2.3 IMS架构简介

在介绍IMS的一般架构之前，我们应该记住3GPP不是对节点或者实体标准化，而是对功能进行标准化。这就意味着IMS架构是功能集合的架构，各个功能之间由标准化接口相连。所以在具体物理实现上可以将多个功能合并到一个节点中（一个物理实体）。类似地，也可以将一个功能放在两个或者多个节点中实现。

通常，多数制造商均遵循IMS架构，并且每个功能有一个节点实现。但是仍有一些制造商会将多个功能集成到一个节点中实现。

图2-1给出了3GPP所标准化的IMS架构图。图中给出了IMS的多数信令接口，通常用两到三个字母编码来表示。读者可以参阅规范3GPP TS23.002来详细查看这些接口。

在图2-1的左侧，我们看到IMS终端，通常称为用户设备（User Equipment，UE）。IMS终端通过无线链路附着到GPRS网络中。

需要注意的是，尽管图2-1中给出了IMS终端通过无线链路附着到网络中，但是IMS可以支持其他类型设备和其他接入类型。PDA和笔记本电脑都可以接入IMS中，接入方式可以是WLAN或者ADSL。

图2-1的其他部分说明了在IMS核心网子系统中所包含的其他节点，这些节点包括：

● 一个或者多个用户数据库，称为归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）和签约定位功能（Subscription Location Functions，SLF）；

● 一个或者多个SIP服务器，称为呼叫会话控制功能（Call Session Control Function，CSCF）；

● 一个或者多个应用服务器（Application Server，AS）；

● 一个或者多个媒体资源功能（Media Resource Function，MRF），每个又分为媒体资源功能控制器（Media Resource Function Controller，MRFC）和媒体资源功能处理器（Media Resource Function Processor，MRFP）；

● 一个或多个出口网关控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）；

● 一个或多个PSTN网关，每个网关都分解成一个信令网关（Signaling Gateway，SGW）和媒体网关控制功能（Media Gateway Controller Function，MGCF），以及一个媒体网关（Media Gateway，MGW）。

2.3.1 数据库：HSS和SLF

归属用户服务器（Home Subscriber Server，HSS）是用于存储用户相关信息的服务器。技术上HSS是归属位置寄存器（Home Location Register，HLR）的演进，HLR是GSM节点。HSS包含在处理媒体会话时所需的用户相关签约数据。这些数据包括位置信息、安全信息（包括鉴权和授权信息）、用户业务属性信息（包括用户的签约业务信息），以及分配给用户的服务CSCF（S-CSCF，Serving CSCF）。

当一个HSS需要处理的用户数过多时，网络中就需要部署多个HSS。但是与一个特定用户相关的数据必须存在一个HSS中。

只有一个HSS的网络不需要签约定位功能。如果网络有多个HSS那么就需要一个SLF功能。

SLF是一个简单的数据库，它用于将用户地址映射到HSS。当节点查询SLF时，输入用户地址，会查到包含该用户信息的HSS。

HSS和SLF都使用具有IMS特定Diameter应用的Diameter协议。

2.3.2 呼叫会话控制功能（CSCF）

呼叫会话控制功能是一个SIP服务器，是IMS中的关键节点。在IMS中CSCF处理SIP信令。在IMS中有3种类型CSCF，类型划分主要取决于提供的功能。它们统称为CSCF，但是每种CSCF都属于以下3类之一：

● 代理CSCF（Proxy-CSCF，P-CSCF）；

● 问询CSCF（Interrogating-CSCF，I-CSCF）；

● 服务CSCF（Serving-CSCF，S-CSCF）。

1.P-CSCF

P-CSCF是IMS终端与IMS网络联系的第一点（信令面）。从SIP的角度来看，P-CSCF是一个输出/输入SIP代理服务器。这就意味着所有IMS终端发起的或者发给IMS终端的请求都需要经过P-CSCF。P-CSCF会在适当的方向转发SIP请求和响应。

P-CSCF是在IMS注册过程中分配给IMS终端的，并且在注册过程中并不会改变（也就是说IMS终端在注册时仅与一个P-CSCF进行通信）。

P-CSCF包含多个功能，其中一些与安全相关。首先它与IMS终端建立一些IPsec安全关联，这些IPsec安全关联提供安全性保护（即检查消息内容是否发生了改变）。

一旦P-CSCF对用户进行鉴权，P-CSCF将把用户身份通知给网络中的其他节点。这样，其他节点就不需要对用户进行进一步鉴权了，因为它们都信任P-CSCF。网络中的其他节点使用该身份来实现各种操作，例如，提供个性化业务，产生计费记录。

此外，P-CSCF也会对IMS终端发送的SIP请求进行验证，这些验证可以防止IMS终端不根据SIP规则产生SIP请求。

P-CSCF也包含一个SIP消息压缩器和解压器（IMS终端也都包括）。因为SIP是基于文本的协议，所以SIP消息可能会很大。当SIP消息通过宽带连接发送时，所用时间会很短，而当通过窄带信道来发送较大SIP消息时，会花费几秒时间。所以，为了减少传输时间，需要采用一定的机制，即在一端压缩消息，然后通过空中接口发送，在另一端对SIP消息进行解压。

P-CSCF还可能会包括一个策略判决功能（Policy Decision Function，PDF）。PDF可以与P-CSCF集成到一起，或者作为一个独立单元实现。PDF通过媒体面认证媒体面资源并管理业务质量（Quality of Service，QoS）。

P-CSCF会向计费信息收集节点产生计费信息。

2.P-CSCF的位置

P-CSCF可以位于拜访网络或者归属网络。当下层分组网络基于GPRS时，P-CSCF总是位于GGSN所处于的网络。所以P-CSCF和GGSN既可以位于拜访网络，也可以位于归属网络。由于GPRS的当前部署，通常IMS网络都在归属网络中配置GGSN和P-CSCF。后期随着IMS市场的不断壮大，运营商会将配置转移，从而使P-CSCF和GGSN可以位于拜访网络。

3.I-CSCF

I-CSCF是一个SIP代理，它位于管理域边缘。I-CSCF的地址存在于DNS列表内。当SIP服务器根据SIP流程发现下一跳SIP时，SIP服务器将获得目的域中I-CSCF的地址。

除了SIP代理服务器功能，I-CSCF还与SLF和HSS有接口，该接口基于Diameter协议。I-CSCF获取用户位置信息并将SIP请求路由到适当的目的地（通常是S-CSCF）。

I-CSCF还与应用服务器有接口，从而可以将请求路由到业务服务器而非一般用户。此外，I-CSCF还可以对部分包含敏感域信息的SIP消息进行加密，例如，域中的业务号，它们的DNS名称或者它们的容量。该功能被称为拓扑隐藏互操作网关（Topology Hiding Inter-networking Gateway，THIG）。THIG功能是可选的，多数网络中没有部署。

4.I-CSCF的位置

I-CSCF通常位于归属网络，当然也有特殊情况，例如，包含THIG功能的I-CSCF可能会位于拜访网络。

5.S-CSCF

S-CSCF是信令面的中心节点，S-CSCF是一个SIP服务器，它执行会话控制功能。除了SIP服务器功能外，S-CSCF还作为一个SIP注册服务器。这就意味着它维护用户位置（终端用户的IP地址）和用户SIP地址（公共用户标识）的绑定。

与I-CSCF类似，S-CSCF也与HSS通过Diameter协议进行接口。与HSS进行接口的原因如下：

● 从HSS下载想接入IMS网络的用户鉴权矢量，S-CSCF使用这些矢量对用户进行鉴权；

● 从HSS下载用户业务属性，用户业务属性包括其签约的业务属性，该业务属性是一组触发器，可以使SIP消息被路由到一个或者多个AS；

● 通知HSS，在注册过程中，此S-CSCF是分配给该用户的。

IMS终端发送的所有SIP信令，以及IMS接收的所有SIP信令都要通过分配的S-CSCF，S-CSCF检查每个SIP消息并决定SIP信令是否需要连接到一个或者多个AS，这些AS为用户提供各种业务。

S-CSCF的一个主要功能就是提供SIP路由服务。如果用户拨打电话号码而非SIP URI，那么S-CSCF将提供业务翻译，通常基于DNS E.164号码翻译。

S-CSCF还可以增强网络运营商的策略，例如，S-CSCF可以防止用户不进行鉴权就使用业务。

6.S-CSCF的位置

S-CSCF总是位于用户的归属网络。

2.3.3 应用服务器（AS）

应用服务器（Application Server，AS）是一个SIP实体，它可以执行特定的业务。根据实际业务，AS可以工作在SIP代理模式、SIP用户代理（User Agent，UA）模式，或者SIP背对背用户代理（Back-to-Back User Agent，B2BUA）模式。AS通过SIP协议与S-CSCF和I-CSCF接口，通过Diameter协议与HSS接口。此外，AS可以为IMS终端提供接口，从而达到配置目的。

图2-2给出了应用服务器的不同类型。

● SIP应用服务器（SIP AS）：这是IMS自身的AS，它基于SIP来提供并执行IP多媒体业务。3GPP也希望新IMS业务都通过SIP AS来开发。

● 开放业务接入-业务能力服务器（OSA-SCS）：该AS提供与OSA框架间的接口，它继承了所有OSA能力，尤其是从外部网络安全访问IMS的能力。该节点在一侧作为AS，通过SIP与S-CSCF接口；在另一侧是OSA应用接口与OSA AS相连。

●IP多媒体业务交换功能（IM-SSF）：该AS比较特殊，它可以在IMS中重用为GSM定义的CAMEL业务。IM-SSF允许gsmSCF控制IMS会话，IM-SSF一侧为AS，通过SIP与S-CSCF接口；而另一侧作为业务交换功能（Service Switching Function，SSF），通过CAP协议与gsmSCF接口。

所有这3类AS对于IMS网络而言都作为SIP AS，即都作为SIP代理服务器、SIP用户代理、SIP重定向服务器或者SIP背靠背用户代理。

IM-SSF AS和OSA-SCS AS当与CAMEL或者OSA接口时，还会有其他一些作用。

除了SIP接口外，AS还可以与HSS有接口，SIP-AS和OSA-SCS通过Diameter协议与HSS接口，用于下载或上传存储在HSS中与用户相关的数据；IM-SSF基于MAP协议与HSS接口。

AS既可以位于归属网络，也可以位于第三方网络，此时归属运营商要签署业务协议。无论哪种情况，如果AS不位于归属网络，则它不会与HSS有接口。

2.3.4 媒体资源功能（MRF）

媒体资源功能（Media Resource Function，MRF）在归属网络中提供媒体资源。MRF向归属网络提供语音播放、混合媒体流、实现不同编/解码器转换、获取统计信息，以及进行媒体分析等能力。

MRF可以进一步分为信令面节点和媒体面节点，分别称为媒体资源功能控制器（Media Resource Function Controller，MRFC）和媒体资源功能处理器（Media Resource Function Processor，MRFP）。MRFC通过H.248协议来控制MRFP中的资源。

MRFP实现所有与媒体相关的功能，例如，媒体播放和媒体混合。

1.MRF的位置

与S-CSCF一样，MRF总是位于归属网络，为用户提供语音播放等相关功能。

2.3.5 出口网关控制功能（BGCF）

BGCF实际上是一个SIP服务器，它可以基于普通的电话号码来提供相应的路由功能。BGCF仅用于IMS终端向电路交换网用户发起会话的过程中。这里的电路交换网可以是PSTN或者PLMN等。BGCF的主要功能如下：

● 当与电路交换域进行交互时，为其选择一个适当的网络；

● 当与BGCF所在网络进行交互时，选择一个适当的媒体网关。

2.3.6 IMS-ALG和TrGW

IMS支持两个IP版本，即IPv4和IPv6。在某些点，IP多媒体会话或者通信会在两个版本间进行交互。为了简化IPv4和IPv6的互操作，而无须终端支持，IMS增加了两个新功能实体，用于对这两个协议进行转换。这些新功能实体就是IMS应用层网关（IMS Application Layer Gateway，IMS-ALG）和转换网关（Transition Gateway，TrGW），前者负责处理控制面信令，即SIP和SDP消息，而后者用于处理媒体面业务，例如，RTP和RTCP。

图2-3给出了IMS-ALG和TrGW与IMS其他节点之间的关系。IMS-ALG作为一个SIP B2BUA来维护两个独立的信令段：一个是内部IMS网络，另一个是其他网络。每个信令段分别运行不同的IP版本。此外，IMS-ALG通过将终端产生的IP地址和端口号改变为由TrGW分配的一个或者多个IP地址及端口号来实现对SDP的重写。IMS-ALG与TrGW通过Ix接口相连，IMS-ALG与I-CSCF和S-CSCF都通过Mx接口相连，前者作为输入业务，而后者为输出业务。

TrGW等效为网络地址端口翻译器-协议翻译器（Network Address Port Translator-Protocol Translator，NAT-PT/ANPT-PT）。TrGW配置了一个IPv4地址池，可以对给定的会话进行动态分配。TrGW在媒体层，即RTP和RTCP，实现IPv4和IPv6的转换。3GPP在3GPP TS29.162中对IMS-ALG和TrGW与IPv4和IPv6的交互进行了标准化。

2.3.7 PSTN/CS网关

PSTN网关提供与电路交换网的接口，允许IMS终端向PSTN（或其他电路交换网）发起呼叫，或者接收来自PSTN的呼叫。在IMS中，该任务通常由媒体网关控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）来完成。图2-4给出了一个分解的PSTN网关，通过该网关与PSTN进行接口。

PSTN网关分解为以下功能。

● 信令网关（Signaling Gateway，SGW）：信令网关与CS网络的信令面接口，SGW执行底层协议转换。例如，SGW负责将底层的MTP用IP上的流控传输协议（Stream Control TransmissionProtocol，SCTP）来代替，这样SGW便可以将在MTP上传输的ISUP或者BICC转换成通过SCTP/IP承载的ISUP或BICC。

● 媒体网关控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）：MGCF是PSTN/CS网关的核心节点，它实现协议转换，将SIP协议映射成在IP上承载的ISUP或者BICC。另外，将呼叫控制协议转换成由MGCF来控制的媒体网关（Media Gateway，MGW）中的资源。MGCF和MGW之间的协议是H.248协议。

● 媒体网关（Media Gateway，MGW）：媒体网关是在媒体面上与PSTN或CS网络上的接口。MGW的一侧能够通过RTP协议发送或者接收IMS媒体，另一侧通过一条或者多条PCM连接到CS网络。另外，当IMS终端部支持CS侧的编/解码器时，MGW还执行码型转化功能。通常的场景是IMS终端使用AMR编/解码器，而PSTN终端使用G.711编/解码器。

2.3.8 归属网络和拜访网络

IMS借用了来自GSM和GPRS的一些概念，例如，归属网络和拜访网络。在移动网络模型中，当人们在驻留地区域使用终端时，就使用由驻留地区的网络运营商提供的基础网络，该网络就是所谓的归属网络。

另一方面，如果用户漫游出其归属网络，则使用由其他运营商提供的基础网络，该网络就称为拜访网络，因为在该网络中用户是拜访者。

为了能使用拜访网络，拜访网络运营商必须与归属网络运营商签署协议，在协议中两个运营商要对为用户提供的业务进行协商，例如，互通的业务类型、呼叫的价格、语音质量以及如何交换计费记录等。

IMS重用了拜访网络和归属网络的概念。多数IMS节点位于归属网络，但是有一些节点既可以位于归属网络，也可以位于拜访网络，例如，P-CSCF。IMS允许两种不同的配置，这取决于P-CSCF是位于归属网络还是拜访网络。

此外，当IP连接性接入网（IP-CAN）是GPRS时，P-CSCF位于GGSN网络。在漫游场景中，GPRS允许GGSN既可以位于归属网络，也可以位于拜访网络（SGSN总是位于拜访网络）。

在IMS中，GGSN和P-CSCF共享相同的网络。P-CSCF通过Rx和Gx接口来控制GGSN。由于P-CSCF和GGSN都位于相同的网络，所以Rx和Gx接口总是运营商内部接口，这样的实现比较简单。

图2-5给出了P-CSCF和GGSN位于拜访网络的情况。该配置代表IMS的长期版本，因为这需要拜访网络也要支持IMS，即需要GGSN升级到3GPP Release 5。

需要注意的是，全球范围不可能同时部署IMS，不可能期望所有漫游合作方都将其GGSN升级至Release 5。因此，我们还是期望早期的IMS部署中P-CSCF位于归属网络，如图2-6所示。

图2-6给出了近期的IMS配置，其中P-CSCF和GGSN均位于归属网络，该配置不需要拜访网络支持IMS，尤其是拜访网络不需要支持3GPP Release 5兼容的GGSN。这种配置方式容易快速实现，因此，在IMS部署初期这是一种最常用的配置方式。

虽然如此，对于P-CSCF和GGSN位于归属网络的配置还存在严重的不足。因为媒体面要穿越GGSN，而GGSN位于归属网络，媒体首先被路由到归属网络，然后再送至目的地，这样就会造成在媒体面不必要的延时。