Warum IMS?

NET 1-2/07
Warum IMS?
Was leistet die neue Netztechnik des IP Multimedia Subsystem?
Jens Andresen
Das IP Multimedia Subsystem (IMS)
hat sich in den letzten Jahren zu
einem der wichtigsten Themengebiete
der ITK-Industrie entwickelt. In
einigen Jahren soll es die
dominierende Netztechnik sein, an
die eine Vielzahl von Zugangsnetzen
(xDSL, UMTS, WLAN, Wimax usw.)
angeschlossen werden kann. Die
Unterscheidung zwischen Festnetzund
Mobilfunkanbieter wird dabei
letztendlich ihre Bedeutung verlieren.
Den weitaus ausführlicheren Originalbeitrag
finden Sie zum Download
unter www. NET-im-web.
de/pdf/Andresen-IMS.pdf
Jens Andresen ist Customer Solution Manager
bei der Ericsson GmbH in Düsseldorf
Das IP Multimedia
Subsystem schafft
in idealer Weise
eine Verbindung
zwischen Festnetz
und Mobilfunk,
zwischen Telekommunikation
und
Internet, zwischen
VoIP und weiteren
Kommunikationsarten.
Alles, was
eine IP-Adresse besitzt
und einen
SIP/RTP-Client aufnehmen
kann,
kann über IMS
miteinander kommunizieren.
IMS-Netzelemente
Bild 1 zeigt den Überblick über eine
IMS-Netzarchitektur. Der User Agent
(UA) ist die IMS-Bezeichnung für einen
Endpunkt, der an der SIP-Signalisierung
teilnimmt. Im einfachsten Fall
ist das ein SIP-Telefon, ein Softclient
oder ein Application Server (AS).
Der Server für CSCF – Call Session Control
Function) ist das zentrale Element
der IMS-Architektur. Er baut auf dem
Prinzip klassischer Softswitche auf, hat
Das Thema in Kürze
Bild 1: IMS-Netzarchitektur im Überblick
Dieser Beitrag gibt eine technische
Einführung in das IP Multimedia
Subsystem und erläutert seine Flexibilität
anhand von einigen technischen
Grundlagen. Zudem wird mit
Blick auf die „IMS-Ahnentafel” gezeigt,
wieso gewisse Mechanismen
in den Standard eingeführt wurden
und warum sie zur außerordentlichen
Flexibilität von IMS beitragen.
Dabei haben zum ersten Mal die
wichtigsten ITK-Gremien an einem
Standard zusammengearbeitet.
NETZE
diesen allerdings zwei Hauptvorteile
voraus. Zum einem ist er im Gegensatz
zur reinen Sprachfunktionalität
der Softswitche multimediafähig. Zum
anderen verfügt er über offene, standardisierte
Schnittstellen zu Teilnehmerdatenbank
und Anwendungsservern.
Es gibt drei Ausprägungen: Proxy
(P), Interrogating (I) und Serving (S).
Der P-CSCF ist der erste Kontaktpunkt
innerhalb des IMS-Netzes für einen
IMS User Agent. Über das zugrundeliegende
IP-CAN (IP Connectivity Access
Network) wird zunächst eine IP-
Verbindung geschaffen, auf der die
SIP-Signalisierung aufsetzt. Der P-CSCF
erfüllt viele Sicherheitsfunktionen und
sichert nach erfolgreicher Authentifizierung
den anderen IMS-Knoten im
Netz die festgestellte Identität des
Users zu.
Der I-CSCF wird als Einstiegspunkt in
eine administrative Domäne eingesetzt.
Beispiele sind die Bestimmung
des aktuellen S-CSCF des Nutzers
oder die Registrierung eines roamenden
SIP-Nutzers. In beiden Fällen ist
(noch) nicht bekannt, welcher von
möglicherweise mehreren S-CSCFs
den Nutzer tatsächlich verwaltet. Dabei
muß im Interworking-Fall zwischen
zwei IMS-Netzen das abgebende Netz
Anzahl und Kennungen der HSSs und
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CSCFs des empfangenden Netzes
nicht kennen, sondern nur die des
I-CSCF. Konkret versteckt man damit
die Topologie des Empfängernetzes.
Der S-CSCF basiert auf der SIP-Registrar-Funktion
und ist damit für die
Dienste und Session-Abwicklung des
Users zuständig. Er ist die wichtigste
aller drei CSCF-Ausprägungen. Nach
der Allokation eines S-CSCF zu einem
Benutzer lädt der S-CSCF die User-Daten
vom HSS und meldet den User
beim HSS als zu diesem S-CSCF
gehörig an.
Zwei weitere Funktionen zeigen die
zentrale Rolle des S-CSCF beim Session-Aufbau:
IP-Adressen-Bindung und
SIP-Routing. Unter ersterer versteht
man das paarweise Speichern öffentlicher
SIP-IDs des Users und seiner gegenwärtigen
Kontaktadresse. Letzteres
beinhaltet das Auffinden des gewünschten
B-Teilnehmers.
Der Home Subscriber Server (HSS) speichert
alle Teilnehmerdaten, die für
Im Rahmen der UMTS-Standardisierung
für Mobilfunknetze der dritten
Generation war das Standardisierungsgremium
3GPP sehr schnell davon
abgekommen, Dienste im neuen
UMTS-Vermittlungsnetz über das bei
GSM bereits erreichte Niveau hinaus
zu spezifizieren. Die Hauptgründe
dafür waren, daß die in der Mobilvermittlungsstelle
„hart-codierten” Dienste
mit GSM und CAMEL bereits ausreichend
detailliert festgelegt waren
und daß von allen Beteiligten erwartet
wurde, daß der eigentliche Entwicklungsschub
im All-IP-Bereich
stattfinden würde.
So war IMS ursprünglich als neues
„Service Network” für IP-basierte
UMTS-Netze gedacht und wurde von
3GPP als Teil seiner Standardisierungsausgabe
3GPP R5 (2003) spezifiziert.
Da IMS IP-basierte Multimediadienste
handhaben sollte, war es naheliegend,
auf diesbezügliche IETF-
RFCs (SIP, SDP, Diameter usw.) zurückzugreifen.
Diese von vornherein in
den IMS-Standard eingebaute Multimediafähigkeit
macht einen großen
Teil der Flexibilität von IMS aus.
Der zunächst sehr akademische Ansatz
wurde in der nächsten Ausgabe
überarbeitet (3GPP R6, 2005). Meh-
den Aufbau von Multimediaverbindungen
notwendig sind. Auf Anfrage
stellt er die relevanten Daten anderen
Netzelementen zur Verfügung. Er ist
vergleichbar mit dem HLR in Mobilfunknetzen.
Für den Fall, daß der
Netzbetreiber mehr als einen HSS verwendet,
wird eine Subscriber Locator
Function (SLF) benötigt. Diese stellt eine
Beziehung zwischen der Identität
des Teilnehmers und dem HSS, in dem
seine Daten gespeichert sind, her.
Der Application Server (AS) ist die
dienstegebende Plattform im IMS,
wobei die AS-Dienste im allgemeinen
Fall sowohl auf der abgehenden als
auch auf der kommenden Seite angelegt
werden können. Auf einem AS
können auch neue IMS-Dienste kreiert
werden, wobei der Netzbetreiber oder
der Anwendungslieferant völlig frei in
der Ausprägung der Dienste ist. Neben
den AS, die ganz spezifische IMS-
Dienste offerieren, gibt es AS, die nur
eine Schnittstelle zur „alten Welt”
IMS-Ahnentafel
rere Verbesserungen und Erweiterungen
im Standard erweiterten die tatsächlichen
IMS-Einsatzmöglichkeiten.
Die IMS-Standardisierung beschreibt
ein IMS Core Network für die Steuerung
von Multimediasessions, das alle
Arten von Multimediadiensten parallel
handhabt, sowie einen flexiblen
AS-Mechanismus, bei dem über definierte,
offene Schnittstellen zum IMS
Core Network die eigentlichen Dienste
von Anwendungsservern erbracht
werden. Dabei sind im wesentlichen
die Signalisierungs-, Transport- und Sicherheitsmechanismen
für Echtzeit-,
Messaging- und Presence-Dienste
beschrieben worden (sog. Enabler),
nicht aber die Dienste selbst. Mittlerweile
kümmert sich die Open Mobile
Alliance (OMA) um die weitgehende
Standardisierung der Applikationsmechanismen.
Spätestens als man bei 3GPP begann,
für die nächste Ausgabe des Standards
(3GPP R7, Standardisierung andauernd)
IMS als verallgemeinertes
IP-basiertes Vermittlungsnetz zu definieren,
das durchaus auch mit Zugangsnetzen
ganz anderer Art (z.B.
nach 802.11/16 oder auch DSL- oder
herstellen (IM-SSF oder OSA-SCS zur
OSA/Parlay-Plattform in Bild 1).
Für einfache Dienste reicht es dem AS
aus, nur die SIP-Signalisierung zu verändern,
um den Dienst zu erbringen.
Im allgemeinen möchte man aber auch
die Medienebene beeinflussen können.
Solche Aufgaben übernimmt die
Media Resource Function (MRF). Da
die Manipulation der Nutzdatenebene
eng mit der Dienstsignalisierung koordiniert
werden muß, kann die MRF
vom AS gesteuert werden. Mitunter
wird innerhalb der MRF zusätzlich in
eine Steuer- (MRFC – MRF Controller)
und eine Nutzdatenfunktion (MRFP –
MRF Processor) unterschieden.
Die funktionalen Einheiten Media Gateway,
Media Gateway Controller und
Signalling Gateway (MGW, MGC,
SGW) sind für die Übergabe einer Session
zwischen der IMS-Domain mit SIP-
Signalisierung und einem leitungsvermittelten
TDM-Netz mit ISUP in beide
Richtungen zuständig. Weitere wichti-
Ethernet-basiert) zusammenarbeiten
könnte, wurde man bei ETSI hellhörig.
Die für Festnetzstandardisierung
zuständige Behörde hatte bereits
jahrelang in verschiedenen
Gruppen (ETSI TIPHON, ETSI SPAN,
2003 zusammengefaßt zu ETSI
TISPAN) über die NGN-Standardisierung
für Festnetze nachgedacht, war
aber zu keinem finalen Ergebnis gekommen.
Da ohnehin auch bei ETSI
über Themen wie Mobilität im Festnetz
und konvergente Netze nachgedacht
wird, fiel die Adaption eines ursprünglichen
„Mobilfunk”-Standards
nicht schwer. ETSI TISPAN begann,
eng mit relevanten 3GPP-Arbeitsgruppen
zusammenzuarbeiten.
Ende 2005 wurde dann in ETSI
TISPAN R1 die IMS-Struktur verallgemeinert,
basierend auf den 3GPP-
Spezifikationen. An vielen Stellen übernahm
man die 3GPP-Spezifikationen
komplett, einige wenige wurden an
spezielle Bedürfnisse eines breitbandigen,
mehrere parallele Anwendungen
unterstützenden IP-Zugangsnetzes
angepaßt. Zusätzlich erlaubt es
die Subsystem-basierte Struktur, auch
zukünftige Entwicklungen und Erweiterungen
mit in die verallgemeinerte
Architektur einzubeziehen.
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ge Knoten sind die Break-out Gateway
Control Function (BGCF) zur Auswahl
des richtigen MGC im Fall einer
PSTN-Terminierung sowie das Session
Border Gateway, das an Netzschnittstellen
für Sicherheitsfunktionen eingesetzt
wird.
Signalisierung
Das Session Initiation Protocol (SIP) ist
ein flexibler Mechanismus zum Aufbau
und zur Steuerung von Multimediasessions.
Dabei überläßt es die eigentliche
Beschreibung der Multimediasession
dem Session Description
Protocol (SDP). Die Nutzdaten werden
dabei über das Real-Time Protocol
(RTP) ausgetauscht.
SIP ist ein textbasiertes sowie ein Request-Response-Protokoll.
Ein Client
sendet einen SIP-Request, und der
Server antwortet mit einer SIP-Response.
Dabei kann jede Seite Client
oder Server sein. Die verschiedenen
SIP-Signale dürfen nicht beliebig miteinander
kombiniert werden, sondern
es gibt vorgegebene SIP-Transaktionen,
deren Format eingehalten werden
muß. Dabei wird zwischen speziellen
und regulären Transaktionen unterschieden.
SDP ist ebenfalls textbasiert und enthält
eine exakte Beschreibung der
aufzubauenden Session. Hierzu gehören
z.B. die Medienbeschreibungen,
Codecs, Ports und Senderichtungen.
RTP wird verwendet, um Medienströme
in Echtzeit über Transportmechanismen
zu bewegen, die im Prinzip als
unzuverlässig angesehen werden
müssen (Bild 2). Die Mediendaten
werden in Abschnitte unterteilt und in
den Nutzdatenbereich des RTP-Pakets
zusammen mit begleitenden Informationen
untergebracht.
RTCP wird immer zusammen mit RTP
benutzt, um wichtige Kontrollinformationen
über den RTP-Strom zu
übermitteln. Hierzu gehören eine Übersetzung
der medienstromspezifischen
Zeitstempel in absolute Zeitangaben,
die Übersetzung der (binären) RTP-
Absenderkennung in ein Klartextformat,
das Zählen der gesendeten und
empfangenen RTP-Pakete, um die Paketverlustrate
einer Session bestimmen
zu können. Nur für reine Punkt-
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Bild 2: Protokollaufbau für Multimedia-Echtzeitdienste
zu-Punkt-Sprachverbindungen über
RTP darf RTCP weggelassen werden.
IMS-Registrierung
Bevor ein UA mit der SIP-Signalisierung
beginnen kann, muß zunächst der zuständige
P-CSCF entdeckt werden,
der den Eintrittspunkt in die IMS-
Domäne darstellt. Dazu gibt es drei
Möglichkeiten:
Integriert in die Anmeldung beim IP-
CAN;
als separate DHCP-Anfrage nach
einer Liste von P-CSCF-Adressen,
nachdem die IP-CAN-Registrierung
abgeschlossen ist;
voreingestellt im SIP-UA.
Danach muß sich das IMS-Terminal registrieren,
bevor es Sessions aufbauen
oder andere SIP-Aktionen ausführen
kann. Ziel der Registrierung ist es, eine
eindeutige Verbindung zwischen dem
gegenwärtig genutzten SIP-UA und
der Public-ID des Benutzers zu erzeugen.
Da die Adressierung eines Benutzers
immer über seine Public-ID erfolgt,
aber die gerade benutzte IP-
Adresse unterschiedlich sein kann,
muß das IMS an einer Stelle die Verbindung
zwischen der Public-ID und
der aktuellen IP-Adresse oder der aktuellen
FQDN speichern. Andere Aufgaben
der Registrierung sind gegenseitige
Authentifizierung von IMS-Terminal
und -Netz sowie weitere Sicherheitsmechanismen.
Beim Vergleich dieser Prozedur mit
Vorgängen in heutigen Netzen fällt
die Ähnlichkeit zum Location Update
in Mobilfunknetzen auf. Das heißt
aber nicht, daß das IMS nur für Mobilfunknetze
geeignet sei. Im Gegenteil,
dieser Registrierungsvorgang erfüllt
Warum IMS?
wichtige Anforderungen, die auch
ETSI an Next Generation Networks im
Festnetz gestellt hatte. Mit dem oben
beschriebenen Vorgang kann ein Benutzer
sich z.B. sowohl Zuhause mit
seinem Laptop als auch im Hotspot
einloggen, sofern die Betreiber das
Mitbenutzen der IMS-Netze des jeweils
anderen erlaubt haben.
Ausblick
IMS wurde zwar zunächst als Mobilfunkstandard
erarbeitet, dann aber
durch ETSI auch zum zentralen Baustein
der Festnetz-NGN-Standardisierung
(siehe auch Kasten auf S. 32).
Durch seine „mobile” Abstammung
bringt der IMS-Standard quasi automatisch
eine Lösung für viele früher
von ETSI als problematisch angesehenen
Anwendungsfälle mit wie z.B. für
nomadische Anwender. Die Zusammenarbeit
der Standardisierungsgremien
für Mobilfunk und Festnetz wird
zu weiteren interessanten Entwicklungen
wie z.B. zum VCC-Standard (Voice
Call Continuity) führen, durch den
die unterbrechungsfreie Gesprächsübergabe
zwischen Mobilfunk- und
WLAN-Netz möglich wird.
Durch die Entscheidung von ETSI, sich
3GPP anzuschließen, gibt es erstmals
eine standardisierte Technik, auf deren
Basis Fixed Mobile Convergence
ohne proprietäre Lösungen errichtet
werden kann. Möglicherweise werden
sogar Festnetzanbieter IMS früher
kommerziell einsetzen als Mobilfunkanbieter.
Denn nach wie vor ist der
Sprachverkehr ein zentraler Dienst in
allen Netzen; VoIP über IMS kann im
Mobilfunk erst mit der Einführung
von 3GPP-R7-konformer Infrastruktur
zuverlässig unterstützt werden.
In der Zwischenzeit haben Mobilfunkanbieter
die Möglichkeit, z.B. IMS-Angebote
mit „Best-Effort Voice” zu
schnüren, die in nicht zu sehr beanspruchten
Funkzellen immer noch hinreichende
Qualität bieten sollten. Sie
können IMS-Dienste wie Presence, Instant
Messaging, Gaming usw. anbieten
oder von der Möglichkeit Gebrauch
machen, Nicht-Echtzeitdienste
über IMS mit einer parallelen leitungsvermittelten
Sprachverbindung zu
koppeln. (bk)
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