Que es IMS? Arquitectura del IP Multimedia Subsystem explicada para ingenieros de voz

IMS aparece en cuanto una llamada VoLTE llega a su interconexion, un operador movil le pide interconectarse con su nucleo, o un mensaje RCS necesita un punto de terminacion. La sigla aparece en hojas de especificaciones, acuerdos de interconexion y tickets de incidencias, generalmente sin que nadie se detenga a definirla. En telecomunicaciones, IMS significa IP Multimedia Subsystem, el nucleo IP estandarizado que transporta voz, video y mensajeria sobre una unica red de paquetes.

En este articulo le explicaremos que es IMS, los elementos funcionales que componen el nucleo IMS, como se mueve una sesion a traves de el y donde se ubica el Session Border Controller (SBC) en sus bordes. Si usted opera interconexiones SIP o evalua SBCs, esta es la capa que explica por que tanto trafico de operadores termina llegando a su frontera. TelcoBridges lleva mas de veinte anos trabajando exactamente en ese limite entre la senalizacion TDM heredada y el IP moderno.

Que significa IMS (y que no significa)

IMS son las siglas de IP Multimedia Subsystem, una arquitectura estandarizada por 3GPP en TS 23.228. Es un marco de referencia, no un producto ni un equipo unico. Los operadores compran implementaciones de IMS a distintos proveedores, y cada proveedor mapea las funciones estandarizadas en su propio software, pero la arquitectura de referencia y las interfaces entre funciones se mantienen consistentes en todos los despliegues. Esa consistencia es precisamente el objetivo: permite que una llamada se origine en el nucleo IMS de un operador y termine en el de otro sin que ninguna de las partes tenga que adivinar como construyo su red la otra.

IMS existe para consolidar lo que antes eran redes separadas. Antes de IMS, la voz funcionaba sobre infraestructura de conmutacion de circuitos, la mensajeria usaba su propio camino de senalizacion, y cada nuevo servicio implicaba un silo mas. IMS pone la voz sobre LTE (VoLTE), las videollamadas y la mensajeria en un unico nucleo IP construido alrededor del Protocolo de Inicio de Sesion (SIP), definido en RFC 3261. Si desea conocer el protocolo antes de continuar, nuestra guia sobre los fundamentos de la senalizacion SIP cubre la capa de la que depende todo en IMS. En resumen: cada sesion en IMS se establece, modifica y finaliza con SIP, y los elementos descritos a continuacion son basicamente servidores SIP especializados con funciones definidas.

La arquitectura IMS: elementos funcionales principales

IMS se representa normalmente como tres planos horizontales. El plano de acceso es donde se conecta el dispositivo (el equipo de usuario, o UE). El plano de control es el nucleo IMS propiamente dicho, donde ocurren el registro y el control de sesiones. El plano de aplicacion alberga la logica de servicio. La mayor parte de lo que hace que IMS parezca complicado reside en el plano de control, por lo que ahi es donde un ingeniero de voz debe concentrarse.

La familia CSCF

En el corazon del nucleo IMS se encuentran las Call Session Control Functions (CSCFs), los servidores SIP que registran usuarios y enrutan sesiones. Son tres, y cada uno tiene un rol distinto.

El Proxy-CSCF (P-CSCF) es el primer punto de contacto del dispositivo con la red. Cada mensaje SIP del UE entra y sale a traves del P-CSCF, lo que lo convierte en el borde de acceso del nucleo IMS. Gestiona la asociacion de seguridad con el dispositivo, comprime la senalizacion cuando es necesario y aplica politicas en el borde.

El Interrogating-CSCF (I-CSCF) es el punto de entrada a una red domestica desde fuera de ella. Cuando una sesion necesita alcanzar a un abonado, el I-CSCF consulta la base de datos de abonados para averiguar que nodo de servicio gestiona a ese usuario y luego reenvia la solicitud en consecuencia.

El Serving-CSCF (S-CSCF) es el cerebro del nucleo. Actua como registrador SIP, mantiene el estado de registro del abonado y ejecuta los disparadores de servicio que deciden que logica de aplicacion toca una sesion. Cada usuario registrado queda anclado a un S-CSCF durante toda la duracion de su registro.

La base de datos de abonados y las pasarelas

El Home Subscriber Server (HSS) es la base de datos maestra del nucleo IMS. Almacena identidades de abonados, credenciales de autenticacion y perfiles de servicio, y los CSCFs lo consultan a traves de interfaces estandarizadas durante el registro y el establecimiento de sesiones. Nada se enruta correctamente en IMS sin que el HSS confirme quien es un abonado y que esta autorizado a hacer.

Tres funciones adicionales gestionan el limite entre IMS y todo lo que esta fuera de el. La Media Gateway Control Function (MGCF), junto con un media gateway, interconecta llamadas entre IMS y la PSTN de conmutacion de circuitos heredada, traduciendo tanto senalizacion como medios. La Breakout Gateway Control Function (BGCF) decide donde debe salir una llamada destinada a la PSTN, eligiendo el MGCF adecuado o transfiriendo la llamada a otra red. La Interconnection Border Control Function (IBCF) se ubica en la interfaz red-a-red (NNI) entre el IMS de un operador y el de otro, controlando la senalizacion y los medios cuando cruzan el limite de confianza.

Para completar el nucleo, la Media Resource Function (dividida en un controlador, el MRFC, y un procesador, el MRFP) proporciona anuncios, conferencias y manipulacion de medios como la transcodificacion. El plano de aplicacion contiene los Application Servers (AS) donde realmente se ejecuta la logica de servicio, con el AS MMTel proporcionando funciones de telefonia y los servidores de mensajeria gestionando SMS y RCS.

Como se mueve una sesion a traves del nucleo IMS

El registro es lo primero. El UE envia un SIP REGISTER que ingresa a traves del P-CSCF, el cual lo reenvia al I-CSCF. El I-CSCF consulta el HSS para saber que S-CSCF debe atender a este abonado, le asigna uno, y el S-CSCF completa el registro despues de que el HSS autentica al usuario. A partir de ese momento, la red sabe donde esta el abonado y que nodo de servicio es dueno de su estado de sesion.

El establecimiento de sesion sigue el mismo camino en esencia. Un SIP INVITE del dispositivo viaja a traves del P-CSCF hasta el S-CSCF asignado, que evalua los disparadores de servicio y decide hacia donde va la sesion. Si el destino es otro abonado en el mismo nucleo, el S-CSCF enruta internamente. Si la llamada esta destinada a la PSTN, el BGCF y el MGCF se encargan de la salida. Si esta destinada a otro operador, el IBCF la transporta a traves del NNI. El detalle a nivel de mensaje de como un INVITE negocia y conecta es el mismo intercambio SIP que veria en cualquier troncal, y nuestro articulo sobre el flujo de llamada SIP paso a paso recorre cada mensaje si desea la vista a nivel de paquete.

Donde encaja el SBC en IMS

Para cualquiera que compre, despliegue u opere session border controllers, esta es la parte que importa. El nucleo IMS tiene dos bordes que necesitan un extremo controlado y protegido, y el SBC es lo que se ubica en ambos.

En el borde de acceso, el SBC realiza (o actua como interfaz de) la funcion P-CSCF para el trafico VoLTE y otro trafico de acceso. Gestiona la traduccion NAT para dispositivos detras de routers, ancla los medios para que la red mantenga el control de la ruta RTP, administra el registro hacia el nucleo y aplica la seguridad de acceso. Este es el mismo rol que un SBC de acceso desempena en cualquier red de voz IP, aplicado a la senalizacion especifica de un tramo de acceso IMS.

En el borde red-a-red, el SBC realiza la funcion IBCF entre operadores. Aqui oculta la topologia para que ningun operador exponga su direccionamiento interno, normaliza el SIP entre los dialectos que habla cada lado, aplica proteccion contra ataques de denegacion de servicio (DoS) y denegacion de servicio distribuida (DDoS) en el borde, y gestiona la interconexion de medios. Cuando ambos lados utilizan codecs diferentes, el borde es tambien donde ocurre la transcodificacion; por ejemplo, convertir el AMR que usa una red movil al G.711 que espera una troncal heredada.

La razon por la que la consolidacion IMS impulsa la demanda de SBCs se reduce al apalancamiento. Voz, video, SMS y RCS viajan todos sobre el mismo nucleo IMS, por lo que el limite entre ese nucleo y el mundo exterior se convierte en el punto unico de mayor valor para asegurar, controlar y adaptar el trafico. La mensajeria tambien comparte esta infraestructura: SMS y RCS terminan en el mismo borde que transporta la voz. Sea lo que sea que cruce el limite, el SBC es donde un operador puede inspeccionar, proteger y transformar ese trafico.

Preguntas frecuentes

Conclusion

IMS es el nucleo IP estandarizado que permite a una unica red transportar voz, video y mensajeria en lugar de ejecutar cada uno en su propia infraestructura. Su plano de control con CSCFs y HSS registra usuarios y dirige sesiones, mientras que las funciones de pasarela gestionan la salida a la PSTN y la interconexion con otros operadores. Para un ingeniero de voz, la conclusion practica es donde estan los bordes: el borde de acceso y el borde red-a-red son donde el nucleo IMS se encuentra con el resto del mundo, y esos son exactamente los puntos que un session border controller existe para proteger y controlar.