Để thực hiện các chức năng nói trên, phân hệ IMS cần có một cơ chế quản lý, điều khiển hiệu quả nhằm phân bổ tối ưu các tài nguyên mạng cả mạng lõi và mạng truy nhập để phục vụ cho nhiều
Trang 1HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Trang 2Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ NGỌC GIAO
Phản biện 1: ……… Phản biện 2: ………
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: giờ ngày tháng năm
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trang 3LỜI MỞ ĐẦU
Phân hệ đa phương tiện IP (IMS) là bước phát triển tiếp theo của mạng thế hệ sau NGN Kiến trúc IMS cho phép tách biệt giữa mạng lõi và mạng biên và mạng truy nhập Mạng lõi IMS có thể hoạt đông với các mạng cố định và di động, điều này tạo điều kiện cho quá trình hội tụ cố định – di động Mạng lõi IMS cung cấp các phiên truyền thông đa phương tiện băng rộng giúp cho quá trình hội tụ dịch vụ giữa truyền thông – quảng bá – doanh nghiệp Để thực hiện các chức năng nói trên, phân
hệ IMS cần có một cơ chế quản lý, điều khiển hiệu quả nhằm phân bổ tối ưu các tài nguyên mạng (cả mạng lõi và mạng truy nhập) để phục vụ cho nhiều nhu cầu khác nhau của người dùng Quá trình quản lý tài nguyên thường bắt đầu bằng việc điều khiển truy cập (Admission Control) – cho phép người dùng truy nhập vào các tài nguyên của mạng để thiết lập một dịch vụ nào đó Tài nguyên mạng là một khái niệm rộng, nó bao gồm nhiều thành phần hợp thành (phần cứng, phần mềm, băng thông, dung lượng bộ nhớ, các giao thức …) để thực hiện một dịch vụ cụ thể theo yêu cầu của người dùng Chức năng điều khiển truy cập và quản lý tài nguyên RACF bao gồm nhiều yếu tố tạo thành, tác động qua lại với các khối chức năng khác và không
tụ truy nhập, tự do truy nhập và các phương thức truy nhập
Chương 2 trình bày mô hình và nguyên lý chung về điều khiển truy cập, các khuyến nghị của ITU-T và các tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế và kiến trúc chức năng RACF Chương này cũng giới thiệu các giao diện, các giao thức liên quan đến RACF
và yêu cầu về chất lượng dịch vụ QoS đối với kiến trúc RACF
Chương 3 đề cập hai ứng dụng của chức năng quản lý tài nguyên và điều khiển truy cập là dịch vụ tích hợp Triple-play và định tuyến di động (Mobile Routinng) phục vụ cho việc chuyển vùng trong mạng di động
Em xin trân trọng cảm ơn thầy giáo, TS Lê Ngọc Giao đã tận tình hướng dẫn
và cung cấp cho em nhiều tài liệu phục vụ việc hoàn thiện luận văn này
Trang 4CHƯƠNG 1 KIẾN TRÚC IMS VÀ VẤN ĐỀ HỘI TỤ TRUY NHẬP
IMS – thuật ngữ viết tắt của IP Multimedia Subsystem, là phần mạng được xây dựng bổ sung cho mạng thế hệ kế tiếp nhằm thực hiện nhiệm vụ hội tụ mạng và cung
khai ứng dụng kiến trúc IMS, một xu thế hội tụ công nghệ, mạng và dịch vụ đang dần được hình thành rõ nét Và một trong những nội dung quan trọng của
quá trình hội tụ là sự hội tụ của mạng truy nhập
1.1 Kiến trúc IMS
Ý tưởng ban đầu của IMS do các nhóm nghiên cứu 3GPP, 3GPP2 đề xuất từ phiên bản R5 năm 2002 Cách tiếp cận IMS của mỗi tổ chức khác nhau là khác nhau, ITU-T định hướng xây dựng mạng NGN của mình từ nền tảng mạng cố định, IETF lại xây dựng NGN với nền tảng là mạng Internet còn 3GPP xây dựng NGN với nền tảng mạng di động 3G Dù lựa chọn nền tảng nào, khi xây dựng IMS thì tất cả các mạng hiện tại như 3G, Internet, hay PSTN/ISDN đều hội tụ chung thành một mạng duy nhất để cung cấp đa loại hình dịch vụ tới người dùng đầu cuối
Hình 1.1 Kiến trúc IMS
Trang 5Với IMS cấu trúc điều khiển cuộc gọi độc lập với hệ thống truy nhập; cấu trúc điều khiển dịch vụ và kết nối dựa trên nền IP hỗ trợ cho thuê bao rất nhiều loại dịch
vụ đa phương tiện khác nhau thông qua việc sử dụng các giao thức Internet thông thường IMS được thiết kế dựa trên SIP cho phép truyền bất kì phương tiện truyền thông nào như thoại, video hay dữ liệu qua bất kì mạng nào
Phân hệ mạng lõi đa phương tiện IP bao gồm tất cả các thành phần mạng lõi (CN) để cung cấp các dịch vụ đa phương tiện IP Các thành phần này bao gồm tất cả các thành phần liên quan đến mạng báo hiệu và mạng mang Dịch vụ đa phương tiện
IP được dựa trên khả năng điều khiển phiên, các mạng mang đa phương tiện, các tiện ích của miền chuyển mạch gói IMS làm việc chủ yếu trong miền gói, độc lập với các hệ thống truy nhập
Trang 6¾ Lớp điều khiển bao gồm nhiều hệ thống con trong đó có hệ thống IMS lõi
¾ Lớp truyền tải bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment), các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP Hai thực thể chức năng NASS và RACS có thể được xem như thuộc lớp vận tải hay thuộc lớp điều khiển ở trên
1.2.1 Lớp dịch vụ
1.2.1.1 Máy chủ ứng dụng (Application Server – AS)
AS là một thành phần SIP, thực hiện chức năng tiếp nhận và xử lý dịch vụ Các
AS kết nối với S-CFCS thông qua giao tiếp SIP Có 3 loại AS: SIP AS, OSA-SCS và IM-SSF
1.2.2.1 CSCF (Call session control function)
CSCF có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng như quản lý những tương tác dịch vụ của người dùng Nó có thể hoạt động như một Proxy-CSCF (P-CSCF), như một Serving-CSCF (S-CSCF), và có thể như một Interrogating-CSCF (I-CSCF)
Hình 1.4 Kiến trúc CSCF
¾ P-CSCF (Proxy-CSCF): như một người đại diện ví dụ tiếp nhận, gửi đáp ứng hoặc yêu cầu tới UE, chuyển tiếp bản tin SIP, yêu cầu SIP tới I-CSCF , Server SIP …
¾ I-CSCF (Interrogating-CSCF): là cầu nối giữa P-CSCF với S-CSCF, HSS
và các – I-CSCF khác
¾ S-CSCF (Serving-CSCF): thực hiện dịch vụ điều khiển phiên cho UE
Trang 71.2.2.2 BGCF (Breakout Gateway Control Function)
Chức năng điều khiển cổng chuyển mạng (BGCF) lựa chọn mạng PSTN hoặc mạng chuyển mạch kênh (CSN) mà lưu lượng sẽ được định tuyến sang
1.2.2.3 MGCF (Media Gateway Control Function)
Điều khiển trạng thái cuộc gọi gắn liền với điều khiển kết nối cho các kênh phương tiện từ MGW tới PTSN/PLMN, v.v và truyền thông với CSCF
1.2.2.4 MRF (Multimedia resource function)
MRF có nhiệm vụ điều khiển và xử lý tài nguyên đa phương tiện
1.2.2.5 IMS-MGW (IP multimedia subsystem – Media Gateway Function)
IMS-MGW kết thúc các kênh mang từ mạng chuyển mạch kênh và các luồng phương tiện từ mạng chuyển mạch, hỗ trợ chuyển đổi phương tiện điều khiển mang
và xử lí tải
1.2.2.6 SGW (Signalling gateway function)
Chức năng cổng báo hiệu được sử dụng để kết nối các mạng báo hiệu khác nhau ví dụ mạng báo hiệu SCTP/ IP và mạng báo hiệu SS7
1.2.3 Lớp truyền tải
1.2.3.1 Chức năng điều khiển gắn kết mạng NACF
NACF (Network Attachment Control Functions) cung cấp hoạt động đăng ký tại lớp truy nhập và khởi tạo các chức năng người sử dụng cuối để truy nhập các dịch
vụ NGN
1.2.3.2 Chức năng điều khiển tài nguyên và cho phép truy cập RACF
RACF (Resource and Admission Control Functions) cung cấp chức năng điều khiển cho phép truy cập và điều khiển cổng Điều khiển cho phép truy cập bao gồm xác thực dựa vào profile về người dùng thông qua chức năng NACF và cấp phép
sử dụng tài nguyên RACF tương tác với chức năng lớp truyền tải để điều khiển một
số chức năng sau: lọc gói, phân loại lưu lượng, đánh dấu và định chính sách, dành trước và cấp phát băng thông, chống giả mạo địa chỉ, NAPT, tính cước sử dụng…
1.3 Mạng truy nhập trong kiến trúc IMS
Cơ sở của IMS là đa truy nhập, đơn lõi SIP (Session initation protocol) và SDP (Session description protocol) là các giao thức báo hiệu chính trong các mạng IMS Trong suốt khoảng thời gian truyền, biến đổi từ hoạt động này đến hoạt động khác, mạng IMS sẽ phải phục vụ cả các đầu cuối IMS lẫn non-IMS Mặc dù sử dụng các đầu cuối và các mạng truy nhập khác nhau, tất cả các cuộc gọi có một hướng chung: mạng lõi IMS Đa truy nhập IMS phục vụ tập trung hóa các dịch vụ giúp dễ
Trang 8dàng cho việc kết nối tới một mạng IMS đơn, của nhiều đầu cuối và mạng truy nhập khác nhau mà không có khả năng truyền tải SIP và RTP
1.3.1 Các công nghệ truy nhập điển hình
Công nghệ truy nhập được phân thành 2 loại là: truy nhập hữu tuyến và truy nhập vô tuyến, trong đó truy nhập vô tuyến bao gồm cả truy nhập không dây (cũng thường được gọi là vô tuyến) như các công nghệ Bluetooth, IEEE 802.11 và mạng di động “tế bào” như mạng GSM, 3G, 4G.…
Các công nghệ truy nhập điển hình hiện nay bao gồm:
¾ Truy nhập hữu tuyến: bao gồm các công nghệ dựa trên cáp đồng (xDSL), cáp quang (FTTx/PON) hay cáp đồng trục (DOCSIS)…
¾ Truy nhập di động tốc độ cao: GSM/GPRS & EDGE, CDMA 1x EVDO & 1x EVDV, UMTS/W-CDMA (họ các WAN vô tuyến)
¾ Các công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng khác: Wi-Fi (họ LAN vô tuyến 802.11), WiMax (họ MAN vô tuyến 802.16) và 802.20, UWB “WiMedia” (họ PAN vô tuyến 802.15)
IMS không phụ thuộc vào các kiểu cụ thể của mạng truy nhập Ban đầu, IMS (trong 3GPP Rel-5) được thiết kế truy nhập vô tuyến WCDMA (UTRAN) và mạng lõi GPRS (SGSN, GGSN) Nhưng phiên bản 3GPP kế tiếp đã thêm vào HSPA và LTE Sau đó 3GPP quy định sử dụng CDMA200 cho IMS Cũng như vậy 3GPP và ETSI TISPAN định nghĩa thêm các phương thức truy nhập cho mạng lõi IMS, bao gồm WLAN và Ethernet - có thể được kết nối tới SBG (Session border gateway) – triển khai IBCF (Interconnection border control function của Ericsson) thông qua DSL và Internet công cộng Truy nhập tới IMS từ GAN (generic access network) hoặc UMA (unlicensed mobile access) được hình thành từ 3GPP Rel-6 Trong đó, UMA quy định sử dụng WLAN và Bluetooth để truy nhập tới mạng lõi GSM và GPRS Với các mạng cáp, Cable Labs tiên phong trong việc quy định làm thế nào để cáp TV có thể được dùng cho truy nhập IMS
1.3.2 Các yêu cầu đối với mạng truy nhập
Các mạng truy nhập trong kiến trúc IMS cần có một loại các tính năng khác nhau để tương thích với khả năng xử lý cuộc gọi theo phiên, truyền thông đa phương tiện IP, khả năng xử lý rất lớn trong phân hệ mạng lõi IMS
¾ Đầu tiên mạng truy nhập đảm bảo cung cấp băng thông rộng tương ứng với các loại hình dịch vụ khác nhau
¾ Mạng truy nhập cần hỗ trợ cả hai môi trường truyền dẫn tín hiệu là có dây (wire) và không dây (wireless)
Trang 9¾ Hỗ trợ các công nghệ truy nhập khác nhau (xDSL, PON, WLAN, GSM, …)
¾ Hỗ trợ các cấu hình truy nhập khác nhau để thích ứng với yêu cầu khắt khe của khách hàng
¾ Hỗ trợ các mạng truy nhập của mạng công cộng và mạng riêng
¾ Các hình thức truy nhập phải hỗ trợ truyền tải IP để kết nối thuận tiện với mạng lõi IMS
¾ Dịch vụ, ứng dụng, và cả điều khiển phiên cuộc gọi phải tách biệt với các chủng loại truy nhập đang sử dụng
1.3.3 Xu hướng hội tụ truy nhập trong IMS
Xu hướng hội tụ truy nhập trong IMS thể hiện ở những điểm sau đây:
¾ Tự do truy nhập: Khách hàng có thể truy nhập dịch vụ bất cứ ở đâu, bất cứ lúc nào và trên thiết bị bất kỳ
¾ Xu thế áp đảo của truy nhập không dây băng rộng, các công nghệ nổi trội trong truy nhập không dây là GSM LTE 4G, WiMAX, cho các mạng truy nhập công cộng, Wifi cho các mạng riêng, mạng kết nối trong nhà
¾ Truy nhập hữu tuyến sẽ tiến tới mở rộng cáp quang đến tận nhà khách hàng FTTx, các công nghệ sẽ được ưu tiên áp dụng là GPON, GE
¾ Một xu hướng hội tụ truy nhập sẽ phát triển mạnh trong tương lai là kết nối tại nhà (Home networking) kết hợp cả truy nhập có dây/không dây để xây dựng ngôi nhà thông minh
1.4 Kết luận chương 1
Mặc dù IMS nhắm đến việc bảo đảm chất lượng dịch vụ nhưng việc đàm bảo chất lượng dịch vụ khi chuyển đổi từ loại hình mạng này sang loại hình mạng khác (trong môi trường mạng hội tụ), hay từ mạng của nhà cung cấp mạng này sang mạng của nhà cung cấp mạng khác vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết Bài toán quản lý di động, chuyển giao giữa nhiều loại hình mạng khác nhau, cũng đặt ra những khó khăn nhất định cho việc cung cấp quản lý dịch vụ IMS Và góp phần giải quyết vấn đề đó, RACF chính là một thực thể trung tâm để quản lý tài nguyên chung, điều khiển truy nhập và quản lý tài nguyên trong phân hệ IMS Các tổ chức viễn thông quốc tế đã và đang nghiên cứu và hoàn thiện chức năng RACF trong IMS Chương 2 của luận văn sẽ nghiên cứu chức năng quản lý tài nguyên và điều khiển truy cập RACF này
Trang 10CHƯƠNG 2 – QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ ĐIỀU KHIỂN
TRUY CẬP TRONG MẠNG NGN/IMS
Quản lý tài nguyên và cho phép truy cập (Admission control) là hai nhân của một quá trình cho phép khách hàng tiếp cận đến các thành phần mạng để sử dụng một dịch vụ nào đó Thông thường chỉ khi có đủ tài nguyên cần thiết thì khách hàng mới
có thể truy nhập vào mạng Không riêng gì NGN/IMS mà các mạng truyền thông khác cũng có các cơ chế quản lý tài nguyên và cho phép truy nhập theo một mô hình nguyên lý tương đối phổ biến Chương 2 giới thiệu mô hình quản lý tài nguyên và điều khiển truy nhập trong các mạng truyền thống, mạng NGN/IMS do các tổ chức viễn thông 3GPP/3GPP2, ETSI/TISPAN, ITU-T chuẩn hóa
2.1 Mô hình và nguyên lý quản lý tài nguyên và điều khiển truy cập
2.1.1 Mô hình quản lý tài nguyên trong mạng truyền thống
Mô hình quản lý tài nguyên được mô tả trong hình sau:
Hình 2.1: Mô hình quản lý tài nguyên và cho phép truy nhập
Mô hình làm việc theo nguyên tắc phản hồi với 3 thành phần chính là: yêu cầu dịch
vụ (Subscription), tài nguyên khả dụng và điều khiển truy cập
Từ yêu cầu thuê bao và dịch vụ sẽ dự báo được lưu lượng, từ ma trận lưu lượng thông qua các bài toán về kỹ thuật lưu lượng sẽ định cỡ mạng và tính toán các tài nguyên khả dụng (phần cứng, phần mềm, quy trình khai thác, quản lý, …) Từ ma trận tài nguyên khả dụng sẽ cho phép truy cập vào mạng và đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS được tính toán từ trước Quá trình dự báo lưu lượng được thực hiện cho đến khi hoàn thành giai đoạn thiết kế, quy hoạch hoặc triển khai thực tế
Trang 112.1.2 Điều khiển truy cập động (Dynamic admission control)
Điều khiển truy cập động thường được áp dụng trong các mạng hiện đại Mục đích của điều khiển truy cập động là tận dụng tốt nhất các tài nguyên mạng trên nguyên tắc chưa rõ tài nguyên
Mô hình điều khiển truy cập động làm việc theo nguyên lý có phản hồi Các trạng thái của mạng được giám sát tại các router biên Ba trạng thái của mạng: Bình thường, tác động lại, bình thường trở lại tương ứng với 3 trạng thái dịch vụ: hoàn toàn thỏa mãn, hầu như thỏa mãn, thỏa mãn ít nhất
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của điều khiển truy cập động
Quá trình bình thường hóa trạng thái của mạng được thực hiện theo 3 bước: Thay đổi tiêu chuẩn cho phù hợp Æ Tác động bởi các chính sách cần thiết Æ Điều chỉnh server phù hợp
2.1.3 Quản lý tài nguyên IP (IPRM) trong mạng NGN/IMS
Chức năng quản lý tài nguyên IP trong NGN nói chùng, và RACF trong IMS nói riêng được thực hiện trong mặt phẳng điều khiển Thông tin để quản lý tài nguyên được lấy từ các mạng truy nhập độc lập theo các tiêu chí (Metric) tương ứng với từng loại công nghệ và phương thức truy nhập Các thông tin từ phía quản lý tài nguyên IP
sẽ điều khiển cấp phát các phiên giao dịch cho khách hàng
2.1.4 So sánh kiến trúc điều khiển tài nguyên
Phần này luận văn so sánh kiến trúc điều khiển tài nguyên trong hệ thống truy nhập hiện nay và hệ thống truy nhập hội tụ NGN/IMS mong muốn trong tương lai
Trang 122.2 Kiến trúc RACF của các tổ chức viễn thông quốc tế và khu vực
2.2.1 Kiến trúc phân hệ quản lý tài nguyên và điều khiển truy cập của 3GPP, 3GPP2
3GPP đã xây dựng nên SBLP (Service-based local policy) sau đó phát triển thành kỹ thuật PCC (The policy and charging control) Mô hình của 3GPP2 được gọi
là SBBC (Service based bearer control)
Trong cả ba mô hình, hoạt động xảy ra như sau: một chức năng ứng dụng, ví
dụ như IMS P-CSCF, đưa ra một yêu cầu cung cấp luồng cụ thể trên giao diện phù hợp (ví dụ, Gq, Rx, hoặc Tx cả ba đều dựa trên giao thức Diameter) tới chức năng chịu trách nhiệm quyết định chính sách, ví dụ PDF hoặc PCRF Sau đó chức năng này trả lời, cho phép (hoặc từ chối) yêu cầu Trên cơ sở hồi đáp, Gateway node biết cách phải xử lý yêu cầu dự trữ tài nguyên từ đầu cuối khi tiếp nhận yêu cầu đó
Go
Rx
Gx
Gateway PCEF
Application function Tx
Hình 2.5 Kiến trúc điều khiển truy cập tài nguyên của 3GPP/3GPP2
3GPP và 3GPP2 khác nhau trong việc lựa chọn các giao thức cho giao diện (Go and Ty) trong các phiên bản đầu 3GPP2 chọn giao thức RADIUS trong khi 3GPP chọn COPS Hiện tại, cả 3GPP và 3GPP2 đều sử dụng Diameter
2.2.2 Kiến trúc phân hệ quản lý tài nguyên và điều khiển truy cập của
ETSI/TISPAN
TISPAN giới thiệu kiến trúc chức năng để quản lý tài nguyên mạng trong các mạng lõi và truy nhập được gọi là RACS (Resource and Admission Control Subsystem)
Trang 13Hình 2.6 Kiến trúc RACS của ETSI/TISPAN
RACS bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch
vụ (S-PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF)
PDF (Serving Policy Decision Function): dưới yêu cầu cả các ứng dụng, PDF sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy) bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển những quyết định này tới A-RACF S-PDF cung cấp một cách nhìn trừu tượng về các chức năng truyền tải với nội dung hay các dịch vụ ứng dụng Bằng cách sử dụng S-PDF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ
S-RACS (Access - RACS) nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF RACF sẽ sử dụng thông tin QoS nhận được từ S-PDF để quyết định chập nhận hay không chấp nhận kết nối A-RACF cũng thực hiện chức năng đặt trước tài nguyên và điều khiển các thực thể NAT/Firewall
A-RACS tương tác với hai thực thể chức năng thực thi chính sách (PEF) trong lớp truyền tải, đó là BGF (border gateway function) và RCEF (resource control enforcement function) Khác với RACS của ETSI/TISPAN mô hình 3GPP chỉ có một thực thể chức năng điều khiển chính sách PCF và một thực thể chức năng chính sách bắt buộc PEF
Về phần chọn giao thức cho các giao diện liên quan đến chính sách, RACS chọn Diameter cho giao diện Gq’ và Gq, tuy nhiên lại chọn H.248 cho Ia, khác với cả hai mô hình 3GPP và 3GPP2
