NGN e IMS II: Funções e Aplicações NGN e Arquitetura IMS
O conteúdo desta série de tutoriais foi obtido do artigo de autoria do Vinicius Barreiro Funicelli para a etapa de classificação do III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2007.
Esta série de tutoriais apresenta uma visão das redes de telecomunicações desde o seu surgimento e tem como objetivo apresentar o modelo de convergência das redes de telecomunicações através das arquiteturas NGN (New Generation Networks) e IMS (IP Multimedia Subsystem), que torna as redes flexíveis para o desenvolvimento e entrega de conteúdos e serviços.
Este tutorial parte II apresenta as entidades funcionais e as aplicações para redes baseadas na arquitetura NGN e detalha a arquitetura IMS e sua integração com as redes convergentes.
Vinicius Barreiro Funicelli
Formado em Engenharia de Telecomunicações (FEI - 2005) e Especialista em Redes e Sistemas de Telecomunicações (INATEL - 2007).
Atuou como interface entre as áreas Comercial e Engenharia para a previsão de demandas de projetos de Redes Celulares na Alcatel Telecomunicações, e também como responsável técnico pelo núcleo da Rede IP (projeto, planejamento, expansão, otimização e reparos) e pela Interconexão com operadoras na TMais – Operadora VoIP.
Atualmente faz o Planejamento Tecnológico para a evolução das redes das Operadoras Fixas e Móveis da América Latina na Telefonica.
Foi o quarto colocado no I Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2005 e o sexto colocado no III Concurso Teleco de Trabalhos de Conclusão de Curso (TCC) 2007.
Email: vfunicelli@yahoo.com.br Categoria: Banda Larga
Nível: Introdutório Enfoque: Técnico
NGN e IMS II: Introdução
O tutorial parte I apresentou um histórico das telecomunicações no mundo, e os fatores que levaram à transição de um modelo baseado em redes dependentes das suas aplicações que se baseavam em chaveamento de circuitos, para voz, chaveamento de pacotes, para dados, para o modelo de redes convergentes, onde aplicações de voz e dados podem conviver harmoniosamente.
Ainda conforme apresentou o tutorial parte I, as redes convergentes foram denominadas Redes NGN (Next Generation Networks), e sua padronização iniciou-se separadamente e em vários órgãos que focavam na pesquisa e desenvolvimento de novos serviços direcionados as suas áreas de atuação, ou seja, seguindo o modelo vertical habitual.
Mas com a nova tendência de integração e convergência de serviços exigida pelos usuários e as necessidades de redução de custos, o conceito logo mudou e então passaram a compartilhar as pesquisas e unir forças para chegarem à padronização de protocolos, interfaces e arquiteturas comuns e que interoperem com todas as demais já existentes para proporcionar a maior flexibilidade possível.
Figura 1: Integração dos órgãos de padronização [1].
Observou-se que para controlar e possibilitar a entrega de diversos conteúdos e serviços a qualquer tipo de acesso fazia-se necessário um core bem definido e estruturado. Assim surgiu o IMS (IP Multimídia Subsystem) com o propósito de prover a integração completa das redes e serviços como ilustrado na figura a seguir.
Figura 2: Arquitetura IMS como controle central de todas as redes [5].
Este tutorial parte II tem por objetivo detalhar as entidades funcionais da arquitetura NGN e a sua aplicação em redes convergentes que podem ser até totalmente IP. A seguir, é detalhada a arquitetura IMS, considerando os fatores motivadores que levaram ao seu desenvolvimento, a sua padronização e elementos funcionais.
NGN e IMS II: Entidades Funcionais NGN
As entidades funcionais são entidades lógicas que compõe a arquitetura de referência e, portanto, não necessariamente são equipamentos físicos distintos, pois os fornecedores podem agregar várias funções co-relacionadas em um único produto.
Há virtualmente um número ilimitado de maneiras de empacotar as várias funções em entidades físicas. A figura 3 mostra 12 diferentes funções que são importantes compreender suas características e autonomias.
Figura 3: Entidades funcionais NGN [11]. MGC-F
O MGC-F (Media Gateway Controller Function), também conhecido como Call Agent ou Call Controller, fornece a máquina de estado da chamada para os endpoints. Seu papel preliminar é fornecer a lógica da chamada e o controle da sinalização da chamada para um ou mais Media Gateways.
Características do MGC-F:
Mantêm ativas todas as chamadas que passam pelos Media Gateways.
Estabelece a comunicação entre dois MG-F’s para troca de mensagens, assim como com telefones IP ou terminais.
Atua como canal para a negociação de parâmetro de mídias.
Origina e termina as mensagens de sinalização dos endpoints, de outros MGC-F’s e de redes externas. Pode interagir com o AS-F com a finalidade de fornecer um serviço ou uma característica ao usuário. Pode controlar alguns recursos da rede (por exemplo, portas de MG-F, largura de faixa etc.).
Relaciona com R-F/A-F para roteamento de chamadas, autenticação e tarifação.
Pode participar em tarefas de gerência em um ambiente móvel (a gerência da mobilidade é geralmente parte do CA-F).
Os protocolos aplicáveis incluem H.248 e MGCP. CA-F e IW-F
O CA-F (Call Agent Function) e o IW-F (Interworking Function) são subconjuntos do MGC-F. A função de agente de chamada (CA-F) existe quando o MGC-F tem a responsabilidade do controle das chamadas e da manutenção do estado das chamada. Exemplos de protocolos de CA-F e API's incluem:
SIP, SIP-T, BICC, H.323, Q.931, Q.SIG, INAP, ISUP, TCAP, BSSAP, RANAP, MAP e CAT (móveis).
API's abertas (JAIN, Parlay, etc.).
A função interworking (IW-F) existe quando o MGC-F executa interação de sinalização entre redes com diferentes padrões de sinalizações (por exemplo, SS7 e SIP). Exemplos de protocolos de IW-F incluem H.323/SIP e IP/ATM.
R-F e A-F
O R-F (Call Routing Function) fornece a informação de roteamento da chamada ao MGC-F, enquanto que o A-F (Call Accounting Function) coleta informação com a finalidade de faturamento da chamada. O A-F pode também ter um papel maior se embutido com a funcionalidade comum ao AAA de autenticação, autorização e faturamento em redes de acesso remoto. O papel preliminar de ambas as funções é responder aos pedidos de um ou mais MGC-F's, dirigindo a chamada ou sua bilhetagem aos endpoints (outro MGC-F's) ou serviços (AS-F's).
Características do R-F/A-F:
Fornece a função de roteamento para Call Routing’s internos e externos a rede (R-F). Produz detalhes de cada sessão para finalidades de faturamento e planejamento (A-F). Fornece a gerência de sessão e gerência da mobilidade.
Pode aprender informações de roteamento de fontes externas.
Pode interagir com o AS-F para finalidades de fornecer um serviço ou uma característica ao usuário. Pode operar transparentemente às outras entidades do nível de sinalização.
Muitos R-F's e A-F's podem ser agrupados seqüencialmente ou hierarquicamente.
O R-F/A-F freqüentemente é integrado com o MGC-F. Entretanto, como é o caso com o AS-F, um R-F/A-F/MGC-F integrado pode também pedir serviços de um R-F/A-F externo.
O A-F coleta e emite informações de contabilidade por chamada. O AS-F emite informações de contabilidade para serviços avançados, tais como informação de serviços de conferências e premium. Os protocolos aplicáveis ao R-F incluem ENUM e TRIP.
Os protocolos aplicáveis ao A-F incluem RADIUS e AuC (para redes móveis). SPS-F
A incorporação mais comum do R-F e do A-F é como um SIP Proxy Server, por esta razão a função está mostrada separada.
SG-F e AGS-F
O SG-F (Signaling Gateway Function) fornece uma tradução da sinalização entre uma rede IP e a PSTN, se baseada em SS7/TDM ou BICC/ATM. Para redes móveis sem-fio, o SG-F fornece também uma tradução da sinalização entre uma rede com o core baseado em IP e a PLMN que também é baseado em SS7/TDM ou em BICC/ATM. O papel preliminar do SG-F é encapsular e transportar protocolos de sinalização da PSTN (ISUP ou INAP) ou da PLMN (MAP ou CAP) sobre o protocolo IP.
O AGS-F (Access Gateway Signaling Function) fornece uma tradução da sinalização entre uma rede IP e uma rede de acesso por comutação de circuito, independentemente se baseada em V5 ou ISDN. Para redes móveis sem-fio, o AGS-F fornece também uma tradução da sinalização entre uma rede com o core baseado
em IP e a PLMN que também é baseada em TDM ou ATM. O papel preliminar do AGS-F é encapsular e transportar protocolos sinalização V5 ou ISDN (sem-fio), BSSAP ou RANAP (cabeado) sobre o protocolo IP.
Características do SG-F:
Encapsular e transportar os protocolos de sinalização da PSTN (por exemplo, SS7) usando o SIGTRAN ao MGC-F ou a outro SG-F.
Para redes móveis, encapsular e transportar os protocolos de sinalização da PSTN/PLMN (por exemplo, SS7) usando SIGTRAN ao MGC-F ou a outro SG-F.
A interface de comunicação do SG-F com as outras entidades é utilizada quando o SG-F e o MGC-F não são co-localizados (por exemplo, SIGTRAN).
Um SG-F pode servir a múltiplos MGC-F's.
Os protocolos aplicáveis incluem SIGTRAN, TUA, SUA e M3UA sobre SCTP. AS-F
O AS-F (Application Server Function) é a entidade de execução da aplicação. Seu papel preliminar é fornecer a lógica de serviço e a execução para uma ou mais aplicações e/ou serviços.
Características do AS-F:
Pode requisitar ao MGC-F terminar as chamadas/sessões para determinadas aplicações (por exemplo, correio de voz ou ponte de conferência).
Pode requisitar ao MGC-F reiniciar características de chamada (por exemplo, ache-me/siga-me ou cartão de chamada pré-pago).
Pode modificar a descrição de mídia usando o SDP (Service Delivery Platform). Pode controlar um MS-F para funções de mídia.
Pode ser ligado a aplicações Web ou ter interface Web. Pode ter uma API para a criação de serviço.
Pode ter interface de back-end e registro da sessão, de política e faturamento. Pode relacionar com MGC-F's ou MS-F's.
Pode invocar outro AS-F para serviços adicionais ou para construir aplicações complexas e orientadas a componentes.
Pode usar os serviços de um MGC-F para controlar recursos externos.
Os protocolos aplicáveis incluem o SIP, o MGCP, o H.248, o LDAP, o HTTP, o CPL e o XML. API's abertas aplicáveis incluindo JAIN e Parlay.
Freqüentemente a combinação do AS-F e do MGC-F fornece serviços avançados de controle de chamada, tais como anúncios de rede, chamada a 3, chamada em espera e assim por diante. Melhor que fazer a conexão dos blocos AS-F e MGC-F por protocolo, os fornecedores usam freqüentemente uma API entre eles quando são executados em um único sistema. Nesta combinação o AS-F é conhecido como um Feature Server.
SC-F
A função de controle do serviço existe quando o AS-F controla a lógica do serviço de uma função, e por esta razão a função aparece separada. Os exemplos de protocolos de SC-F (Service Control Function) incluem INAP, CAT e MAP; API's abertas JAIN e Parlay.
MG-F
O MG-F (Media Gateway Function) é a interface da rede IP com o endpoint de acesso ou com a rede de troncos, ou com uma coleção de endpoints e/ou de troncos. Os servidores de MG-F são os portais entre as redes externas, de pacotes, das redes móveis, etc. Por exemplo, o MG-F poderia fornecer a passagem entre uma rede IP e de circuito (IP a PSTN), ou entre duas redes de pacote (IP a 3G ou a ATM).
Seu papel preliminar é transformar a mídia de um formato de transmissão a outro, mais freqüentemente entre circuitos e pacotes, entre pacotes ATM e pacotes IP, ou entre circuitos analógicos/ISDN e pacotes como em um residential gateway. Basicamente atua na interface entre distintas redes provendo a adequação dos distintos protocolos às respectivas redes possibilitando assim o estabelecimento da comunicação.
Características do MG-F:
Tem sempre um relacionamento mestre/escravo com o MGC-F que é conseguido através de um protocolo de controle tal como o MGCP ou MEGACO.
Pode executar funções de processamento de mídias tais como tradução de mídias, empacotamento de mídias, cancelamento de eco, gerência do buffer de jitter, compensação de perda de pacote, etc. Pode executar funções de inserção de mídias tais como a geração do tom de chamada, geração de DTMF, geração de ruído de conforto, etc.
Pode executar funções de sinalização e de detecção de evento de mídias tais como a detecção de DTMF, a detecção do tom do gancho de ligar/desligar, a detecção da atividade da voz, etc.
Controla seus próprios recursos de processamento de mídias requeridos para fornecer as funcionalidades mencionadas acima.
Pode ter a habilidade de executar a análise de dígito baseada em um mapa descarregado do MGC-F. Fornece um mecanismo para o MGC-F examinar o estado e as características dos endpoints.
Não é requerido manter o “estado de chamada” das chamadas que passam pelo MG-F; o MG-F mantém somente o “estado de conexão” das chamadas suportadas.
Um telefone SIP tem as funcionalidades do MG-F e MGC-F conjuntamente. Um gateway SIP é um MG-F e um MGC-F em uma única caixa.
Os protocolos aplicáveis incluem RTP/RTCP, TDM, H.248 e MGCP MS-F
O MS-F (Media Server Function) fornece a manipulação da mídia e o tratamento para mídia empacotada poder ser utilizada por qualquer aplicação. Seu papel preliminar é operar como um servidor que atende aos pedidos do AS-F ou MGC-F para executar o processamento de mídias.
Características do MS-F:
Sustentação de múltiplos codec's e transcodificação.
Sustentação para controle por múltiplos AS-F's ou MGC-F's. Sustentação para múltiplas e simultâneas atividades.
Detecção de dígito.
Entrega de tons e anúncios (qualquer arquivo multimídia). Geração algorítmica de tom.
Gravação de entregas multimídias. Reconhecimento de voz.
Geração de discurso a partir de texto. Ponte para conferência.
Processamento de fax.
Detecção de atividade de voz e relatório de ruído. Combinações programadas dos anteriores.
Trabalha sob o controle de um AS-F ou de um MGC-F através de um protocolo de controle, também com controle de recurso ou invocação de funções ou scripts.
Os protocolos aplicáveis incluem SIP, MGCP e H.248. O bloco MGC
O MGC (Media Gateway Controller) é um dos elementos físicos chaves de uma rede de VoIP. Há muitas implementações distintas de MGC que são identificadas por diferentes nomes, incluindo Softswitch, Call Agent, Call Controller entre outros. Estão apresentadas n figura 4 algumas das muitas possibilidades disponibilizadas pelos fabricantes de equipamento e fornecedores de serviço.
Figura 4: Bloco MGC [11].
A maioria dos sistemas “Media Gateway Controller” implementam hoje outras funções além ao MGC-F. As outras funções mostradas aqui (CA-F, IW-F, R-F e A-F) poderiam ser arranjadas na mesma plataforma física ou serem distribuídas através de diferentes sistemas que juntos constituem uma solução completa de MGC. Naturalmente, para finalidades de balanceamento de carga e disponibilidade, o MGC pode ser implementado por um conjunto de sistemas.
Os blocos funcionais construídos neste “Media Gateway Controller” incluem o Connection Session Manager (MGC-F), o Call Control & Signaling (CA-F), Interworking/Border Connection Manager (IW-F) e o Access Session Manager (R-F/A-F). Outras características implementadas no MGC mostradas incluem um Open Service Access Gateway, Proxies de aplicação, e agentes de OSS e de O&M.
O Open Service Access Gateway e os Proxies de aplicação juntos fornecem a discriminação e distribuição da sinalização e mídia separadas para aplicações abertas e proprietárias, respectivamente. Os agentes de OSS e de O&M conectam aos gerentes externos de OSS/O&M situados em um centro de suporte operacional para a gerência de rede, o serviço e o provisionamento da rede, manutenção, e assim por diante.
NGN e IMS II: Aplicações NGN
A figura 5 representa um exemplo de aplicação de um MGC, o MGC controla os Trunking Gateways, Media Gateways e Media Servers usando um ou mais protocolos de controle de mudança de meios através do MGC-F.
O MGC origina e termina mensagens de sinalização dos endpoints, outros MGC's e de redes externas. Especificamente, o bloco Call Control & Signaling (CA-F) executa esta função. O bloco Call Control & Signaling também mantêm o estado de cada chamada.
Figura 5: Exemplo de implementação de um sistema MGC [11].
O exemplo do sistema MGC mostrado também executa outras funções: Routing & Call Accounting (R-F/A-F), um SIP Proxy Server (SPS-F) e um Interworking/Border Connection Manager (IW-F). O MGC comunica-se, através do bloco Open Service Gateway (ou Proxy de aplicação), com Application Servers para serviços que não são nativos do MGC. Isto podia ser feito por vários protocolos de controle de serviço e API's, tais como SIP, JAIN e Parlay.
A seguir são apresentados alguns exemplos de diferentes configurações de redes VoIP popularmente aplicados. Cada exemplo mostra como as várias entidades funcionais puderam vir junto aos dispositivos físicos e interações lógicas para compor uma rede VoIP. Ou seja, cada um é justamente o exemplo de uma implementação possível, mas nenhum exemplo tem a intenção de representar a melhor utilização.
Rede com Fios
As entidades físicas neste exemplo (figura 6) consistem no Media Gateway Controller (MGC), Applications Server (AS), Trunk Gateway (TG), Access Gateway (AG), Signaling Gateway (SG) e Media Server (MS).
Figura 6: Aplicação em rede com fios [11].
O MGC neste exemplo está realizando as funções MGC-F, R-F e A-F. O MGC termina todas as sinalizações (diretamente ou transportado sobre IP) e realiza o interworking de sinalização (por exemplo, a sinalização de um telefone SIP com a rede PSTN). Controla o TG e o AG para alocação de recursos de mídia. O MGC também autentica e rotea as chamadas na rede VoIP e fornece informações de conta. Por fim, o MGC interage com outros MGC’s usando os protocolos SIP/SIP-T, H.323 ou Q.BICC.
O AS tem a lógica do serviço para aplicações, tais como o correio de voz. As chamadas que requerem estas funções podem ser entregues pelo MGC ao AS para o controle do serviço, ou o AS pode fornecer a informação requerida para a execução da lógica do serviço ao MGC. O AS pode controlar o MS diretamente ou passar o controle do MS ao MGC.
O TG termina os tráfegos de mídia vindos da PSTN, os transcodifica sobre IP e permite seu transporte pela rede IP. O TG é controlado pelo MGC.
O AG serve como interface entre a rede IP e qualquer rede de acesso com ou sem fio. O AG transporta a sinalização sobre IP até o MGC enquanto transcodifica e transporta a mídia sobre IP a um endpoint IP ou a um TG para enviá-la a uma rede de circuitos ou a outra rede de pacotes. O MG-F do AG é controlado pelo MGC.
O SG termina a sinalização dos tráfegos de mídia para a PSTN e as transporta ao MGC sobre IP.
O MS pode executar tarefas de anúncios e detecção de dígitos, embora o AG normalmente possua a funcionalidade de coleção dos dígitos na maioria de casos. O MS pode ser controlado pelo MGC, AS ou por ambos.
Rede totalmente IP
Este exemplo (figura 7) mostra uma rede toda em IP com os seguintes componentes (os quais poderiam estar agrupados fisicamente de muitas maneiras diferentes):
Telefones IP que podem suportar SIP, MGCP e/ou H.323.
H.323 Gatekeeper – administrador de domínio baseado em endpoints com protocolo H.323 (R-F/A-F). Media Server – para fornecer funcionalidades avançadas de mídia, tal como IVR (MS-F).
SIP Proxy – entidade de tradução de endereço e roteamento para os endpoints baseados em SIP (R-F/A-F).
Application Server – entidade lógica onde os serviços são hospedados. Um AS pode também se comunicar com outros AS’s, que podem executar serviços usando JAIN, Parlay, etc. (AS-F).
MGC/IW-F – Nesta arquitetura esta entidade é usada para interworking de protocolos; isto é, quando endpoints SIP, H.323 e MGCP necessitam se comunicar um com outro. O MGC é usado também para funções de roteamento e tarifação para controlar telefones MGCP.
SIP Registrar – uma entidade SIP que mantêm as posições atuais dos dispositivos SIP.
Figura 7: Aplicação em rede totalmente IP [11].
Os telefones SIP atualizam o SIP Registrar com seu endereço atual e usa o proxy para roteamento. Nos casos onde um telefone SIP necessita se comunicar com as entidades não SIP, eles sinalizam ao MGC, que neste exemplo mantêm o IW-F com os outros protocolos. Notar que também é possível fornecer as características dos telefones legados aos telefones SIP através do AS/MGC.
Os telefones MGCP contatam o MGC para estabelecer as chamadas. O MGC fornece também o R-F, A-F e IW-F para o telefone MGCP.
Para o caso de um telefone H.323, o H.323 Gatekeeper fornece o R-F e o A-F. O MGC fornece o protocolo de IW-F quando requerido para comunicar-se com as redes não H.323.
Neste caso, as mensagens de mídia fluem fim-a-fim entre todos os dispositivos de mídia usando protocolo RTP/RTCP, independe do protocolo de sinalização usado. Nesta situação MG’s não são necessários. Um Media Gateway pode ser usado se for requerido transcodificação entre diferentes codec’s, dentro ou fora da rede.
A informação de faturamento e conta pode ser trocada entre Gatekeeper, SIP Proxy e/ou MGC por finalidades de contabilidade completa, especialmente em caso de chamadas que utilizam multi-protocolos. Os AS's podem comunicar-se diretamente com os MS’s ou com o controle do MGC sob o MS, assim durante a chamada pode fornecer serviços avançados de mídia como atendimento automático, IVR, conferencia, e assim por diante.
Comutação Tandem por VoIP
Este exemplo mostra um softswitch usado para a comutação tandem de troncos (figura 8), que substitui a comutação tandem classe 4 convencionais da PSTN. O SG fornece a conversão e transporte dos protocolos de sinalização baseados em SS7 aos protocolos e transporte de sinalização IP baseados em SIGTRAN. O TG, controlado pelo MGC, fornece a conectividade tandem dos troncos de mídia (voz) da PSTN ao IP e a PSTN.
Figura 8: Substituição da tandem classe 4 [11]. POTS transportado sobre IP
A figura 9 mostra a interconexão de um telefone POTS com a PSTN através da rede IP. O telefone POTS é conectado a um Residential Gateway (um tipo de Access Gateway). O RG executa loop de sinalização do usuário e passa a sinalizar ao MGC usando protocolo MGCP ou MEGACO.
O MGC realiza por sua vez a sinalização com a PSTN com a ajuda do Signaling Gateway. O RG digitaliza e empacota a voz analógica e encaminha a voz digitalizada em pacotes RTP a PSTN através do Trunking Gateway.
NGN e IMS II: Motivadores e Padrão IMS Motivadores
Os desenvolvimentos da NGN e do IMS ocorreram praticamente em paralelo, mas com focos distintos. Enquanto a NGN foi tratada com o pensamento de prover o interworking entre as diversas redes existentes nas operadoras fixas o IMS apontava para as redes das operadoras móveis com o objetivo de disponibilizar um método rápido no desenvolvimento de novos serviços para competir com os provedores de conteúdos. O IMS, porém, mostrou-se muito eficaz em exercer a função que ainda não estava completamente definida pelo core apresentando um controle consistente e capaz de fazer a intermediação entre os diversos acessos e aplicações para que o propósito da convergência se tornasse uma realidade factível.
Assim, seria possível disponibilizar todos os serviços aos usuários independentemente do meio de acesso, consolidando a característica da horizontalização das redes agnósticas aos serviços e, conseqüentemente, possibilitando a competitividade entre as operadoras de telecomunicações fixa e móvel, e os provedores de serviços de Internet.
Seriam empregados padrões de QoS, segurança e bilhetagem, e se disponibilizariam serviços multimídias integrados através de sua flexibilidade e rapidez para a criação e entrega de serviços. Também seria possível abrir e compartilhar a opção de criação de serviços para terceiros, que muitas vezes são aqueles que de fato possuem os conhecimentos e a experiência no desenvolvimento, mas sempre permitindo o controle sob estes desenvolvimentos e assim provendo serviços ubíquos e uniformes.
Além dos novos serviços o IMS também fornece a base de sustentação para sobreposição das redes legadas, ou seja, possibilitando o total provimento dos serviços existentes, e assim cumprindo com todos os requisitos de qualidade exigidos pelos órgãos regulamentadores e também disponibilizando o acesso aos serviços públicos emergenciais.
Padrão
O IMS foi definido em 1999 originalmente pelo 3GPP responsável por promover os sistemas de comunicação móvel baseados em IP.
A arquitetura IMS foi incorporada na padronização das redes UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) realizada pelo 3GPP na versão 5 em 2003, quando os serviços multimídia baseados em SIP também foram incluídos. Nesta versão foram apresentadas as seguintes definições:
Arquitetura IMS com as entidades de rede e os pontos de referência (interfaces) entre estas entidades. Identidade de usuários públicos e privados, utilizando SIP-URI e TEL-URI, ISIM, e o USIM ao invés do ISIM.
Controle de sessão do IMS que incluí registro, roteamento de sessão, modificação de sessão e compressão de sinalização SIP.
Controle dos serviços pelo IMS que incluí a invocação e controle dos Applications Servers baseado em “critérios de filtros” do CSCF (Call Session Control Function), utilização dos serviços CAMEL (Customized Applications for Mobile networks using Enhanced Logic), interconexão com o OSA-GW e utilização dos serviços OSA.
Mecanismos de segurança através de autenticação do usuário, proteção da integridade da mensagem e segurança do domínio da rede IMS.
O grupo 3GPP2 (3rd Generation Partnership Project 2) responsável pela padronização do sistema CDMA (Code Division Multiple Access) criou uma arquitetura baseada no IMS, chamada MMD (Multimidia Domain), que também oferece suporte as redes baseadas na tecnologia CDMA 2000.
Nas versões seguintes o 3GPP fez a adaptação do IMS para o “mundo real” e incluiu o suporte as redes WLAN (Wireless Local Area Network) (versão 6 em 2005), sendo que as principais características são:
Interoperabilidade com a PSTN, SIP endpoints da Internet e acessos WLAN.
Controle de sessão pelo IMS com suporte a múltiplos registros e roteamento por grupos de identidade. Mecanismos de segurança com proteção confidencial das mensagens SIP, utilização de chave pública de infra-estrutura e interface Ut de segurança.
Serviços de presença, mensagem instantânea, conferência e gerenciamento em grupo. Já a versão 7 (2007) trata do suporte às redes fixas, com as seguintes características:
Acesso por redes all-IP (DSL, WLAN, etc.).
Chamadas de emergência com funções para identificação, coleta de informações e rastreamento do usuário.
QoS fim-a-fim provendo vários cenários e mecanismos para gerenciar e garantir a qualidade necessária.
Evolução do controle de policiamento e bilhetagem adicionando aos perfis dos usuários as políticas de controle.
Definição de protocolos para algumas interfaces (Mp, Go, Gx, etc.).
O IMS é uma arquitetura NGN que permite as operadoras de telefonia oferecer serviços multimídia. Embora o IMS tenha surgido com o objetivo de integrar os serviços de telefonia celular tradicional e a tecnologia de Internet, essa arquitetura é fundamental tanto para as operadoras de rede móvel como os operadores de rede fixa que quiserem oferecer serviços multimídia baseados neste padrão.
Neste sentido, a arquitetura IMS suporta os sistemas de telefonia atuais baseados em comutação por circuito, assim como os sistemas baseados em comutação de pacotes.
A arquitetura IMS utiliza um grande número de padrões e protocolos especificados por diferentes órgãos e grupos:
3GPP e 3GPP2 – Estão trabalhando juntos na definição do IMS/MMD.
IETF (Internet Engineering Task Force) – Responsável pela definição de vários protocolos do IMS, entre eles os protocolos SIP e SDP.
ANSI – Responsável por alguns protocolos utilizados pelo IMS para permitir a integração com o sistema legado, entre eles o T1.679 que permite a integração entre a sinalização ANSI ISUP e SIP. ITU-T – Padronizou os protocolos H.248 e Q.1912.SIP responsáveis pelo controle de mídia e pela integração entre ITU-T ISUP e SIP, respectivamente.
Parlay – Promotor e especificador do “Open Service Architecture” (OSA), arquitetura para desenvolvimento de serviços e aplicações.
diversas funcionalidades presentes nos AS através dos Filter Criteria que disparam estas diversas funcionalidades para fazer a orquestração de um serviço de acordo com as necessidades de mercado do momento.
NGN e IMS II: Arquitetura IMS
Antes de explorar a arquitetura geral no IMS devemos ter em mente que o 3GPP não padroniza Nós, mas sim Funcionalidades. Isto significa que a arquitetura IMS, assim como a NGN, é uma coleção de funções interligadas por interfaces padrões.
Os fabricantes são livres para combinar duas ou mais funções em um único nó (por exemplo, em uma única caixa física), similarmente podem dividir uma única função em dois ou mais nós. Em geral, a maioria dos vendors segue de perto a arquitetura IMS e implementa cada função em um único nó.
A figura 10 descreve uma visão geral da arquitetura IMS definida pelo 3GPP. A figura mostra a maioria das interfaces de sinalização do IMS. Não estão incluídas todas as interfaces do IMS, mas somente as mais importantes [13].
Figura 10: Arquitetura geral IMS [13].
No lado esquerdo da figura 10 está o terminal do IMS, normalmente chamado de User Equipment (UE). Notar que, embora a figura mostre um terminal IMS que acessa a rede via rádio, o IMS suporta outros tipos de dispositivos e de acessos. PDA’s e computadores são exemplos dos dispositivos que podem conectar o IMS. Os exemplos de acessos alternativos são WLAN ou ADSL.
O restante da Figura 3.1 mostra os nós incluídos no subsistema também chamado de IP Multimedia Core Network Subsystem. Estes nós são:
Uma ou mais bases de dados do usuário, chamadas de HSS (Home Subscriber Servers) e SLF (Subscritor Location Functions).
Um ou mais SIP Servers, conhecido coletivamente como CSCF’s (Call/Session Control Functions). Um ou mais AS’s (Application Servers).
Um ou mais MRF’s (Media Resource Functions), divididos entre o MRFC (Media Resource Function Controllers) e o MRFP (Media Resource Function Processors).
Um ou mais BGCF’s (Breakout Gateway Control Functions).
Um ou o mais PSTN Gateway, composto por SGW (Signaling Gateway), MGCF (Media Gateway Controller Function) e MGW (Media Gateway).
A figura 10 também não faz referência às funções de tarifação [13]. HSS e SLF
O HSS é o repositório central para as informações relacionadas aos usuários. Tecnicamente, o HSS é uma evolução do HLR (Home Location Register), que é um nó especificado pela arquitetura GSM. O HSS contém todos os dados relacionados ao usuário necessários para assegurar sessões multimídia.
Estes dados incluem, entre outros, informações da posição, da segurança (incluindo ambas as informações de autenticação e de autorização), de perfil do usuário (incluindo os serviços que o usuário tem acesso), e o S-CSCF (Serving-CSCF) alocado ao usuário.
Uma rede pode conter mais de um HSS, caso o número de usuários seja muito elevado para ser contido em um único HSS. Em todo caso, todos os dados relacionados a um usuário particular são armazenados em apenas um HSS.
As redes com um único HSS não necessitam de um SLF, somente redes com mais de um HSS requerem um SLF.
O SLF é uma base de dados simples que mapeia e relaciona os endereços dos usuários aos seus respectivos HSS's. Um nó que pergunte ao SLF, com o endereço do usuário como entrada, obtém o HSS que contém toda a informação relacionada a esse usuário como saída.
O HSS e o SLF utilizam o protocolo Demitir com uma aplicação específica para o IMS. CSCF
O CSCF, que é um servidor SIP, é um nó essencial no IMS. O CSCF processa a sinalização SIP no IMS. Há três tipos de CSCF, dependendo da funcionalidade que exerce. Todos são conhecidos coletivamente como CSCF's, mas todo CSCF pertence a uma das três categorias que seguem:
P-CSCF (Proxy-CSCF). I-CSCF (Interrogating-CSCF). S-CSCF (Serving-CSCF). P-CSCF
O P-CSCF é o primeiro ponto de contato (no plano de sinalização) entre o terminal IMS e a rede IMS. Do ponto de vista do SIP, o P-CSCF está agindo como um SIP Proxy Server de entrada e saída. Isto significa que todos os pedidos iniciados ou destinados ao terminal IMS passa pelo P-CSCF. O P-CSCF envia requisições e respostas SIP no sentido apropriado (isto é, para o terminal IMS ou para a rede IMS).
O P-CSCF é alocado ao terminal durante o registro e permanece enquanto durar este registro (isto é, um terminal IMS se comunica somente com um único P-CSCF durante todo o registro).
O P-CSCF inclui diversas funções, algumas delas são relacionadas à segurança. Primeiramente, estabelece um número de associações de segurança IPSec para o terminal IMS. Estas associações de segurança IPSec oferecem proteção de integridade (isto é, a habilidade de detectar qualquer mudança no conteúdo da mensagem desde sua criação).
Uma vez que o P-CSCF autentica o usuário (como parte do estabelecimento da associação de segurança) o P-CSCF afirma a identidade do usuário aos demais nós da rede. Desta maneira, os outros nós não necessitam autenticar novamente o usuário já que confiam no P-CSCF. O resto dos nós da rede de identificação do usuário (afirmada pelo P-CSCF) tem outras finalidades, tais como fornecer serviços personalizados e gerar registros do cliente.
Adicionalmente, o P-CSCF verifica a exatidão dos pedidos SIP emitidos pelo terminal IMS. Esta verificação impede que terminais IMS criem requisições as quais não foram construídos de acordo com regras do SIP. O P-CSCF inclui também um compressor e um descompressor de mensagens SIP (os terminais IMS também incluem ambos). As mensagens SIP podem ser grandes, dado que o SIP é um protocolo baseado em texto. Enquanto uma mensagem SIP pode ser transmitida sobre uma conexão broadband em uma duração razoavelmente curta, a transmissão de grandes mensagens SIP sobre um canal narrowband, tal como alguns links de rádio, pode demorar alguns segundos.
O mecanismo usado pra reduzir o tempo de transmitir uma mensagem SIP é comprimir a mensagem, emiti-la sobre a interface aérea, e descomprimi-la após seu recebimento no lado oposto.
O P-CSCF pode incluir um PDF (Policy Decision Function). O PDF pode estar integrado com o P-CSCF ou ser implementado como stand-alone. O PDF autoriza recursos de mídias e controla a qualidade do serviço deste plano.
O P-CSCF gera também a informação de tarifação para um nó externo de coleta.
Uma rede IMS inclui geralmente um número tal de P-CSCF’s que justifique a escalabilidade do equipamento e mantenha a redundância da funcionalidade.
I-CSCF
O I-CSCF é um proxy SIP situado na borda de um domínio. O endereço do I-CSCF é listado nos registros de domínio do DNS (Domain Name System). Quando um SIP server executa os procedimentos SIP para encontrar o próximo salto SIP para uma mensagem particular, o SIP server obtêm o endereço de um I-CSCF do domínio de destino.
Além da funcionalidade de proxy server SIP o I-CSCF tem interface com o SLF e o HSS. Esta relação é baseada no protocolo Diameter. O I-CSCF recebe a informação da posição do usuário e redireciona a requisição SIP para o destino apropriado (tipicamente um S-CSCF).
Adicionalmente, o I-CSCF pode opcionalmente cifrar partes de mensagens SIP que contém informação sobre o domínio, tal como o número dos usuários no domínio, seus nomes do DNS, ou sua capacidade. Esta funcionalidade é referenciada como THIG (Topology Hiding Inter-network Gateway). A funcionalidade THIG é opcional e é provável não ser aplicada a maioria das redes.
Uma rede IMS inclui geralmente a quantidade de I-CSCF’s que justifique a escalabilidade do equipamento e mantenha a redundância da funcionalidade.
S-CSCF
O S-CSCF é o nó central do plano de sinalização. O S-CSCF é essencialmente um SIP server, mas também executa o controle de sessão. Além da funcionalidade de SIP server o S-CSCF também atua como um SIP registrar. Isto significa que mantêm uma ligação entre a posição do usuário (por exemplo, o endereço IP que o usuário "logou") e o endereço SIP do usuário de registro (conhecido também como Public User Identity). Como o I-CSCF, o S-CSCF também executa uma relação com o HSS via Diameter. As principais razões para comunicar com o HSS são:
Baixar os vetores de autenticação do HSS referente ao usuário que está tentando acessar o IMS. O S-CSCF usa estes vetores para autenticar o usuário.
Baixar o perfil de usuário do HSS. Os perfis de usuário incluem o perfil do serviço, que é um conjunto de triggers que podem fazer com que uma mensagem SIP seja roteada através de um ou mais servidores de aplicação na orquestração de um serviço específico.
Informar o HSS que este é o S-CSCF que alocou o usuário durante o registro.
Todas as sinalizações SIP que os terminais IMS emitem e recebem passam pelo S-CSCF alocado a este usuário. O S-CSCF inspeciona cada mensagem SIP e determina se a sinalização SIP deve visitar uma ou mais aplicações durante o caminho ao destino final.
Uma das funções principais do S-CSCF é fornecer o roteamento SIP aos serviços. Se o usuário marcar um número de telefone em vez de um URI SIP (Uniform Resource Indentifier) o S-CSCF fornece os serviços de tradução, baseados tipicamente no DNS E.164 Number Transation.
O S-CSCF também reforça o policiamento do operador da rede. Por exemplo, um usuário pode não ser autorizado a estabelecer determinados tipos de sessões. O S-CSCF impede usuários de executar operações desautorizadas.
Uma rede inclui geralmente um número de S-CSCF’s de acordo com a escalabilidade e redundância desejada.
MRF
O MRF (Media Resource Function) fornece uma fonte de mídias na rede local. O MRF fornece à rede local a habilidade de tocar anúncios, misturar canais de mídia (por exemplo, uma ponte centralizada da conferência), transcodificar diferentes codec's, obtêm estatísticas, e faz toda análise das mídias.
O MRF é dividido em um nó do plano de sinalização chamado de MRFC (Media Resource Function Controller) e em um nó do plano de mídia chamado de MRFP (Media Resource Function Processor). O MRFC atua como um SIP User Agent (endpoint) e contêm uma interface SIP com o S-CSCF. O MRFC controla os recursos no MRFP através de uma interface H.248. O MRFP executa todas as funções relacionadas à mídia, tais como anúncios e conferências.
O BGCF é essencialmente um SIP server que inclui a funcionalidade de roteamento baseada em números de telefone. O BGCF é usado somente nas sessões que são iniciadas por um terminal IMS e dirigidas a um usuário em uma rede de circuito, tal como a PSTN ou a PLMN. As funcionalidades principais do BGCF são:
Selecionar uma rede apropriada onde o interworking com o domínio de circuitos possa ocorrer.
Selecionar um gateway apropriado para o tratamento da mídia PSTN/CS, se o interworking ocorrer na mesma rede onde o BGCF está alocado.
PSTN/CS Gateway
O PSTN Gateway fornece a interface com a rede de comutação por circuito, permitindo que os terminais IMS façam e recebam chamadas da PSTN (ou de alguma outra rede baseada em comutação por circuito). A figura 11 mostra a conexão entre um BGCF e um PSTN Gateway decomposto.
Figura 11: PSTN Gateway [13]. O PSTN Gateway é composto pelas seguintes funções:
SGW: o Signaling Gateway é a interface com o plano de sinalização da rede CS (por exemplo, a PSTN). O SGW executa a conversão de protocolo da camada mais baixa. Por exemplo, um SGW é responsável por substituir o transporte MTP pelo SCTP (Stream Control Transmission Protocol) sobre IP. Assim, o SGW transforma o ISUP ou BICC sobre MTP por ISUP ou BICC sobre SCTP/IP. MGCF: o Media Gateway Control Function é o nó central do PSTN/CS Gateway. Executa uma máquina de estado que faz a conversão de protocolo e o mapeamento SIP (o protocolo de controle da chamada no lado IMS) e também ISUP sobre o IP ou BICC sobre IP (BICC e ISUP são protocolos de controle da chamada em redes Circuit-Switched). Além da conversão de protocolo e do controle da chamada, o MGCF controla os recursos dos MGW. O protocolo usado entre o MGCF e o MGW é H.248.
MGW: o Media Gateway é a interface com o plano de mídia da rede PSTN ou CS. Por um lado o MGW pode enviar e receber mídias da rede IMS sobre o Real-Time Protocol (RTP). Por outro lado o
MGW usa um ou mais time slots PCM (Pulse Code Modulation) para conectar com a rede de CS. Adicionalmente, o MGW executa transcodificação quando o terminal IMS não suporta o codec usado pelo lado CS. Um cenário comum ocorre quando o terminal IMS está usando o codec AMR e o terminal PSTN está usando o codec G.711 [13].
AS
O AS (Application Server) é uma entidade SIP que hospeda e executa serviços. Dependendo do serviço atual o AS pode se operar na modalidade SIP proxy, SIP UA (User Agent), ou SIP B2BUA (Back-to-Back User Agent). O AS comunica com o S-CSCF usando SIP como mostrado na figura 12.
Figura 12: Diferentes tipos de AS’s [13].
O SIP AS é o usuário nativo da aplicação que hospeda e executa os serviços Multimídias IP baseados em SIP. Espera-se que os novos serviços específicos de IMS provavelmente serão desenvolvidos nestes servidores.
O OSA-SCS (Open Service Access – Service Capability Server) fornece uma interface a aplicações estruturadas em OSA. Herdando todas as funcionalidades do OSA especialmente para alcançar o IMS pelas redes externas. Este nó age como um AS conectado ao S-CSCF por SIP e ao AS OSA pelas API’s.
O IM-SSF (IP Multimedia – Service Switching Function) permite a reutilização dos serviços que foram desenvolvidos para o GSM através do protocolo CAMEL. O IM-SSF permite que um gsmSCF (GSM Service Controll Function) controle uma sessão IMS. O IM-SSF age como um AS conectado via SIP ao S-CSCF e como um SSF conectado via CAP ao gsmSCF.
Além da interface SIP, o AS pode opcionalmente fornecer uma interface ao HSS. As interfaces dos SIP-AS e OSA-SCS com o HSS são via Diameter e entre o IM-SSF com o HSS é via MAP, elas são utilizadas para download ou upload dos dados relacionados a um usuário [13].
NGN e IMS II: Considerações Finais
Esta série de tutoriais apresentou os conceitos e a padronização das redes NGN (Next Generation Networks) e sua comparação com as redes legadas, e introduz o conceito IMS (IP Multimedia Subsystem), como forma de disponibilizar um método rápido no desenvolvimento de novos serviços para competir com os provedores de conteúdos.
O tutorial parte I apresentou as redes de telecomunicações desde o seu início (redes legadas) e detalhou os principais conceitos das redes NGN (redes convergentes), sua arquitetura e o seu modelo funcional.
Este tutorial parte II apresentou os elementos funcionais e as aplicações das redes NGN e detalhará os sistemas IMS, apresentado seus conceitos e sua arquitetura.
As definições dos principais modelos funcionais, interfaces e protocolos de comunicação das arquiteturas NGN e IMS dão a visão básica do caminho da evolução das redes de telecomunicações para possibilitar a convergência entre as redes e a entrega dos serviços independente dos meios de acesso.
Entretanto, faz-se necessário um maior aprofundamento em algumas características adicionais, também importantes, mas não incluídas neste trabalho para se ter um abordagem completa.
A figura 13 ilustra uma arquitetura contento diversos elementos que complementam a solução.
Figura 13: Arquitetura completa [8]. Podem-se destacar dois pontos que exigem uma atenção adicional:
Charging Function – Funcionalidade de coleta e processamento da bilhetagem e tarifação.
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