IMS (IP multimédia alrendszer) Varga Pál pvarga@tmit.bme.hu BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Thx: Vidács A., Szabó S., Zainkó Cs.
Tartalom 2G - 2.5 G 3G ------ IMS definíciók(?) SIP Session Initiation Protocol IMS architektúrák változatok egy témára... Felhasználói és szolgáltatói igények => megoldás?: IMS IP multimédia alrendszer Milyen problémát old meg az IMS? IMS szabványok, egyszerősített architektúra Az IMS architektúra komponensei Fix-mobil konvergencia Az IMS evolúciója 2
UMTS Architektúra R99 3
UMTS Architektúra fejlıdése - R4 4
UMTS Architektúra R5 az IMS megjelenése 5
IMS architektúra [Clinton M. Banner] 6
IMS definíció(?) IP Multimedia Subsystem From Wikipedia, the free encyclopedia The IP Multimedia Subsystem (IMS) is a standardised Next Generation Networking (NGN) architecture for telecommunication operators that want to provide mobile and fixed multimedia services. It uses a Voice-over-IP (VoIP) implementation based on a 3GPP standardised implementation of SIP, and runs over the standard Internet Protocol (IP). Existing phone systems (both packet-switched and circuitswitched) are supported. On the other hand, there are divided opinions about its capability and utility. 7
SIP SIP From Wikipedia, the free encyclopedia The Session Initiation Protocol (SIP) is an application-layer control (signaling) protocol for creating, modifying, and terminating sessions with one or more participants. In November 2000, SIP was accepted as a 3GPP signaling protocol and permanent element of the IMS architecture. It is widely used as a signaling protocol for Voice over IP, along with H.323 and others. 8
SIP Session Initiation Protocol (SIP) Széles körben használt protokoll az interneten IP alapú telefónia, konferencia és multimédia alkalmazások esetében. A legtöbb népszerő VoIP alkalmazás is SIP-et használ. Alkalmazás réteg-beli vezérlı (jelzés) protokoll egy- vagy többrésztvevıs hívás felépítéséhez, módosításához és lezárásához. Az alap SIP funkciókat az IETF RFC 3261 definiálja. Az IMS-en belül a SIP a felhasználói regisztrációk és a sessionmenedzsment protokollja. Több IMS specifikus speciális SIP funkcionalitást is definiál az IETF. 9
1 2 ABC 4 5 GHI J KL 7 8 PQRS TUV 0 OPER 3 DEF 6 MNO 9 WX YZ # CISCO IP PHONE 7910 messages services i directories settings SIP hívásmodell SIP üzenetek segítségével építhetı fel, tartható karban és bontható le egy hívás a hívó és hívott között. A SIP szerver (proxy) felelıs a SIP üzenetek továbbításáért a két végpont között. A SIP üzenetek a vezérlési síkon (Control Plane) haladnak. A média-forgalom (hang, videó, adat) a média síkon (Media Plane) történik. A média sík elemei lehetnek pl. az átjárók, média szerverek és hangposta szerverek. * A vezérlési és média síkok az IMS architektúra kulcselemei! 10
Felhasználók igényei A felhasználók már hozzászoktak ahhoz, hogy különféle csatornákon is hozzáférhetnek információhoz, szórakozáshoz és egyéb tartalom-gazdag szolgáltatásokhoz. Többféle intelligens, kommunikációra képes készülékkel rendelkeznek. Egyre inkább individualisták, függetlenek, jól informáltak, és örömmel fogadnak minden olyan szolgáltatást, ami érzelmeiket tekintve rokonszenves számukra, vagy kielégítik gyakorlati szükségleteiket. Többet szeretnének, lehetıleg olcsóbban Szeretnének mindig, mindenhol, mindenkivel kapcsolatban lenni, a lehetı legkielégítıbb módon. 11
Felhasználók igényei (2) Az új szolgáltatásoknak természetesnek és intuitíven használhatóknak kell lenniük. A hozzáférési technológiától, az eszköztıl és helytıl független, konzisztens élményt várnak. Egyszerően azt várják, hogy a szolgáltatás mindig mőködjék, függetlenül attól, hogy ık és a másik fél esetleg nem ugyanannál a szolgáltatónál vannak. Biztonságos szolgáltatást szeretnének, és garanciát arra, hogy jogosulatlanul senki nem férhet hozzá a személyes adataikhoz. 12
Operátorok igényei Az operátorok keresik a gyors és rugalmas megoldást, hogy reagálhassanak az új üzleti lehetıségekre. Azaz: szeretnék a felhasználói igényeket kielégíteni. Mivel az elıfizetıi penetráció sok esetben a telítıdés küszöbén van, az elıfizetık megtartása a cél, tipikusan jobb, több, személyre szabott szolgáltatás nyújtásával. A felhasználók széles rétegeinek eléréséhez (mass market) szabványosított megoldások szükségesek, amelyek lehetıvé teszik a hálózatok és terminálok közötti együttmőködést. 13
Egy életszerő(?) példa Anna a reptérrıl a város felé utazva egy taxiból felhívja kollégáját, Andrást a mobilján egy fontos projekt ügyében. Anna bekapcsolja a videó módot a telefonján, hogy megmutassa pontosan mire is gondol. András a képeket a mobilján nézi, miközben beszélgetnek. Rájönnek, hogy segítségre van szükségük az irodában dolgozó kollégáiktól. Anna kiválasztja a projekt-tagok listáját a telefonján, és megnézi jelen pillanatban ki elérhetı, és kezdeményez egy push-to-talk csoporthívást. János és Péter válaszolnak. Mikor Anna megérkezik a szállodájába, bekapcsolja laptopját, és meghívja Andrást, Jánost és Pétert egy videokonferenciára. János megnyit egy diasorozatot, és megosztja kollégáival. A videokonferencia kezdetekor András még útban van az irodája felé, és mobiltelefonjáról kapcsolódik be. Amint beér az irodába, átvált az asztali munkaállomásra. 14
A példa IMS vonzata A hagyományos telefonhívás videóval bıvül (multimédia szolgáltatások). Anna mozgása során operátort vált, de ennek nincs hatása a szolgáltatásra. Eléri ugyanazokat a szolgáltatásokat helytıl függetlenül (interoperability). Anna kapcsolat-listája mindig rendelkezésére áll (jelenlét és csoport menedzsment). A szolgáltatás nem terminál vagy hozzáférési mód függı (konvergencia). 15
További IMS szolgáltatás példák Push-to-Talk cellás hálózatokban (PoC) Valós idejő videó megosztás peer-to-peer multimédia folyam Interaktív alkalmazások Interaktív játékok Megosztott mappák Instant Messaging Hangüzenetek (Voice Messaging) IMS alapú hang- és videótelefon Videó-konferencia Az IMS a felmerült felhasználói és szolgáltatói igények kielégítésére hivatott. 16
1 2 ABC 4 5 G HI JKL 7 8 PQRS TUV 0 OPER 3 DEF 6 MNO 9 WXYZ # C ISCO IP PH ONE 7910 messages services i directories settings Milyen problémát old meg az IMS? pre-ims: Különféle eszközök a saját egyedi hálózatukhoz csatlakoznak, saját hozzáférési technológiával. Minden hálózat elkülönült elıfizetıi és információs adatbázist használ, nincs közös adattár. A független hálózatok között a kommunikációt átjárók biztosítják. A különbözı eszközöket birtokló felhasználó esetében Az intelligens eszközöket lokálisan kell konfigurálni; Az egyszerő végberendezéseknek különféle, elkülönülten menedzselt szerverekhez kell csatlakozniuk. Wireless PC With VoIP Client Wireless PDA Mobile Handset POTS WiFi Access Point WiFi Access Point Cell Wired PC with VoIP Client ` PLMN Wired VoIP Phone IP Network Gateway Interfaces Gateway Interfaces * Gateway Interfaces PSTN 17
Az IP alapú szolgáltatások kontrollálása az IMS-ben Az IP hálózat a végpontok között szabad kommunikációt tesz lehetıvé Az IMS vezérli a SIP kapcsolatokat 18
1 2 ABC 4 5 GHI J KL 7 8 PQRS T UV 0 * OPER 3 D EF 6 MNO 9 WXYZ # CISCO IP P HONE 7 910 messages services i directories settings 1 2 ABC 4 5 GHI JKL 7 8 PQR S TUV 0 OPER 3 DEF 6 MN O 9 WX YZ # CISCO IP PHONE 7 910 messages services i directories settings IMS megoldás pre-ims * Wired PC with VoIP Client ` Wired VoIP Phone Wireless PC With VoIP Client WiFi Access Point IP Network Wireless PDA WiFi Access Point PLMN Mobile Handset Cell Gateway Interfaces PSTN POTS Gateway Interfaces Gateway Interfaces 19
Milyen problémát old meg az IMS? A konvergencia-probléma feloldása: Egy központi entitás használata, amely képes a szolgáltatások és jellemzık menedzselésére minden eszköz és minden hozzáférési technológia esetében. Az elsı IMS megoldások az IP és PLMN (Public Land Mobile Network) hálózatok konvergencia-problémájára születtek meg. Az IMS egy maghálózatot definiál; szolgáltatás közvetítést biztosít; elıfizetıi profil-menedzsmentet végez többféle végberendezésen; egységes alkalmazás-élményt biztosít IP képes készülékeken. 20
Példa: Milyen problémát old meg az IMS? A felhasználó ugyanazt a telefonkönyvet látja a PDA-ján, WiFi laptopján és PC alapú VoIP telefonján. Amikor beállítja jelenléti státuszát, ez az összes eszközén ez egyszerre elvégezhetı. Egy bejövı hívás esetében a hívás ráirányítható az összes eszközre, vagy adott eszközökre sorrendben a felhasználó beállításai alapján. Egy felhasználó összes eszköze egy konvergált megoldás része. 21
IMS szabványok Az IMS-t szabványok definiálják. 3GPP: Az alap IMS komponensek definiálása, az IMS-t a 3G vezetéknélküli környezet részeként definiálja. Specifikációk az UMTS rendszerhez. 3GPP2: Specifikációk a CDMA 2000 rendszerhez. IETF (SIP, SIMPLE, SHIPPING working groups) Protokollok definíciói a hálózati elemek kommunikációjához. ETSI/TISPAN (Telecommunications and Internet Converged Services and Protocols for Advanced Networking) Vezetékes szélessávú hálózatokhoz is. OMA (Open Mobile Alliance) Fıleg alkalmazások definiálása az IMS architektúrára épülve pl: Push-to-Talk, üzenetküldés és jelenlét,... 22
IMS architektúra [Huawei] 23
IMS architektúra [IBM] 24
(Egyszerősített) IMS architektúra komponensei HSS: Home Subscriber Service CSCFs: Call Session Control Functions P-CFCS, S-CSCF, I-CSCF: Proxy-, Serving-, Interrogating-CSCF BGCF: Breakout Control Gateway Function MGCF: Media Gateway Controlling Function MGW: Media Gateway MRFC: Media Resource Control Function MRFP: Media Resource Control Processor 25
IMS Architektúra és az egyes elemek funkciói Jelzés/vezérlés Forgalom IMS I-CSCF Mw P-CSCF Cx S-CSCF HSS Cx A HSS (Home Subscriber Service) tartalmazza az elıfizetık IMS service profilját. I-CSCF Mm Más IP/ IMS hálózat Gi UTRAN Go Gi A CSCF ( Call Session Control Function) a kapcsolat vezérlésért felelıs, három típusa van: P-CSCF (Proxy CSCF) S-CSCF (Serving CSCF) I-CSCF (Interrogating CSCF) S-CSCF köt össze külsı IP hálózatokkal és más IMS hálózatokkal UE PS tartomány SGSN GGSN A csomagkpacsolt hozzáférési hálózat (PS) biztosítja az IP hordozó szolgáltatást, ami az IMS eléréséhez szükséges. 26
IMS architektúra komponensei HSS (Home Subscriber Service) Az egyik kulcskomponens. Központosított vezérlési és menedzsment pont, amely a felhasználó eszközeit, preferenciáit és jellemzıit kezeli. Tudja, milyen eszközökkel rendelkezik a felhasználó, ezek közül melyek regisztráltak a hálózatba, és hogyan érhetık el. Egy jelenlét alkalmazással kombinálva nagyon hatékony! Példa: 8 és 15 óra között a hívások a munkahelyi VoIP terminálra irányítottak. Esti hívások az otthoni telefont csörgetik meg. Utazás közben a hívások a mobiltelefonon végzıdnek. Egy tárgyalás alatt minden hívás a hangpostára megy. 27
IMS architektúra komponensei CSCF (Call Session Control Functions) Egy IMS hálózatban az IP képes eszközök egy SIP proxy-n történı regisztrációval válhatnak aktívvá. A SIP proxy számon tartja, hogy az eszköz érvényesített-e, és hogy melyik felhasználóhoz tartozik. A hívásvezérlı SIP proxy-k neve az IMS-ben: CSCF-ek. Minden kommunikáció az elıfizetı eszközei és a CSCF-ek között a kontroll síkon zajlik. Az IMS modell háromféle CSCF-et definiál: Proxy-CSCF (P-CSCF) Serving-CSCF (S-CSCF) Interrogating-CSCF (I-CSCF) 28
IMS architektúra komponensei Proxy-CSCF (P-CSCF) Minden eszköz összes kontroll sík forgalma a P-CSCF felé irányul. Hogy pontosan melyik P-CSCF-nek, az a fizikai IP hálózattól függ, amelyhez az eszköz csatlakozik. Serving-CSCF (S-CSCF) Hívásvezérlést és alkalmazás támogatást biztosít a felhasználónak. Amikor egy eszköz regisztrál, a P-CSCF továbbítja a regisztráció kérést a releváns S-CSCF-nek. Az S-CSCF a HSS-ben tárolt információk alapján hitelesíti a készüléket, és meghatározza, hogy milyen szolgáltatások és preferenciák tartoznak hozzá. Tartalmazhat specializált alkalmazás szervereket is (pl. jelenlét, üzenetküldés,...) 29
IMS architektúra komponensei Interrogating-CSCF (I-CSCF) Akkor van szükség rá, amikor egy eszköz elsı ízben regisztrál, és a P- CSCF nem tudja meghatározni, hogy melyik S-CSCF-nek továbbítsa a kérést. Az I-CSCF lekérdezésével meghatározható a felhasználó/eszközhöz tartozó S-CSCF. 30
IMS architektúra komponensei Ha egy IMS hívás (session) kilép az IMS doménbıl (pl. PLMN vagy PSTN hívások), vezérlési és jelzési átjáró funkciókra is szükség van a hálózatban. Az átjáró funkcionalitást megvalósító IMS komponensek: BGCF: Breakout Control Gateway Function MGCF: Media Gateway Controlling Function MGW: Media Gateway 31
IMS architektúra komponensei BGCF: Breakout Control Gateway Function Az S-CSCF SIP-et használva kommunikál a BGCF-fel. A BGCF azonosítja a megfelelı MGCF-et és MGW-t amelyek az adott hívás támogatását végzik majd. Akkor szükséges, amikor egy hívás kilép (Breaks Out) az IMS környezetbıl. MGCF: Media Gateway Controlling Function Átalakítja a vezérlési sík-beli információkat az IMS oldalon a PLMN/PSTN-ben használt jelzésekké, valamint fordídott irányban is megteszi ugyanezt. Az MGCF valójában egy kontroll sík-beli átjáró. MGW: Media Gateway Interfész az IMS eszköz média folyama és a PLMN/PSTN eszköz média folyama között. Az MGW a média sík-beli átjáró. 32
IMS architektúra komponensei További fontos hálózati funkciók megkövetelik a média erıforrás szerverek (Media Resource Gateway) használatát. Szükséges média funkciók például: DTMF számjegyek begyőjtésére az audió folyamból; közlemények lejátszása (audió/videó); multimédia konferencia (Pl. audió folyamok elegyítése); szöveg beszéddé alakítása (TTS text to speech); beszédfelismerés A média erıforrás funkcionalitásokat megvalósító IMS komponensek: MRFC: Media Resource Control Function MRFP: Media Resource Control Processor 33
IMS architektúra komponensei MRFC: Media Resource Control Function Valójában egy SIP proxy. Az MRFP-t vezérli. A kontroll síkban helyezkedik el. MRFP: Media Resource Control Processor Elvégzi a szükséges média funkciókat médiafolyamok küldésével és fogadásával. A média síkban helyezkedik el. Egy konvergált 3G környezetben az IMS, PLMN és PSTN hálózatoknak közös, mindhárom hálózatot támogatni képes média erıforrás szervereket kell használniuk. 34
Kapcsolatfelépítés az IMS segítségével SIP Session felépítés SGSN BGCF CSCF felépíti a SIP session-t a hívott terminál felé, vagy továbbítja a kérést másik CSCF felé. SIP CSCF UMS Az adatfolyam optimális útvonalon GPRS/EDGE/ UTRAN/GERAN GGSN SIP IP gerinchálózat CSCF lekérdezi a HSS-bıl a felhasználó helyét GGSN GPRS/EDGE/ UTRAN/GERAN MS A IMS SIP jelzések MS B SIP GGSN-A adatfolyam GGSN-B 35
Média, transzport és kodek MS A IMS SIP/SDP Signalling MS B GGSN-A RTP / Media Session GGSN-B SIP transports SDP SDP SDP describes media stream (codec) TCP SIP IP RTP (Video1) UDP RTP (Audio1) 2G 3G GPRS (or WLAN, 3GPP2,...) RTP (Video2) 36
Szolgáltatás létrehozása és nyújtása IMS-ben Közös funkciók Az IMS vízszintes rétegzett architektúra lehetıvé teszi az elszakadást a hagyományos függıleges kályhacsı implementációktól. 37
Szolgáltatás létrehozása és nyújtása IMS-ben service enablers Egyszer megírni, többször használni elv. Az IMS architektúra kulcselemei. A két legfontosabb közülük: jelenlét (Presence) csoport lista menedzsment (Group List Management) Jelenlét (Presence) A felhasználó számára lehetıvé teszi, hogy informálódjon a csoport többi felhasználójának jelenléte és elérhetısége felıl. (Azaz láthatják egymást a kommunikáció megkezdése elıtt.) Csoport lista (Group List) A felhszasználó létrehozhat különbözı csoport lista definíciókat. Pl: személyes címlista, VPN-alapú megoldások, nyilvános vagy privát csevegı (chat) listák, stb. 38
Szolgáltatás létrehozása és nyújtása IMS-ben Szolgáltatás nyújtása Az IMS-ben a felhasználó egy dinamikusan hozzárendelt, felhasználócentrikus, szolgáltatás-független és szabványos hozzáférési ponton keresztül fér hozzá a személyes szolgáltatáshoz. (CSCF Call Session Control Function) Egyszerő hozzáférés A bejelentkezés és hitelesítés lényegesen egyszerőbb az IMS-ben mind a felhasználónak, mind a szolgáltatónak. A felhasználónak csak egyszer kell bejelentkeznie, utána hozzáfér minden számára engedélyezett szolgáltatáshoz. A hitelesítést is a CSCF végzi. 39
Szolgáltatás létrehozása és nyújtása IMS-ben Szolgáltatás együttmőködés (interoperability) Szolgáltatásonként különbözı együttmőködési relációk és megállapodások helyett az IMS lehetıvé teszi egyetlen operátorok közötti megállapodás létrejöttét és az erre való hivatkozást minden szolgáltatás esetében. pre-ims: IMS: 40
Szolgáltatás létrehozása és nyújtása IMS-ben Szolgáltatás létrehozása a terminálokon Egy IMS szolgáltatás megköveteli egy IMS/SIP kliens futását a felhasználói végberendezésen a hálózati szerverekkel történı kommunikációhoz. Az IMS/SIP kliens az alap funkciókat közösen valósítja meg az összes alkalmazás számára, így számos alkalmazás megvalósítható ugyan azon a terminálon. Az IMS/SIP kliens implementálásával a terminálokon az architektúra valóban végponttól végpontig terjed. 41
Fix-mobil konvergencia Az IMS egy vezetéknélküli (mobil) hálózatokra megalkotott szabványként indult. Azonban hamar kiderült a benne rejlı potenciál vezetékes (fix) hálózatok esetében is. Így az IMS egy kitőnı lehetıség a fix és mobil hálózatok konvergenciájához: A vezérlési és alkalmazási rétegek közösek. A hálózat tudatában van az eltérı hozzáférési technikák különbözı jellemzıinek. A többszörös hozzáférés funkcionalitás is megvan az IMS-ben. A különféle hordozható eszközök (pl. PDA, laptop WiFi hozzáféréssel) elterjedésével a különbség a fix és mobil kommunikáció között amúgy is kezd elmosódni. 42
Fejlıdés, nem forradalom! (Evolution, not revolution!) Az IMS fejlıdése Az IMS architektúra és a SIP protokoll képes támogatni fejlett szélessávú multimédia szolgáltatásokat is. Pl: TV mősorszórás multicast IP videó-folyamokkal, VOD (Video-On Demand), videó megfigyelés, videótelefon, virtuális osztályterem, stb. Ezen szolgáltatások megvalósításához további multimédia alkalmazás kiszolgálók telepítése szükséges. 43
Az IMS fejlıdése (2) 2005: Nagymérető NGN hálózatokat telepítenek a hagyományos PSTN hálózatok felváltására. -2010:A SoftSwitch-ek az IMS megoldás részei, a PSTN migráció elısegítésére. Az elsı CSCF-ek új szolgáltatások nyújtására fókuszálnak. -2020: A SofSwitch-ek az AGCF-be integrálódnak. A fix-mobil konvergált maghálózat lesz a fı sodorvonal. AGCF: Access Gateway Control Function Vagy mégsem...? 44