IPv6 在 IP 多媒体核心网子系统中的应用
明廷堂
河南省开封市河南大学网络中心(475001)
摘要：IPv6 作为通往下一代因特网的桥梁，突破了私用地址空间和网络地址翻译的限制，
其几乎无限的地址空间为实现新的端到端服务（比如 IP 多媒体服务）提供了一个通用平台；
IP 多媒体核心网子系统是一种支持移动多媒体服务的体系架构，其应用依赖于 IPv6 协议成
功而广泛的发展。
关键词：IP 多媒体核心网子系统、全球移动通信系统
未来的 3G 移动通信网络将提供广泛的数字和多媒体业务，并且满足无线数据通信业务
的需求。这些都对网络的服务质量（QoS）、安全性和移动性提出了更高的要求。同时业界
已经达成共识：通信网络与计算机网络的融合已经成为未来发展的目标，移动网络和 IP 网
络的融合呈现一体化的趋势。这两个网络在 IP 层上的统一，预示着未来的核心网络将是全
IP 的网络。 对于移动通信，这就意味着大量的移动设备需要某种形式的 IP 连接——这就要
求现在的通信网络进行较大的改变，逐步过渡到分组网络中去，并建立适应分组网络的呼叫
控制机制以及业务模型。
为移动设备提供最全面业务的最简单方法是每个移动终端获取一个全球唯一的可用的
IP 地址。而 IPv6 巨大的地址空间和先进的移动性、安全性以及端到端的服务质量和承载多
业务能力正好满足这方面的需求。因此，UMTS 将全面采用 IPv6，IPv6 也成为能否将 Internet
业务引入 UMTS 的一个关键因素。
1 背景
由于 IPv6 相对于 IPv4 的优越性，欧洲下一代无线通信组织发起的 3GPP 首先倡导使用
IPv6。从 1997 年起 IPv6 就逐步被引入到 GSM/GPRS 标准中，在 2001 年 5 月 3GPP 在 Release
5 中，3GPP 更是明确将 IPv6 确定为 IMS 的强制支持的协议版本，有关的国际标准迅速形成。
3GPP2 也正在考虑在所有的 IP 体系结构中采用 IPv6。同时 IETF 作为互联网协议的标准化
组织，也积极推动 IPv6 在 3GPP 中的应用。
当前的这种形式，意味着第三代移动通信网络将全面应用 IPv6，IPv6 将在移动终端上
使用，并且每个设备都将有一个全球唯一的 IPv6 地址。通过 IPv6，用户可以随时随地使用
互联网服务。从这个意义来说，移动通信的 IPv6 能否顺利发展，决定了 IPv6 的未来，也推
动了 IPv6 相关标准的发展。
3GPP 决定将 IPv6 作为提供 IP 话音和流媒体业务的 IMS 唯一使用的 IP 传输协议。IPv6
的优越性体现在终端、应用和网络等方面。从业务和应用的角度，IPv6 可以满足流媒体等
新的数据和 VoIP 业务的要求，在 3G 和其它网络之间提供端到端的服务质量及端到端的安
全性和移动性；从移动网络的角度，终端和网络使用统一的 IPv6 协议，易于实现网络的无
缝连接和互操作性，使用 IPv6 作为传输层协议是网络更易于管理，并提供端到端的服务质
量，其巨大的地址空间打破了 NAT 的局限性并提高网络性能。
IPv6 的优越性主要体现在以下几个方面：
·自动地址配置；
·嵌入的安全性和移动性；
·良好的可扩展性；
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·QoS。
因此，IPv6 在 UMTS 中实现多媒体业务的关键因素，在 UMTS 中广泛实施 IPv6 需要解决
地址分配、QoS、安全性以及过渡等问题。使用 IPv6 作为 3GPP 的传输协议，其标准化过程
是逐步发展的：在 Release 99 阶段定义核心网（CN）和用户终端（UE）都使用 IPv4，即终
端和系统都使用 IPv4；在 Release 4 阶段，核心网可以使用 IPv4 或 IPv6，用户终端仍然使
用 IPv4；在 Release 5 中，核心网和接入网中，IPv4/IPv6 是可选的，都可以作为连接网元
的传输协议，用户终端可以接入 IPv4 和 IPv6 的服务，而 IMS 则只能使用 IPv6。
本文不对 3GPP/UMTS 整个技术领域中的 IPv6 进行广泛的探讨，专注于 IP 多媒体子系统
（IMS）的 IPv6 相关问题。
2 IMS 体系结构
IP 多媒体子系统概念
3GPP Release 5 在分组域的基础上增加了 IP 多媒体核心网子系统（简称 IMS），以加强
在分组域承载的多媒体业务控制。IP 多媒体核心网系统是由所有能提供多媒体服务的核心
网功能实体组成，包括了与信令和承载相关的功能实体的集合。IP 多媒体业务是基于 IETF
定义的会话控制能力，利用 PS 域和多媒体承载来实现的[1]。
为了实现接入的独立性和支持无线终端与 Internet 互操作的平滑性，IP 多媒体子系统尽
量采用与 IETF 一致的因特网标准。因此，定义的接口跟 IETF 的因特网标准也是尽可能的
一致，例如，采用了 IETF 的 SIP 协议。
会话初始化协议（SIP）主要用于支持多媒体和其它新型业务，也可以用于单独的媒体
或语音。基于 SIP 的 IMS 具有许多优势：SIP 很容易与其它 IP 协议和应用程序的集成；可
提供不同通信能力的个性化服务；可以集成语音、图像、视频和其它交互式的业务，同时提
供通过各种不同类型接入网的无缝服务；另外，SIP 与接入、业务和话路完全独立，即运营
商可以使用任何接入技术（如 GPRS、UMTS）来部署任何业务，而最终用户可以建立任何
类型的话路[2]。
支持 IP多媒体应用的全套解决方案是由用户终端、无线 IP接入网（GERAN或UTRAN）、
IP 核心网（GPRS/UMTS）和 IP 多媒体核心网子系统的一些特殊的功能单元。
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图 1 IMS 体系结构
IMS 包括与信令和承载相关的所有网络单元，主要由基于 SIP 协议的呼叫会话控制功能
（CSCF）、媒体网关控制功能（MGCF）、IP 多媒体网关功能（MGW）、多媒体资源功能控
制器（MRFC）、多媒体资源功能处理器（MRFP）、签约定位功能（SLF）、出口网关控制功
能（BGCF）、应用服务器（AS）、信令网关功能（SGW）[1]。
IMS 实体
IP 多媒体子系统像 CS 域、PS 域子系统一样，可以完成呼叫的发起、保持、释放等功能。
另外，它还要对多媒体流进行转换控制以及对多媒体业务的支持，所以包含更多的功能实体，
分别完成不同的功能。
呼叫会话控制功能（Call Session Control Function，CSCF）
根据 CSCF 在网络中所处的位置不同，它所承担的作用也不一样，它可以分为如下三种
类型：
（1）、代理 CSCF（P-CSCF）
在移动终端获得 IMS 服务时，代理 CSCF 是第一个联系节点。用户设备通过一个“本地
CSCF 发现流程”来得到 P-CSCF 的地址。P-CSCF 的作用就像一个代理服务器，它把收到的
请求和服务进行处理或转发。P-CSCF 不会对 SIP 的 INVITE 消息中请求的 URI 进行修改。
P-CSCF 也可以看作是一个用户代理，在异常情况下，它可以中止或独立产生 SIP 的事务。
P-CSCF 的主要功能有：
·把 UE 发来的 SIP 注册请求消息前转给 I-CSCF，该 I-CSCF 由 UE 提供的域名决定。
·把 UE 发来的 SIP 消息前转给 SIP 服务器，该服务器的名字由 P-CSCF 在该 UE 发起注册
规程时得到。
·生成计费记录。
· 支持 UE 与 P-CSCF 间的加密过程。
· 对 SIP 消息进行压缩与解压缩。
· 承载资源的鉴权和ＱｏＳ管理。
（２）、查询 CSCF（I-CSCF）
查询 CSCF 可以充当网络所有用户的连接点，也可以用作当前网络服务区内漫游用户的
服务接入点。在一个网络中可以有多个 I-CSCF。
I-CSCF 的主要功能是：
·注册。为用户指定一个 S-CSCF 来执行 SIP 注册。
·处理会话相关与会话不相关的消息流。包括： 将另一个网络收到的 SIP 请求路由到
S-CSCF； 从 HSS 获得 S-CSCF 的地址；转发 SIP 请求或响应给 S-CSCF。
· 生成计费记录。
（３）、服务 CSCF（S-CSCF）
服务 CSCF 执行会话控制功能。它可以根据网络运营商的需要，维持会话状态信息。在
同一个运营商的网络中，不同的 S-CSCF 可以有不同的功能。但在一个呼叫过程中，S-CSCF
要完成的功能有：
·注册。它可以作为一个注册机，也就是接收注册请求后通过位置服务器来使该请求的
信息生效。
·处理会话相关与会话不相关的消息流。包括：为已经注册的会话终端进行会话控制；
可以作为一个代理服务器，也就是接收请求后，进行内部处理或是把它转发；可以作
为一个用户代理，也就是它可以中断或是独立发起 SIP 事务；与服务平台交互来向用
户提供服务；提供终端相关的服务信息。
·当代表主叫的终端时，根据被叫的名字（如电话号码或 SIP URL）从数据库中获得为
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该被叫用户提供服务的网络的 I-CSCF 的地址。如果被叫在另一个网络，就把 SIP 请
求或响应前转给该 I-CSCF；如果被叫与主叫在同一个网络，就把 SIP 请求或响应前
转给该网络中的 I-CSCF。根据运营策略，把 SIP 请求或响应前转给ＩＰ多媒体核心
网子系统外的ＩＳＰ的 SIP 服务器。当呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域时，就把
SIP 请求或响应转发给ＢＧＣＦ。 （ｄ） 当代表被叫的终端时，如果用户在归属网
络中，就把 SIP 请求或响应前转给 P-CSCF；如果用户在拜访网络中，就把 SIP 请求
或响应前转给 I-CSCF。根据 HSS 和业务控制功能的交互作用，把要路由到ＣＳ域的
入局呼叫的 SIP 请求进行修改。当呼叫要路由到ＰＳＴＮ或是ＣＳ域时，就把 SIP 请
求或响应转发给ＢＧＣＦ。
·生成计费记录。
媒体网关控制功能（Media Gateway Control Function, MGCP）
媒体网关控制功能ＭＧＣＰ包括如下功能：
（1）、控制ＩＭＳ－ＭＧＷ中的媒体信道的连接。
（2）、与 CSCF 通信。
（3）、根据路由号码，为从传统网络来的入局呼叫选择 CSCF。
（4）、执行ＩＳＵＰ协议和ＩＭＳ呼叫控制协议间的转换。
IP 多媒体网关功能（IP Multimedia - Media Gateway Function，IM-MGW）
一个 IM-MGW 可以终止来自电路交换网的承载信道和来自分组网的媒体流(例如：IP
网中的 RTP 流)。IM-MGW 可以支持媒体转换、承载控制和负荷处理(例如：多媒体数字信
号编解码器、回声消除器、会议桥)。它包含如下功能：
（1）、与 MGCF 交互来进行资源控制。
（2）、拥有并维护回声消除器等资源。
（3）、可能需要多媒体数字信号编解码器。
IMS-MGW 要提供必要的资源来支持 UMTS/ GSM 的媒体传输。还需要对 协议进
行进一步的调整来支持额外的多媒体数字信号编解码器等。
多媒体资源功能（Multimedia Resource Function，MRF）
多媒体资源功能分成两部分，包括多媒体资源功能控制器（Multimedia Resource Function
Controller，MRFC）和多媒体资源功能处理器（Multimedia Resource Function Processor，
MRFP）。
多媒体资源功能控制器 MRFC 的主要功能如下：控制在 MRFP 中的媒体流资源；翻译
来自 AS 和 S-CSCF 的信息(例如：会话标识符)，并相应的对 MRFP 进行控制；产生计费记
录。
多媒体资源功能处理器 MRFP 的主要功能如下：控制 Mb 接口点的承载；提供 MRFC
需要的资源；混合输入的媒体流(例如：用于多方会议)；发出多媒体流(例如：用于多媒体广
播)；处理多媒体流(例如：语音编码转换、媒体分析)。
签约定位功能（Subscription Locator Function，SLF）
签约定位功能SLF的主要功能如下：在注册和会话建立期间，被I-CSCF查询，SLF向I-CSCF
提供存储用户具体数据的HSS的名字；通过Dx接口来接入IMS。在单一的HSS环境中，并不需
要SLF。
出口网关控制功能（Breakout Gateway Control Function，BGCF）
出口网关控制功能 BGCF 用来选择与 PSTN（或 CS 域）接口点相连的网络。如果 BGCF
发现自己所在的网络与接口点相连，那么 BGCF 就选择一个 MGCF，该 MGCF 负责与 PSTN
（或 CS 域）的交互。如果接口点在另一个网络，那么 BGCF 就把会话信令转发给另一个网
络的 BGCF。BGCF 在选择与 PSTN 相连的网络的时候，会利用收到的其它协议的信息和管
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理信息。BGCF 的主要功能如下：
（1）、收到 S-CSCF 的请求后，为呼叫选择一个适当的 PSTN（或 CS 域）接口点。
（2）、选择一个与 PSTN（或 CS 域）相连的网络。如果本网络没有与 PSTN 相连，那么 BGCF
就把 SIP 信令转发给与 PSTN（或 CS 域）相连的网络的 BGCF。
（3）、在与 PSTN（或 CS 域）相连的网络中，选择一个 MGCF，并把 SIP 信令前转给 MGCF。
（4）、生成计费记录。
信令网关功能（Signaling Gateway Function，SGW）
信令网关 SGW 完成传输层的信令转换，把基于 SS7 的信令与基于 IP 的信令进行转换（也
就是在 Sigtran SCTP/IP 和 SS7 MTP 间进行转换）。SGW 不对应用层的消息进行解释，但必
须对底层的 SCCP 或 SCTP 消息进行解释来保证信令的正确路由。
3 IMS 在 3GPP/UMTS 网络架构中的地位
3GPP/UMTS 网络的体系结构分为电路交换域和分组域，IPv6 的使用只涉及 3GPP 的分组
交换域。3GPP 网络由移动节点（MS/UE）、接入网（UTRAN）和核心网（CN）构成。移动节点
在 Release 99 和 Release 4 中称为移动站（MS），在 Release 5 中称为用户设备（UE）。移
动站（MS）由终端设备（TE）和移动终端（MT）组成，并通过空中接口接入 UMTS 系统；接
入网（UTRAN）负责软切换、接入和拥塞控制及无线资源分配等功能；核心网（CN）主要有
服务 GPRS 节点（SGSN）和网关 GPRS 节点（GGSN），SGSN 承担认证、授权以及移动性管理等
功能，GGSN 则提供 IP 连接、连接内部 IMS 以及其它外部网络并承担着收集计费信息的功能。
边界路由器（ER）则负责连接运营商网络和外部互联网。
IMS 在 3G 中的位置可以参看图 2。可以看出，IMS 连接在运营商网络内部，向 UE 提供
一些基础服务，如 DNS、WAP、SIP 等业务。
图 2 IMS 在 3G 网络中的地位
4 IMS 网络对 IPv6 的要求
3GPP 蜂窝 IP 多媒体终端使用 GPRS 作为 IP 数据包的传输网络。因此在 UE 能使用 IMS
服务之前，终端必须首先连接 GPRS 网络获取一个 IPv6 地址,即 UE 需要惊醒 GPRS 附着和激
活一个接入 IMS 的 PDP 上下文的过程[3]。此过程必须在多媒体会话建立之前完成。由于 IMS
必须使用 IPv6，所以激活的 PDP 上下文的 PDP 类型为 IPv6。这意味着 3GPP 的 IP 多媒体终
端必须使用 IPv6 接入 IMS，同时 IMS 中的代理和服务器也必须支持 IPv6。IPv6 终端接入 IMS
网络过程如图 3。
在 3GPP 网络中，当用户终端需要接入基于 IP 的业务时，需要对用户终端进行配置。而
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且，需要定义 GGSN 接入点（AP）的类型（如浏览网页的应用程序，当用户可以访问运营商
的 Web 网页，注册 GPRS 的接入点并通过短信息接受注册信息）。当用户接受设置，在 PDP
上下文激活后，用户就可以使用网络服务，GGSN 接入点（AP）的设置通常是人工配置或由
运营商预先配置的。
用户终端还需要配置 DNS 服务器。当使用 IPv4 类型的 PDP 上下文时，IPv4 的 DNS 服务
器地址可以在 PDP 上下文激活时获得，如果使用 IPv6，也需要一个类似的过程。当用户接
入IMS服务，用户终端还需要获知P-CSCF的 IPv6地址，P-CSCF的 IPv6地址可以通过DHCPv6
或者是 GPP 定义的其它方法获得，也可以通过空中接口进行配置。
图 3 IPv6 主机接入 IMS 网络
5 IMS 网络的 IPv6 过渡方案
本小节描述部署 IMS 系统的初期的 IPv6 过渡方案。
多 IMS 的应用
如图 4 所示。两个 IMS 网络被一个 IPv4 网络（如 Internet）分隔。
图 4 多 IMS 的应用
在这种情况下，虽然 UE 和 IMS 系统都是纯 IPv6 的，但是 IPv6 网络之间不是通过纯的
IPv6 连接的。端到端的 SIP 连接是基于 IPv6 的。唯一的问题是如何在两个纯 IPv6 的 IMS
网络之间通过 IPv4 网络建立连接。
解决的方案是使用隧道，隧道的起点应该位于 IMS 域的边缘。即在 UE 和 GGSN 之间激活
一个 IPv6 的 PDP 上下文，封装和解封装在网络之间进行，此过程对于 UE 是透明的。封装节
点可以是 GGSN（运营商与公共 Internet 之间的边缘路由器），封装（上行）和解封装（下
行）通常在同一个网元中进行。
这种方案与目前 6Bone 的网络操作类似。
单 IMS 的应用
如图 5 所示。IPv6 用户终端通过 IMS 系统连接到 IPv4 网络中的节点。当 UE 与 3GPP 以
外的不同系统中的其它节点通信时（如 IPv4 网络中的固定 IPv4 主机），有可能发生这种情
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况。
图 5 单 IMS 的应用
这种情况相当于一个 IMS 用户终端通过 IPv6 的 PDP 上下文经过 IMS 网络连接到 IPv4
网络中的一个节点，或在相同情况下，IPv4 节点连接到 IMS 的 UE。由于 IMS 只支持 IPv6，
所以必须在 IPv6 和传统 IPv4 节点之间使用翻译器，双协议栈的方案不够灵活。下面描述如
何进行 IPv4 与 IPv6 的互操作。
由于控制信令和用户数据在 SIP 中是分离的，即分为会话初始化协议（SIP）和会话描
述协议（SDP），因而对 SIP 数据流的翻译分为 SIP 和 SDP 两个层次的翻译。SIP 和 SDP 的翻
译在 SIP/SDP 应用层网关（Application Layer Gateway，ALG）中进行。ALG 将 SIP 消息和
SDP 载荷中的 IP 地址更改为需要转换的 IPv4/IPv4 地址。另外， ALG 和 DNS 请求也存在混
操作问题。在用户数据传输层，只需要进行一般的 IPv4/IPv6 翻译。
6 小结
本文详细介绍了 IP 多媒体子系统（IMS）的体系构架。IMS 的提出顺应了通信网络发
展的趋势，在未来的全 IP 网络中，IMS 将会是最为重要的部分。IMS 的提出还最大程度的
保护了电信运营商的利益，它完全兼容 GSM 与 GPRS，使当前的网络能平滑的过渡到下一
代网络中去。另外，IMS 还提出完全开放的业务构架，打破原有网络封闭的业务提供模式，
既为电信运营商能快速的接入新业务，又为业务提供商创造一个开放的公平的竞争环境，有
力的促进了电信业务的繁荣发展。
参考文献
[1] 阮国伟、黄本雄. UMTS 中的 IP 多媒体子系统及业务架构. 北京:中国数据通信,2002.
[2]张智江. SIP 协议及其应用. 北京:电子工业出版社,2005.
[3]马建等. IPv6 原理及在移动通信中的应用. 北京:科学出版社,2004.
Use IPv6 in IP Multimedia Core Network Subsystem
Tingtang MING
Network Center , Henan University,Kaifeng,Henan,475001
E-mail:mingtingtang@
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Abstract：
IPv6, perceived as the way to go towards next generation Internet, it’s practically infinite
address space provides a generic platform for implementing new peer-to-peer services, such as IP
multimedia services, by avoiding the usage of private address spaces and Network Address
Translators. IP Multimedia Core Network Subsystem is an architecture supporting mobile
multimedia services and it’s applications needs IPv6 to be successful and widely deployed.
Key：IP Multimedia Core Network Subsystem(IMS)、Universal Mobile Telecommunications
System(UMTS)
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