2.3 IMS架構簡介
在介紹IMS的一般架構之前，我們應該記住3GPP不是對節點或者實體標準化，而是對功能進行標準化。這就意味著IMS架構是功能集合的架構，各個功能之間由標準化接口相連。所以在具體物理實現上可以將多個功能合并到一個節點中（一個物理實體）。類似地，也可以將一個功能放在兩個或者多個節點中實現。
通常，多數制造商均遵循IMS架構，并且每個功能有一個節點實現。但是仍有一些制造商會將多個功能集成到一個節點中實現。
圖2-1給出了3GPP所標準化的IMS架構圖。圖中給出了IMS的多數信令接口，通常用兩到三個字母編碼來表示。讀者可以參閱規范3GPP TS23.002來詳細查看這些接口。
在圖2-1的左側，我們看到IMS終端，通常稱為用戶設備（User Equipment，UE）。IMS終端通過無線鏈路附著到GPRS網絡中。
需要注意的是，盡管圖2-1中給出了IMS終端通過無線鏈路附著到網絡中，但是IMS可以支持其他類型設備和其他接入類型。PDA和筆記本電腦都可以接入IMS中，接入方式可以是WLAN或者ADSL。
圖2-1的其他部分說明了在IMS核心網子系統中所包含的其他節點，這些節點包括：
● 一個或者多個用戶數據庫，稱為歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）和簽約定位功能（Subscription Location Functions，SLF）；
● 一個或者多個SIP服務器，稱為呼叫會話控制功能（Call Session Control Function，CSCF）；
● 一個或者多個應用服務器（Application Server，AS）；
● 一個或者多個媒體資源功能（Media Resource Function，MRF），每個又分為媒體資源功能控制器（Media Resource Function Controller，MRFC）和媒體資源功能處理器（Media Resource Function Processor，MRFP）；
● 一個或多個出口網關控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）；
● 一個或多個PSTN網關，每個網關都分解成一個信令網關（Signaling Gateway，SGW）和媒體網關控制功能（Media Gateway Controller Function，MGCF），以及一個媒體網關（Media Gateway，MGW）。
2.3.1 數據庫：HSS和SLF
歸屬用戶服務器（Home Subscriber Server，HSS）是用于存儲用戶相關信息的服務器。技術上HSS是歸屬位置寄存器（Home Location Register，HLR）的演進，HLR是GSM節點。HSS包含在處理媒體會話時所需的用戶相關簽約數據。這些數據包括位置信息、安全信息（包括鑒權和授權信息）、用戶業務屬性信息（包括用戶的簽約業務信息），以及分配給用戶的服務CSCF（S-CSCF，Serving CSCF）。
當一個HSS需要處理的用戶數過多時，網絡中就需要部署多個HSS。但是與一個特定用戶相關的數據必須存在一個HSS中。
只有一個HSS的網絡不需要簽約定位功能。如果網絡有多個HSS那么就需要一個SLF功能。
SLF是一個簡單的數據庫，它用于將用戶地址映射到HSS。當節點查詢SLF時，輸入用戶地址，會查到包含該用戶信息的HSS。
HSS和SLF都使用具有IMS特定Diameter應用的Diameter協議。
2.3.2 呼叫會話控制功能（CSCF）
呼叫會話控制功能是一個SIP服務器，是IMS中的關鍵節點。在IMS中CSCF處理SIP信令。在IMS中有3種類型CSCF，類型劃分主要取決于提供的功能。它們統稱為CSCF，但是每種CSCF都屬于以下3類之一：
● 代理CSCF（Proxy-CSCF，P-CSCF）；
● 問詢CSCF（Interrogating-CSCF，I-CSCF）；
● 服務CSCF（Serving-CSCF，S-CSCF）。
1.P-CSCF
P-CSCF是IMS終端與IMS網絡聯系的第一點（信令面）。從SIP的角度來看，P-CSCF是一個輸出/輸入SIP代理服務器。這就意味著所有IMS終端發起的或者發給IMS終端的請求都需要經過P-CSCF。P-CSCF會在適當的方向轉發SIP請求和響應。
P-CSCF是在IMS注冊過程中分配給IMS終端的，并且在注冊過程中并不會改變（也就是說IMS終端在注冊時僅與一個P-CSCF進行通信）。
P-CSCF包含多個功能，其中一些與安全相關。首先它與IMS終端建立一些IPsec安全關聯，這些IPsec安全關聯提供安全性保護（即檢查消息內容是否發生了改變）。
一旦P-CSCF對用戶進行鑒權，P-CSCF將把用戶身份通知給網絡中的其他節點。這樣，其他節點就不需要對用戶進行進一步鑒權了，因為它們都信任P-CSCF。網絡中的其他節點使用該身份來實現各種操作，例如，提供個性化業務，產生計費記錄。
此外，P-CSCF也會對IMS終端發送的SIP請求進行驗證，這些驗證可以防止IMS終端不根據SIP規則產生SIP請求。
P-CSCF也包含一個SIP消息壓縮器和解壓器（IMS終端也都包括）。因為SIP是基于文本的協議，所以SIP消息可能會很大。當SIP消息通過寬帶連接發送時，所用時間會很短，而當通過窄帶信道來發送較大SIP消息時，會花費幾秒時間。所以，為了減少傳輸時間，需要采用一定的機制，即在一端壓縮消息，然后通過空中接口發送，在另一端對SIP消息進行解壓。
P-CSCF還可能會包括一個策略判決功能（Policy Decision Function，PDF）。PDF可以與P-CSCF集成到一起，或者作為一個獨立單元實現。PDF通過媒體面認證媒體面資源并管理業務質量（Quality of Service，QoS）。
P-CSCF會向計費信息收集節點產生計費信息。
2.P-CSCF的位置
P-CSCF可以位于拜訪網絡或者歸屬網絡。當下層分組網絡基于GPRS時，P-CSCF總是位于GGSN所處于的網絡。所以P-CSCF和GGSN既可以位于拜訪網絡，也可以位于歸屬網絡。由于GPRS的當前部署，通常IMS網絡都在歸屬網絡中配置GGSN和P-CSCF。后期隨著IMS市場的不斷壯大，運營商會將配置轉移，從而使P-CSCF和GGSN可以位于拜訪網絡。
3.I-CSCF
I-CSCF是一個SIP代理，它位于管理域邊緣。I-CSCF的地址存在于DNS列表內。當SIP服務器根據SIP流程發現下一跳SIP時，SIP服務器將獲得目的域中I-CSCF的地址。
除了SIP代理服務器功能，I-CSCF還與SLF和HSS有接口，該接口基于Diameter協議。I-CSCF獲取用戶位置信息并將SIP請求路由到適當的目的地（通常是S-CSCF）。
I-CSCF還與應用服務器有接口，從而可以將請求路由到業務服務器而非一般用戶。此外，I-CSCF還可以對部分包含敏感域信息的SIP消息進行加密，例如，域中的業務號，它們的DNS名稱或者它們的容量。該功能被稱為拓撲隱藏互操作網關（Topology Hiding Inter-networking Gateway，THIG）。THIG功能是可選的，多數網絡中沒有部署。
4.I-CSCF的位置
I-CSCF通常位于歸屬網絡，當然也有特殊情況，例如，包含THIG功能的I-CSCF可能會位于拜訪網絡。
5.S-CSCF
S-CSCF是信令面的中心節點，S-CSCF是一個SIP服務器，它執行會話控制功能。除了SIP服務器功能外，S-CSCF還作為一個SIP注冊服務器。這就意味著它維護用戶位置（終端用戶的IP地址）和用戶SIP地址（公共用戶標識）的綁定。
與I-CSCF類似，S-CSCF也與HSS通過Diameter協議進行接口。與HSS進行接口的原因如下：
● 從HSS下載想接入IMS網絡的用戶鑒權矢量，S-CSCF使用這些矢量對用戶進行鑒權；
● 從HSS下載用戶業務屬性，用戶業務屬性包括其簽約的業務屬性，該業務屬性是一組觸發器，可以使SIP消息被路由到一個或者多個AS；
● 通知HSS，在注冊過程中，此S-CSCF是分配給該用戶的。
IMS終端發送的所有SIP信令，以及IMS接收的所有SIP信令都要通過分配的S-CSCF，S-CSCF檢查每個SIP消息并決定SIP信令是否需要連接到一個或者多個AS，這些AS為用戶提供各種業務。
S-CSCF的一個主要功能就是提供SIP路由服務。如果用戶撥打電話號碼而非SIP URI，那么S-CSCF將提供業務翻譯，通常基于DNS E.164號碼翻譯。
S-CSCF還可以增強網絡運營商的策略，例如，S-CSCF可以防止用戶不進行鑒權就使用業務。
6.S-CSCF的位置
S-CSCF總是位于用戶的歸屬網絡。
2.3.3 應用服務器（AS）
應用服務器（Application Server，AS）是一個SIP實體，它可以執行特定的業務。根據實際業務，AS可以工作在SIP代理模式、SIP用戶代理（User Agent，UA）模式，或者SIP背對背用戶代理（Back-to-Back User Agent，B2BUA）模式。AS通過SIP協議與S-CSCF和I-CSCF接口，通過Diameter協議與HSS接口。此外，AS可以為IMS終端提供接口，從而達到配置目的。
圖2-2給出了應用服務器的不同類型。
● SIP應用服務器（SIP AS）：這是IMS自身的AS，它基于SIP來提供并執行IP多媒體業務。3GPP也希望新IMS業務都通過SIP AS來開發。
● 開放業務接入-業務能力服務器（OSA-SCS）：該AS提供與OSA框架間的接口，它繼承了所有OSA能力，尤其是從外部網絡安全訪問IMS的能力。該節點在一側作為AS，通過SIP與S-CSCF接口；在另一側是OSA應用接口與OSA AS相連。
●IP多媒體業務交換功能（IM-SSF）：該AS比較特殊，它可以在IMS中重用為GSM定義的CAMEL業務。IM-SSF允許gsmSCF控制IMS會話，IM-SSF一側為AS，通過SIP與S-CSCF接口；而另一側作為業務交換功能（Service Switching Function，SSF），通過CAP協議與gsmSCF接口。
所有這3類AS對于IMS網絡而言都作為SIP AS，即都作為SIP代理服務器、SIP用戶代理、SIP重定向服務器或者SIP背靠背用戶代理。
IM-SSF AS和OSA-SCS AS當與CAMEL或者OSA接口時，還會有其他一些作用。
除了SIP接口外，AS還可以與HSS有接口，SIP-AS和OSA-SCS通過Diameter協議與HSS接口，用于下載或上傳存儲在HSS中與用戶相關的數據；IM-SSF基于MAP協議與HSS接口。
AS既可以位于歸屬網絡，也可以位于第三方網絡，此時歸屬運營商要簽署業務協議。無論哪種情況，如果AS不位于歸屬網絡，則它不會與HSS有接口。
2.3.4 媒體資源功能（MRF）
媒體資源功能（Media Resource Function，MRF）在歸屬網絡中提供媒體資源。MRF向歸屬網絡提供語音播放、混合媒體流、實現不同編/解碼器轉換、獲取統計信息，以及進行媒體分析等能力。
MRF可以進一步分為信令面節點和媒體面節點，分別稱為媒體資源功能控制器（Media Resource Function Controller，MRFC）和媒體資源功能處理器（Media Resource Function Processor，MRFP）。MRFC通過H.248協議來控制MRFP中的資源。
MRFP實現所有與媒體相關的功能，例如，媒體播放和媒體混合。
1.MRF的位置
與S-CSCF一樣，MRF總是位于歸屬網絡，為用戶提供語音播放等相關功能。
2.3.5 出口網關控制功能（BGCF）
BGCF實際上是一個SIP服務器，它可以基于普通的電話號碼來提供相應的路由功能。BGCF僅用于IMS終端向電路交換網用戶發起會話的過程中。這里的電路交換網可以是PSTN或者PLMN等。BGCF的主要功能如下：
● 當與電路交換域進行交互時，為其選擇一個適當的網絡；
● 當與BGCF所在網絡進行交互時，選擇一個適當的媒體網關。
2.3.6 IMS-ALG和TrGW
IMS支持兩個IP版本，即IPv4和IPv6。在某些點，IP多媒體會話或者通信會在兩個版本間進行交互。為了簡化IPv4和IPv6的互操作，而無須終端支持，IMS增加了兩個新功能實體，用于對這兩個協議進行轉換。這些新功能實體就是IMS應用層網關（IMS Application Layer Gateway，IMS-ALG）和轉換網關（Transition Gateway，TrGW），前者負責處理控制面信令，即SIP和SDP消息，而后者用于處理媒體面業務，例如，RTP和RTCP。
圖2-3給出了IMS-ALG和TrGW與IMS其他節點之間的關系。IMS-ALG作為一個SIP B2BUA來維護兩個獨立的信令段：一個是內部IMS網絡，另一個是其他網絡。每個信令段分別運行不同的IP版本。此外，IMS-ALG通過將終端產生的IP地址和端口號改變為由TrGW分配的一個或者多個IP地址及端口號來實現對SDP的重寫。IMS-ALG與TrGW通過Ix接口相連，IMS-ALG與I-CSCF和S-CSCF都通過Mx接口相連，前者作為輸入業務，而后者為輸出業務。
TrGW等效為網絡地址端口翻譯器-協議翻譯器（Network Address Port Translator-Protocol Translator，NAT-PT/ANPT-PT）。TrGW配置了一個IPv4地址池，可以對給定的會話進行動態分配。TrGW在媒體層，即RTP和RTCP，實現IPv4和IPv6的轉換。3GPP在3GPP TS29.162中對IMS-ALG和TrGW與IPv4和IPv6的交互進行了標準化。
2.3.7 PSTN/CS網關
PSTN網關提供與電路交換網的接口，允許IMS終端向PSTN（或其他電路交換網）發起呼叫，或者接收來自PSTN的呼叫。在IMS中，該任務通常由媒體網關控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）來完成。圖2-4給出了一個分解的PSTN網關，通過該網關與PSTN進行接口。
PSTN網關分解為以下功能。
● 信令網關（Signaling Gateway，SGW）：信令網關與CS網絡的信令面接口，SGW執行底層協議轉換。例如，SGW負責將底層的MTP用IP上的流控傳輸協議（Stream Control TransmissionProtocol，SCTP）來代替，這樣SGW便可以將在MTP上傳輸的ISUP或者BICC轉換成通過SCTP/IP承載的ISUP或BICC。
● 媒體網關控制功能（Media Gateway Control Function，MGCF）：MGCF是PSTN/CS網關的核心節點，它實現協議轉換，將SIP協議映射成在IP上承載的ISUP或者BICC。另外，將呼叫控制協議轉換成由MGCF來控制的媒體網關（Media Gateway，MGW）中的資源。MGCF和MGW之間的協議是H.248協議。
● 媒體網關（Media Gateway，MGW）：媒體網關是在媒體面上與PSTN或CS網絡上的接口。MGW的一側能夠通過RTP協議發送或者接收IMS媒體，另一側通過一條或者多條PCM連接到CS網絡。另外，當IMS終端部支持CS側的編/解碼器時，MGW還執行碼型轉化功能。通常的場景是IMS終端使用AMR編/解碼器，而PSTN終端使用G.711編/解碼器。
2.3.8 歸屬網絡和拜訪網絡
IMS借用了來自GSM和GPRS的一些概念，例如，歸屬網絡和拜訪網絡。在移動網絡模型中，當人們在駐留地區域使用終端時，就使用由駐留地區的網絡運營商提供的基礎網絡，該網絡就是所謂的歸屬網絡。
另一方面，如果用戶漫游出其歸屬網絡，則使用由其他運營商提供的基礎網絡，該網絡就稱為拜訪網絡，因為在該網絡中用戶是拜訪者。
為了能使用拜訪網絡，拜訪網絡運營商必須與歸屬網絡運營商簽署協議，在協議中兩個運營商要對為用戶提供的業務進行協商，例如，互通的業務類型、呼叫的價格、語音質量以及如何交換計費記錄等。
IMS重用了拜訪網絡和歸屬網絡的概念。多數IMS節點位于歸屬網絡，但是有一些節點既可以位于歸屬網絡，也可以位于拜訪網絡，例如，P-CSCF。IMS允許兩種不同的配置，這取決于P-CSCF是位于歸屬網絡還是拜訪網絡。
此外，當IP連接性接入網（IP-CAN）是GPRS時，P-CSCF位于GGSN網絡。在漫游場景中，GPRS允許GGSN既可以位于歸屬網絡，也可以位于拜訪網絡（SGSN總是位于拜訪網絡）。
在IMS中，GGSN和P-CSCF共享相同的網絡。P-CSCF通過Rx和Gx接口來控制GGSN。由于P-CSCF和GGSN都位于相同的網絡，所以Rx和Gx接口總是運營商內部接口，這樣的實現比較簡單。
圖2-5給出了P-CSCF和GGSN位于拜訪網絡的情況。該配置代表IMS的長期版本，因為這需要拜訪網絡也要支持IMS，即需要GGSN升級到3GPP Release 5。
需要注意的是，全球范圍不可能同時部署IMS，不可能期望所有漫游合作方都將其GGSN升級至Release 5。因此，我們還是期望早期的IMS部署中P-CSCF位于歸屬網絡，如圖2-6所示。
圖2-6給出了近期的IMS配置，其中P-CSCF和GGSN均位于歸屬網絡，該配置不需要拜訪網絡支持IMS，尤其是拜訪網絡不需要支持3GPP Release 5兼容的GGSN。這種配置方式容易快速實現，因此，在IMS部署初期這是一種最常用的配置方式。
雖然如此，對于P-CSCF和GGSN位于歸屬網絡的配置還存在嚴重的不足。因為媒體面要穿越GGSN，而GGSN位于歸屬網絡，媒體首先被路由到歸屬網絡，然后再送至目的地，這樣就會造成在媒體面不必要的延時。