第一章 簡介
(2) IP-Connectivity Access Network
(4) IETF SIP Core Network (e) Location
Server (f) Registrar
Other PDN (1) UE
(3) 3GPP IMS Core Network
(a) HSS
(d) I-CSCF (b) P-CSCF
(c) S-CSCF
(g) Proxy Server
圖 1.1: 3GPP IMS 與 IETF SIP 網路架構
VoIP (Voice over IP) 為現行最重要的網路服務之一，此服務建置於 IP 多媒體子系統 (IP Multimedia Core Network Subsystem; IMS) [1] 與 SIP (Session Initiation Protocol) [2] 網 路架構上。IMS 為第三代合作夥伴計畫 (3rd Generation Partnership Project; 3GPP) 所規 劃的多媒體服務基礎架構，它在第三代行動通訊系統 (Third Generation; 3G) 中扮演極重 要的角色。簡化的 IMS 架構如圖 1.1 (1)(2)(3) 所示，此架構包含 UE (User Equipment; 圖 1.1 (1))、IP 連結存取網路 (IP-Connectivity Access Network; 圖 1.1 (2)) 與核心網路 (Core Network; 圖 1.1 (3))。UE 為具行動通訊裝置之個人電腦或手機。UE 提供 UA (User Agent)
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軟體讓終端用戶 (end user) 透過 IP 連結存取網路連結到核心網路。核心網路包含 HSS (Home Subscriber Server; 圖 1.1 (a)) 與 CSCFs (Call Session Control Functions; 圖 1.1 (b)(c)(d))。HSS 為 IMS 中最主要的資料庫，負責儲存使用者相關資訊。CSCFs 的角色類 似於 SIP 代理伺服器。CSCFs 依不同功能，分成 P-CSCF (Proxy CSCF; 圖 1.1 (b))、S-CSCF (Serving CSCF; 圖 1.1 (c)) 與 I-CSCF (Interrogating CSCF; 圖 1.1 (d))。P-CSCF 為 UE 連 結核心網路的第一個節點，負責決定信令傳遞的路徑，並提供承載資源 (bearer resource) 的認證。S-CSCF 負責服務 UE，以進行註冊、設定通話線路與提供增添服務 (supplementary service) 等功能。I-CSCF 是來話 (incoming call) 從客籍網路 (visited network) 進入 IMS 的連結點，其功用為本籍網路 (home network) 的防火牆與閘道，可對外隱藏本籍網路內 部的資訊。
另一種網路架構為網際網路工程專案小組 (Internet Engineering Task Force; IETF) 所 制定的 SIP 網路架構 (圖 1.1 (4))，目前被廣泛使用在 VoIP 服務上。IETF SIP 核心網路由 三種伺服器所組成：位置伺服器 (Location Server; 圖 1.1 (e)) 用於儲存 UA 目前位址。註 冊伺服器 (Registrar; 圖 1.1 (f)) 處理 UA 發出的註冊要求，並在 UA 成功註冊後，向位置 伺服器更新 UA 所在的位址。代理伺服器 (Proxy Server; 圖 1.1 (g)) 除了向位置伺服器詢 問受話端位址，並負責 SIP 信令的轉送。
現行 VoIP 服務建置於上述 SIP 為基礎的 3GPP IMS 及 IETF SIP 兩種網路架構上。
例如行動電信業者採用前者，而網路電話服務業者 (Internet Telephony Service Provider;
ITSP) 採用後者。在此兩種架構中，終端用戶必頇以 UE 為媒介，透過 UE 上的 UA 軟體 來與核心網路進行服務。為了評估 UE 與核心網路之間的服務效能，本論文參考 [3, 4] 提 出的實驗方法，以通話建立 (call setup) 為例，分別在可控制與實際網路下測量 UE 與核 心網路間的通話建立效能。相較於 [3, 4]，本論文採用智慧型手機 (smartphone) 做為實
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驗的 UE (將於後續說明)，並於通話建立程序上加入 TCP 連結傳輸、身份認證與安全加密 機制等延伸功能來進行測量。藉由通話建立複雜度的增加，探討延伸功能對原有服務效 能的影響。
由於近年來智慧型手機的興起 (如 Windows Mobile、iPhone 與 Android phone)，以及 在行動裝置上使用個人服務的接受度與普及率攀升，未來智慧型手機勢必成為重要的服 務媒介之一。本論文考量到 Windows Mobile 智慧型手機較早被推行，因此在開發資源上 較為完整，所以決定以 Windows Mobile 智慧型手機做為實驗的 UE。接著，本論文評估 現行可運作於行動通訊平台上的 UA 軟體，如 fring [5] 與 Nokia N95 手機 [6] 內建的 SIP UA 等。fring 支援多種行動平台，及整合多種服務業者提供的 VoIP 功能，如 MSN、
GoogleTalk 與 Facebook。但 fring 不支援 3GPP 服務標準與 TLS (Transport Layer Security) [7]
安全加密保護。Nokia N95 手機內建的 SIP UA 雖然支援了 3GPP IMS 與 IETF SIP 兩種服 務標準以及安全加密保護，但未提供 QoS (Quality of Service) 資源協商功能。上述 UA 軟 體雖然已有部份可利用的功能，但本論文無法取得這些軟體的原始碼，以致無法在軟體 上加入效能測量相關程式。
而本實驗室在 Windows Mobile 上已有基本的 UA 軟體開發成果 [8]。此 UA 軟體可 提供註冊認證、通話建立等基本 VoIP 功能。不過此 UA 軟體尚未支援 3GPP IMS 服務標 準、TCP 傳輸協定、QoS 協商與 TLS 安全保護。所以，本論文決定基礎於此 UA 軟體來 進行功能的開發，並對所開發之新 UA 軟體稱作 SIP/IMS UA。SIP/IMS UA 支援了 3GPP IMS 與 IETF SIP 兩種網路服務架構，及上述原 UA 軟體未提供的功能，並具備即時訊息 (Instant Message) [9]、通話保留 (Communication Hold) [10]、通話轉接 (Communication Transfer) [11] 與 NAT (Network Address Translation) [12] 穿越等能力。後續本論文將利用
SIP/IMS UA 來進行各種效能測量實驗。
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本論文的章節組織描述如下。第二章說明本論文所實作之 SIP/IMS UA 的系統設計與 內部模組功能。第三章描述 SIP 通話建立的信令流程。第四章使用 SIP/IMS UA 來進行實 驗與分析實驗結果。第五章為總結，並提出未來工作方向。
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2.1 User Interface Module
User Interface Module (圖 2.1○a ) 提供圖形化使用者介面，讓使用者透過此介面的 操作 (例如按下按鈕或選取選單)，來啟動服務功能或取得 UA 狀態資訊。本論文對原有