IMS Là Gì? Tìm Hiểu Chi Tiết Về IP Multimedia Subsystem

IMS (IP Multimedia Subsystem) là một kiến trúc mạng tiên tiến, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển và phân phối các dịch vụ đa phương tiện tới người dùng, không phụ thuộc vào phương thức truy nhập mạng. IMS hỗ trợ đa dạng các phương thức truy nhập như GSM, UMTS, CDMA2000, các kết nối băng rộng hữu tuyến như xDSL, cáp quang, cáp truyền hình, cũng như các kết nối băng rộng vô tuyến như WLAN, WiMAX. Mục tiêu chính của IMS là tạo ra sự tương tác (interoperability) giữa các hệ thống mạng khác nhau, mang lại lợi ích cho cả người dùng và nhà cung cấp dịch vụ. Kiến trúc IMS đã và đang nhận được sự quan tâm lớn từ giới công nghiệp, tuy nhiên, việc triển khai thực tế vẫn còn đối mặt với nhiều thách thức. Bài viết này sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về giải pháp IMS từ góc độ công nghệ, đồng thời phân tích những lợi ích và khó khăn mà nó đang gặp phải.

I. Tổng Quan Về Quá Trình Chuẩn Hóa IMS

Khái niệm IMS được hình thành và phát triển bởi diễn đàn công nghiệp 3G.IP, được thành lập vào năm 1999. Kiến trúc ban đầu của IMS do 3G.IP xây dựng, sau đó được chuẩn hóa bởi 3GPP (3rd Generation Partnership Project) trong Release 5, công bố vào tháng 3 năm 2003. Mục tiêu ban đầu của IMS là tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển và triển khai các dịch vụ mới trên mạng thông tin di động. Tổ chức chuẩn hóa 3GPP2 cũng đã xây dựng hệ thống CDMA2000 Multimedia Domain (MMD) để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện trong mạng CDMA2000, dựa trên nền tảng 3GPP IMS. Trong Release 6 của 3GPP IMS, mạng truy nhập WLAN đã được tích hợp như một phần của kiến trúc, thể hiện xu hướng hội tụ giữa mạng di động và WLAN.

IMS ban đầu được phát triển như một chuẩn cho mạng vô tuyến. Tuy nhiên, cộng đồng mạng hữu tuyến nhanh chóng nhận ra tiềm năng của IMS cho truyền thông hữu tuyến và tìm kiếm một chuẩn thống nhất. ETSI (the European Telecommunication Standards Institute) đã mở rộng chuẩn IMS thành một phần của kiến trúc mạng thế hệ tiếp theo NGN (Next Generation Network). Tổ chức chuẩn hóa TISPAN (Telecoms & Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking) trực thuộc ETSI, với mục tiêu hội tụ mạng thông tin di động và Internet, đã chuẩn hóa IMS như một hệ thống con của NGN. Trong Release 7 của IMS, việc cung cấp dịch vụ IMS qua mạng cố định đã được bổ sung, kết hợp với TISPAN. Năm 2005, phiên bản Release 1 của TISPAN về NGN được xem là một bước khởi đầu cho sự hội tụ cố định-di động trong IMS. Gần đây, 3GPP và TISPAN đã đạt được thỏa thuận để cho ra mắt phiên bản Release 8 của IMS với một kiến trúc IMS chung, hỗ trợ cả kết nối cố định và các dịch vụ như IPTV.

Phần lớn các giao thức sử dụng trong IMS được chuẩn hóa bởi IETF (Internet Engineering Task Force), đặc biệt là giao thức khởi tạo phiên SIP (Session Initiation Protocol). Nhiều cải tiến và phát triển của SIP để hỗ trợ các chức năng theo yêu cầu của hệ thống IMS đã được đề xuất và chuẩn hóa bởi IETF, bao gồm SIP hỗ trợ tính cước, bảo mật. Bên cạnh IETF và TISPAN, 3GPP hợp tác chặt chẽ với Liên minh di động mở OMA (Open Mobile Alliance) để phát triển các dịch vụ trên nền IMS. Một trong những dịch vụ do OMA phát triển là Push-to-Talk over Cellular (PoC) hay OMA SIMPLE Instant Messaging.

II. Những Lợi Ích Mà IMS Mang Lại

IMS, hay hệ thống con đa phương tiện IP, không chỉ là một nền tảng dịch vụ (service platform) mà còn là một kiến trúc mạng dùng để thao tác, quản lý và điều khiển các dịch vụ đa phương tiện đến người dùng cố định và di động. IMS định nghĩa một lớp quản lý dịch vụ chung cho tất cả các loại hình dịch vụ đa phương tiện, độc lập với loại hình mạng truy nhập mà người dùng đang kết nối. IMS xây dựng trên nền mạng lõi IP và cho phép nhiều mạng truy nhập khác nhau, bao gồm cả mạng di động và mạng cố định, kết nối với nhau thông qua lớp dịch vụ chung để cung cấp các gói dịch vụ hội tụ.

Trong bối cảnh Internet ngày càng trở nên phổ biến, cung cấp phương thức liên lạc, trao đổi và tương tác cho hàng tỷ người trên toàn thế giới, IMS nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho thế hệ mạng tương lai. Người dùng ngày càng mong muốn các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, mang tính cá nhân, có khả năng tương tác thời gian thực mọi lúc mọi nơi trên mọi thiết bị. Điều này đặt ra những yêu cầu mới cho kiến trúc hạ tầng mạng viễn thông, và IMS được xem như một giải pháp hứa hẹn để đáp ứng những mục tiêu này.

Một trong những mục tiêu quan trọng của IMS là đơn giản hóa việc quản lý mạng bằng cách tách biệt chức năng điều khiển và chức năng vận tải thông tin. IMS hoạt động như một mạng phủ (overlay), phân phối dịch vụ trên nền hạ tầng chuyển mạch gói. Điều này cho phép chuyển đổi dần từ mạng chuyển mạch kênh sang chuyển mạch gói trên nền IP, tạo điều kiện thuận lợi cho việc quản lý mạng thông tin di động. Khả năng kết nối giữa mạng cố định và di động cũng góp phần thúc đẩy tiến trình hội tụ mạng viễn thông. IMS cho phép người dùng sử dụng nhiều loại thiết bị khác nhau và di chuyển giữa các mạng khác nhau mà vẫn có thể sử dụng cùng một dịch vụ.

Kiến trúc IMS mang lại nhiều giá trị gia tăng cho nhà cung cấp mạng, nhà phát triển ứng dụng, nhà cung cấp dịch vụ và người sử dụng thiết bị đầu cuối. IMS giúp triển khai các dịch vụ mới một cách nhanh chóng với chi phí thấp. Nó cũng cung cấp khả năng tính cước phức tạp hơn so với hệ thống tài khoản trả trước hoặc trả sau, ví dụ như tính cước theo từng dịch vụ sử dụng hoặc phân chia cước giữa các nhà cung cấp dịch vụ và nhà cung cấp mạng. Khách hàng sẽ chỉ nhận một bảng tính cước phí duy nhất từ một nhà cung cấp mạng thường trú. IMS hứa hẹn mang đến nhiều dịch vụ đa phương tiện, giàu bản sắc theo yêu cầu và sở thích của từng khách hàng, từ đó nâng cao trải nghiệm của khách hàng (customer experience).

Với IMS, nhà cung cấp mạng không chỉ đơn thuần vận tải thông tin mà còn trở thành trung tâm trong việc phân phối dung lượng thông tin, đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ và đáp ứng các nhu cầu khác nhau của khách hàng.

Tóm lại, IMS tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà cung cấp dịch vụ xây dựng và triển khai các ứng dụng mới, giúp nhà cung cấp mạng giảm chi phí triển khai, vận hành và quản lý, đồng thời tăng lợi nhuận nhờ các dịch vụ mới, mang lại những dịch vụ mới tiện nghi cho khách hàng.

III. Những Điểm Yếu Của IMS Cần Khắc Phục

Một trong những thách thức lớn nhất đối với IMS là thiếu một mô hình kinh doanh đủ sức thuyết phục để các nhà cung cấp mạng chấp nhận triển khai. Mặc dù IMS hướng đến một mô hình mạng hội tụ, việc thuyết phục các nhà cung cấp mạng đầu tư vào IMS là một bài toán khó. Với IMS, khách hàng đăng ký với một nhà cung cấp mạng (network operator) có thể sử dụng dịch vụ của nhiều nhà cung cấp dịch vụ (service providers) khác nhau. Điều này có thể dẫn đến sự cạnh tranh giữa nhà cung cấp mạng và các nhà cung cấp dịch vụ nội dung lớn trên Internet (như Microsoft, Google…). Thay vì tăng thêm lợi nhuận nhờ các dịch vụ giá trị gia tăng, nhà cung cấp mạng có thể phải đối mặt với thất bại trong việc cạnh tranh với các nhà cung cấp dịch vụ. Do đó, nhiều nhà cung cấp mạng vẫn còn rất dè dặt khi quyết định triển khai IMS. Đây là một vấn đề mang tính chiến lược hơn là một vấn đề về công nghệ.

Về mặt kỹ thuật, tính bảo mật của IMS là một trong những điểm yếu được nhắc đến nhiều nhất. Các vấn đề liên quan đến quản lý nhận dạng người dùng, bao gồm các lỗi như Call ID spoofing, ăn cắp ID, tấn công DoS/DDoS, và spam, là những mối lo ngại lớn. Điểm yếu bảo mật nằm ở thiết bị SIP, vì nó chưa có một cơ chế chứng nhận thực tốt như trong mạng thông tin di động tế bào (ví dụ: bảo mật qua SIM). Sự hội tụ giữa nhiều loại hình mạng cũng gây ra không ít khó khăn trong việc quản lý bảo mật. Hiện tại, Release 8 của 3GPP đang xem xét vấn đề bảo mật này một cách nghiêm túc.

IMS hướng đến sự hội tụ, cho phép nhiều hệ thống và mạng tương tác với nhau. Tuy nhiên, đây cũng chính là một khó khăn lớn. Việc đảm bảo rằng các thiết bị từ nhiều nhà sản xuất khác nhau có thể tương tác được với nhau không phải là một điều dễ dàng. Bên cạnh đó, nhiều giao thức vẫn chưa được chấp nhận và triển khai rộng rãi, ví dụ như trường hợp của giao thức DIAMETER.

IMS tập trung chủ yếu vào quản lý dịch vụ, do đó thiếu các ứng dụng “hấp dẫn” mang đặc thù riêng của IMS. Đa phần các dịch vụ mà IMS hiện đang hỗ trợ đều có thể thực hiện được mà không cần đến IMS (ví dụ: sử dụng SIP). Hệ thống IMS khá phức tạp và chi phí để triển khai một hệ thống như vậy là không nhỏ. Bên cạnh đó, hiện chưa có giải pháp cho việc chuyển tiếp dần từ mạng hiện tại lên IMS. Một câu hỏi đặt ra là liệu các nhà cung cấp mạng có thể sử dụng lại những dịch vụ đã tồn tại mà không cần phải thay đổi quá nhiều. IMS hướng đến dịch vụ đa phương tiện, tuy nhiên, các dịch vụ như P2P, IPTV, VPN vẫn chưa được tích hợp và chuẩn hóa trên nền IMS.

Mặc dù IMS nhắm đến việc đảm bảo chất lượng dịch vụ, việc đảm bảo chất lượng dịch vụ khi chuyển đổi giữa các loại hình mạng khác nhau (trong môi trường mạng hội tụ), hoặc từ mạng của nhà cung cấp mạng này sang mạng của nhà cung cấp mạng khác, vẫn còn là một vấn đề chưa được giải quyết. Kiến trúc IMS thiếu một thực thể trung tâm để quản lý tài nguyên chung. Bài toán quản lý di động, chuyển giao giữa nhiều loại hình mạng khác nhau, cũng đặt ra những khó khăn nhất định cho việc cung cấp và quản lý dịch vụ IMS.

Ngoài các chức năng trên, để vận hành tốt, IMS cần có các chức năng theo dõi, quản lý và sửa lỗi của hệ thống. Trong môi trường mạng hội tụ, nếu một cuộc gọi bị rớt, chưa có một cơ chế nào để có thể xác định vị trí xảy ra lỗi (debugging).

IV. Kết Luận

IMS là một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc quản lý dịch vụ trong thế hệ mạng tiếp theo. Đây là một bước đi mang tính chiến lược lâu dài của nhiều công ty và tập đoàn viễn thông. Trong tương lai gần, sẽ còn nhiều thay đổi xoay quanh giải pháp IMS nhằm hoàn thiện những điểm yếu của nó. Tất cả những giải pháp IMS hiện tại chỉ là một giải pháp sớm (early IMS). Giải pháp IMS đầy đủ (full IMS) vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu và chuẩn hóa.

Kiến trúc IMS được phân thành 3 lớp chính: lớp ứng dụng, lớp điều khiển (hay còn gọi là lớp IMS lõi) và lớp vận tải (hay lớp người dùng).

  • Lớp dịch vụ: Bao gồm các máy chủ ứng dụng AS (Application Server) và các máy chủ thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server).
  • Lớp điều khiển: Bao gồm nhiều hệ thống con, trong đó có hệ thống IMS lõi.
  • Lớp vận tải: Bao gồm thiết bị người dùng UE (User Equipment) và các mạng truy nhập kết nối vào mạng lõi IP. Hai thực thể chức năng NASS và RACS định nghĩa bởi TISPAN có thể được xem như thuộc lớp vận tải hoặc lớp điều khiển.

Tại thời điểm hiện tại, kiến trúc cuối cùng của IMS vẫn chưa được thống nhất hoàn toàn. Tuy nhiên, về cơ bản, nó sẽ vẫn dựa trên các thành phần như được mô tả. Điều quan trọng cần lưu ý là kiến trúc IMS là một kiến trúc chức năng, có nghĩa là các thực thể được định nghĩa dựa trên các chức năng của chúng. Điều này có nghĩa là chúng có thể được thiết kế trên cùng một thiết bị phần cứng.

1. Lớp Dịch Vụ

Máy chủ ứng dụng AS (Application Server) là nơi chứa đựng và vận hành các dịch vụ IMS. AS tương tác với S-CSCF thông qua giao thức SIP để cung cấp dịch vụ đến người dùng. Máy chủ VCC (Voice Call Continuity), đang được phát triển và chuẩn hóa bởi 3GPP, là một ví dụ về máy chủ ứng dụng AS. AS có thể thuộc mạng thường trú hoặc thuộc một mạng thứ ba. Nếu AS là một phần của mạng thường trú, nó có thể giao tiếp trực tiếp với HSS thông qua giao thức DIAMETER để cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng (user profiles). AS có thể cung cấp các dịch vụ như quản lý sự hiện diện (presence) của người dùng trên mạng, quản lý quá trình hội thảo trực tuyến, tính cước trực tuyến.

Máy chủ quản lý thuê bao thường trú HSS (Home Subscriber Server) có thể xem như là một cải tiến của bộ đăng ký định vị thường trú HLR (Home Location Register). HSS là một cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin của tất cả khách hàng thuê bao. Nó chứa đựng các thông tin như nhận dạng người dùng, tên của S-CSCF gán cho người dùng, hồ sơ roaming, thông số xác nhận thực cũng như thông tin về dịch vụ thuê bao. Trong trường hợp có nhiều HSS trong cùng một mạng, chức năng định vị người dùng SLF (Subscriber location Function) sẽ được thiết lập nhằm xác định HSS nào đang chứa hồ sơ của người dùng tương ứng.

2. Lớp Lõi IMS

Chức năng của lõi IMS là quản lý việc tạo lập phiên liên lạc và dịch vụ đa phương tiện. Các chức năng của nó bao gồm:

CSCF (Call Session Control Function) có nhiệm vụ thiết lập, theo dõi, hỗ trợ và giải phóng các phiên đa phương tiện cũng như quản lý những tương tác dịch vụ của người dùng. CSCF được phân ra 3 loại: Serving-CSCF, Proxy-CSCF và Interrogating-CSCF.

  • Proxy-CSCF (P-CSCF): Là một proxy SIP, có khả năng nhận các yêu cầu dịch vụ, xử lý nội bộ hoặc chuyển tiếp yêu cầu đến các bộ phận khác trong hệ thống IMS. Đây là điểm kết nối đầu tiên giữa hạ tầng IMS và người dùng IMS/SIP. Một vài hệ thống mạng có thể dùng SBC (Session Border Controller) để thực hiện chức năng này. Để kết nối với hệ thống IMS, người dùng trước tiên phải đăng ký với P-CSCF trong mạng mà nó đang kết nối. Địa chỉ của P-CSCF được truy cập thông qua giao thức DHCP hoặc sẽ được cung cấp khi người dùng tiến hành thiết lập kết nối PDP (Packet Data Protocol) trong mạng thông tin di động gói tế bào. Chức năng của P-CSCF bao gồm:

    • Nằm trên đường truyền của tất cả các thông điệp báo hiệu trong hệ thống IMS và có khả năng kiểm tra bất kỳ thông điệp nào. P-CSCF có nhiệm vụ đảm bảo chuyển tải các yêu cầu từ UE đến máy chủ SIP (ở đây là S-CSCF) cũng như những thông điệp phản hồi từ máy chủ SIP về UE.
    • Xác thực người dùng và thiết lập kết nối bảo mật IPSec với thiết bị IMS của người dùng. Nó còn có vai trò ngăn cản các tấn công như spoofing, replay để đảm bảo sự bảo mật và an toàn cho người dùng.
    • Có thể nén và giải nén các thông điệp SIP để giảm thiểu khối lượng thông tin báo hiệu truyền trên những đường truyền tốc độ thấp.
    • Có thể tích hợp chức năng quyết định chính sách PDF (Policy Decision Function) nhằm quản lý và đảm bảo QoS cho các dịch vụ đa phương tiện.
    • Tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ.

  • Serving-CSCF (S-CSCF): Là một nút trung tâm của hệ thống báo tín hiệu IMS, vận hành giống như một máy chủ SIP nhưng bao hàm cả chức năng quản lý phiên dịch vụ. Các chức năng chính của S-CSCF bao gồm:

    • Tiến hành các đăng ký SIP nhằm thiết lập mối liên hệ giữa địa chỉ người dùng (địa chỉ IP của thiết bị) với địa chỉ SIP. S-CSCF đóng vai trò như một máy chủ Registar trong hệ thống SIP.
    • Tham gia trong tất cả các quá trình báo hiệu từ hệ thống IMS về người dùng và có thể kiểm tra bất kỳ thông điệp nào nếu muốn.
    • Giữ vai trò quyết định chọn lựa AS nào sẽ cung cấp dịch vụ cho người dùng. Nó giữ vai trò định tuyến dịch vụ thông qua việc sử dụng giải pháp DNS/ENUM (Electronic Numbering).
    • Thực hiện các chính sách của nhà cung cấp dịch vụ. S-CSCF tương tác với máy chủ AS để yêu cầu các hỗ trợ dịch vụ cho khách hàng. S-CSCF liên lạc với HSS để lấy thông tin, cập nhật thông tin về hồ sơ người dùng và tham gia vào quá trình tính cước dịch vụ.

  • Interrogating-CSCF (I-CSCF): Trong hệ thống mạng của một nhà cung cấp dịch vụ là điểm liên lạc cho tất cả các kết nối hướng đến một UE nằm trong mạng đó. Địa chỉ IP của I-CSCF được công bố trong máy chủ DNS của hệ thống. Chức năng của I-CSCF bao gồm:

    • Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP nhận được từ một mạng khác đến S-CSCF tương ứng. Để làm được điều này, I-CSCF sẽ liên lạc với HSS (thông qua DIAMETER) để cập nhật địa chỉ S-CSCF tương ứng của người dùng. Nếu như chưa có S-CSCF nào được gán cho UE, I-CSCF sẽ tiến hành gán một S-CSCF cho người dùng để nó xử lý yêu cầu SIP.
    • Định tuyến thông điệp yêu cầu SIP hoặc thông điệp trả lời SIP đến một S-CSCF/I-CSCF nằm trong mạng của một nhà cung cấp dịch vụ khác.

  • BGCF (Breakout Gateway Control Function): Là một máy chủ SIP chứa đựng chức năng định tuyến dựa trên số điện thoại. Nó được sử dụng khi một thiết bị IMS thực hiện cuộc gọi đến mạng nối chuyển mạch hay mạng điện thoại cố định truyền thống PSTN. BGCF hỗ trợ khả năng kết nối liên mạng thông qua việc định tuyến yêu cầu SIP trong trường hợp S-CSCF xác định rằng không thể định tuyến yêu cầu này bằng DNS/ENUM. BGCF sẽ xác định nút mạng tiếp theo trên đường định tuyến, hoặc là MGCF hoặc là một BGCF của mạng khác rồi chuyển báo hiệu đến nút mạng tương ứng.

  • MGCF (Media Gateway Control Function): Có nhiệm vụ quản lý cổng phương tiện, bao hàm các chức năng như liên lạc với S-CSCF để quản lý các cuộc gọi trên kênh phương tiện, làm trung gian chuyển đổi (conversion) giữa giao thức báo hiệu ISUP và SIP. MGCF quản lý một hay nhiều IM-MGW (IP Multimedia-Media Gateway). IM-MGW sẽ tương tác với MGCF để quản lý tài nguyên. IM-MGW đóng vai trò là điểm chuyển đổi nội dung đa phương tiện giữa mạng chuyển nối gói và chuyển nối mạch khi thông tin truyền từ mạng này sang mạng khác.

  • Chức năng quản lý tài nguyên đa phương tiện (Media Resource Function): Có thể phân ra thành 2 thành phần: MRFC (Media Resource Function Controller) và MRFP (Media Resource Function Processor). MRFC có vai trò quản lý tài nguyên cho các dòng dữ liệu đa phương tiện trong MRFP (Media Resource Function Processor), giải mã thông điệp đến từ máy chủ ứng dụng AS truyền qua S-CSCF, điều khiển MRFP tương ứng cũng như tham gia vào quá trình tính cước. MRFP đóng vai trò quan trọng trong việc thích ứng nội dung dịch vụ, chuyển đổi định dạng (transcoding) nội dung.

3. Lớp Vận Tải

Trong kiến trúc IMS, NASS và RACS thường được xem là hai thành phần thuộc lớp vận tải. Dưới đây là mô tả chi tiết về vai trò của chúng:

  • NASS (Network Attachment Subsystem): Chức năng chính của NASS bao gồm:

    • Cung cấp một cách linh hoạt địa chỉ IP cũng như các thông số cấu hình khác cho UE (sử dụng DHCP).
    • Xác nhận thực người dùng trước và trong quá trình cấp phát địa chỉ IP.
    • Cấp phép cho mạng truy nhập dựa trên hồ sơ mạng.
    • Quản lý định vị người dùng.
    • Hỗ trợ quá trình di động và roaming của người dùng.

  • RACS (Resource & Admission Control Functionality): Bao gồm 2 chức năng chính là: chức năng quyết định chính sách dịch vụ (S-PDF) và chức năng điều khiển chấp nhận kết nối và tài nguyên truy nhập (A-RACF).

    • S-PDF (Serving Policy Decision Function): Dưới yêu cầu của các ứng dụng, sẽ tạo ra các quyết định về chính sách (policy) bằng việc sử dụng các luật chính sách và chuyển những quyết định này tới A-RACF. S-DPF cung cấp một cách nhìn trừu tượng về các chức năng truyền tải với nội dung hay các dịch vụ ứng dụng. Bằng cách sử dụng S-DPF, việc xử lý tài nguyên sẽ trở nên độc lập với việc xử lý dịch vụ.
    • A-RACF (Access Resource and admission Control Function): Nhận các yêu cầu về tài nguyên QoS từ S-PDF. A-RACF sẽ sử dụng thông tin QoS nhận được từ S-PDF để quyết định chấp nhận hay không chấp nhận kết nối. A-RACF cũng thực hiện chức năng đặt trước tài nguyên và điều khiển các thực thể NAT/Firewall.