基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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1、精品論文推薦 基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 吳文光，靳浩 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，北京 (100876) E-mail: siligua@ 摘 要：IMS 是提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的 IP 多媒體業(yè)務(wù)的通用體系結(jié)構(gòu)，具有分布式、與接入 無關(guān)，以及標(biāo)準(zhǔn)開放的業(yè)務(wù)控制接口等特點(diǎn)，被認(rèn)為未來融合的控制平臺(tái)。由于 IPTV 應(yīng)用 飛速發(fā)展，IPTV 為電信業(yè)務(wù)提供了非常好的業(yè)務(wù)發(fā)展之路。IPTV 的發(fā)展應(yīng)與電信與傳媒、 固定移動(dòng)融合的趨勢(shì)相適應(yīng)，研究 IPTV 業(yè)務(wù)在 IMS 網(wǎng)絡(luò)中定位和基于 IMS 的開展融合的 IPTV 業(yè)務(wù)具有重要意義。本文在研究現(xiàn)有的基

2、于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合考 慮現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，采用開源軟件棧進(jìn)行 IMS 的業(yè)務(wù)的開發(fā)和原型化的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)，為研究基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)的其他相關(guān)問題建立了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 關(guān)鍵詞：IMS；IPTV 應(yīng)用服務(wù)器；Open IMS Core 1. 引言 3GPP 在 R5 版本中將 IP 多媒體子系統(tǒng)（IMS，IP Multimedia Subsystem）[1]首次引入到 移動(dòng)核心網(wǎng)中。IMS 是提供實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的 IP 多媒體業(yè)務(wù)的通用體系結(jié)構(gòu)，具有分布式、 與接入無關(guān)，以及標(biāo)準(zhǔn)開放的業(yè)務(wù)控制接口等特點(diǎn)，它對(duì)控

3、制層功能作了進(jìn)一步分解，將會(huì) 話控制實(shí)體和承載控制實(shí)體在功能上分離開來，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更為開放、靈活。IMS 被認(rèn)為未 來融合的控制平臺(tái)。鑒于 IMS 在下一代網(wǎng)絡(luò)中的核心地位，研究 IMS 的框架結(jié)構(gòu)和基于此 架構(gòu)的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于未來電信業(yè)務(wù)，特別是多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展來說顯得更為重要。 IPTV 是一種承載在 IP 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上的，為用戶提供多媒體服務(wù)的寬帶增值業(yè)務(wù)。當(dāng)前 由于 IPTV 應(yīng)用飛速發(fā)展，IPTV 為電信業(yè)務(wù)提供了非常好的業(yè)務(wù)發(fā)展之路，IPTV 能夠與電 信網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合起來，最終建立可控、可管理、可運(yùn)維的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)能夠提供電 信級(jí)的服務(wù)質(zhì)量、用戶體驗(yàn)、安全性、可交互

4、性和可靠性。IPTV 的發(fā)展應(yīng)與電信與傳媒、 固定移動(dòng)融合的趨勢(shì)相適應(yīng)，研究 IPTV 業(yè)務(wù)在 IMS 網(wǎng)絡(luò)中定位和基于 IMS 的開展融合的 IPTV 業(yè)務(wù)具有重要意義 論文在研究目前 ETSI[2] [3]和 ITU[4] [5]各自關(guān)于基于 IMS 的 IPTV 的系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上， 基于 Open IMS Core[6]的 IMS 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)服務(wù)器端，實(shí)現(xiàn) IPTV 業(yè)務(wù)的會(huì)話建立，驗(yàn)證了系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，并為相關(guān)研究建立了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 2．相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展 目前電信領(lǐng)域的兩大標(biāo)準(zhǔn)組織 ITU 和 TISPAN 都對(duì)基于 IMS 的 IPT

5、V 系統(tǒng)架構(gòu)積極進(jìn)行 研究，為早日完成融合的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)提供標(biāo)準(zhǔn)方面的支持 2.1 ETSI TISPAN基于IMS的IPTV系統(tǒng)架構(gòu) ETSI TISPAN[2]在 R1 階段對(duì) IMS 的架構(gòu)的研究直接基于 3GPP R7 定義的 IMS 系統(tǒng)架構(gòu)， 并針對(duì)固定的特殊需求進(jìn)行了相關(guān)的改進(jìn)，其所研究的基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)將主要基 于其 IMS R1 的研究成果，其中包含了已有的 NASS（Network Attachment subsystem，網(wǎng)絡(luò) 附著子系統(tǒng)）和 RACS（Resource Admission Subsystem，資源接納子系統(tǒng)）子系統(tǒng)，并

6、且適 當(dāng)加入了與 IPTV 相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體來實(shí)現(xiàn) IPTV 業(yè)務(wù)的擴(kuò)展。其中出現(xiàn)的與 IPTV 特定 的功能實(shí)體包括：業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)（SDF，Service Discovery Function）和選擇功能（Service Selection Function），業(yè)務(wù)控制功能（SCF，Service Control Function），媒體控制（MCF，Media Control -5- Function）和分發(fā)（MDF，Media Delivery Function）功能，UDSF（User Profile Server Function）

7、 功能等。 圖 1 ETSI 基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu) 2.2 ITU IPTV FG基于IMS的IPTV系統(tǒng)架構(gòu) ITU FG IPTV[5]目前正在制定基于 IMS 的 IPTV

8、 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ITU FG IPTV 研究的基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)除了在網(wǎng)絡(luò)控制部分利用了其在下一代網(wǎng)絡(luò)中定義的 NACF（網(wǎng)絡(luò)附 著控制功能）和 RACF（資源接納控制部分）兩個(gè)子系統(tǒng)，還將利用 IMS 核心網(wǎng)以及相關(guān) 實(shí)體來提供 IPTV 應(yīng)用也相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)。ITU FG IPTV 在重用 IMS 的功能實(shí)體與系統(tǒng)架構(gòu) 的基礎(chǔ)上，添加了與 IPTV 提供應(yīng)用業(yè)務(wù)所要求的功能實(shí)體。 ITU FG IPTV 的 IPTV 系統(tǒng)功能模塊主要包括：用戶終端、應(yīng)用、內(nèi)容分發(fā)、服務(wù)控制、 管理、內(nèi)容提供以及用戶接入。 End User Function Applicat

9、ion Function IPTV Terminal Function  Service Support Service Control  Content Delivery Function  Management Function Home Network Function  Transport Control Function Transport Function 圖 2 ITU 基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu) 3．系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在綜合

10、考慮 ETSI 以及 TISPAN 關(guān)于基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的 實(shí)驗(yàn)條件以及開發(fā)環(huán)境，搭建基于 Open IMS Core 的 IPTV 系統(tǒng)演示平臺(tái)。對(duì)其中的許多功 能模塊進(jìn)行精簡(jiǎn)，主要開發(fā) IPTV 服務(wù)器以及實(shí)現(xiàn)基于 IMS 的架構(gòu)下 IPTV 會(huì)話的建立。 其中 IMS 核心網(wǎng)部分采用 Berlios 開源項(xiàng)目 Open IMS Core[6]，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了 IMS 核心 網(wǎng)定義的各個(gè) CSCF 功能和 HSS 功能。通過該項(xiàng)目，為開發(fā)人員提供了一個(gè)符合 3GPP 標(biāo) 準(zhǔn)的 IMS 業(yè)務(wù)控制接口（IMS Service Control，ISC），可以

11、發(fā)布的使用 IMS 的路由特性、觸 發(fā)規(guī)則等功能，用于通過不同的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)開發(fā) IMS 業(yè)務(wù)，可以用來開發(fā)不同的接入網(wǎng)附著 到 IMS 核心網(wǎng)所需的組件和概念。 其中 IPTV 服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)經(jīng)歷了兩個(gè)階段：首先考慮最簡(jiǎn)單的情況，IPTV 服務(wù) 器同時(shí)兼有媒體控制和視頻分發(fā)的功能；然后將媒體控制和視頻分發(fā)的功能分開，IPTV AS 負(fù)責(zé)處理用戶的會(huì)話建立請(qǐng)求，采用專門的流媒體服務(wù)器負(fù)責(zé)視頻分發(fā)。 IMS 系統(tǒng)的信令協(xié)議采用 SIP 協(xié)議，各個(gè) CSCF 網(wǎng)元都是具備擴(kuò)展功能的 SIP 應(yīng)用服務(wù) 器。Open IMS Core 的 CSCF 基于 Open SER（SIP Express

12、Router）項(xiàng)目構(gòu)建，SER 可以作為 SIP 的注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器或者重定向服務(wù)器。SER 具備模塊化的結(jié)構(gòu)，方便進(jìn)行擴(kuò)充。 每個(gè) CSCF 實(shí)體通過 SER 的動(dòng)態(tài)可加載模塊實(shí)現(xiàn)，給 SER 增加了符合 3GPP 技術(shù)規(guī)范要求 的相關(guān)功能。這些模塊具備并行處理的能力，還可以保存額外的狀態(tài)信息，對(duì)負(fù)載均衡和數(shù) 量可擴(kuò)展問題也進(jìn)行了特別的考慮。另外，CSCF 的實(shí)現(xiàn)保留了 SER 的用戶腳本工具，可以 最大彈性的配置 SIP 處理機(jī)制。 P-CSCF 組件充當(dāng)核心網(wǎng)的應(yīng)用層防火墻；用于判斷用戶的身份，僅允許已注冊(cè)的用戶 發(fā)送消息至 IMS 網(wǎng)絡(luò)。注冊(cè)之后，P-CSCF 建立到每個(gè) UE

13、 的安全通道，為了掌握已注冊(cè)用 戶的信息，P-CSCF 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)反向 SIP 注冊(cè)服務(wù)器，通過攔截注冊(cè)過程更新用戶信息。之 后通過在 SIP UAC（SIP User Agent Client，用戶客戶端代理）模式下訂閱 S-CSCF 的注冊(cè)包 來實(shí)現(xiàn)用戶信息更新，并接收狀態(tài)提醒，為了保障高性能和快速查詢，實(shí)際數(shù)據(jù)被保存在哈 希表中。 I-CSCF 作為一個(gè)無狀態(tài)的代理服務(wù)器角色，通過主叫/被叫用戶的公有標(biāo)識(shí)查詢 HSS， 并基于查詢的響應(yīng)，路由消息至對(duì)應(yīng)的 S-CSCF，Open IMS Core 的 I-CSCF 實(shí)現(xiàn)了至 HSS 的 Cx 接口，因此支持通過 Diameter

14、協(xié)議定位分配給用戶的 S-CSCF 或基于負(fù)荷選擇一個(gè) S-CSCF 的功能。在成功接收到 Diameter 的查詢響應(yīng)之后，I-CSCF 采用事物模式轉(zhuǎn)發(fā) SIP 消息，這種方式具有更快的速度，并且只需要最少的狀態(tài)信息。為了保護(hù)歸屬網(wǎng)絡(luò)，I-CSCF 具備防火墻的能力，僅允許采用網(wǎng)絡(luò)域名安全（Network Domain Security，NDS）的來自信 任網(wǎng)路的消息通過。 S-CSCF 實(shí)現(xiàn)了采用 Diameter 協(xié)議與 HSS 通信的能力。通過 Cx 接口可以實(shí)現(xiàn)獲取鑒權(quán) 參數(shù)組、更新注冊(cè)信息、下載用花簽約信息等標(biāo)準(zhǔn)功能。S-CSCF 可以根據(jù)用戶簽約信息的 IFC（Initial

15、 Faltering Criteria）執(zhí)行指定的 SIP 路由規(guī)則。S-CSCF 實(shí)現(xiàn)了對(duì) IMS Digest AKA 簽權(quán)協(xié)議的支持，通過來自 HSS 的鑒權(quán)參數(shù)組和 UE 傳遞的值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)鑒權(quán)功能。為 了保持更快的響應(yīng)時(shí)間，S-CSCF 的注冊(cè)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)哈希表的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，用戶身份的 相關(guān)信息保存在這里，用于以后的呼叫路由處理。這個(gè)服務(wù)器也接收注冊(cè)狀態(tài)事件的訂購， 并提醒訂購者注冊(cè)狀態(tài)的改變。 HSS，作為 IMS 系統(tǒng)內(nèi)的集中用戶數(shù)據(jù)庫，HSS 存儲(chǔ)用戶、業(yè)務(wù)和應(yīng)用服務(wù)器相關(guān)的 信息，主要通過 Cx 和 Sh 接口采用 Diameter 協(xié)議同 IMS 其他網(wǎng)元通

16、信。Open IMS Core 的 HSS 功能（FHoSS）基于 JAVA 編寫，并且采用了一些其他的開源代碼軟件和框架。用戶數(shù) 據(jù)保存在 MySQL 數(shù)據(jù)庫中。FHoSS 的目的主要是滿足核心網(wǎng) HSS 功能要求，所以它僅支 持 HSS 的一些基本功能。目前，F(xiàn)HoSS 支持簽權(quán)參數(shù)組的生成，并可以通過基于 web 的管 理接口管理用戶的簽約數(shù)據(jù)和相應(yīng)的 IFC。 w o r k IP Core Access Net 第一階段的 IPTV 服務(wù)器設(shè)計(jì)，主要分為 SIP 消息的處理以及視頻處理部分。其中采用 開源的 exosip[7]函數(shù)庫，負(fù)責(zé)接收以及解析 SIP 消息，構(gòu)建封

17、裝 SIP 消息，進(jìn)行 SDP 協(xié)商； 采用開源媒體應(yīng)用框架 gstreamer[8]，實(shí)現(xiàn) IPTV 服務(wù)器端的媒體流創(chuàng)建，以及媒體流的分發(fā)。 圖 3 第一階段基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)

18、 第二階段的 IPTV 服務(wù)器設(shè)計(jì)，模擬標(biāo)準(zhǔn)中的媒體控制和分發(fā)兩個(gè)功能。在媒體控制部 分，以 xml 文件的形式，保存 IPTV 頻道和對(duì)應(yīng)的流媒體服務(wù)器，并采用哈希表存儲(chǔ)和檢索， 同樣采用 exosip 的函數(shù)庫來處理 SIP 消息，并通知 UE 頻道對(duì)應(yīng)的流媒體服務(wù)器。在媒體分 發(fā)部分，為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，采用 VLC[9]（Video LAN）服務(wù)器模式實(shí)現(xiàn)媒體分發(fā)的功能。 4．總結(jié) 圖 4 第二階段基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng) 本文通過在開源軟件棧的基礎(chǔ)上搭建基于 IM

19、S 的 IPTV 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，驗(yàn)證了基于 IMS 的 IPTV 系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，為研究網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)下的 IPTV 業(yè)務(wù)應(yīng)用開拓了新思路。 參考文獻(xiàn) [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 2008 [3] ETSI TS 183 063 v0.0.6 2007 [4] ITU-T Rec Y2012 “Functional Requirement

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21、amer open source multimedia framework, [9] Video LAN Server, open source code, http://www.videolan.org Design and Implementation of IMS-Based IPTV Wu Wenguang, Jin Hao School of Information and Telecommunication, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)

22、 Abstract This 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 of IPTV services. The proposed architecture and be deployed by an IPTV provider over heter

23、ogeneous 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 作者簡(jiǎn)介：吳文光，男，1984 年生，碩士研究生，主要研究方向是下一代網(wǎng)絡(luò)。