IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)探討

馬金蘭 楊征 彭莉

【摘? 要】在對(duì)微信、Skype等OTT應(yīng)用架構(gòu)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)OTT應(yīng)用架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，提出IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，其在5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用思路，解決IMS現(xiàn)有架構(gòu)存在的時(shí)延大等無(wú)法適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的5G應(yīng)用需求的問(wèn)題，為基于IMS的虛擬現(xiàn)實(shí)等5G應(yīng)用部署提供參考。

【摘? 要】IMS網(wǎng)絡(luò);5G;虛擬現(xiàn)實(shí)

1? ?引言

3GPP正在考慮在R16中采用IMS網(wǎng)絡(luò)提供虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的業(yè)務(wù)，但是目前3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖1所示）存在以下幾個(gè)問(wèn)題，不能很好地適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的5G應(yīng)用需求：

（1）IMS架構(gòu)分為接入層、控制層和業(yè)務(wù)層，各網(wǎng)絡(luò)功能分得過(guò)細(xì)，接口繁多，流程復(fù)雜、冗長(zhǎng)，效率低。

（2）IMS采用歸屬地觸發(fā)業(yè)務(wù)機(jī)制，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)各平臺(tái)單獨(dú)存放，業(yè)務(wù)由單一平臺(tái)提供，無(wú)法就近提供業(yè)務(wù)。

（3）IMS網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制復(fù)雜，需經(jīng)過(guò)控制層進(jìn)行路由，無(wú)法實(shí)現(xiàn)接入層直接點(diǎn)到點(diǎn)的路由，路徑長(zhǎng)，時(shí)延大。

而微信、Skype等OTT應(yīng)用則采用了更為優(yōu)化的架構(gòu)和更為簡(jiǎn)潔的流程，效率更高，時(shí)延更低。因此，本文將在對(duì)微信、Skype等應(yīng)用的架構(gòu)和流程進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上提出IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)及其應(yīng)用思路。

2? ?OTT應(yīng)用架構(gòu)及借鑒分析

2.1? 微信架構(gòu)及借鑒分析

微信總體架構(gòu)分為三層：

（1）接入層：接入服務(wù)器負(fù)責(zé)登錄注冊(cè)鑒權(quán)，直接選擇業(yè)務(wù)邏輯。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層：業(yè)務(wù)邏輯處理與數(shù)據(jù)分離。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：統(tǒng)一為接入和業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)，與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分離。

不同層面存在著不同功能的服務(wù)器群，包括短連接服務(wù)器群、長(zhǎng)連接服務(wù)器群、語(yǔ)音/視頻服務(wù)器群、圖片服務(wù)器群等，同種服務(wù)器群里的服務(wù)器提供相同的功能，可以通過(guò)群里就近的接入層服務(wù)器和業(yè)務(wù)邏輯層服務(wù)器為微信客戶(hù)端提供相應(yīng)的服務(wù)，不同的服務(wù)器群提供的功能組合在一起形成了微信的各種應(yīng)用。不同服務(wù)器群的功能說(shuō)明如表1所示：

從上述分析可以總結(jié)出微信的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)這些優(yōu)勢(shì)提出IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)的借鑒建議，如表2所示。

2.2? Skype架構(gòu)及借鑒分析

Skype是一種基于P2P技術(shù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)為用戶(hù)提供音頻業(yè)務(wù)的客戶(hù)端，其采用混合P2P網(wǎng)絡(luò)模型，呼叫控制基于私有協(xié)議，音頻通訊端到端之間交互，無(wú)需中央服務(wù)器，通話質(zhì)量較好，NAT穿透能力強(qiáng)，可以穿透NAT和防火墻，用戶(hù)查找基于全球范圍，缺乏合法的監(jiān)聽(tīng)手段，其架構(gòu)如圖2所示。Skype由注冊(cè)服務(wù)器（Login Server）、客戶(hù)端（Ordinary Node）和超級(jí)節(jié)點(diǎn)（Super Node， SN）組成。注冊(cè)服務(wù)器為用戶(hù)提供注冊(cè)服務(wù)，保存用戶(hù)的用戶(hù)名和密碼，完成登錄的認(rèn)證工作。圖2中灰色的點(diǎn)是Skype唯一擁有的服務(wù)器，也是唯一的中心服務(wù)器。客戶(hù)端是用戶(hù)側(cè)安裝的軟件，為用戶(hù)提供音頻業(yè)務(wù)的交互界面，如圖2中小黑點(diǎn)所示。超級(jí)節(jié)點(diǎn)用于為其它客戶(hù)端提供登錄跳板及廣播服務(wù)，是按一定的規(guī)則選舉出來(lái)的任意一臺(tái)具備公網(wǎng)IP地址的主機(jī)，如圖2中大黑點(diǎn)所示。客戶(hù)端必須在Skype的注冊(cè)服務(wù)器完成登錄才能提供業(yè)務(wù)，同時(shí)必須通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn)才能與其他的客戶(hù)端進(jìn)行交互和音頻通訊。

Skype采用的是一種既集中又分布的混合模式P2P網(wǎng)絡(luò)模型。其集中式的架構(gòu)體現(xiàn)在其網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)采用的是集中式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有客戶(hù)端之間的交互與通訊必須通過(guò)超級(jí)節(jié)點(diǎn);而其分布式架構(gòu)體現(xiàn)在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間采用分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)為全分布式架構(gòu)，同時(shí)，每一個(gè)客戶(hù)端都維護(hù)一個(gè)可以到達(dá)的主機(jī)列表（Host Cache， HC），包括其IP地址和端口號(hào)，音頻呼叫過(guò)程基于P2P模式，無(wú)需中央服務(wù)器參與。

總結(jié)Skype的優(yōu)勢(shì)，提出的借鑒建議如表3所示。

3? ?IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)

3.1? 總體新架構(gòu)

根據(jù)上述對(duì)微信、Skype等OTT應(yīng)用的業(yè)務(wù)架構(gòu)分析，結(jié)合語(yǔ)音業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，提出IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)，如圖3所示。

上述IMS網(wǎng)絡(luò)的新架構(gòu)包括接入層、業(yè)務(wù)邏輯層和統(tǒng)一數(shù)據(jù)層。

（1）用戶(hù)通過(guò)接入層就近接入服務(wù)器接入網(wǎng)絡(luò);

（2）就近接入層通過(guò)與統(tǒng)一數(shù)據(jù)層的交互完成用戶(hù)注冊(cè)鑒權(quán)、下載用戶(hù)數(shù)據(jù)、被叫路由尋址;

（3）就近接入層接入服務(wù)器直接與就近業(yè)務(wù)邏輯層中的業(yè)務(wù)邏輯交互;

（4）就近的業(yè)務(wù)邏輯層業(yè)務(wù)邏輯與數(shù)據(jù)層交互完成業(yè)務(wù)提供。

3.2? 實(shí)現(xiàn)思路

針對(duì)上述的總體架構(gòu)，可以按新架構(gòu)改造現(xiàn)有的IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，思路如圖4所示：

運(yùn)營(yíng)商部署5G網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的業(yè)務(wù)，引入新的IMS網(wǎng)絡(luò)，或者對(duì)現(xiàn)有IMS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化演進(jìn)時(shí)，可考慮采用上述思路，借鑒IMS網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有接口與網(wǎng)元，開(kāi)發(fā)網(wǎng)元新功能，不再部署不需要的相關(guān)網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)。或者推動(dòng)3GPP在R16中采用上述新架構(gòu)重新設(shè)計(jì)IMS網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足5G網(wǎng)絡(luò)虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的業(yè)務(wù)需求。

3.3? 新架構(gòu)業(yè)務(wù)流程

在上述新架構(gòu)下，基本注冊(cè)鑒權(quán)流程將發(fā)生變化，終端將就近選擇接入服務(wù)器，向其發(fā)送注冊(cè)鑒權(quán)請(qǐng)求，就近的接入服務(wù)器直接訪問(wèn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)層下載用戶(hù)數(shù)據(jù)，直接在接入服務(wù)器完成注冊(cè)鑒權(quán)，減少了注冊(cè)鑒權(quán)流程經(jīng)過(guò)的網(wǎng)元和信令流程，提升了效率。同時(shí)，就近的接入服務(wù)器完成注冊(cè)鑒權(quán)后，通知就近的業(yè)務(wù)邏輯，就近的業(yè)務(wù)邏輯訪問(wèn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)層下載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，后續(xù)的業(yè)務(wù)邏輯將通過(guò)就近的業(yè)務(wù)邏輯提供，無(wú)需回到歸屬地進(jìn)行業(yè)務(wù)提供，提升了業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性。具體的基本注冊(cè)鑒權(quán)流程參考圖5，通過(guò)這個(gè)注冊(cè)流程用戶(hù)就可以注冊(cè)到就近的接入服務(wù)器和業(yè)務(wù)邏輯上，實(shí)現(xiàn)就近接入和就近提供業(yè)務(wù)。

4? ?新架構(gòu)應(yīng)用分析

虛擬現(xiàn)實(shí)VR、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR、全息通信等5G應(yīng)用對(duì)帶寬和實(shí)時(shí)性的要求高，需就近提供，而IMS目前采用的歸屬地業(yè)務(wù)觸發(fā)、路由等機(jī)制無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)延要求更高的業(yè)務(wù)控制需求，因此，可以考慮將基于OTT模式新架構(gòu)應(yīng)用于這一類(lèi)5G應(yīng)用中。

具體實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖6，按新架構(gòu)部署AR/VR、全息通信等就近提供的5G應(yīng)用，分布式就近部署接入服務(wù)器（P-CSCF/BAC）、VR/AR服務(wù)器、全息通信服務(wù)器，靜態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一由數(shù)據(jù)庫(kù)提供，實(shí)現(xiàn)新架構(gòu)下基于IMS網(wǎng)絡(luò)的5G應(yīng)用。

5? ?結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)微信、Skype等OTT應(yīng)用的架構(gòu)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，提出IMS網(wǎng)絡(luò)新架構(gòu)及其應(yīng)用思路，解決目前3GPP IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在的諸如接口繁多、流程復(fù)雜、效率低、時(shí)延大以及無(wú)法適應(yīng)虛擬現(xiàn)實(shí)等實(shí)時(shí)性要求更強(qiáng)的業(yè)務(wù)需求的問(wèn)題，為基于IMS的5G應(yīng)用的部署提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 臧磊. 3GPP IMS技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的研究和進(jìn)展[J]. 電信技術(shù)， 2009（8）： 13-16.

[2] 朱愛(ài)華，符剛，高功應(yīng). IMS網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中的關(guān)鍵問(wèn)題探討[J]. 移動(dòng)通信， 2010，34（13）： 5-10.

[3] 葉衛(wèi)明，周紅. IMS組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)融合的研究[J]. 移動(dòng)通信， 2008，32（7）： 18-23.

[4] 張茜，王亞晨. 基于IMS的IPTV架構(gòu)及其對(duì)IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的影響分析[J]. 電信科學(xué)， 2009（9）： 68-73.

[5] 朱少慧，熊建設(shè). 基于IMS架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)融合與業(yè)務(wù)應(yīng)用[J]. 中國(guó)新通信， 2008（5）： 75-79.

[6] 吳慧敏. 淺析IMS與核心網(wǎng)演進(jìn)[J]. 中國(guó)新通信， 2010（11）： 29-31.

[7] 張惠謙，常海成. 融合的IMS架構(gòu)分析[J]. 郵電設(shè)計(jì)技術(shù)， 2007（2）： 16-21.

[8] 3GPP TS 24.229 V15.2.0. IP Multimedia Call Control Protocol Based on Session Initiation Protocol （SIP） and Session Description Protocol （SDP）; Stage 3[S]. 2018.

[9] 3GPP TS 23.228 V15.2.0. IP Multimedia Subsystem （IMS）; Stage 2[S]. 2018.

[10] 3GPP TS 23.218 V15.0.0. IP Multimedia （IM） Session Handling; IM Call Model; Stage 2[S]. 2018.