP实体包含某层是指它遵循该层定义的规则集。
SIP的最底层是语法和编码。它使用增强Backus-Nayr形式语法（BNF）。第二层是传输层。它定义了网络上客户机如何发送请求和接收响应以及服务器如何接收请求和发送响应。所有的SIP实体都包含传输层。第三层是事务层。事务是SIP的基本元素。事务由客户机发送给服务器的请求（使用传输层）以及对应该请求的从服务器发送回客户机的所有响应组成。事务层处理应用层重传、匹配响应到请求以及应用层超时。用户代理包含事务层，有状态代理也包含事务层，无状态代理则不包含事务层。事务具有客户机组成部分（也称为客户机事务）和服务器组成部分（也称为服务器事务），每个事务代表有限的状态机，处理特定的请求。
事务层之上的“层”被称为事务用户（TU，Transaction User）。每个SIP实体，除了无状态代理，都是事务用户。当一个 TU希望发送请求，它生成一个客户机事务实例并且向它传递请求类型、IP地址、端口和用来发送请求的传输机制。生成客户机事务实例的TU能够在需要时删除它。当客户机取消一个事务（实例）时，它请求服务器停止进一步的处理，将状态恢复到事务初始化之前，并生成特定的错误响应。取消事务由CANCEL请求完成。
用户代理客户机（UAC，User Agent Client）和用户代理服务器（UAS，User Agent Server），无状态和有状态代理服务器和注册服务器都包含一个核心以互相区别。除了无状态代理，核心都是TU。UAC和UAS的核心行为取决于“方法”，对所有的方法有一些普遍的规则。对于 UAC，这些规则管理请求的建立；对于UAS，这些规则管理请求的处理和响应的生成。
SIP通过E-mail形式的地址来标明用户地址。每一用户通过等级化的URL来标识，它通过诸如用户电话号码或主机名等元素（例如SIP:user@company.com）来构造。因为SIP URL与E-mail地址相似，它易于与用户的E-mail地址进行关联。
3.1.1.2 SIP消息
SIP定义了两种类型的消息：请求，从客户机发到服务器的消息；响应，从服务器返回客户机的消息。其中，请求消息包括：（1）INVITE：初始呼叫，变更呼叫参数（re-INVITE）；（2）ACK：确认INVITE的最终应答；（3）BYE：终止呼叫；（4）CANCEL：取消呼叫，呼叫尚未建立；（5）OPTIONS：查询另一方的能力；（6）REGISTER：位置注册；（7）INFO：发送会话中信息而不改变会话状态；（8）PRACK：与ACK作用相同，但用于临时响应；（9）SUBSCRIBE：向远端端点预订其状态变化的通知；（10）NOTIFY：发送消息以通知预订者它所预定的状态的变化，与SUBSCRIBE对应；（11）UPDATE：允许客户更新一个会话的参数而不影响该会话的当前状态；（12）MESSAGE：通过在请求消息体中承载即时消息内容实现即时消息服务；（13）REFER：指示接收方通过使用在请求中提供的联系地址信息联系第三方；（14）PUBLISH：用于呈现业务中用户代理向呈现服务器发布自己的呈现状态。
响应消息包含数字响应状态码，状态码的第一个数字定义了响应类别，后两个数字不表示分类，而是具体响应消息的标记。因此任何在100和199之间状态码的响应被称为“1XX响应”，任何在200和299之间状态码的响应被称为“2XX响应”，等等。SIP/2.0允许第一个数字具有6个值，即：（1）1XX：临时响应——已接收请求，但需要继续处理后续请求；（2）2XX：成功响应——消息被成功接收、理解和接受；（3）3XX：重定向响应——需要采取进一步的动作（变更目的地地址）以完成请求；（4）4XX：客户机错误响应——请求包含错误语法，不能在该服务器上处理；（5）5XX：服务器错误响应——服务器不能成功处理一个合法请求；（6）6XX：全局失败响应——任何服务器上都无法处理该请求。
一般地，每条SIP消息由以下三部分组成。
1.起始行（Start Line）
每个SIP消息由起始行开始。起始行包括消息类型（在请求消息中是“方法”的类型，在响应消息中是响应代码）与协议版本。起始行可以是请求行（请求）或状态行（响应）。
2.头域
SIP头用来传递消息属性。它们在语法和语义上与 HTTP头域相同（实际上有些就是借自HTTP），并且总是保持格式<名字>：<值
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]