CN103067414A - 一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于多媒体业务的网络技术范围的一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法。在IMS网络与IMS终端之间引入一个会话边缘控制器，以及在IMS网络之间引入与互连接会话边缘控制器，它们可以根据IMS网络和IMS终端的IP版本对SIP信令和RTP 媒体进行修改；SBC是用户设备UE和IMS核心网络的接口，它在接入侧和核心侧之间转发SIP消息，并且可以截获和转发到UE之间的媒体流。本发明通过研究IMS相关协议和标准，提出了将SBC作为一个边缘非标准实体引入IMS，基于JAIN-SIP v1.1实现了SBC在IMS IPv6过渡方案中的功能。并成功地将其部署在IMS模拟平台上。

Description

一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法

技术领域

本发明属于多媒体业务的网络技术范围，特别涉及一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法。

背景技术

IP多媒体子系统是一种全新的提供多媒体业务的网络架构，它能够满足用户更新颖、更多样化的多媒体业务需求。自从3GPP R5版本已经选择SIP作为IMS的信令协议，来实现基于IP的移动话音和多媒体通信。SIP是一个应用层控制协议，可以用来创建、修改以及终止基于IP网络的用户间的多媒体会话。3GPP R5版本指出，IMS将只使用IPv6，但是由于IPv6的部署速度和规模并没有达到人们的预期，所以，3GPPR6版本又指出IMS 也需要支持IPv4。各大电信运营商和设备商早期部署的IMS 网络和IMS终端很多也都只支持IPv4。随着IMS网络和IMS终端向IPv6的过渡和演进，IPv4和IPv6的网络和终端将长期共存，而这种共存带来了网络和终端之间以及网络与网络之间的互操作问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法，其特征在于，该方法包括：

（1）IMS的系统构架；整个IMS网络可以分为三个层次：接入层、会话控制层和应用服务层。控制层基于SIP，与下面的传送层和上面的业务层之间具有开放的接口，允许运营商采用单一的核心网，横跨固定网与移动网提供VOIP，多媒体消息等基于SIP的业务。IMS符合NGN 把呼叫控制与传送分离的要求，是软交换的延伸，在软交换的基础上对控制功能作进一步分离；由各种应用服务器和认证服务器来完成业务生成、业务认证、业务运行和业务计费功能；

（2） 针对不同IP能力的IMS网络与SIP网络之间互相通信的解决方案，

1）IP多媒体子系统的信令控制协议--会话初始协议，SIP是由IETF提出来的一个应用层控制协议，它是在简单邮件传送协议SMTP和超文本传送协议HTTP的基础之上，坚持简洁开放、可扩展性和可重用性的原则之上建立起来的。SIP采用的是一种模块化结构，使用请求/应答模式，SIP是逻辑实体，而不是物理实体，逻辑实体可以共存于一个设备当中，也可以独立存在，即所包含的用户代理客户端，用户代理服务器，代理服务器和重定向服务器在一个会话过程中的作用可能发生改变；

2）在IMS网络与IMS终端之间引入一个会话边缘控制器，以及在IMS网络之间引入与互连接会话边缘控制器，它们可以根据IMS网络和IMS终端的IP版本对SIP信令和RTP 媒体进行修改，从而很好地解决上面描述的两个问题。同时，ANAT和IPv6优先也是SBC的一个重要功能。

（3）基于SBC的IMS网络中IPv4过渡到IPv6的解决方案

SBC是用户设备UE和IMS核心网络的接口，它在接入侧和核心侧之间转发SIP消息，并且可以截获和转发到UE之间的媒体流；IMS核心网络和UE都可能有不同的IP能力，并且运行在不同的IP版本；

ISBC跟SBC很相似，只不过SBC是位于IMS网络和IMS终端之间，而ISBC位于两个不同的IMS域之间。这些不同的IMS域也可能运行不同的IP版本，而ISBC就是用来进行不同IMS运营商的互联互通的。

所述SBC解决IPv4和IPv6的互通：IPv4终端和IPv6终端是怎样在SBC的帮助下进行通信的，首先joey和chandler要向IMS网络进行注册，当IMS核心网络收到这个INVITE请求消息后，SCSCF会去检查HSS或者是已经从HSS下载到本地的用户数据，首先查看joey是否已经注册和授权，然后检查chandler属于本IMS网络还是其他的IMS网络，如果属于本IMS网络， 检查chandler是否已经注册，以及绑定的IP地址；

在会话建立之后，chandler会将媒体流发送到SBC2的私有网络的IPv6地址，SBC2会查看自己维护的媒体地址映射表，然后使用自己的公有网络的IPv4地址将媒体流发送到SBCI；同理SBCl也会查看自己维护的媒体地址映射表，并使用自己的私有网络IPv4地址将媒体流转发给joey。

所述SBC原型的具体设计

SBC共分为三个模块，SBC管理器，信令处理模块，媒体流处理模块；

SBC管理器作为前端机，有两个功能：一方面根据配置文件的各个属性初始化SBC的各个模块，另一方面SBC管理器继承了JAIN-SIP中的监听接口，用于传输层的事件监听，将不同的事件交由相应的模块进行处理；

信令处理模块用于处理请求和应答消息。由于信令处理模块需要处理多个会话，所以会话管理模块就负责管理不同的分时系统和对话的相关信息，将不同会话的信令交由相应的模块进行处理；对SIP信令作了一个大致的分类，将信令处理模块分为四个部分：注册机、呼叫控制、媒体控制和信令转发。不同的消息会交给不同的模块处理；

SBC是VoIP呼叫控制产品，用于电话完全由VoIP传输而不需要网关的环境，它使用全部三种VoIP协议—H.323关守、SIP代理和媒体网关控制协议(MGCP)。它会在未来的VoIP服务提供中发挥重要作用，允许跨越多个口网络，即使有防火墙要穿越，也能提供有质量保障的VoIP服务；

当SBC接收到一个SIP请求时，SBC会作为一个UAS返回一个SIP响应给终端，或者修改这个SIP请求，并作为一个UAC将它转发出去，反之，当SBC从接收到一个SIP响应时，它的角色就是UAC，然后它可能会作为一个UAS来转发这个响应，通常这个响应在转发之前已经进行了适当的修改了。SBC对媒体流的处理通常在会话建立之后，当它收到媒体分组时，它可以通过查一张在建立会话时进行填充的“媒体地址映射表”来决定如何转发这个分组。

本发明的有益效果是基于会话边缘控制器(Session Border Controller，简称SBC)的IMS从IPv4向IPv6过渡方案的研究。从目前IMS发展的现状出发，在充分研究了传统IPv4与IPv6互通解决方案以及3GPP相关标准后，由于SBC独立于IMS其他节点，对其他节点影响较小，适合于独立部署；通过研究IMS相关协议和标准，提出了将SBC作为一个边缘非标准实体引入IMS，基于JAIN-SIP v1.1实现了SBC的功能，并成功地将其部署在IMS模拟平台上。

附图说明

图1是IMS的基本网络构架图；

图2是IP的功能实体图；

图3是使用TIGW提供翻译功能图；

图4是SBC的B2BUA模型图；

图5是SBC解决IPv4 IMS网络与IPv6 IMS终端之间的互通图；

图6是I-SBC解决IPv4 IMS网络与IPv6 IMS网络之间的互通图；

图7是基于SBC的呼叫建立流程图；

图8是BC系统设计模块图；

具体实施方式

本发明提出一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法。本发明是基于会话边缘控制器(Session Border Controller，简称SBC)的IMS从IPv4向IPv6过渡方案的研究。从目前IMS发展的现状出发，在充分研究了传统IPv4与IPv6互通解决方案以及3GPP相关标准后，由于SBC独立于IMS其他节点，对其他节点影响较小，适合于独立部署；通过研究IMS相关协议和标准，提出了将SBC作为一个边缘非标准实体引入IMS，基于JAIN-SIPv1.1实现了SBC的功能，并成功地将其部署在IMS模拟平台上。

1、IMS的系统构架

整个IMS网络可以分为三个层次：接入层、会话控制层和应用服务层；其中控制层基于SIP，与下面的传送层和上面的业务层之间具有开放的接口，允许运营商采用单一的核心网，横跨固定网与移动网提供VOIP，多媒体消息基于SIP的业务；IMS符合NGN 把呼叫控制与传送分离的要求，是软交换的延伸，在软交换的基础上对控制功能作进一步分离；图1为3GPP定义的IMS框架结构。

（1）IMS的技术特点：

1）与接入方式无关性；

2）支持分组域业务漫游；

3）差异化服务；

4）统一认证；

5）集中用户数据管理；

6）安全。

（2）IMS中的功能实体

IMS的基本网络架构分为应用层、会话控制层和接入互联层。这种分层结构中，业务的提供方式有了很大的改变，从网络实体中分离出来，由各种应用服务器和认证服务器来完成业务生成、业务认证、业务运行和业务计费等。

IMS的功能实体有：

1）本地用户服务器HSS；

2）呼叫会话控制功能CSCF；

3）多媒体资源功能MRF；

4）网关功能。

2、会话初始协议

（1）SIP是由IETF提出来的一个应用层控制协议，它是在简单邮件传送协议SMTP和超文本传送协议HTTP的基础之上，坚持简洁开放、可扩展性和可重用性的原则之上建立起来的。SIP采用的是一种模块化结构，使用请求/应答模式， SIP信息也是基于文本方式，因此简单灵活，升级扩展方便。

它主要支持5个方面：

1）用户定位：决定用于通信的终端系统的确定；

2）用户有效性：决定被叫方是否愿意加入通信；

3）用户能力：媒体和媒体参数的确定；

4）会话建立：响铃，主叫方和被叫方的会话参数的建立；

5）会话管理：发送和终止会话、修改会话参数、激活服务等。

SIP的功能实体如图2所示，SIP主要包含四种功能实体，不是每个功能实体都包含全部的四层，而且SIP规定的实体都是逻辑实体，而不是物理实体。功能实体可以共存于一个设备当中，也可以独立存在。用户代理客户端，用户代理服务器，代理服务器和重定向服务器在一个会话过程中的作用可能发生改变。例如，一个用户终端在会话建立时扮演用户代理服务器，而在主动发起终止会话时，则扮演用户代理客户端。

SIP的消息格式

SIP协议采用客户机/服务器的工作模型，通过请求消息和应答机制来建立会话。由于SIP处理的是客户端与服务器之间的请求和响应，所以SIP消息包括了请求消息和响应消息，二者都具有相同的消息格式。

SIP的工作机制

注册机制和注销机制。SIP工作机制的核心是请求和相应。

（2）SIP在IMS中的扩展

3GPP在IMS中既不定义新的SIP消息，也不定义私有的SIP包头，而是使用在RFC3261中定义的SIP，并且为某些SIP扩展需要给予特定的支持。最终要的扩展如下所示(它们在IETFRFC中都有定义)。压缩、安全、从指定的CSCF路由、私有包头、Precondition、网络发起的呼叫释放。

（3）JAIN-SIP概述

JAIN(JAVATM APPS for the integrated Network)是一个由超过80个成员组成的集团，对融合现有网络所需要的API进行规范．其中包括用于高层应用开发所需要的API(SPA，SLEE，Call Control，etc)和用于信令的协议层API(SIP，MGCP，SS7，etc)，在工业界，己经有许多JAIN产品被开发出来。JAIN APIs是一套基于JAVA技术的API接口，使得建于JAVA平台上的下一代电信产品与服务的快速开发成为可能。JAIN APIs将服务移植，网络集中和安全的网络访问带入了电话和数据网络。

3、IMS IPv6过渡方案的选择

（1）常用的过渡技术有双协议栈技术、协议翻译技术和隧道技术。

（2）3GPP R7中关于IMS与IPv4 SIP网络互通方案：

在3GPPTR 23.228中，针对不同IP版本终端和核心网之间的通信3GPPTR 23.2285.18提出了一个解决方案。它认为，IMS至少应该支持不同能力的终端之间的通信。除此之外，由于IP CAN的特殊属性而产生的影响应该通过IP-CAN解决，而不能影响IMS。基于3GPPTS 23.2211的网关提出了以下可能的解决方案。图3说明了一个互通的模型。其中，TrGW作为一个NA(P)T-PT提供了翻译功能。

（3）基于SBC的IMS IPv6过渡的解决方案

SBC是用户设备UE和IMS核心网络的接口，它在接入侧和核心侧之间转发SIP消息，并且可以截获和转发到UE之间的媒体流。IMS核心网络和UE都可能有不同的IP能力并且运行在不同的IP版本。

ISBC跟SBC很相似，只不过SBC是位于IMS网络和IMS终端之间，而ISBC位于两个不同的IMS域之间。这些不同的IMS域也可能运行不同的IP版本，而ISBC就是用来进行不同IMS运营商的互联互通的。

SBC像一个背靠背用户代理(Back-To-Back User Agents，B2BUA)一样工作。它可以同时终结信令和媒体流，并且修改某些SIP头域和SIP消息体，特别是会话描述协议消息体(SDP body)，而这些是作为一个普通的代理不允许的。例如，通过修改SDP消息体来控制媒体流的特性，如接收媒体的IP地址和端口，甚至于codecs；通过修改REGISTER消息的“Contact一头域，将SBC自己的地址插入这个头域来代替IMS终端完成注册，这样就可以让位于私网里面的IMS终端可路由；产生新的“From-tag”和“To-tag”，以及去掉“Via”和“Record-route” 头域来达到拓扑隐藏的目的。

像背靠背用户代理一样，当SBC接收到一个SIP请求时，SBC会作为一个UAS返回一个SIP响应给终端，或者修改这个SIP请求，并作为一个UAC将它转发出去。反之，当SBC从接收到一个SIP响应时，它的角色就是UAC，然后它可能会作为一个UAS来转发这个响应，通常这个响应在转发之前已经进行了适当的修改了。SBC对媒体流的处理通常在会话建立之后，当它收到媒体分组(如RTP包)时，它可以通过查一张在建立会话时进行填充的“媒体地址映射表”(MediaAddress Mapping Table)来决定如何转发这个分组。图4简单描述了SBC的B2BUA模型。

4、基于IMS的SBC的设计与实现

SBC是VoIP呼叫控制产品，用于电话完全由VoIP传输而不需要网关的环境。它使用全部三种VoIP协议—H.323关守、SIP代理和媒体网关控制协议(MGCP)。它会在未来的VoIP服务提供中发挥重要作用，允许跨越多个口网络，即使有防火墙要穿越，也能提供有质量保障的VoIP服务。

（1）SBC解决IPv4和IPv6的互通

图5描述了IPv4终端和IPv6终端是怎样在SBC的帮助下进行通信的。首先joey和chandler要向IMS网络进行注册。当IMS核心网络收到这个INVITE请求消息后，SCSCF会去检查HSS或者是已经从HSS下载到本地的用户数据，首先查看joey是否已经注册和授权，然后检查chandler属于本IMS网络还是其他的IMS网络，如果属于本IMS网络， 检查chandler是否已经注册，以及绑定的IP地址。

我们可以分析，在会话建立之后，chandler会将媒体流发送到SBC2的私有网络的IPv6地址，SBC2会查看自己维护的媒体地址映射表，然后使用自己的公有网络的IPv4地址将媒体流发送到SBCI；同理SBCl也会查看自己维护的媒体地址映射表，并使用自己的私有网络IPv4地址将媒体流转发给joey。

图6描述了IPv4和IPv6的IMS网络是怎样在ISBC的协助下成功进行通信的。有两个IMS网络，example-a.com和example-b.tom。其中左边的IMS网络代表早期部署的，它只支持IPv4接入，而右边的IMS网络代表升级过后的，它支持IPv6。

如果想建立一个跨域的呼叫会话，必须在这两个IMS网络之间增加一个实体--ISBC。当ISBC收到来自一个IMS网络的SCSCF结点的INVITE请求，比IMS网络中IPv4向IPv6演进过程中的互通问题的研究如说example-a.com域的SCSCF发送一个INVITE请求给ISBC，ISBC会通过查询E-DNS，得到example-b.com域的ICSCF结点的IPv6地址和端口，然后将连接example-b.com域的接口的IPv6地址插入到INVITE的SDP消息体中，最后将这个INVITE请求转发给ICSCF结点。相反的，ISBC也会根据根据“Via” 头域将被叫的183响应转发到example-a.com域的SCSCF结点。

（2）基于SBC/I-SBC的IMS会话流程分析及信令处理逻辑

对于基于SBC的IMS注册流程包含两层意义：

1）向IMS网络中的S-CSCF注册并与P-CSCF形成安全联盟；这是IMS用户注册的普遍意义。从外部节点看来，实际上是同一个SBC的IP地址注册到了S-CSCF上。

2）向SBC（不包括I-SBC）注册。但该论文不认为UE向SBC注册的地址类型反映了其信令和媒体IP能力。

（a）基于SBC的会话建立流程分析及消息处理逻辑：

图7是包含了初始INVITE消息，临时响应和终止会话的BYE消息的一个完整会话流程：

1）Request URl头域

2）From和T0头域中的tag参数

3）Route头域

4）Contact头域

5）Via头域

6）Record-Route头域

7）MaxForward头域

8）SDP消息体修改

9）SBC的ANAT功能对SDP offer的处理

10） SBC的ANAT功能对SDP allswer的处理

（b）基于SBC的会话终止流程分析及消息处理逻辑

SBC具体的处理逻辑如下：

1）一旦收到CANCEL请求，即发送200 OK消息给请求方；

2）当收到来自callcrDialog的CANCEL请求，SBC根据calleeDialog中所记录的事务信息获得最初INVITE消息所创建的客户端事务，并创建一个新的CANCEL请求。

3）如前所述，更新CANCEL消息中相关的头域值，如(RequstURl，Contact，Route，MaxForward)

4） 根据新创建的CANCEL消息获得一个新的客户端事务(Cancel事务)，并将fromTag设置为与原有的Invite事务ID，即branch ID。

5）通过cancel事务发送请求。

（3）SBC/I-SBC系统模块设计

基于B2BUA模型及业务场景，我们实现的SBC共分为三个模块，SBC管理器，信令处理模块，媒体流处理模块。如图8所示。

SBC管理器作为前端机，有两个功能。一方面根据配置文件的各个属性初始化SBC的各个模块，另一方面SBC管理器继承了JAIN-SIP中的Listener接口，用于传输层的事件监听，将不同的事件交由相应的模块进行处理。

信令处理模块用于处理请求和应答消息。由于信令处理模块需要处理多个会话，所以会话管理模块就负责管理不同的session和call dialog的相关信息，将不同会话的信令交由相应的模块进行处理。我们对SIP信令作了一个大致的分类，将信令处理模块分为四个部分：注册机、呼叫控制、媒体控制和信令转发。不同的消息会交给不同的模块处理。

注册机：负责处理注册相关的SIP信令，主要是Register消息。对于该类消息的处理策略与其他消息区别很大，所以单独交由注册机处理。注册机管理注册用户相关档案。

呼叫控制：负责建立呼叫会话等相关信令的处理，如INVITE，UPDATE，PRACK，183等各种请求和应答。由于这类消息的处理须依赖其特定会话的上下文，所以必须进入相关的状态机进行处理。

无状态信令转发：该类消息主要是指PUBLISH，REFER，NOTIFY，MESSAGE等与UE状态消息发布和即时消息相关的无状态信令，是在整个会话建立之后才存在的，与状态机无关，只需做成功地转发即可。

媒体流处理模块用于处理会话建立后的媒体流，它的实现体现了SBC是一个媒体感知的实体。通过媒体地址映射，它能够正确地转发RTP包。

Claims (3)

1.一种解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法，其特征在于，该方法包括：

（1）IMS的系统构架；整个IMS网络可以分为三个层次：接入层、会话控制层和应用服务层。控制层基于SIP，与下面的传送层和上面的业务层之间具有开放的接口，允许运营商采用单一的核心网，横跨固定网与移动网提供VOIP，多媒体消息等基于SIP的业务。IMS符合NGN 把呼叫控制与传送分离的要求，是软交换的延伸，在软交换的基础上对控制功能作进一步分离；由各种应用服务器和认证服务器来完成业务生成、业务认证、业务运行和业务计费功能；

（2） 针对不同IP能力的IMS网络与SIP网络之间互相通信的解决方案，

1）IP多媒体子系统的信令控制协议--会话初始协议，SIP是由IETF提出来的一个应用层控制协议，它是在简单邮件传送协议SMTP和超文本传送协议HTTP的基础之上，坚持简洁开放、可扩展性和可重用性的原则之上建立起来的。SIP采用的是一种模块化结构，使用请求/应答模式，SIP是逻辑实体，而不是物理实体，逻辑实体可以共存于一个设备当中，也可以独立存在，即所包含的用户代理客户端，用户代理服务器，代理服务器和重定向服务器在一个会话过程中的作用可能发生改变；

2）在IMS网络与IMS终端之间引入一个会话边缘控制器，以及在IMS网络之间引入与互连接会话边缘控制器，它们可以根据IMS网络和IMS终端的IP版本对SIP信令和RTP 媒体进行修改；

（3）基于SBC的IMS网络中IPv4过渡到IPv6的解决方案

SBC是用户设备UE和IMS核心网络的接口，它在接入侧和核心侧之间转发SIP消息，并且可以截获和转发到UE之间的媒体流；IMS核心网络和UE都可能有不同的IP能力，并且运行在不同的IP版本；

ISBC跟SBC很相似，只不过SBC是位于IMS网络和IMS终端之间，而ISBC位于两个不同的IMS域之间。这些不同的IMS域也可能运行不同的IP版本，而ISBC就是用来进行不同IMS运营商的互联互通的。

2.根据权利要求1所述解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法，其特征在于， SBC解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6的过程：IPv4终端和IPv6终端是怎样在SBC的帮助下进行通信的，首先joey和chandler要向IMS网络进行注册，当IMS核心网络收到这个INVITE请求消息后，SCSCF会去检查HSS或者是已经从HSS下载到本地的用户数据，首先查看joey是否已经注册和授权，然后检查chandler属于本IMS网络还是其他的IMS网络，如果属于本IMS网络， 检查chandler是否已经注册，以及绑定的IP地址；

在会话建立之后，chandler会将媒体流发送到SBC2的私有网络的IPv6地址，SBC2会查看自己维护的媒体地址映射表，然后使用自己的公有网络的IPv4地址将媒体流发送到SBCI；同理SBCl也会查看自己维护的媒体地址映射表，并使用自己的私有网络IPv4地址将媒体流转发给joey。

3.根据权利要求1所述解决IMS网络中IPv4过渡到IPv6互通方法，其特征在于，所述SBC共分为三个模块：SBC管理器，信令处理模块和媒体流处理模块；

SBC管理器作为前端机，有两个功能：一方面根据配置文件的各个属性初始化SBC的各个模块，另一方面SBC管理器继承了JAIN-SIP中的监听接口，用于传输层的事件监听，将不同的事件交由相应的模块进行处理；

信令处理模块用于处理请求和应答消息。由于信令处理模块需要处理多个会话，所以会话管理模块就负责管理不同的分时系统和对话的相关信息，将不同会话的信令交由相应的模块进行处理；对SIP信令作了一个大致的分类，将信令处理模块分为四个部分：注册机、呼叫控制、媒体控制和信令转发。不同的消息会交给不同的模块处理；

SBC是VoIP呼叫控制产品，用于电话完全由VoIP传输而不需要网关的环境，它使用全部三种VoIP协议—H.323关守、SIP代理和媒体网关控制协议(MGCP)。它会在未来的VoIP服务提供中发挥重要作用，允许跨越多个口网络，即使有防火墙要穿越，也能提供有质量保障的VoIP服务；

当SBC接收到一个SIP请求时，SBC会作为一个UAS返回一个SIP响应给终端，或者修改这个SIP请求，并作为一个UAC将它转发出去，反之，当SBC从接收到一个SIP响应时，它的角色就是UAC，然后它可能会作为一个UAS来转发这个响应，通常这个响应在转发之前已经进行了适当的修改了。SBC对媒体流的处理通常在会话建立之后，当它收到媒体分组时，它可以通过查一张在建立会话时进行填充的“媒体地址映射表”来决定如何转发这个分组。

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