书籍来源：艾怀丽《VoLTE端到端业务详解》
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IMS（IP Multimedia Subsystem）是3GPP/3GPP2（移动）和TISPAN/ITU-T（固定）网络架构的核心，IMS是个开放的网络架构（见图1-5），为业务融合提供网络能力，以及基于IP承载、与接入无关的IP多媒体业务控制能力。IMS支持IP多媒体业务，会话型业务，如语音和视频会话、多媒体会议、消息、状态呈现、视频共享、动态地址簿等，部分非会话型业务，如IPTV、Web与IMS融合业务等。
IMS这个网络架构的主要特征包含如下5个方面。
1.与接入方式无关
支持多种固定/移动接入方式的融合，支持无缝的移动性和业务连续性，移动接入包含2G/3G/LTE等，固定接入包含LAN、WLAN、xDSL、xPON等。
2.归属地控制
呼叫控制和业务控制都由归属网络完成，保证业务提供的一致性，易于实现私有业务扩展，促进归属运营商积极提供吸引客户的服务，区别于软交换拜访地控制。
3.业务提供能力
打破竖井式业务部署模式，业务与控制完全分离，有利于灵活、快速地提供各种业务应用，更利于业务融合，实现开放的业务提供模式。
4.安全机制
多种安全接入机制共存，并逐渐向Fully IMS机制过渡；
部署安全域间信令保护机制；
部署网络拓扑隐藏机制。
5.统一策略控制
实行统一的QoS和计费策略控制机制。
为了更好地理解VoLTE的基本原理，在此仅描述与VoLTE业务网络强相关的各个逻辑网元功能。
CSCF是IMS系统的呼叫控制核心，它的主要作用是在IP传输平台上实现多个实时业务的分发，具有中心路由引擎、策略管理和策略执行功能。
1.P-CSCF（代理会话控制）的功能
（1）IMS终端接入IMS的入口点。
（2）产生CDR话单，用户漫游计费需求。
（3）提供Gm接口上的SIP压缩和完整性保护。
（4）将终端的请求路由到正确的I-CSCF或者S-CSCF。
2.I-CSCF（查询会话控制）的功能
（1）在IMS终端注册时，为用户分配提供服务的S-CSCF。
（2）为来话选择被叫注册的S-CSCF。
3.S-CSCF（业务会话控制）的功能
（1）IMS用户注册认证。
（2）业务触发和控制。
（3）会话路由。
1.HSS
HSS（Home Subscriber Server，归属用户服务器），是归属网络中用来保存IMS用户的签约信息，包括基本标识、路由信息以及业务签约信息等集中综合数据库，HSS中保存的主要信息包括：
（1）IMS用户标识（包括公共及私有标识）、号码和地址信息；
（2）IMS用户安全上下文：用户网络接入认证的密钥信息、漫游限制信息；
（3）IMS用户的路由信息：HSS支持用户的注册，并且存储用户的位置信息；
（4）IMS用户的业务签约信息：包括其他AS的增值业务数据。
2.SLF
SLF（Subscription Locator Function，签约数据定位功能）可以看作是一种针对HLR的地址解析机制。当运营商拥有多个HSS时：
（1）I-CSCF/S-CSCF在登记注册及事务建立过程中通过SLF获得用户签约数据所在的HSS的域名；
（2）SLF通常内置在HSS中。
MRF（Multimedia Resource Function，媒体资源功能实体）包含以下两部分。
1.MRFC（Multimedia Resource Function Controller，多媒体资源控制器）
MRFC解析来自其他S-CSCF及AS的SIP资源控制命令，并实现对MRFP的媒体资源的控制。
2.MRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒体资源处理器）
（1）在MRFC的控制下，为UE设备或IM-MGW提供媒体资源。
（2）包括媒体流混合（多方会议）。
（3）多媒体信息播放（放音、流媒体）。
（4）媒体内容解析处理（码变换、语音识别等）。
1.MGCF的功能
MGCF用于IMS域与CS域的互通，负责完成控制面信令的互通（PSTN/CS域侧ISUP/BICC协议与IMS侧SIP协议的互通），并控制IM-MGW完成用户面和媒体面的互通和放音。
2.IM-MGW的功能
IM-MGW负责在MGCF的控制下完成IMS用户面IP承载与CS域承载之间的转换，提供编解码转换、承载资源管理和放音功能。
3.IBCF的功能
IBCF部署于两个IMS网络之间或IMS与其他多媒体网络之间，作为IMS网络的边界，实现拓扑隐藏、媒体编解码/地址域转换、QoS控制等功能。
4.BGCF的功能
BGCF将用户的会话路由到正确的PLMN/PSTN网络。
（1）与本网用户互通，选择能路由至被叫网络的MGCF；
（2）与其他运营商互通，选择与其他运营商的BGCF互通。
SBC提供接入网与IMS核心网之间的NAT穿越、企业网私网穿越、接入控制、QoS控制、信令和承载安全以及IP互通等功能。
为了支持号码补全以及紧急呼叫，SBC须在SIP信令中添加相应的信息。
目前，IMS网络中的应用服务器（AS）提供以下几方面的业务应用：基本业务和补充业务。IMS网络中的基本业务包括点到点的语音呼叫、视频呼叫以及呼叫异常提示，点到点呼叫可以是两个IMS用户之间，也可以是IMS用户与其他网络的用户之间，如PSTN固话用户、移动网GSM用户等；呼叫异常提示是指在被叫忙、无应答、号码空号、主叫欠费等各种条件下的语音和视频呼叫，给主叫用户播放通知音；IMS网络中提供的补充业务种类包括号码显示、呼叫转移、呼叫限制、呼叫完成以及多方通话业务等。
IMS网络接口示意如图1-6所示。
Gm是UE和P-CSCF之间的接口，采用SIP协议，该接口的主要功能包括IMS用户注册及鉴权、IMS用户的会话控制，SIP消息采用UDP或TCP协议承载。
Gm'接口是SBC与P-CSCF之间的接口，采用SIP协议，该接口主要用于全代理式SBC与P-CSCF之间的通信。
Mw接口用于连接不同CSCF，采用SIP协议，该接口主要功能为在各类CSCF之间转发注册、会话控制及其他SIP消息。
ISC接口是S-CSCF与AS之间的接口，采用SIP协议，S-CSCF通过该接口与各类AS（SIP AS、OSA SCS）通信，以实现对CM-IMS用户的业务提供。
Mg接口是S-CSCF和MGCF之间的接口，基于SIP协议。Mj接口是BGCF和MGCF之间的接口，用于BGCF转发会话信令至MGCF，以便与PSTN/CS域网络的交互（基于SIP协议）。
Ma接口是I-CSCF和AS之间的接口，基于SIP协议，用于PSI路由。
Cx接口是I-CSCF/S-CSCF和HSS之间的接口，采用Diameter协议，用于I/S-CSCF与HSS之间的数据查询和更新等功能。
Dx接口是I-CSCF/S-CSCF和SLF之间的接口，采用Diameter协议，用于获取用户数据所在的HSS域名或地址。
Sh接口是AS和HSS之间的接口，采用Diameter协议，用于传送用户的用户数据和业务数据，包括码号信息、业务属性等。Sh接口需支持Sh-pull、Sh-Update、Sh-subscribe、Sh-notify流程。
Dh接口是AS和SLF之间的接口，采用Diameter协议，用于AS获取用户数据所在的HSS的域名或地址。
Mr接口是S-CSCF与MRFC之间的接口，Cr/Mr'接口是AS与MRFC之间的接口，采用SIP协议，完成对媒体会话管理和媒体资源的控制。
Mb接口是IM-MGW与SBC或MRF等其他媒体设备之间的接口，基于RTP/RTCP协议。
Mn接口用于MGCF对IM-MGW的控制，该接口使用H.248协议。
Ut接口是UE与AS之间的接口，可以用于用户业务数据的配置（如配置前转号码），也可以用于业务逻辑的实现（如群组业务中获取用户好友列表）等。根据不同应用场景的需求，Ut接口可以选择不同的协议。
从上面罗列的常用接口和协议，我们可以看到控制面一般是SIP协议，用户面是RTP协议，需要对这两个协议有较深的了解才能更好地理解VoLTE业务。
从各个接口的协议来看，主要包括三种协议：SIP、Diameter、RTP。SIP和Diameter是控制面的协议，RTP是用户面的协议。
1.协议栈结构
SIP协议在IMS网络协议栈中的位置如图1-7所示。
SIP与其他协议的合作如下。
· 与RSVP（Resource ReServation Protocol，资源预留协议）合作用于预约网络资源。
· 与RTP（Real-time Transmit Protocol，实时传输）合作用于传输实时数据并提供服务质量（QoS）反馈。
· 与RTSP（Real-Time Streaming Protocol，实时媒体流传输）合作用于控制实时媒体流的传输。
· 与SDP（Session Description Protocol，会话描述）合作用于描述多媒体会话。但是SIP的功能和实施并不依赖这些协议。
2.消息结构
（1）SIP消息总体结构。
SIP消息采用文本方式编码并使用UTF-8字符集。SIP消息分为两类：请求消息和响应消息。
如图1-8所示，SIP消息由三部分组成，即起始行（Start Line），消息头（Header）和消息体（Body）。
① 请求消息的起始行是请求行，响应消息的起始行是状态行。
② 任何SIP消息都必须带有消息头字段，消息体字段可以根据SIP消息的类型和业务需要决定是否携带。
③ 消息头与消息体之间以一个空格行分隔，以空格行标志头字段结束。
④ 消息体采用SDP或者txt文本来描述本次会话的具体实现方式。
（2）SIP请求消息结构。
SIP请求消息的结构如图1-9所示。SIP请求消息由请求行、消息头和消息体组成。消息头和消息体之间通过空格行（CRLF）区分；消息头通过换行符区分消息头中的每一条参数。
请求行由Method（全大写）、Request-URI和SIP Version组成。
① Method：表示请求消息的类型，基本请求中的Method主要分为6种：Invite、ACK、Bye、Cancel、Register、Options。各个消息的含义见表1-1。
② Request-URI：表示请求的目的方。
③ SIP Version：表示SIP的版本号，目前的SIP版本为2.0。
SIP请求消息举例如下。
C->S: Invite sip:Watson@Boston.bell-tel.com SIP/2.0 Via: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.com From: A.Bell To: T.Watson Call-ID: 662606876@kton.bell-tel.com CSeq: 1 Invite Contact: Subject: Mr.Watson, come here. Content-Type: application/sdp Content-Length: ... v=0 o=bell 53655765 2353687637 IN IP4 128.3.4.5 s=Mr.Watson, come here. c=IN IP4 kton.bell-tel.com m=audio 3456 RTP/AVP 0 3 4 5复制代码 （3）SIP响应消息结构。
SIP响应消息通过起始行与SIP请求消息进行区分。在SIP响应消息中，起始行称为状态行。
SIP响应消息的结构如图1-10所示。SIP响应消息由状态行、消息头、空格行和消息体组成。通过换行符区分消息头中的每一行参数。对于不同的响应消息，参数不固定。
状态行由SIP Version、Status-Code、Reason-Phrase组成。
① SIP Version：与请求行中的协议版本相同。
② Status-Code：表示响应消息的类型代码，由三位整数组成，即1XX、2XX、3XX、4XX、5XX、6XX（见表1-2），代表不同的响应类型。
③ Reason-Phrase：用于表示状态码的含义，对Status-Code的文本描述。
例如，183响应消息中携带的Reason-Phrase为“Session Progress”，表示当前呼叫进行中。
SIP响应消息举例如下。
S->C: SIP/2.0 200 OK Via: SIP/2.0/UDP kton.bell-tel.com From: A.Bell To: ;tag=37462311 Call-ID: 662606876@kton.bell-tel.com CSeq: 1 Invite Contact: sip:Watson@Boston.bell-tel.com Content-Type: application/sdp Content-Length: ... v=0 o=Watson 4858949 4858949 IN IP4 192.1.2.3 s=I’m on my way c=IN IP4 Boston.bell-tel.com m=audio 5004 RTP/AVP 0 3复制代码 （4）SIP请求和响应消息共有的消息头字段。
消息头字段包含与请求有关的信息，例如请求的发起者、请求的接收者。消息头字段也可以只是消息正文的特性，例如指示VXML格式的消息体。
每个消息头字段以CRLF结束。一个SIP消息的整个消息头部分也以CRLF结束。
消息头字段的格式为：
Header-name: header-value。
主要的消息头字段包含以下内容。
① From：所有请求和响应消息必须包含此字段，以指示请求的发起者。服务器将此字段从请求消息复制到响应消息。
该字段的一般格式为：
From：显示名〈SIP URL〉；tag=xxx。
From字段的示例有：
From：“A.G.Bell”sip:agb@bell-telephone.com。
② To：该字段指明请求的接收者，其格式与From相同，仅第一个关键词代之以To。所有请求和响应都必须包含此字段。
③ Call ID：该字段用以唯一标识一个特定的邀请或标识某一客户的所有登记。用户可能会收到数个参加同一会议或呼叫的邀请，其Call ID各不相同，用户可以利用会话描述中的标识，例如SDP中的Origin（源）字段的会话标识和版本号判定这些邀请的重复性。
该字段的一般格式为：
Call ID：本地标识@主机，其中，主机应为全局定义域名或全局可选路由IP地址。
Call ID的示例可为：
Call ID：19771105@foo.bar.com。
④ Cseq：命令序号。客户在每个请求中应加入此字段，它由请求方法和一个十进制序号组成。序号初值可为任意值，其后具有相同的Call ID值，但不同请求方法、头部或消息体的请求，其Cseq序号应加1。重发请求的序号保持不变。ACK和CANCEL请求的Cseq值与对应的Invite请求相同，BYE请求的Cseq值应大于Invite请求，由代理服务器并行分发的请求，其Cseq值相同。服务器将请求中的Cseq值复制到响应消息中。
Cseq的示例为：
Cseq：4711 Invite。
⑤ Via：该字段用以指示请求经历的路径。它可以防止请求消息传送产生环路，并确保响应和请求的消息选择同样的路径。
该字段的一般格式为：
Via：发送协议 发送方；参数。
其中，发送协议的格式为：协议名/协议版本/传送层，发送方为发送方主机和端口号。
Via字段的示例可为：
Via：SIP/2.0/UDP first.example.com:4000。
⑥ Contact：该字段用于Invite、ACK和Register请求以及成功响应、呼叫进展响应和重定向响应消息，其作用是给出和用户直接通信的地址。
Contact字段的一般格式为：
Contact：地址；参数。
其中，Contact字段中给定的地址不限于SIP URL，也可以是电话、传真等URL或mail to:URL。
其示例可为：
Contact：“Mr.Watson” sip:waston@worcester.bell-telephone.com。
有些消息头是每个SIP请求和响应都必须有的，例如：
· To消息头；
· From消息头；
· Call-ID消息头；
· Cseq消息头；
· Via消息头；
· Max-Forwards消息头；
· Contact消息头。
（5）SIP请求和响应消息共有的消息体字段。
消息体又称消息正文，是SIP消息的有效负荷。消息体可以携带任何基于文本的信息，而请求的Method和响应的Status-Code决定了消息正文该如何解释。
当描述一个会话时，常见的消息体是SDP消息。当描述一个多媒体会议时，常见的消息体是VXML和MSML。
1.协议栈结构
Diameter协议包括两个部分：Diameter基础协议和Diameter应用协议，如图1-11所示。
① Diameter基础协议被用于传递Diameter数据单元、协商能力集和处理错误，并提供扩展能力。
② Diameter应用协议定义了特定应用的功能和数据单元，如NAS（Network Access Service）协议、EAP（Extensible Authentication Protocol）、MIP（Mobile IP）、CMS（Cryptographic Message Syntax）协议等。
Diameter协议本身是一个对等协议，即在传输层没有客户端和服务器端的概念。建立链路时，两个Diameter节点既作为客户端又作为服务器端，如果建立了两条链路，则通过选举机制关闭一条。
Diameter基本协议可以使用TCP（Transfer Control Protocol）或SCTP（Stream Control Transfer Protocol）作为传输协议。Diameter两端之间存在面向连接的关系，SCTP能够将几个独立的流归类于单个SCTP连接，使得传输性能优于每个流都打开的独立的TCP连接。因此SCTP是更好的选择，现网中一般也是使用SCTP协议。
TLS（Transport Level Security）提供传输层连接的安全，IPSec（IP Security）提供逐跳（Hop-to-Hop）连接的安全。Diameter客户端可以支持IPSec或TLS，Diameter服务器必须同时支持TLS和IPSec。为确保安全性，Diameter协议不能在没有任何安全机制（TLS或IPSec）的情况下使用。
2.消息结构
Diameter消息由消息头和消息体组成，各个字段以网络字节顺序传送。Diameter消息结构如图1-12所示。消息体中AVP结构如图1-13所示。
3.消息实例
Diameter消息实例如图1-14所示。
Diameter消息头各字段含义如表1-3所示。消息体各字段含义如表1-4所示。
1.协议栈结构
RTP和RTCP在IMS网络中都是媒体面的协议，协议栈结构如图1-15所示。
2.消息结构
RTP/RTCP在IP网络中的消息栈结构如图1-16所示。
3.消息示例
（1）RTP消息如图1-17所示。
（2）RTCP消息如图1-18所示。
由于RTP/RTCP协议是我们日常工作中比较难掌握的协议，本书将在后续VoLTE语音质量问题篇章做详细的阐述，本章作为协议了解而简单描述。
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