Što je IP multimedijski podsustav (IMS)?

Podsustav IMS (engl. IP Multimedia Subsystem) je okvir za izgradnju jezgrene mreže neovisne o načinu pristupa i temeljenu na protokolu IP, koja u isto vrijeme pruža pristup mnogim multimedijskim uslugama (npr. govor preko IP-a ili LTE-a, video konferencija, video igre i računalstvo u oblaku ili na rubu mreže, virtualna realnost, trenutačne poruke, internet stvari itd.) i spaja sve fiksne i mobilne pristupne tehnologije i korisnike. Uz nadzor i kontrolu multimedijskih sjednica u mrežama s komutacijom paketa (IP), IMS omogućava integraciju mreža s komutacijom kanala u IP jezgru s komutacijom paketa. Na slici 1 predočena je povezanost različitih mreža i usluga unutar IMS jezgre.

IMS je temeljen na mnoštvu protokola, koje su većinom razvile organizacije IETF (engl. Internet Engineering Task Force) i 3GPP (engl. The 3rd Generation Partnership Project). Dva glavna elementa IMS-a su protokoli SIP (engl. Session Initiation Protocol) i SDP (engl. Session Description Protocol). Protokol Diameter je također vrlo važan protokol korišten za dohvat korisničkih podataka i profila iz baze podataka.

Arhitektura IMS-a

Glavni zahtjevi na arhitekturu IMS jezgre su:

• Multimedijska sjednica u paketno komutiranoj domeni kroz IP umreženost;
• Ostvarivanje zadovoljavajuće kvalitete usluge (QoS) za multimedijske usluge;
• Implementacija pravila za ispravno korištenje medijskih resursa i usluga;
• Prilagodiva naplata usluga i prometa;
• Sigurna komunikacija;
• Podrška za roaming i kolaboracija s drugim mrežama;
• Slojevita arhitektura i neovisnost pristupne tehnologije.

Navedene značajke detaljnije opisujemo u nastavku.

IP multimedijska sjednica treba pružati glasovne, video i tekstualne usluge te dopustiti korisniku da ovisno o njegovoj želji i potrebi alocira ostale IP usluge kako bi modificirao svoju komunikacijsku sjednicu. Kako bi omogućili pristup ovim uslugama, svi korisnici (zapravo njihovi uređaji) moraju imati IP adresu kako bi bili umreženi. Korisnik (njegov krajnji uređaj) pregovara o QoS zahtjevima i mogućnostima kao što su tip kodeka, propusnost (engl. throughput), veličina paketa itd. te je time osigurana zadovoljavajuća kvaliteta usluge. Nakon što se dogovore navedeni parametri korisnik alocira zahtjevane fizičke (medijske) resurse od pristupne mreže (npr. RAN-a) i digitalizira i kodira medij protokolom RTP (engl. Real Time Protocol) te isti šalje nekim od transportnih protokola: SCTP (engl. Stream Control Transmission Protocol), TCP (engl. Transmission Control Protocol) ili UDP (engl. User Datagram Protocol). Ako je nemoguće alocirati fizičke resurse, multimedijska sjednica će biti prekinuta. Implementacija pravila (engl. policy control) za ispravno korištenje medijskih resursa i usluga omogućava mreži da uoči, kontrolira i autorizira korištenje medijskog kanala, a to zapravo znači da bi mreža trebala biti u stanju detektirati korištenje aplikacija poput Skype-a ili WhatsApp-a te ih blokirati ili provoditi drugačiju naplatu iskorištenog medijskog kanala. Dakle, IMS mora biti u stanju pružati različite prilagodive modele naplate ovisno o korištenim uslugama, količnini korištenih podataka, propusnosti, trajanju sjednice i drugima. IMS korisnicima također pruža sigurnu komunikaciju autorizacijskim i autentifikacijskim mehanizmima kroz metode AKA (engl. Authentication and Key Agreement) i SIP Digest. Dodatno, IMS korisnici moraju moći pristupiti IMS jezgri neovisno o njihovoj lokaciji i moraju moći kontaktirati korisnike koji nisu direktno korisnici IMS-a. IMS se oslanja na 3 ravnine: aplikacijsku, kontrolnu i korisničku. Aplikacijska ravnina pruža usluge, kontrolna nadzire sjednice i signalizaciju, a korisnička rukovodi medijskim kanalom.

Na slici 2 predočeni su glavni čvorovi u IMS jezgri. Kao što je i vidljivo sa slike, dva temeljna stupa IMS-a su funkcija za nadzor sjednice (skr. CSCF od engl. Call Session Control Function) i poslužitelj pretplatnika (skr. HSS od eng. Home Subscriber Server) pružatelja usluge IMS. CSCF se sastoji od 4 glavne uloge: P-CSCF (engl. Proxy-CSCF), I-CSCF (engl. Interrogating-CSCF), S-CSCF (engl. Serving-CSCF) i E-CSCF (engl. Emergency-CSCF), koji nije prikazan na slici 2. P-CSCF je često objedinjen s A-SBC-om (engl. Access-Session Border Controller) koji služi za kontrolu pristupa IMS-u i obično je prvi kontakt između korisnika i mreže IMS. P-CSCF je također zaslužan za kompresiju SIP poruka, sigurnost i autentifikaciju korisnika te kontaktira mrežne elemente PDGW/PCEF (engl. Packet Data Gateway/Policy and Charging Enforcement Function) i PCRF (engl. Policy and Charging Rules Function) koji služe za implementaciju pravila za ispravno korištenje medijskih resursa i usluga. P-CSCF nalazi odgovarajući I-CSCF kontaktirajući poslužitelj DNS (engl. Domain Name Server). Nakon toga, I-CSCF mora biti u stanju kontaktirati poslužitelj HSS preko protokola Diameter i iz dohvaćenih podataka dodijeliti korisniku S-CSCF koji će ga opsluživati. S-CSCF ima ulogu „mozga“ u cijeloj mreži IMS i služi kao „pametni“ čvor koji će nadzirati multimedijsku sjednicu, preuzeti korisničke profile s poslužitelja HSS tijekom registracije, rukovoditi deregistracijom te će omogućiti ispravno usmjeravanje poruka/paketa.

E-CSCF služi kao posebna funkcija koja rukovodi hitnim pozivima i porukama prema policiji, hitnoj pomoći, vatrogascima i drugim spasilačkim službama. Dodatno, BGCF (engl. Breakout Gateway Control Function) je funkcija za usmjeravanje poziva koji nisu upućeni pretplatnicima IMS mreže pozivatelja. Poslužitelj pretplatnika (HSS) pružatelja usluge IMS izveden je kao sučelje za pristup bazi podataka korisničkih profila koja koristi memoriju RAM kao medij za pohranu u stvarnom vremenu. Kako bi komunicirao s ostalim elementima mreže HSS koristi protokol Diameter. Međutim, za komunikaciju HSS-a i baze podataka koristi se protokol LDAP (engl. Lightweight Directory Acquisition Protocol). Konačno, kako bi se pratila lokacija korisnika, HSS komunicira s elementom MME (engl. Mobility Management Entity) i pritom također koristi protokol Diameter.

IMS u 5G mrežama

Iako funkcionalnost mreže IMS u mrežama 5G ostaje nepromijenjena, njezina fizička implementacija se donekle mijenja. Dosadašnje mreže 4G IMS obično su bile izgrađene od fizičkih (engl. baremetal) poslužitelja i svaki poslužitelj je obično implementirao samo jedan mrežni čvor koji je bio instaliran odmah povrh operativnog sustava poslužitelja. Mreža 5G IMS unosi novinu i poptuno je orijentirana na virtualizaciju mrežnih čvorova i njihovu instalaciju povrh usluge oblaka. Slika 3 prikazuje gradivne elemente jednog mrežnog čvora u mreži 4G IMS.

Mreža 5G IMS implementira virtualizaciju mrežnih funkcija (skr. NFV od engl. Network Function Virtualization), što znači da će fizički strojevi za svaki čvor biti zamijenjeni virtualnim (skr. VM od engl. Virtual Machines). Zahtjev koji se postavlja za takvu mrežu je dovoljna procesorska moć, memorija i pohrana podataka. Zato se obično prije instalacije virtualnih strojeva i mrežnih funkcija instalira usluga oblaka u načinu rada visoke dostupnosti (npr. TripleO distribucija Openstacka). Takav oblak izgrađen je od podoblaka (engl. undercloud) i nadoblaka (eng. overcloud). Podoblak je instaliran na jedan fizički stroj i ima funkciju nadgledatelja fizičkih poslužitelja od kojih se sastoji nadoblak. Nadoblak, pak, ima funkciju nadgledatelja virtualnih strojeva na kojima su instalirane aplikacije mrežnih funkcija. Slika 4 prikazuje gradivne elemente virtualnih mrežnih funkcija u mreži 5G IMS.

Odnedavno, najnovija tehnologija predviđa i zamjenu virtualnih strojeva kontejnerima kreirajući mrežne funkcije u kontejneru (engl. Container Network Function).