O que é IMS? Arquitetura do IP Multimedia Subsystem explicada para engenheiros de voz

Você encontra o IMS no momento em que uma chamada VoLTE chega na sua interconexão, uma operadora móvel pede para você interligar com o core dela, ou uma mensagem RCS precisa de um ponto de terminação. A sigla aparece em especificações técnicas, acordos de peering e tickets de suporte, geralmente sem que ninguém pare para defini-la. Em telecomunicações, IMS significa IP Multimedia Subsystem, o core IP padronizado que transporta voz, vídeo e mensagens sobre uma única rede de pacotes.

Neste artigo, vamos apresentar o que é o IMS, os elementos funcionais que compõem o core IMS, como uma sessão se move através dele e onde o Controlador de Borda de Sessão (SBC) se posiciona nas suas bordas. Se você opera interconexões SIP ou avalia SBCs, esta é a camada que explica por que tanto tráfego de operadora acaba chegando na sua borda. A TelcoBridges trabalha há mais de vinte anos exatamente nessa fronteira entre a sinalização TDM legada e o IP moderno.

O que IMS significa (e o que não significa)

IMS significa IP Multimedia Subsystem, uma arquitetura padronizada pelo 3GPP na TS 23.228. É um framework, não um produto ou equipamento único. As operadoras compram implementações IMS de fornecedores, e cada fornecedor mapeia as funções padronizadas em seu próprio software, mas a arquitetura de referência e as interfaces entre funções permanecem consistentes entre implantações. Essa consistência é o objetivo central: ela permite que uma chamada se origine no core IMS de uma operadora e termine no de outra sem que nenhum dos lados precise adivinhar como o outro construiu sua rede.

O IMS existe para consolidar o que costumavam ser redes separadas. Antes dele, a voz rodava em infraestrutura comutada por circuito, as mensagens seguiam seu próprio caminho de sinalização, e qualquer novo serviço significava um novo silo. O IMS coloca voz sobre LTE (VoLTE), chamadas de vídeo e mensagens em um único core IP construído sobre o Protocolo de Iniciação de Sessão (SIP), definido na RFC 3261. Se você quer entender o protocolo em si antes de prosseguir, nosso guia sobre fundamentos de sinalização SIP cobre a camada da qual tudo no IMS depende. Resumindo: toda sessão no IMS é estabelecida, modificada e encerrada com SIP, e os elementos descritos abaixo são, em sua maioria, servidores SIP especializados com funções definidas.

A arquitetura IMS: elementos funcionais do core

O IMS é geralmente representado como três planos horizontais. O plano de acesso é onde o dispositivo (o equipamento do usuário, ou UE) se conecta. O plano de controle é o core IMS em si, onde o registro e o controle de sessão acontecem. O plano de aplicação contém a lógica de serviço. A maior parte do que faz o IMS parecer complexo está no plano de controle, então é onde um engenheiro de voz deve concentrar sua atenção.

A família CSCF

No coração do core IMS estão as Call Session Control Functions (CSCFs), os servidores SIP que registram usuários e roteiam sessões. São três, e cada um tem uma função distinta.

O Proxy-CSCF (P-CSCF) é o primeiro ponto de contato do dispositivo com a rede. Toda mensagem SIP do UE entra e sai pelo P-CSCF, o que o torna a borda de acesso do core IMS. Ele gerencia a associação de segurança com o dispositivo, comprime a sinalização quando necessário e aplica políticas na borda.

O Interrogating-CSCF (I-CSCF) é o ponto de entrada em uma rede doméstica vindo de fora dela. Quando uma sessão precisa alcançar um assinante, o I-CSCF consulta o banco de dados de assinantes para descobrir qual nó de serviço está atendendo aquele usuário, e então encaminha a requisição.

O Serving-CSCF (S-CSCF) é o cérebro do core. Ele atua como registrador SIP, mantém o estado de registro do assinante e executa os gatilhos de serviço que decidem qual lógica de aplicação uma sessão aciona. Todo usuário registrado é ancorado a um S-CSCF durante toda a duração do seu registro.

O banco de dados de assinantes e os gateways

O Home Subscriber Server (HSS) é o banco de dados principal do core IMS. Ele armazena identidades de assinantes, credenciais de autenticação e perfis de serviço, e os CSCFs o consultam por meio de interfaces padronizadas durante o registro e o estabelecimento de sessão. Nada é roteado corretamente no IMS sem que o HSS confirme quem é o assinante e o que ele tem permissão para fazer.

Três outras funções cuidam da fronteira entre o IMS e tudo que está fora dele. O Media Gateway Control Function (MGCF), pareado com um media gateway, interconecta chamadas entre o IMS e a PSTN legada comutada por circuito, traduzindo tanto sinalização quanto mídia. O Breakout Gateway Control Function (BGCF) decide onde uma chamada destinada à PSTN deve fazer o breakout, escolhendo o MGCF correto ou encaminhando a chamada para outra rede. O Interconnection Border Control Function (IBCF) se posiciona na interface rede-a-rede (NNI) entre o IMS de uma operadora e o de outra, controlando sinalização e mídia ao cruzar a fronteira de confiança.

Completando o core, o Media Resource Function (dividido em um controlador, o MRFC, e um processador, o MRFP) fornece anúncios, conferência e manipulação de mídia como transcodificação. O plano de aplicação contém os Application Servers (AS), onde a lógica de serviço de fato é executada, com o MMTel AS entregando funcionalidades de telefonia e servidores de mensagens cuidando de SMS e RCS.

Como uma sessão se move pelo core IMS

O registro vem primeiro. O UE envia um SIP REGISTER que entra pelo P-CSCF, que o encaminha ao I-CSCF. O I-CSCF consulta o HSS para saber qual S-CSCF deve atender esse assinante, designa um, e o S-CSCF completa o registro após o HSS autenticar o usuário. A partir desse ponto, a rede sabe onde o assinante está e qual nó de serviço é responsável pelo estado de sua sessão.

O estabelecimento de sessão segue o mesmo caminho em essência. Um SIP INVITE do dispositivo percorre o P-CSCF até o S-CSCF designado, que avalia os gatilhos de serviço e decide para onde a sessão vai em seguida. Se o destino é outro assinante no mesmo core, o S-CSCF roteia internamente. Se a chamada é destinada à PSTN, o BGCF e o MGCF assumem o breakout. Se é destinada a outra operadora, o IBCF a transporta através do NNI. O detalhe em nível de mensagem de como um INVITE negocia e conecta é a mesma troca SIP que você veria em qualquer tronco, e nosso guia passo a passo do fluxo de chamada SIP detalha cada mensagem se você quiser a visão no nível de pacote.

Onde o SBC se encaixa no IMS

Para quem compra, implanta ou opera controladores de borda de sessão, esta é a parte que importa. O core IMS tem duas bordas que precisam de uma extremidade controlada e segura, e o SBC é o que se posiciona em ambas.

Na borda de acesso, o SBC executa (ou fica na frente da) função P-CSCF para VoLTE e outro tráfego de acesso. Ele cuida da travessia de NAT para dispositivos atrás de roteadores, ancora a mídia para que a rede mantenha controle do caminho RTP, gerencia o registro em direção ao core e aplica a segurança de acesso. Esse é o mesmo papel que um SBC de acesso desempenha em qualquer rede de voz IP, aplicado à sinalização específica de um leg de acesso IMS.

Na borda rede-a-rede, o SBC executa a função IBCF entre operadoras. Aqui ele oculta a topologia para que nenhuma operadora exponha seu endereçamento interno, normaliza o SIP entre os dialetos que cada lado utiliza, aplica proteção contra negação de serviço (DoS) e negação de serviço distribuída (DDoS) na borda e cuida da interconexão de mídia. Onde os dois lados usam codecs diferentes, a borda também é onde a transcodificação acontece, por exemplo convertendo o AMR que uma rede móvel usa para o G.711 que um tronco legado espera.

A razão pela qual a consolidação IMS impulsiona a demanda por SBCs se resume a alavancagem. Voz, vídeo, SMS e RCS rodam sobre o mesmo core IMS, então a fronteira entre esse core e o mundo externo se torna o ponto único de maior valor para proteger, controlar e adaptar o tráfego. As mensagens também compartilham essa infraestrutura: SMS e RCS terminam na mesma borda que transporta a voz. Seja o que for que cruze a fronteira, o SBC é onde a operadora pode inspecionar, proteger e reformatar.

Perguntas frequentes

Conclusão

O IMS é o core IP padronizado que permite a uma única rede transportar voz, vídeo e mensagens em vez de rodar cada um em sua própria infraestrutura. Seu plano de controle com CSCFs e HSS registra usuários e direciona sessões, enquanto as funções de gateway cuidam do breakout para a PSTN e da interconexão com outras operadoras. Para um engenheiro de voz, a conclusão prática é onde ficam as bordas: a borda de acesso e a borda rede-a-rede são onde o core IMS encontra o restante do mundo, e esses são exatamente os pontos que um controlador de borda de sessão existe para proteger e controlar.