IMS-Netzarchitektur
IMS ist eine Vermittlungstechnik für IP-basierte Multimedia-Anwendungen im Festnetz und Mobilfunknetz. IMS bildet die Basis eines Next Generation Network (NGN). IMS kann alle Kommunikationsdienste auf einer Plattform zusammenfassen, um vielseitige IP-basierte Kommunikationsdienste zu ermöglichen.
Die IMS-Netzarchitektur besteht aus 4 Schichten:
- Anwendungsschicht (Service/Application Layer)
- Sitzungsschicht (IMS Layer)
- Transportschicht (Transport Layer)
- Zugangsschicht (Endgeräte)
Ziel ist es, dass die Anwendungen im Kernnetz nicht mehr mit jedem Endgerät kommunizieren, sondern nur noch mit der Sitzungsschicht, die als Middleware funktioniert. Auf diese Weise ist es einfacher neue Anwendungen zu realisieren. Ein weiterer Vorteil liegt beim Anwender, der nicht mehr an ein bestimmtes Endgerät gebunden ist. Es ist dann egal, ob er ein Smartphone, ein konventionelles Telefon oder ein Notebook benutzt.
Die IMS-Netzarchitektur vereinfacht die Verwaltung der Netzinfrastruktur. Die Netzbetreiber können ihr Dienstangebot jederzeit ohne Eingriffe ins Netzwerk erweitern. Die Basisfunktionen sind auf einem zentralen Server eingerichtet. Darunter befinden sich Funktionen, die für eine Vielzahl von Applikationen erforderlich sind. Dazu gehören Authentifizierung, Abrechnung und Dienstgüteklassen (Quality of Service, QoS). Durch den flexiblen Zugriff auf verschiedene Funktionen können neue Dienste viel schneller bereitgestellt werden.
Netzelemente in der IMS-Netzarchitektur
Die Architektur von 3GPP IMS ist in der Spezifikation 3GPP TS23.228 und von TISPAN IMS in ETSI ES 282 007 beschrieben. Darin sind verschiedene Elemente der Architektur beschrieben. Der Einfluss der 3GPP hat dazu geführt, dass viele Elemente der IMS-Netzarchitektur aus dem Mobilfunk übernommen wurden.
- User Agent (UA)
- Call Session Control Function (CSCF)
- Home Subscriber Server (HSS)
- Application Server (AS)
- Media Gateway (MGW)
- Media Gateway Controller (MGC)
- Signalling Gateway (SGW)
Bitte beachten: Bei dieser Zeichnung handelt es sich um eine stark vereinfachte Darstellung einer IMS-Netzarchitektur. Zur weiteren Vereinfachung finden in der folgenden Beschreibung einige der oben dargestellten Netzelemente keine Erwähnung.
Der User Agent (UA) ist ein Endpunkt innerhalb der IMS-Netzarchitektur. Das kann ein SIP-Telefon, ein Soft-Client oder ein Application Server (AS) sein. Im einfachsten Fall ist es das Endgerät eines Benutzers (UE - User Equipment).
Das zentrale Element der IMS-Netzarchitektur ist der CSCF (Call Session Control Function). Es handelt sich dabei um einen Multimedia-fähigen Softswitch mit offenen und standardisierten Schnittstellen. Es gibt ihn in drei Varianten. Als Proxy (P-CSCF), als Interrogation (I-CSCF) und Serving (S-CSCF).
Der Proxy (P-CSCF) ist die Schnittstelle zum Zugangsnetz. Der Proxy erfüllt Sicherheitsfunktionen, wie Authentifizierung des User Agent (UA) und sichert den anderen Netzelementen die Identität des User Agents.
Der Interrogation-Softswitch (I-CSCF) ist der Kontaktpunkt für andere Netze. Hier wird verwaltet, wo sich der User Agent (UA) im Netz befindet und über welche S-CSCF er erreichbar ist. Theoretisch ist er über mehrere S-CSCF erreichbar.
Der Serving-Softswitch (S-CSCF) ist für die Abwicklung der Dienste und Sessions verantwortlich. Er ist mit dem Registrar in der SIP-Architektur vergleichbar. Jeder User Agent ist einem S-CSCF zugeordnet. Das wird in der User-Datenbank vom HSS vermerkt.
Der HSS (Home Subscriber Server) speichert alle Daten über die Teilnehmer, die für den Verbindungsaufbau wichtig sind. Diese Daten werden anderen Netzelementen zu Verfügung gestellt. Das HLR (Home Location Register) in den Mobilfunknetzen hat eine vergleichbare Aufgabe. Verwendet der Netzbetreiber mehrere HSS, dann stellt eine SLF (Subscriber Locator Function) eine Beziehung zwischen den HSS her.
Ein Application Server (AS) ist eine Dienstplattform innerhalb der IMS-Architektur. Einfache Dienste arbeiten nur mit der SIP-Signalisierung. Schnittstellen zu alten Vermittlungstechniken stellen die Application Server IM-SSF und OSA-SCS bereit. Sobald die Nutzdaten nicht nur übertragen, sondern auch verarbeitet werden sollen, kommt die MRF (Media Resource Function) zum Einsatz. Die MRF wird vom Application Server gesteuert.
Die Übergänge in und aus dem leitungsvermittelten Netz wird vom Media Gateway (MGW), Media Gateway Controller (MGC) und Signalling Gateway (SGW) bereitgestellt. Die Break-out Gateway Control Function (BGCF) stellt die richtige Auswahl des MGCs im Falle einer PSTN-Verbindung sicher.
Signalisierung im IMS-Netz
Das zentrale Element für den Verbindungsaufbau von Multimedia-Sessions ist das Session Initiation Protocol (SIP). Es ist ein Protokoll für IP-basierte Kommunikationsdienste wie Sprach- und Videotelefonie, Konferenzschaltungen oder Instant Messaging. Dabei spielt es keine Rolle, ob es eine Sprach- oder Datenverbindung ist.
Doch bevor überhaupt eine Signalisierung beginnt, muss der User Agent zuerst eine Verbindung zu einem Proxy (P-CSCF) hergestellt haben. Danach muss sich der User Agent registrieren. Das Ziel ist, zwischen der Public-ID des Benutzers und des User Agents eine eindeutige Zuordnung herzustellen. Die Adressierung des Benutzers erfolgt immer über seine Public-ID. Während diese eindeutig ist, kann die IP-Adresse des Benutzers immer unterschiedlich sein, oder der Benutzer ist an mehreren Stellen im Netzwerk zur gleichen Zeit registriert.
Mit SIP können Clients und Server ihre Verbindungen steuern. Mit SDP werden Medienbeschreibung, Codec, Ports und Senderichtung ausgetauscht. Mit RTP werden die Medienströme in Echtzeit übertragen. Parallel zu RTP wird RTCP dazu benutzt, um wichtige Kontrollinformationen über den RTP-Medienstrom zwischen Client und Server auszutauschen.
Übersicht: IMS
VoIP-Protokolle
- SIP - Session Initiation Protocol
- RTP - Realtime Transport Protocol
- RSVP - Resource Reservation Protocol
- Audio-Codecs
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