A O T. IP Multimedia Subsystem. Agententechnologien in der Telekommunikation Sommersemester Stefan Marx stefan.marx@dai.labor.

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1 IP Multimedia Subsystem Agententechnologien in der Telekommunikation Sommersemester 2009 Stefan Marx Lecture Agententechnologien in betrieblichen Anwendungen und der Telekommunikation

2 Agenda IMS Einleitung (Überblick, Motivation) Session Initiation Protocol Einleitung Überblick SIP Session Aufbau und Registrierung SIP im Detail: Session Aufbau, Protokoll Nachrichten, Komponenten Session Aufbau/Kontrolle - Kombination mit SDP Security SIP Protokoll Erweiterungen (Presence & IM) IMS Überblick SIP Signalisierung im IMS Komponenten: CSCF, HSS Registration / Session Aufbau im Detail Service Ausführung / SIP AS / Integration mit Parlay, OMA Weitere Komponenten: MRF, BGCF, Charging Security IMS Integration NGN, IPTV Zusammenfassung Referenzen 2

3 Einleitung Quelle: 3

4 Einleitung IP Multimedia Subsystem Motivation (1) Not reusable Quelle: Business Communications Review, May 2006 Horizontal layered architecture and service integration 4

5 Einleitung IP Multimedia Subsystem Motivation (2) -> New network operators business model Neue bessere Dienste: z.b. bessere Video Qualität zugeschnitten auf den Benutzer (user context & location) User profiles & charging, AAA IMS als Teil der network operator Architektur Single-sign-on Quelle: 5

6 Einleitung IP Multimedia Subsystem (1) Voice Video Data kontrollierte und personalisierte Person-zu-Person und Person-zucontent Kommunikation AAA, QoS, Roaming New multimedia realtime applications Connectivity network independence Converged networks Single Sign On Service Integration IMS Open-Standard Schnittstellen Charging 6

7 Einleitung IP Multimedia Subsystem Spezifiziert vom Third Generation Partnership Project (3GPP/3GPP2) Ursprünglich als Teilspezifikation in Release 5 (2002) für 3G Mobilfunknetze / UMTS Ab Release 6 (2004) WLAN Integration, ab Release 7 unabh. von Zugangstechnologie IMS ist Industriestandard für Netze der nächsten Generation für Dienste wie VoIP, Telefonie und Multimedia definiert generische Architektur mit Open-Standard Schnittstellen IMS-Standard beschreibt Funktionen der Netzelemente und Schnittstellen zwischen ihnen (Reference Points) Definiert Mechanismen für: Sicherung der Dienstqualität (QoS), Roaming, Abrechung der Multimedia Sitzung (charging), Integration von Diensten IMS Dienste bieten kontrollierte und personalisierte Person-zu-Person und Person-zucontent Kommunikation (Sprache, Text, Video, ) 7

8 Einleitung IMS Motivation Zusammenfassung Eine Service-orientierte Umgebung - Nutzung einer Vielzahl von Anwendungen unabhängig vom darunter liegenden Zugriffsnetzwerk und dem verwendeten Endgerät layered, horizontale Netzwerk Architektur Wiederverwendung der Funktionalitäten in verschiedenen Anwendungen ermöglicht Service Providern schnelle, einfache und kostengünstige Entwicklung/Einführung neuer VoIP- und Multimedia-Dienste basierend auf einer standarisierten Architektur Gemischte Multimedia-Anwendung - einfache Kombination; keine Trennung zwischen Daten-, Video-, und Audio-Applikationen Security authentication, authorization, privacy single-sign-on; nach Registrierung Nutzung aller für den Benutzer freigeschalteten Dienste Quality of Service garantierte Qualität der Kommunikation Charging, Billing Neue Anwendungen - Videokonferenz, Push-to-Talk (Push-to-X), multiparty gaming, community services, content sharing, Presence-Management (kombiniert mit location based services) Roaming Nutzung der Dienste aus fremden Netzwerken 8

9 IMS / NGN History (UMTS) 9

10 Migration zu IMS Mobile networks (GSM) IMS Quelle: Alcatel 10

11 IMS - Architektur Überblick (1) 3 Layer Architecture Service Layer : telephony & multimendia apps IMS Enablers: specific generic ASs; e.g. presence, group mgt. value-added services (push-totalk, ) Control Layer: End point registration Session setup Media Servers (MRF) Signaling/Media Gateways (SG/MGCF) Connectivity Layer Verbindung unterschiedlicher Zugangsnetze zu IMS (über Gateways) IMS Quelle: White Paper IMS - IP Multimedia Subsystem, Ericsson 11

12 IMS - Architektur Überblick (2) Reference points describe all the traffic between two resources, including multiple protocols for the different types of traffic. IMS reference points not only specify how to interact with a resource but also which endpoints are allowed to interact with a specific resource. Quelle: hat_need_know_now_ htm 12 Quelle:

13 IMS verwendete IP Protokolle Schlüsselprotokoll: Session Initiation Protocol (SIP) Signalisierungs- Protokoll zum Aufbau, Abbau und Modifikation von Multimedia Sitzungen im Internet Diameter basierte AAA (Authentication, Authorisation, Accounting) und andere: SDP, RTP, RTCP, MGCP, Megaco (H.248), COPS, User Equipment (UE) 13 IMS Quelle: White Paper IMS - IP Multimedia Subsystem, Ericsson

14 Session Initiation Protocol 14

15 Session Initiation Protocol - Einleitung Signalisierungs-Protokoll zum Aufbau, Abbau und Modifikation von multimedia Sitzungen im Internet Audio/Video IP Telephonie / Konferenzen Instant Messaging, User Presence, gaming, distributed media, einfach strukturiert, leicht erweiterbar und offen request-response protocol, text-basiert ähnlich HTTP auf der Applikationsebene setzt auf Transport Protokollen wie UDP und TCP auf Standardisiert von der IETF in mehreren RFCs Kernprotokoll: erstmals im RFC 2543 (1999); aktuelle Spezifikation im RFC 3261 (2002); dazu zahlreiche RFCs zu Erweiterungen breite Unterstützung der führenden Telekommunikationshersteller, Standard der 3GPP/3GPP2 für multimediale Kommunikation 15

16 SIP Session Setup (1) Quelle: 16

17 SIP Session Setup (2) Quelle: 17

18 SIP Session Setup (3) Quelle: 18

19 SIP - Registering Quelle: 19

20 SIP Session Setup using SIP Proxies (1) Quelle: 20

21 SIP Session Setup using SIP Proxies (2) 21

22 Überblick SIP Funktionalitäten Kombinierter Einsatz mit Session Description Protocol (SDP) zum Beschreiben der Media Attribute Realtime Transport Protocol (RTP) zum Übertragen der eigentlichen media stream Daten Funktionalitäten : Ermitteln Ort bzw. Endgerät des Anzurufenden und Bereitwilligkeit zur Teilnahme an Kommunikation Verbindungsaufbau und -Verwaltung (Aushandeln und Modifizieren der Verbindungsparameter) Feststellen der Endgerät Fähigkeiten Erweiterungen ermöglichen u.a. user presence awareness und Instant Messaging 22

23 SIP - Basic requests (RFC 3261) REGISTER: Registrieren der gegenwärtige location eines Clients INVITE: Initiieren eines Anrufes, Media (Neu-)Aushandlung ACK: Client bestätigt Eintreffen einer INVITE OK Antwort vom Server BYE: Teilnehmer beendet Anruf CANCEL: bricht vorhergehend gesendeten request ab OPTIONS: UAC erfragt die Fähigkeiten eines UAS; der UAS reagiert wie bei einem INVITE ohne einen Anruf zu initialisieren 23

24 SIP - Protokoll (1) Messages - Requests SIP request Aufbau : request-line (mit request Methode und Ziel URI), mehrere header lines, leere Zeile, optionaler message body (message payload) INVITE sip:alice@domain2 SIP/2.0 Call-ID: 94fc977387a5a7fc1cad58c17106dd52@ CSeq: 4 INVITE From: Bob" <sip:bob@domain1>;tag=6043 To: Alice" <sip:alice@domain2> Via: SIP/2.0/UDP :15890; branch=z9hg4bk71d20bccbea3e3c145dc60466c44fb Max-Forwards: 70 Route: <sip: :5060> Content-Type: application/sdp Contact: <sip: :15890;transport=udp> Content-Length: 87 v=0 o= IN IP s=c=in IP

25 SIP - Protokoll (2) - Messages - Responses status-line enthält status code und Kurzbeschreibung der Antwort, Status code geteilt in 6 Klassen : 1xx : informelle Antwort, Session in Progress o. Ringing 2xx : success, request ist akzeptiert 3xx : redirection des requests, der Sender hat den request an neue(n) Empfänger zu richten 4xx : client error syntaktischer Fehler im request oder request kann vom server nicht bearbeitet werden 5xx : server error Fehler im server beim Abarbeiten des requests 6xx : global error Fehler in allen servern (vom proxy gesetzt) man unterscheidet provisional (1xx) und final (alle anderen) Antworten einem request sind mehrere provisional (nur bei INVITE) und eine final response von einer remote Instanz einer SIP Entität zugeordnet sind mehrere (remote) Instanzen registriert, können auch mehrere final Antworten eintreffen (oder werden vom SIP proxy server absorbiert) 200 OK SIP/2.0 Call-ID: CSeq: 4 INVITE From: To: Contact: v=0 o= s=c=in IP

26 SIP - Session Signalling Flow (1) Anruf Initialisierung, Media Strom Aushandlung (audio/video media stream) Modifikation der Medienströme (re-invite) Anruf Beendigung 26

27 SIP - Session Signalling Flow (2) Quelle: Understanding SIP, D. Sisalem and J. Kuthan 27

28 SIP - Session Stream Negotiation & Description Session Description Protocol (SDP) (RFC 2327) : session stream Attribute werden vom beschrieben (als body in SIP messages) U.a. Empfänger IP Addresse und Port, media type, Protokoll, Codecs, Name und Zweck der Session, Startzeit Aushandlung erfolgt per offer-answer mechanism (RFC 3264) Herausfinden der codecs die von beiden Teilnehmern unterstützt werden SIP messages enthalten offer/answer als SDP body, wenn kein body offer requirement (nur INVITE) Gebräuchlich im INVITE / 200 OK message Paar (aber auch : 200 OK / ACK, 183 / PRACK) Neuaushandlung der streams durch Senden eines neuen offers (re-invite oder UPDATE), Beenden/Verwerfen und Hinzufügen von streams Offer : v=0 o= IN IP s= c=in IP t=0 0 m=audio 3456 RTP/AVP 0 8 m=video RTP/AVP 32 Answer : v=0 o= IN IP s= c=in IP t=0 0 m=audio RTP/AVP 8 m=video 0 RTP/AVP 32 28

29 SIP Registrar Server Erreichbarkeit für andere Benutzer : gewährleistet durch Registrierung am registrar server Location Database Eintrag Benutzer sip:name@domain ist erreichbar unter IP + port SIP Entitäten sind eindeutig identifiziert durch eine SIP URI (Uniform Resource Identifier), sip:username@domain User Agent registriert seine derzeitige location (IP address + port) mit SIP URI (address-of-record) des Benutzers durch REGISTER request Benutzer kann über mehrere Endgeräte gleichzeitig erreichbar sein In Kombination HTTP Digest Authentication (RFC 2617) zur Benutzer Authentifizierung 29

30 SIP Proxy Server Routet die SIP messages vom UAC zum UAS, und zurück Proxy Server muß nächsten Hop bestimmen, möglich durch : DNS, registrar (location database), Benutzerskript, fest konfiguriert Ist meist co-located mit einem registrar Verändert bestimmte Teile der requests vor dem Weitersenden; ermöglicht u.a.: routen der Responses (Proxy Adresse in Via-header) zurück zum UAC Record-Routing: Proxy bleibt im SIP signaling path einer session Man unterscheidet stateless und stateful proxy Stateful : hält Transaction (Zuordenen von responses zu requests), forking möglich, Absorbieren von retransmissions Stateless : schneller, skalierbar, produziert mehr traffic 30

31 SIP Proxy Forking Der Angerufene ist an mehreren Endgeräten gleichzeitig registriert Proxy kann request an mehrere Engeräte des Angerufenen weiterleiten Bei Rufannahme : Zurückreichen der ersten OK Antwort (von (2)), Abrechen (CANCEL Methode) der anderen Einladung (1) CANCEL Callee instance (1) Caller 31 Callee instance (2)

32 SIP Komponenten User Agent (UA) : Benutzerendgerät (Softphone, Hardphone, auch Application Server u. PSTN GW) UA Client (UAC): initiiert Anrufe, sendet SIP Anfragen UA Server (UAS): hört auf eingehende Anrufe, sendet SIP Antworten Proxy Server : routet SIP Nachrichten zw. SIP Entitäten Registrar Server : registriert Bindung zw. Benutzer und Endgerät Redirect Server : leitet SIP requests zu neuer(/n) location(s) (per 3xx response mit neuem contact(s)) Back-to-Back User Agent (B2BUA) terminiert SIP Anfragen (UAS) und generiert neue (UAC) Manipulation von SIP messages SIP proxies (optional) SIP AS + Registrar SIP Trapezoid mit UA und proxy server 32

33 SIP - Sicherheitsmechanismen Authentifizierung des request-senders HTTP Digest authentication scheme benutzt im SIP Protokoll Nach Erhalt von 401/407 response wird request nochmal mit Benutzer credentials (Name, realm und Passwort) versendet Integrität und Vertrauenswürdigkeit S/MIME Standard (RFC 3851) für digitale Signaturen und Verschlüsselung des SIP message bodies Verschlüsselter Transport SIPS URI ( sips: Schema anstatt von sip: ) als request-uri TLS Protokoll zum Senden des requests hopby-hop bis zum proxy server der Ziel-Domain UA REQUEST 407 Proxy Authorization Required REQUEST Authentication-header with user credentials 200 OK Proxy Server / Registrar 33

34 SIP Erweiterungen Presence and Instant Messaging Spezifikationen von der IETF SIMPLE Working Group Konform zu generischen IM und presence Spezifikationen der IETF (CPP, CPIM, IMPP WG) -> Interoperabilität zw. versch. IM Protokollen (z.b. SIP zu XMPP über Gateways) Presence services definiert im presence event package Basiert auf generellem Event Notification Framework SUBSCRIBE / NOTIFY Methoden (RFC 3265) und Event State Publishing, PUBLISH Methode, RFC 3903, Event State Compositor und Event Publishing Agent User presence beschrieben durch das Presence Information Data Format (PIDF) Instant Messaging, two approaches : pager mode: MESSAGE Methode, RFC 3428, stand-alone Instant Messages über den SIP Signalisierungsweg session mode : per INVITE ausgehandelt, Daten per MSRP (Message Session Relay Protocol) peer-to-peer Watcher Presentity SUBSCRIBE 200 OK NOTIFY (event state) 200 OK (un)subscribe 200 OK Sender Instant Inbox MESSAGE 200 OK (SIP UA) (SIP UA) 34

35 SIP Erweiterungen Presence and Instant Messaging - Presence Information Data Format (PIDF) Request : Body: NOTIFY sip: :43313; transport=udp SIP/2.0 Event: presence Subscription-State: active;expires=3600 Record-Route: <sip: :5080;lr> Content-Type: application/pidf+xml Content-Length: 1047 Benutzer sip:bob@dai.de ist (mit seinem SIP Endgerät) unter der IP Adresse :65093 bereit zur Kommunikation (tuple Status der SIP Kontaktes ist open ), er ist aber zur Zeit beschäftigt (Status person = busy ). Weiterhin ist er per erreichbar (tuple Status ist open ). <presence xmlns="urn:ietf:params:xml:ns:pidf" entity="pres:bob@dai.de"> <dm:tuple id="eadcddf7"> <contact>sip: :65093</contact> <status><basic>open</basic></status> <timestamp> t05:31:56z</timestamp> </dm:tuple> <dm:tuple id="eadcddf8"> <contact>mail:bob@dai.de</contact> <status><basic>open</basic></status> </dm:tuple> <dm:person id="eabfccd3"> <status><basic>open</basic></status> <dm:timestamp> </dm:timestamp> <rpid:activities> <rpid:busy/> </rpid:activities> </dm:person> </presence> 35

36 SIP Erweiterungen Presence and Instant Messaging - SIP Presence Server SUBSCRIBE Presence Server Quelle: 36

37 SIP Erweiterungen Event Notification Event Notification Framework (SUBSCRIBE/NOTIFY/PUBLISH) ist generisch, beliebig erweiterbar weitere definierte event packages : registration event package : Informationen über registrierte SIP Entitäten reference event package : kontaktiere third-party und teile Erbgebnis mit! (session mobility, session hand-off) conference event package : Informationen über Konferenz Teilnehmer/Status watcher info event template-package : Informationen über subscriber für einen bestimmten event und notifier 37

38 IP Multimedia Subsystem 38

39 IMS - Architektur Überblick Service Layer (Application Layer) Application Server (AS) IMS Enablers (specific generic ASs; e.g. Presence, Group Management.) Service Control Layer (IMS Core) Call Session Control Function (S-, I-, P- CSCF) Home Subscriber Server Media Resource Function (MRF) Media Gateway (SG/MGCF) Policy Decision Function (PDF) Charging Function Breakout Gateway IMS User Equipment (UE) 39

40 IMS User Identity User Equipment = 3GPP IMS konformer SIP User Agent UE enthält ISIM / USIM (IP Multimedia / Universal Subscriber Identity Module) mit : Security key (für Benutzer Authentifizierung und Integrität/Verschlüsselung der SIP Nachrichten) Öffentliche und private Benutzer IDs sind dort gespeichert Home Network Domain URI USIM : temporäre private identity und public identity werden zugewiesen (berechnet aus IMSI (International Mobile Subscriber Identitfication) IP Multimedia Private Identity (IMPI) Genau eine pro IMS subscriber, benutzt für AAA IP Multimedia Public Identity (IMPU) Normale SIP URI oder TEL URI Benutzt zum Routen der SIP messages Identifiziert den Benutzer öffentlich Mehrere public identities per IMS subscription möglich -> Benutzer agiert unter verschiedenen Rollen -> Nutzung unterschiedlicher Dienste über zugewiesene Benutzer Profile 40

41 IMS SIP Signalling - Ohne Roaming Quelle: 41

42 IMS SIP Signalling - Mit Roaming Quelle: 42

43 IMS SIP Signalling - QoS PDF Policy Decision Function : Durchsetzen der auf Applikationsebene geforderten Media Qualitäten auf Netzwerk Ebene (PDP context activation) Quelle: 43

44 IMS SIP Signalling Charging Quelle: / SCF CCF - Charging Collection Function / SCF - Session Charging Function 44

45 IMS - Call Session Control Function (CSCF) Quelle : 45

46 IMS - Proxy CSCF (P-CSCF) Erster Kontaktpunkt (outbound proxy) im lokalen oder besuchten Netzwerk vom UE ausfindig gemacht über DHCP oder GPRS PDP Agiert als proxy : Weiterleiten der SIP registration vom UE zum I-CSCF des Home Netzwerks Weiterleiten der SIP requests vom UE zum S-CSCF (oder I-CSCF) des Home Netzwerks Weiterleiten der eintreffenden SIP Nachrichten zum UA Enthält PDP(Policy Decision Point) / PDF (Policy Control Function) : ermittelt der QoS Klasse und Trägerquellen Prüft Media Parameter (SDP) gegen lokale policies Komprimieren und Dekomprimieren (SigComp) von SIP Nachrichten zwischen UE und P-CSCF Aufbau Security Association zwischen UE und P-CSCF (SIP über IPSec) Weitere Funktionen : Protokollierung, Aufruf Services in der lokalen Infrastruktur: Notrufunterstützung 46

47 IMS - Serving CSCF (S-CSCF) Agiert als Registrar; während Registrierung : Authentifizieren des Benutzers (), holt dazu authentication vector vom HSS über Diameter MAR request Holt user profil (zum späteren routen weiterer requests) vom HSS über Diameter SAR request Agiert als SIP Proxy Ist immer im SIP Signalisierungs Pfad (Record-Routing + Service-Route) Interagiert mit den Dienstplattformen, routet SIP request zu SIP AS Filterinformation (im Benutzer Profil, vom HSS) bestimmen, ob und welcher AS einen Dienst ausführen soll Notifiziert SIP Entitäten über Eintreten eines Registrierungsereignisses (De- Registrierung, Re-Authentifikation) Führt netzwerkinitiierte De-Registrierung und Anruf Beendigung aus 47

48 IMS - Interogating CSCF (I-CSCF) Zentraler Kontaktpunkt für alle SIP requests zum subscriber eines Operator Netzwerks Registrierung: Zuweisung eines S-CSCF zum Benutzer (über HSS Diameter Anfrage) Routed SIP requests zu diesem S-CSCF Versteckt interne Struktur eines Operators - THIG (Topology Hiding Inter-Network Gateway) Immer im SIP Signallisierugspfad Pfad durch Record-Routing und Service-Route; Verschlüsselung der Einträge des zu schützenden Netzwerks in SIP messages 48

49 IMS Home Subscriber Server (HSS) Verwaltet die Benutzer Subscription / Profil Informationen Authentifizierungsinformationen Private und Public Identitäten der Benutzer Filter Kritierien -> welche services werden aufgerufen? Über welche Medien darf Benutzer kommunizieren Cx (Diameter) Schnittstelle zu S-CSCF, I-CSCF Liefert Authentifizierungs Daten und Benutzer Profil an S-CSCF Liefert zugewiesenen S-CSCF an I-CSCF Sh (Diameter) Schnittstelle zu Application Server Liefert Benutzer Datenan AS (public IDs, welcher S-CSCF?, registration state, location information, charging information, ) Notifiziert AS über dis Änderung von Benutzer Daten AS kann Benutzer Profil setzen Mehrere HSS Instanzen erlaubt, verwaltet von SLF (Subscription Location Function) 49

50 IMS - Registrierung und Session Aufbau 50

51 IMS - Session Initiierung mit Service Aufruf Serving Network A Serving Network B Access Network A Service Platform A (AS A ) Service Platform B (AS B ) Access Network B P-CSCF C PDF SIP / SDP I -CSCF A S-CSCF A SIP / SDP S-CSCF B I -CSCF B SIP / SDP P-CSCF D PDF Gm SIP/SDP inviting uey@homeb.com Go Go Gm SIP/SDP UE A Data- Path SGSN GGSN GGSN SGSN IP Backbone Network UE B PDP Context Sessionlevel(SIP/SDP signalling) Bearer level(pdp context activation / modification / Release) Interactionbetweensession andbearer level(cops) I-CSCF (between P-CSCF and S-CSCF) not shown for simplicity Quelle: 51 PDP Context

52 IMS Application Server / Service Trigger Points (1) Initial Filter Criteria Filter Regeln im Benutzer Profil; genau einer öffentlichen Benutzer ID zugeordnet Enthält Trigger Point + AS Indentifier (SIP URI format e.g. sip:as1@as.operator.com) Trigger Point = boolean expression -> unter welchen Bedingungen wird zum Application Server geroutet? Trigger Point = Konjunktion/Disjunktion von 1..n Service Point Trigger Service Point Trigger (SPT) : Request URI, SIP Methode, SIP Header, Session Description, session case (orginating or terminating) Quelle: 52

53 IMS Application Server / Service Trigger Points Example <InitialFilterCriteria> <Priority>0</Priority> <TriggerPoint> <ConditionTypeCNF>1</ConditionTypeCNF> <SPT> <ConditionNegated>0</ConditionNegated> <Method>INVITE</Method> </SPT> <SPT> <ConditionNegated>0</ConditionNegated> <SIPHeader> <Header>P-Asserted-Identity</Header> <Content>sip:boss@domain</Content> </SIPHeader> </SPT> </TriggerPoint> <ApplicationServer> <ServerName>sip:answermachine@ :5100</ServerName> <DefaultHandling>0</DefaultHandling> </ApplicationServer> </InitialFilterCriteria> all calls from boss have to go to an answering machine (SIP AS) (method=invite) AND (P-Asserted-Identity = sip:boss@domain) AND 53

54 IMS Application Server - Modes AS Dienste angeboten von home, visited oder third party provider S-CSCF forwards requests to AS, results of AS sent back to S-CSCF AS kann in 4 verschiedenen Modi agieren: terminating UA or redirect server originating UA SIP proxy B2BUA Quelle: Public Service Identities (PSIs) zum Identifizieren bestimmten Application Server Form einer SIP URI oder TEL URI, z.b: sip:songdownload@domain.de 54

55 IMS Application Server - Types SIP Application Server OSA / Parlay Services CAMEL Services 55

56 IMS SIP Application Server SIP Servlets - Eine Realisierungsmöglichkeit für SIP AS sind SIP Servlets - Definiert in Java Specification Request 289 (früher JSR 116) Quelle: 56

57 IMS Application Server OSA/Parlay Services: Third Party Call, Conferencing, Terminal Status/Location, Messaging, Presence, Audio Call, Streaming, Call Handling, Address Lists, Quelle: 57

58 IMS im Kontext von OSA/Parlay, Parlay X, OMA Open Mobile Alliance (OMA) Zusammenschluss Mobilfunk- Dienstleistungs- und Produktanbieter Standardisierung von Diensten, z.b. Presence und Group List Enabler (XDMS) Parlay Group Abstraktion von Diensten Zusammenarbeit 3GPP Parlay - IDL für CORBA Parlay X - SOAP Web Services IMS Core Quelle: 58

59 IMS Media Resource Function Media Server Funktionalität, bietet Dienste wie conferencing, streaming, announcement, recording Media Resource Function is geteilt in zwei Funktionalitäten Media Resource Control Function (MRFC) Media Resource Processor Function (MRPF) MRFC Interpretiert die SIP/SDP Signalisierungs Informationen vom S-CSCF / AS Agiert als SIP User Agent zum S-CSCF hin Kontrolliert MRPF über H.248 Protokoll; Alternative: (aber nicht standarisiert) SIP oder Integration MRFP und MRFC in eine Komponente (da weniger komplex) MRPF Mixing, streaming, transcoding 59

60 IMS Media Gateway Media Gateway Control Function (MGCF) - Gateway to PSTN networks Übersetzt SIP Nachrichten in entsprechende PSTN Signale und zurück Transcodiert codecs der Medienströme Agiert als SIP UA Breakout Gateway Control Function (BGCF) für Anrufweiterleitung vom IMS zum circuit switched network zuständig (Anruf Telefonnummer, PSTN / Public Land Mobile Network (GSM)) lokale MGCF (Anrufer im selben Netz) oder BGCF des fremden Netzes 60

61 IMS Charging Two approaches : Offline charging Online charging Offline Charging : users pay for their services periodically (e.g. at the end of month) Charging Collection Function (CCF) collecting of Session charging information from the IMS nodes (by using Rf interface (Diameter)) intermediate data storage buffering; call detail records (CDR) transfer of the charging data to the (operator s chosen) billing systems (BS) Online Charging: Prepaid Service, credit based charging Session Charging Function (SCF) = AS, erhält blind SIP requests über User Profil Filterregeln 61 / SCF Quelle:

62 IMS Sicherheitsaspekte 1: Beidseitige Authentifizierung zw. UE und Heimatnetzwerk über geheimen Schlüssel in ISIM und HSS (assoziiert zu privaten Benutzer Identität (IMPI)) bei der SIP Registrierung (3GPP Authentication and Key Agreement (AKA) Mechanismus) Security Associations (IPSec, ESP Verschlüsselung und Integrität) 2: zw. UE und P-CSCF; aufgebaut bei SIP Registrierung 3: Cx Interface zw. HSS und x- CSCF 4: inter domain über Security Gateways (SEGs) 5: intra domain zw. x-cscfs 62 Quelle : ETSI TS

63 IMS NGN Integration ETSI TISPAN aims to enable Next Generation Networks 3GPP IMS as core of NGN A multi-service, multiprotocol, multi-access, IP based network + Connectivity Control Layer Network Attachment Subsystem Resource Admission Control Subsystem Quelle: Introduction to TISPAN NGN, Gonzalo.Camarillo@ericsson.com 63

64 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV NGN / IMS based IPTV architecture, TISPAN TS UE Xa ISC SSF SDF Gm Sh UPSF Ut Sh Cx IPTV Service Control Functions Core IMS CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF ISC Application and IPTV Service Functions y2 IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF N-PVR-MCF IPTV Media Functions CoD-MDF Xp IPTV Media Delivery Functions e2 Gq' BC-MDF Xc Xd NASS e4 RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage Quelle folgende Seiten : 64

65 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (2) Xa SSF SDF Sh Ut Sh IPTV Service Control Functions CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF N-PVR-MCF SCF and SDF: dedicated SIP application servers for IPTV UE ISC Xc Xd UPSF Gm Cx ISC Core IMS e2 NASS e4 Gq' RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions Application and IPTV Service Functions y2 65 IPTV Media Functions IPTV Media Delivery Functions CoD-MDF BC-MDF Xp N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage UE: User Equipment Set-top box, Residential Gateway, Home-Theater PC, Core IMS: Bunch of SIP servers and User Profile Server HSS

66 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (3) Media control and delivery, Xa IPTV Service Ut Control e.g. SSF video-on-demand Functions SDF jukebox Sh Sh CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF N-PVR-MCF Transport, network attachment, ISC Gm UPSF Cx resource reservation UE ISC Core IMS Application and IPTV Service Functions y2 IPTV Media Functions CoD-MDF Xp IPTV Media Delivery Functions e2 Gq' BC-MDF Xc Xd NASS e4 RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage 66

67 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (4) UE Xa ISC SSF SDF Gm Sh UPSF Ut Sh Cx IPTV Service Control Functions Core IMS CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF ISC IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF SDF: Service Discovery Function, N-PVR-MCF what are my IPTV services, where can I change my user Xp Application and IPTV Service IPTV Media Functions Functions profile, where can I select my y2 service, address of service portal IPTV Media Delivery Functions CoD-MDF e2 Gq' BC-MDF Xc Xd NASS e4 RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage 67

68 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (5) Xa SSF SDF Sh UPSF Ut Sh Cx IPTV Service Control Functions CoD-SCF IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF BC-SCFSSF: Service Selection Function, N-PVR-MCF N-PVR-SCFgetting an Electronic Programme Xp Guide, what programs are available Application and IPTV Media Functions ISC IPTV Service Functions UE ISC Gm Core IMS y2 IPTV Media Delivery Functions CoD-MDF e2 Gq' BC-MDF Xc Xd NASS e4 RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage 68

69 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (6) SCF: Service Xa Control Function, Set up an IPTV session using SIPbased session control, select Media Function UE ISC SSF SDF Gm Sh UPSF Ut Sh Cx IPTV Service Control Functions Core IMS CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF ISC Application and IPTV Service Functions y2 IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF N-PVR-MCF IPTV Media Functions CoD-MDF Xp IPTV Media Delivery Functions RACS: Resource & Admission Control Subsystem Xc Xd e2 NASS e4 Gq' RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions BC-MDF N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage 69

70 IMS NGN Integration am Bsp. von IPTV (7) RTSP protocol for media Ut Xa control: Broadcast trick SSF modes, Content on Demand SDF and Network PVR IGMP protocol for control of plain UPSF Broadcast UETelevision ISC Gm Sh Sh Cx IPTV Service Control Functions Core IMS CoD-SCF BC-SCF N-PVR-SCF ISC Application and IPTV Service Functions y2 IPTV Media Control Functions CoD-MCF BC-MCF N-PVR-MCF IPTV Media Functions IPTV Media Delivery Functions CoD-MDF Xp e2 Gq' BC-MDF Xc Xd NASS e4 RACS Transport Control Functions Transport Functions Transport Processing Functions 70 N-PVR-MDF Media Delivery, Distribution & Storage RTP protocol for media transport

71 IMS - Zusammenfassung SIP als Standardsignalisierungsprotokoll im IMS IMS bietet : neue IP basierte Dienste schnelle Dienstentwicklung ( Layered Architektur) Interoperabilität der Dienste Zugriffsnetzwerkunabhängigkeit (UMTS, WLAN, DSL) AAA: Charging, single-sign-on, Sicherheit Roaming Neues Geschäftsmodel für den Netzwerk Betreiber Aber: IMS is complex and costly little (if any) in the way of new applications? there are performance concerns ( IMS 101: What You Need To Know Now, John Waclawsky) IMS Erfolg ist abhängig von der Akzeptanz der Benutzer Risiko: network operator als reine bit pipe, wenn Benutzer unabhängigie Kommunkaitons- Anwendungen nutzt (z.b. P2P) 71

72 Referenzen The Internet Engineering Task Force (IETF): RFCs SIP, Diameter The 3rd Generation Partnership Project (3GPP): The Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2): Parlay Group: OSA/Parlay, Parlay X Tech-Invite : : Collection of SIP, ETSI, 3GPP, TISPAN, standards The IMS Lantern Blog : Overview current IMS deployments, IMS resources links Many IMS details & aspects 72

73 Ende 73

74 Backup 74

75 IMS 75

76 IMS Beispiel Service Service für subscriber B : spiele Ansage ab, wenn ich bei eingehenden Anruf nicht erreichbar bin! User B online? Away! Presence server INVITE Trigger service for user B INVITE play announcment of user B Charging information INVITE User B RTP audio stream User A 76

77 IMS Main Features IMS Phase 1-3GPP Rel5 SIP Session Control for IMS Signalling Security & IMS Authentication : SIP signalling integrity (IPSec : UE / P-CSCF) IMS User/Service authentication (IMS-AKA) QoS : SBLP (Go : P-CSCF-PDF / GGSN-PEF) SIP Compression (Sigcomp, UE/P-CSCF) Header compression in RAN (UE / RNC, re-use of RoHC) Charging (mainly Offline) and OAM&P Multimedia codecs OSA support CAMEL (Phase 4) for IM-SSF IPv6 use for SIP signalling and IMS user traffic IPv4 optional (guidelines & IPv6 evolution) IMS Phase 2-3GPP Rel6 Inter-working with non-ims IP networks (e.g. Internet) Inter-working with CS networks (e.g. PSTN, CS PLMN) IMS Services combining CS (rt) & PS (nrt) : CSI Phase 1 Access agnostic IMS specifications UTRAN QoS optimisation for PS conversational services WLAN/3GPP inter-working for using PS/IMS services Presence/Instant Messaging (SIMPLE) OMA Group management & Conferencing (SIP) Immediate and Session based messaging Service enablers for IMS : PoC OMA Dynamic QoS policy (including Gq (P-CSCF/PDF)) Lawful interception SIP forking Full charging framework (incl. Online and Flow based) IPv4 option & IPv6 evolution guidelines still applicable IMS Phase 3-3GPP Rel7 (Draft contents, depends on Rel6 and company proposals) Emergency services IMS local services Enhanced QoS (extension for IP Inter-working) MRFP / MRFC (Mp) & ALG/Tr-GW (Ix) interfaces GERAN optimisation for PS conversational services IMS enhancements for Fixed Broadband access Interim Security (IP based authentication) Merging of Go and Gx (TPF/FBC) interfaces Quelle: 77

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80 SIP/IMS - Warum SIP? Simple. SIP is based on a straightforward request-response interaction model, making life simple and comprehensible for developers. The messages are also text-based which makes them easy to parse, create, read, understand and debug. Extensible. SIP can set up sessions for any media type, be it voice, video, application sharing or teleportation (once we invent it!) Flexible. SIP allows developers to interact with the individual protocol messages (within limits) without breaking anything. This means that developers can perform a lot of neat tricks that make development much easier. Familiar: In large part because SIP borrows heavily from HTTP and other internet standards from the IETF, lots of web-like technologies can be used to build SIP applications. SIP development looks and feels a lot like web development, and there are a lot of web developers out there. 80

81 IMS Registration - Signaling Flow (1/2) (3GPP AKA) Benutzer Authentification + Schlüsselaustausch für die Verschlüsselung aller weiteren SIP Nachrichten zw. UE und P-CSCF Quelle: Forschungszentrum Telekommunikation Wien, NGN Service Layer Security, Oliver Jung 81

82 IMS Registration - Signaling Flow (2/2) (3GPP AKA) Quelle: Forschungszentrum Telekommunikation Wien, NGN Service Layer Security, Oliver Jung 82

83 IMS Session Initiation - Signaling Flow (1/3) Quelle: 83

84 IMS Session Initiation - Signaling Flow (2/3) Quelle: 84

85 IMS Session Initiation - Signaling Flow (3/3) Quelle: 85

86 IMS Session Initiation - Zusammenfassung Reservierung der Media Resourcen notwendig Policy Decision Function (PDF) authorisiert QoS Resourcen anhand policies (GPRS) Packet Data Protocol (PDP) Context activation vor der Reservierung muss session ausgehandelt sein (PRACK, SIP early media negotiation) das alles sollte vor dem Klingeln geschehen (SIP 180 Ringing ) 86

87 Diameter Protocol Diameter: Request - Response Protocol, binary encoded, over reliable transport (e.g. TCP) Base Protocol (RFC 3588): Diameter sessions = exchange of commands and attribute value pairs (AVPs) between authorized Diameter clients and servers extensible for other applications through addition of new commands and AVPs 3GPP specific Diameter application: Cx, Dx interfaces: TS , Sh interface: TS , Codecs, identifiers: TS Example commands : Server Assignment Request and Answer (SAR/SAA) bei SIP REGISTER S-CSCF -> HSS: user is registered!, request user profil information SAR AVPs: IMPI, IMPU, S- CSCF, SAA AVPs: IMPI, IMPU, User Profil, Charging Information (address of charging function), Quelle: 87

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89 IMS Sicherheitsaspekte (2) Problem early IMS early IMS = IMS der ersten Phase: keine IP6 fähigen Geräte / keine USIM/ISIM in den Endgeräten 3GPP definiert early IMS Security Aber: nur ausgelegt für GPRS, keine Lösung für WLAN / xdsl 89 Quelle : ETSI TS

90 IMS Charging Function - Offline Charging Offline Charging : users pay for their services periodically (e.g. at the end of month) Home(A) Home(B) Charging Collection Function (CCF) collecting of Session charging information from the IMS nodes (by using Rf interface (Diameter)) intermediate data storage buffering; call detail records (CDR) transfer of the charging data to the (operator s chosen) billing systems (BS) SIP message extension headers: P-Charging-Vector, P-Charging- Function-Address Inserted by P-CSCF and S-CSCF Identifies: session, PDP-context, orginating / terminating network, CCF address BS BS CCF AAA Visited(A) AAA Rf Rf PDSN AS AS MRFC MRFC S -- CSCF CSCF I I -- CSCF CSCF P -- CSCF CSCF BGCF BGCF P - CSCF CSCF AS AS MRFC MRFC S-CSCF I-CSCF I-CSCF P-CSCF P-CSCF BGCF BGCF P-CSCF P-CSCF Rf CCF AAA Visited(B) Rf AAA PDSN BS BS 90

91 IMS Charging Function - Online Charging Online Charging: Prepaid Service, credit based charging Session Charging Function (SCF) = AS, erhält blind SIP requests über User Profil Filterregeln SCF meldet accounting Informationen an Correlation Function (CF) (über Rb Diameter interface) Wenn Benutzer Kredit abgelaufen, Meldung von CF an SCF, SCF beendet session durch SIP BYE an Teilnehmer (agiert als B2BUA) AS und MRFC melden Ereignisse an Event Charing Function (ECF) (aus SIP P-Charging-Function- Address header), ECF an CF S-CSCF AS(s) MRFC ITS Home(A) + Visited(A) ISC Ro Ro Session Charging Function Rating Function Online Charging System CCF Rb Re Re Correlation Function Account Rc Event Charging Function SCCF CPCF Bearer Charging Function Charging information flow Bearer Charging Function Rc Home(B) + Visited(B) Correlation Function SCCF CPCF Account Event Charging Function Re Re Rb Session Charging Function Rating Function Online Charging System ISC Ro Ro S-CSCF AS(s) MRFC ITS 91

92 DAI Labor IMS Aktivitäten 92

93 NGN 93

94 The role of SBCs in IMS and TISPAN based networks 94

95 IMS NGN IMS Residential Gateway 95

96 IMS - NGN Integration Quelle: Alcatel, Quality of Service for IMS on Fixed Networks 96

97 IMS NGN Integration (2) Network Attachment Subsystem (NASS): Location Management, provisioning of IP addresses, IP authentication, authorization of network access Resource Admission Control Subsystem (RACS): controls QoS resources, policies, NAT traversal, IPv4/IPv6 Protocol Translation, Security Quelle: 97

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99 SIP 99

100 SIP - Session establishment (4) Proxy 1 und Proxy 2 sind im signaling path der session durch Record-Routing 100 redirect server (vs. proxy server): kein Weiterleiten der requests, bestimmt UAS location aus database und sendet sie in 3xx class response zurück

101 SIP Erweiterungen Erweiterungen für Session Kontrolle PRACK Methode : bestätigt Erhalt der 1xx responses zum INVITE request (werden nun wie das 200 OK retransmitted, bis PRACK eintrifft) Eingeführt zur PSTN Kompatibilität Benutzt zum Aushandeln von early media, SDP offer/answer werden schon in INVITE / 1xx / PRACK ausgetauscht UPDATE Methode : Neuaushandlung wie re- INVITE für early media INFO Methode : Session relevante Informationen (Applikations-Ebene), z.b. the user is currently typing something 101

102 SIP - Transaction and Dialogs RFC 3261 : Protokoll Realisierung in verschiedenen logischen Ebenen encoding, transport, transaction, transaction user (TU) Transaction: umfasst request und alle responses transaction layer verarbeitet retransmissions, message Zuordnung und request timeouts Zuordnung durch transaction identifier = branch parameter im Via header Via: SIP/2.0/UDP :15890; branch=z9hg4bk71d20bccbea3e3c145dc60466c44fb42 Dialog: Sequenz von transactions Peer-to-peer Verbindung zw. zwei UAs über eine bestimmte Zeit Vereinfachung des Routens, direkte Kommunikation UA location vermittelt im Contact Header in request und response Quelle: SIP Introduction, J. Janak. 102

103 SIP Erweiterungen Event Notification (1) End-to-end notification (links) vs. zentraler Ansatz (rechts) mit PUBLISH und Event State Compositor (ESC) / Event Publishing Agents (EPA): 103