基于IMS的网络融合研究进展

中国电信股份有限公司北京研究院   2006-02-06 17:06:59   邢燕霞 赵慧玲
一、介绍
目前研究基于IMS网络融合的标准组织主要包括3GPP、TISPAN和ITU-T FGNGN ，2004年6月ITU-T FGNGN的第一次会议上已经确定了将IMS作为NGN核心网基于SIP会话的子系统的基本架构，这标志ITU正式开始了对IMS的研究。与此同时，3GPP和TISPAN也都在进行这方面的研究，这两个组织也是ITU-T FGNGN的供稿方,通过提案和互致联络函的方式达到沟通，避免重复研究。在NGN的框架中，终端和接入网络是各种各样的，而基于SIP会话的核心网络只有一个IMS，它同时为固定和移动终端提供服务。这就需要IMS网络从网元功能、接口协议、QoS和安全、计费等方面全面支持固定的接入方式。
二、研究进展
IMS最初是3GPP为移动网络定义的，而在NGN的框架下，IMS应同时支持固定接入和移动接入，目前各个标准组织都把xDSL接入方式作为首先考虑的对象，以后逐渐支持其他的接入方式。为了实现这一目标，IMS框架中的一些网元的功能以及网元之间的接口协议应作相应的扩展。从目前的研究看，IMS框架中定义的需要功能扩展的网元包括S-CSCF（Serving CSCF）、P-CSCF（Proxy CSCF）、MGCF（Breakout Gateway Control Function）、HSS（Home Subscriber Server）、SLF（Subscription Locator Function）等，而实现多方会议的MRFC(Multimedia Resource Function Controller)和MRFP (Multimedia Resource Function Processor)以及I-CSCF（Interrogating CSCF）不需要修改就可以被NGN重用。
S-CSCF是IMS的核心网元，它是一个SIP Server负责会话处理，由于固定接入和移动接入在某些呼叫流程和鉴权流程等方面的差异，所以S-CSCF需要扩展以便能够同时为两种类型的终端提供会话控制。P-CSCF是终端接入IMS网络的第一个入口点，实现SIP协议中的Proxy和User Agent功能，它和IP接入网络（IP Connectivity Access Network，即IP-CAN）之间的接口为Gq接口，在移动网络中这个接口是P-CSCF与PCF之间的接口。理想情况下这个接口应和接入方式无关，但是实际上这个接口只适用于那些有一定的资源管理需求的IP-CAN，固定接入例如xDSL接入网络可能不能满足这些要求，因为3GPP定义的Gq接口假定终端设备可以明确地发出资源预留请求，而xDSL则作不到这一点，所以对于P-CSCF以及Gq接口需要进行的扩展包括支持网络侧发期的资源预留，支持地址和端口的翻译请求以及支持各种策略的控制。MGCF是IMS与传统的电路交换网络互通的网元，主要负责控制层面信令的互通，在IMS的框架中已经考虑了与PSTN以及与移动网络CS域的互通，在NGN的框架下，它应该还可以和其他固定网络的互通，因此也需要一些扩展。HSS主要用于存储用户数据而SLF则用于查找具体HSS，为了支持固定的接入方式，HSS需要存储一些固定用户的信息，而固定用户和移动用户的特征以及行为又有所差别，因此HSS也需要一些修改。
此外，除了上述需要功能扩展的网元以外，也不排除根据需要增加新的网元，TISPAN就提出了增加IBCF需求，其作用主要是实现与其他IP网络的互通，增加IBCF后，原来3GPP定义的Mm接口（CSCF和其他IP网络的接口）、Mk接口（BGCF之间的接口）以及Mw接口（CSCF之间的接口）的功能现在都包括在I-CSCF和IBCF的接口上，IBCF成为IMS网络和外部IP网络的互通点。
正是由于固定接入网络和移动接入网络之间以及固定终端和移动终端之间存在很大差异，所以FGNGN提出IMS的相关规范需要考虑相应的修改和扩充，同时也提出应放宽一些限制条件，包括以下五个方面。首先是应放宽对于使用IPv6的要求，也就是可以使用IPv4并考虑对于NAPT（Network Address & Port Translation）的支持，因为NAPT可以解决IPv4地址缺乏的问题，它提供了一种可以隐藏终端地址并进行IP地址翻译的的机制，使得终端可以采用私有IP地址与网络进行通信，这一观点和3GPP等其他组织的观点是一致的；其次应放宽对于使用UICC（Universal Integrated Circuit Card）的要求，在移动网络中移动终端都配有UICC卡，这使得用户可以通过AKA（Authentication and Key Agreement）的鉴权机制进行鉴权，而对于没有UICC的固定终端来说这个要求也应放松，这就意味着固定终端可以通过其他的方式进行鉴权，例如通过软件的方式实现鉴权和认证，而无需终端必须配置UICC卡；第三方面应放宽带宽节省相关的要求，因为在移动网络中，为了节省空中资源需要进行SIP压缩，而对于固定接入方式带宽资源情况是不同的，所以SIP压缩不应作为强制要求；第四由于两种接入方式中对于位置管理的区别，所以相应的信令接口和计费接口中的相关信息也应更改；第五两种接入方式在接入网络的资源预留程序不同，对于移动接入来说，移动终端自身具有相应的机制，而对于固定接入例如xDSL就需要P-CSCF来代理实现相应的功能。
在网络安全方面，IMS的接入安全也需要加以完善。对于移动接入而言，由于IMS是叠加在分组域之上的网络，所以IMS的安全也和分组域的安全相对独立。也就是说，终端接入分组域网络时，网络首先要对终端进行鉴权，以保证安全性。当用户接入IMS时，还要再次进行安全认证。因为这样可以保证即使分组域网络出现漏洞，IMS也可以通过自身的安全机制保证IMS网络的安全。对于固定接入而言，IMS的接入安全更加重要，因为简单的宽带接入网络本身没有安全机制，这将对IMS网络的安全造成挑战。
FGNGN的《NGN安全架构》中IMS的接入安全架构主要延用了3GPP定义的IMS的安全架构和主要机制。IMS的接入安全主要包括两个方面，一是IMS的鉴权，二是SIP消息的保护。IMS的鉴权主要是采用IMS AKA的鉴权机制，SIP消息的加密和完整性保护采用逐段处理的方式。主要包括以下五段的安全联系，第一是UE和S-CSCF之间的相互鉴权，这通过HSS来实施，UE和HSS中存储的鉴权参数都和用户的私有识别IMPI相关；第二是UE和P-CSCF之间的安全联系，主要通过IPSec加密的机制实现；第三是Cx接口的安全联系；第四是不同网络的SIP节点之间的安全联系；第五是当P-CSCF位于归属网络时的SIP节点之间的安全联系。除了上述的IMS的鉴权和SIP消息保护以外，NGN的安全问题还涉及到安全策略、安全管理以及与NAT/防火墙的互通等方面问题。
QoS也是一个重要问题，它决定了网络是否可以达到运营的要求。QoS是端到端的服务质量，由终端、接入网络和核心网络共同保证。在基于IMS的NGN框架下，在核心网络信令和数据都基于IP承载，而IP网络的QoS问题一直是研究的热点问题。ITU和3GPP都对QoS分类和具体指标进行了定义，二者基本上是一致，TISPAN将重用这些定义，并将从网络性能的角度考虑IP QoS问题，具体研究正在进行。
三、结束语
综上所述，IMS系统采用SIP协议进行端到端的呼叫控制，这就为IMS同时支持固定和移动接入提供了技术基础，也使得网络融合成为可能。从目前ITU-T FGNGN、3GPP、TISPAN等标准组织对于IMS的研究来看，基于IMS的网络融合是网络发展的方向。但是由于基于IMS的网络融合的研究刚刚开始，技术上还不够成熟稳定。从标准上看，虽然ITU-T FGNGN、3GPP、TISPAN都已经确定了IMS作为NGN的框架，但是如前所述，很多网元和接口的功能需要增强或修改，目前标准组织的活动还处于功能需求的研究阶段，实现这些功能的流程、消息及参数还需要具体的规范定义。重点解决IMS支持固定接入问题的3GPP Release 7版本规范，预计2006年才能发布；支持部分固定接入方式的ITU FGNGN Release 1最早也要到2005年中发布。所以规范上还有很多工作要做。从产品的开发看，虽然国内外主流厂商都在进行IMS产品的开发，但受到标准进程的限制，目前的产品还只是针对IMS某些应用，还不是完整意义的IMS网络产品，还不能满足运营商大规模建网的需求。在IMS的框架下还有很多技术问题需要深入研究和探讨，包括终端和用户识别问题、企业用户接入问题、安全和QoS问题以及如何继承现有业务等问题。
总之，基于IMS的网络融合方案可以使运营商基于统一的核心网络为固定和移动用户提供相同的业务，相对固网和移动网的核心网并存的网络架构，不仅可以减少网络结构的复杂度，也应该可以降低网络的运维成本，但是同时也对网络的运营和管理提出了挑战，运营商需要针对网络融合的新架构研究相应的运营和管理对策。