基于 IMS 的 IPTV 系统的设计与实现

精品论文推荐基于 IMS 的 IPTV 系统的设计与实现吴文光，靳浩 北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 (100876) E-mail: siligua摘要：IMS 是提供实时和非实时的 IP 多媒体业务的通用体系结构，具有分布式、与接入无关，以及标准开放的业务控制接口等特点，被认为未来融合的控制平台。由于 IPTV 应用 飞速发展，IPTV 为电信业务提供了非常好的业务发展之路。IPTV 的发展应与电信与传媒、固定移动融合的趋势相适应，研究 IPTV 业务在 IMS 网络中定位和基于 IMS 的开展融合的IPTV 业务具有重要意义。本文在研究现有的基于 IMS 的 IPTV 系统架构的基础上，综合考 虑现有的实验条件，采用开源软件栈进行 IMS 的业务的开发和原型化的实现，实现了基于IMS 的 IPTV 系统，为研究基于 IMS 的 IPTV 系统的其他相关问题建立了良好的实验环境。 关键词：IMS；IPTV 应用服务器；Open IMS Core1. 引言3GPP 在 R5 版本中将 IP 多媒体子系统（IMS，IP Multimedia Subsystem）1首次引入到 移动核心网中。IMS 是提供实时和非实时的 IP 多媒体业务的通用体系结构，具有分布式、 与接入无关，以及标准开放的业务控制接口等特点，它对控制层功能作了进一步分解，将会 话控制实体和承载控制实体在功能上分离开来，使网络架构更为开放、灵活。IMS 被认为未 来融合的控制平台。鉴于 IMS 在下一代网络中的核心地位，研究 IMS 的框架结构和基于此 架构的业务实现，对于未来电信业务，特别是多媒体业务的发展来说显得更为重要。IPTV 是一种承载在 IP 网络基础之上的，为用户提供多媒体服务的宽带增值业务。当前 由于 IPTV 应用飞速发展，IPTV 为电信业务提供了非常好的业务发展之路，IPTV 能够与电 信网络紧密结合起来，最终建立可控、可管理、可运维的 IPTV 系统架构，同时能够提供电 信级的服务质量、用户体验、安全性、可交互性和可靠性。IPTV 的发展应与电信与传媒、 固定移动融合的趋势相适应，研究 IPTV 业务在 IMS 网络中定位和基于 IMS 的开展融合的 IPTV 业务具有重要意义论文在研究目前 ETSI2 3和 ITU4 5各自关于基于 IMS 的 IPTV 的系统架构的基础上， 基于 Open IMS Core6的 IMS 实验系统，实现基于 IMS 的 IPTV 系统服务器端，实现 IPTV 业务的会话建立，验证了系统架构的可行性，并为相关研究建立了良好的实验环境。2相关标准进展目前电信领域的两大标准组织 ITU 和 TISPAN 都对基于 IMS 的 IPTV 系统架构积极进行 研究，为早日完成融合的 IPTV 系统架构提供标准方面的支持2.1 ETSI TISPAN基于IMS的IPTV系统架构ETSI TISPAN2在 R1 阶段对 IMS 的架构的研究直接基于 3GPP R7 定义的 IMS 系统架构， 并针对固定的特殊需求进行了相关的改进，其所研究的基于 IMS 的 IPTV 系统架构将主要基 于其 IMS R1 的研究成果，其中包含了已有的 NASS（Network Attachment subsystem，网络 附着子系统）和 RACS（Resource Admission Subsystem，资源接纳子系统）子系统，并且适 当加入了与 IPTV 相关的网络功能实体来实现 IPTV 业务的扩展。其中出现的与 IPTV 特定 的功能实体包括：业务发现（SDF，Service Discovery Function）和选择功能（Service Selection Function），业务控制功能（SCF，Service Control Function），媒体控制（MCF，Media Control-5-Function）和分发（MDF，Media Delivery Function）功能，UDSF（User Profile Server Function）功能等。图 1 ETSI 基于 IMS 的 IPTV 系统架构2.2 ITU IPTV FG基于IMS的IPTV系统架构ITU FG IPTV5目前正在制定基于 IMS 的 IPTV 的相关标准。ITU FG IPTV 研究的基于 IMS 的 IPTV 系统架构除了在网络控制部分利用了其在下一代网络中定义的 NACF（网络附 着控制功能）和 RACF（资源接纳控制部分）两个子系统，还将利用 IMS 核心网以及相关 实体来提供 IPTV 应用也相关的系统架构。ITU FG IPTV 在重用 IMS 的功能实体与系统架构 的基础上，添加了与 IPTV 提供应用业务所要求的功能实体。ITU FG IPTV 的 IPTV 系统功能模块主要包括：用户终端、应用、内容分发、服务控制、 管理、内容提供以及用户接入。End UserFunctionApplication FunctionIPTV Terminal FunctionServiceSupportServiceControlContent DeliveryFunctionManagementFunctionHome Network FunctionTransport Control FunctionTransport Function图 2 ITU 基于 IMS 的 IPTV 系统架构3系统的设计与实现在综合考虑 ETSI 以及 TISPAN 关于基于 IMS 的 IPTV 系统架构的基础上，结合现有的 实验条件以及开发环境，搭建基于 Open IMS Core 的 IPTV 系统演示平台。对其中的许多功 能模块进行精简，主要开发 IPTV 服务器以及实现基于 IMS 的架构下 IPTV 会话的建立。其中 IMS 核心网部分采用 Berlios 开源项目 Open IMS Core6，该项目实现了 IMS 核心 网定义的各个 CSCF 功能和 HSS 功能。通过该项目，为开发人员提供了一个符合 3GPP 标 准的 IMS 业务控制接口（IMS Service Control，ISC），可以发布的使用 IMS 的路由特性、触 发规则等功能，用于通过不同的实现平台开发 IMS 业务，可以用来开发不同的接入网附着 到 IMS 核心网所需的组件和概念。其中 IPTV 服务器的设计与实现经历了两个阶段：首先考虑最简单的情况，IPTV 服务 器同时兼有媒体控制和视频分发的功能；然后将媒体控制和视频分发的功能分开，IPTV AS 负责处理用户的会话建立请求，采用专门的流媒体服务器负责视频分发。IMS 系统的信令协议采用 SIP 协议，各个 CSCF 网元都是具备扩展功能的 SIP 应用服务 器。Open IMS Core 的 CSCF 基于 Open SER（SIP Express Router）项目构建，SER 可以作为 SIP 的注册服务器、代理服务器或者重定向服务器。SER 具备模块化的结构，方便进行扩充。 每个 CSCF 实体通过 SER 的动态可加载模块实现，给 SER 增加了符合 3GPP 技术规范要求 的相关功能。这些模块具备并行处理的能力，还可以保存额外的状态信息，对负载均衡和数 量可扩展问题也进行了特别的考虑。另外，CSCF 的实现保留了 SER 的用户脚本工具，可以 最大弹性的配置 SIP 处理机制。P-CSCF 组件充当核心网的应用层防火墙；用于判断用户的身份，仅允许已注册的用户 发送消息至 IMS 网络。注册之后，P-CSCF 建立到每个 UE 的安全通道，为了掌握已注册用 户的信息，P-CSCF 实现了一个反向 SIP 注册服务器，通过拦截注册过程更新用户信息。之 后通过在 SIP UAC（SIP User Agent Client，用户客户端代理）模式下订阅 S-CSCF 的注册包 来实现用户信息更新，并接收状态提醒，为了保障高性能和快速查询，实际数据被保存在哈 希表中。I-CSCF 作为一个无状态的代理服务器角色，通过主叫/被叫用户的公有标识查询 HSS， 并基于查询的响应，路由消息至对应的 S-CSCF，Open IMS Core 的 I-CSCF 实现了至 HSS 的 Cx 接口，因此支持通过 Diameter 协议定位分配给用户的 S-CSCF 或基于负荷选择一个 S-CSCF 的功能。在成功接收到 Diameter 的查询响应之后，I-CSCF 采用事物模式转发 SIP 消息，这种方式具有更快的速度，并且只需要最少的状态信息。为了保护归属网络，I-CSCF 具备防火墙的能力，仅允许采用网络域名安全（Network Domain Security，NDS）的来自信 任网路的消息通过。S-CSCF 实现了采用 Diameter 协议与 HSS 通信的能力。通过 Cx 接口可以实现获取鉴权 参数组、更新注册信息、下载用花签约信息等标准功能。S-CSCF 可以根据用户签约信息的 IFC（Initial Faltering Criteria）执行指定的 SIP 路由规则。S-CSCF 实现了对 IMS Digest AKA 签权协议的支持，通过来自 HSS 的鉴权参数组和 UE 传递的值进行比较实现鉴权功能。为 了保持更快的响应时间，S-CSCF 的注册服务器实现了一个哈希表的复杂结构，用户身份的 相关信息保存在这里，用于以后的呼叫路由处理。这个服务器也接收注册状态事件的订购， 并提醒订购者注册状态的改变。HSS，作为 IMS 系统内的集中用户数据库，HSS 存储用户、业务和应用服务器相关的信息，主要通过 Cx 和 Sh 接口采用 Diameter 协议同 IMS 其他网元通信。Open IMS Core 的HSS 功能（FHoSS）基于 JAVA 编写，并且采用了一些其他的开源代码软件和框架。用户数 据保存在 MySQL 数据库中。FHoSS 的目的主要是满足核心网 HSS 功能要求，所以它仅支 持 HSS 的一些基本功能。目前，FHoSS 支持签权参数组的生成，并可以通过基于 web 的管 理接口管理用户的签约数据和相应的 IFC。wo r kIP CoreAccess Net第一阶段的 IPTV 服务器设计，主要分为 SIP 消息的处理以及视频处理部分。其中采用 开源的 exosip7函数库，负责接收以及解析 SIP 消息，构建封装 SIP 消息，进行 SDP 协商； 采用开源媒体应用框架 gstreamer8，实现 IPTV 服务器端的媒体流创建，以及媒体流的分发。图 3 第一阶段基于 IMS 的 IPTV 系统第二阶段的 IPTV 服务器设计，模拟标准中的媒体控制和分发两个功能。在媒体控制部 分，以 xml 文件的形式，保存 IPTV 频道和对应的流媒体服务器，并采用哈希表存储和检索， 同样采用 exosip 的函数库来处理 SIP 消息，并通知 UE 频道对应的流媒体服务器。在媒体分 发部分，为实现简单，采用 VLC9（Video LAN）服务器模式实现媒体分发的功能。4总结图 4 第二阶段基于 IMS 的 IPTV 系统本文通过在开源软件栈的基础上搭建基于 IMS 的 IPTV 系统的实验环境，验证了基于IMS 的 IPTV 系统架构的可行性，为研究网络融合架构下的 IPTV 业务应用开拓了新思路。参考文献1 3GPP TS 23. 228 v7.7.0 (2007-03), tech, spec., “IP Multimedia Subsystem (IMS) stage 2” 2007. 2 ETSI TS 182 027 v2.0.0 20083 ETSI TS 183 063 v0.0.6 20074 ITU-T Rec Y2012 “Functional Requirements and Architecture of the NGN”, Sep 2006 5 ITU-T Focus Group on IPTV Proceedings, 20086 Fraunhofer FOKUS, Open IMS Core Projects, open source code, http:/www.openimscore.org 7 eXosip, the extended osip library, open source code, http:/savannah.nongnu.org/projects/exosip/ 8 GStreamer open source multimedia framework, 9 Video LAN Server, open source code, http:/www.videolan.orgDesign and Implementation of IMS-Based IPTVWu Wenguang, Jin HaoSchool of Information and Telecommunication, Beijing University of Posts andTelecommunications, Beijing (100876)AbstractThis article presents architecture to support IPTV service in an IMS-Based NGN. The architecture extends the current IMS specification with required functionality to meet additional requirements ofIPTV services. The proposed architecture and be deployed by an IPTV provider over heterogeneous access networks. After presenting an overview of the IPTV standardization activities in ETSI and ITU, this article focus on the infrastructure implementation of IMS-Based IPTV which based on Open IMS Core playground.Keywords: IMS; IMS-Based IPTV Application Server; Open IMS Core作者简介：吴文光，男，1984 年生，硕士研究生，主要研究方向是下一代网络。