IMS網絡新架構探討

馬金蘭 楊征 彭莉

【摘? 要】在對微信、Skype等OTT應用架構進行研究的基礎上，總結OTT應用架構的優勢，提出IMS網絡新架構，其在5G網絡的應用思路，解決IMS現有架構存在的時延大等無法適應實時性要求更強的5G應用需求的問題，為基于IMS的虛擬現實等5G應用部署提供參考。

【摘? 要】IMS網絡;5G;虛擬現實

1? ?引言

3GPP正在考慮在R16中采用IMS網絡提供虛擬現實等實時性要求更強的業務，但是目前3GPP IMS網絡架構（如圖1所示）存在以下幾個問題，不能很好地適應虛擬現實等實時性要求更強的5G應用需求：

（1）IMS架構分為接入層、控制層和業務層，各網絡功能分得過細，接口繁多，流程復雜、冗長，效率低。

（2）IMS采用歸屬地觸發業務機制，業務數據各平臺單獨存放，業務由單一平臺提供，無法就近提供業務。

（3）IMS網絡路由機制復雜，需經過控制層進行路由，無法實現接入層直接點到點的路由，路徑長，時延大。

而微信、Skype等OTT應用則采用了更為優化的架構和更為簡潔的流程，效率更高，時延更低。因此，本文將在對微信、Skype等應用的架構和流程進行研究的基礎上提出IMS網絡新架構及其應用思路。

2? ?OTT應用架構及借鑒分析

2.1? 微信架構及借鑒分析

微信總體架構分為三層：

（1）接入層：接入服務器負責登錄注冊鑒權，直接選擇業務邏輯。

（2）業務邏輯層：業務邏輯處理與數據分離。

（3）數據存儲層：統一為接入和業務提供數據，與動態數據分離。

不同層面存在著不同功能的服務器群，包括短連接服務器群、長連接服務器群、語音/視頻服務器群、圖片服務器群等，同種服務器群里的服務器提供相同的功能，可以通過群里就近的接入層服務器和業務邏輯層服務器為微信客戶端提供相應的服務，不同的服務器群提供的功能組合在一起形成了微信的各種應用。不同服務器群的功能說明如表1所示：

從上述分析可以總結出微信的優勢，針對這些優勢提出IMS網絡新架構的借鑒建議，如表2所示。

2.2? Skype架構及借鑒分析

Skype是一種基于P2P技術通過互聯網為用戶提供音頻業務的客戶端，其采用混合P2P網絡模型，呼叫控制基于私有協議，音頻通訊端到端之間交互，無需中央服務器，通話質量較好，NAT穿透能力強，可以穿透NAT和防火墻，用戶查找基于全球范圍，缺乏合法的監聽手段，其架構如圖2所示。Skype由注冊服務器（Login Server）、客戶端（Ordinary Node）和超級節點（Super Node， SN）組成。注冊服務器為用戶提供注冊服務，保存用戶的用戶名和密碼，完成登錄的認證工作。圖2中灰色的點是Skype唯一擁有的服務器，也是唯一的中心服務器。客戶端是用戶側安裝的軟件，為用戶提供音頻業務的交互界面，如圖2中小黑點所示。超級節點用于為其它客戶端提供登錄跳板及廣播服務，是按一定的規則選舉出來的任意一臺具備公網IP地址的主機，如圖2中大黑點所示。客戶端必須在Skype的注冊服務器完成登錄才能提供業務，同時必須通過超級節點才能與其他的客戶端進行交互和音頻通訊。

Skype采用的是一種既集中又分布的混合模式P2P網絡模型。其集中式的架構體現在其網絡的邊緣節點采用的是集中式的網絡結構，所有客戶端之間的交互與通訊必須通過超級節點;而其分布式架構體現在超級節點之間采用分布式的網絡結構，超級節點為全分布式架構，同時，每一個客戶端都維護一個可以到達的主機列表（Host Cache， HC），包括其IP地址和端口號，音頻呼叫過程基于P2P模式，無需中央服務器參與。

總結Skype的優勢，提出的借鑒建議如表3所示。

3? ?IMS網絡新架構

3.1? 總體新架構

根據上述對微信、Skype等OTT應用的業務架構分析，結合語音業務的特點，提出IMS網絡新架構，如圖3所示。

上述IMS網絡的新架構包括接入層、業務邏輯層和統一數據層。

（1）用戶通過接入層就近接入服務器接入網絡;

（2）就近接入層通過與統一數據層的交互完成用戶注冊鑒權、下載用戶數據、被叫路由尋址;

（3）就近接入層接入服務器直接與就近業務邏輯層中的業務邏輯交互;

（4）就近的業務邏輯層業務邏輯與數據層交互完成業務提供。

3.2? 實現思路

針對上述的總體架構，可以按新架構改造現有的IMS網絡實現，思路如圖4所示：

運營商部署5G網絡虛擬現實等實時性要求更強的業務，引入新的IMS網絡，或者對現有IMS網絡進行優化演進時，可考慮采用上述思路，借鑒IMS網絡現有接口與網元，開發網元新功能，不再部署不需要的相關網元，實現IMS網絡新架構。或者推動3GPP在R16中采用上述新架構重新設計IMS網絡，以滿足5G網絡虛擬現實等實時性要求更強的業務需求。

3.3? 新架構業務流程

在上述新架構下，基本注冊鑒權流程將發生變化，終端將就近選擇接入服務器，向其發送注冊鑒權請求，就近的接入服務器直接訪問統一數據層下載用戶數據，直接在接入服務器完成注冊鑒權，減少了注冊鑒權流程經過的網元和信令流程，提升了效率。同時，就近的接入服務器完成注冊鑒權后，通知就近的業務邏輯，就近的業務邏輯訪問統一數據層下載業務數據，后續的業務邏輯將通過就近的業務邏輯提供，無需回到歸屬地進行業務提供，提升了業務的實時性。具體的基本注冊鑒權流程參考圖5，通過這個注冊流程用戶就可以注冊到就近的接入服務器和業務邏輯上，實現就近接入和就近提供業務。

4? ?新架構應用分析

虛擬現實VR、增強現實AR、全息通信等5G應用對帶寬和實時性的要求高，需就近提供，而IMS目前采用的歸屬地業務觸發、路由等機制無法滿足時延要求更高的業務控制需求，因此，可以考慮將基于OTT模式新架構應用于這一類5G應用中。

具體實現架構如圖6，按新架構部署AR/VR、全息通信等就近提供的5G應用，分布式就近部署接入服務器（P-CSCF/BAC）、VR/AR服務器、全息通信服務器，靜態數據統一由數據庫提供，實現新架構下基于IMS網絡的5G應用。

5? ?結束語

本文在對微信、Skype等OTT應用的架構進行研究的基礎上，提出IMS網絡新架構及其應用思路，解決目前3GPP IMS網絡架構存在的諸如接口繁多、流程復雜、效率低、時延大以及無法適應虛擬現實等實時性要求更強的業務需求的問題，為基于IMS的5G應用的部署提供參考依據。

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