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서하 흥
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1 The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 14, No. 5, pp , Oct. 31, pissn , eissn JIIBC 임베디드기반의 IMS 코아 SIP 게이트웨이구현 Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 유승선 *, 김삼택 ** Seung-Sun Yoo *, Sam-Taek Kim ** 요약지능형모바일단말기의급증과 IPTV등다양한멀티미디어부가서비스의증가로 IMS(IP Multi-Media Subsystem) 가유 / 무선통합제어망으로각광을받고있다. IMS의구조는인터넷프로토콜 (IP) 기반의통신망에서기존음성서비스는물론 SIP를이용한다양한멀티미디어부가서비스를제공하기위해세션의설정변경및해제를수행하도록 NGN에서세션제어계층으로정의되었다. 현재는 IPTV 유선전화서비스사업자등에서도폭넓게채택되어기존소프트스위치기반의인터넷전화서비스플랫폼을대체하고있고특히, 최근에는이동통신서비스인 4G LTE 의확산에따라관련시장이빠르게성장하고있다. 따라서본논문에서는 1,000 회선급가입자회선을수용할수있는고속의메인 Processor와기존표준 SIP 프로토콜을사용하는 SIP 단말과 IMS Core와연동할수있고다양한멀티미디어서비스를제공할수있는 SIP 게이트웨이를설계하고구현하였다. Abstract IMS(IP Multi-Media Subsystem) is in the limelight as the Integrated wire and wireless Systems because of a sudden increase of smart mobile devices and growth of multimedia additional services such as IPTV. The structure of IMS is designed as a session control layer to provide various multimedia summative service using SIP based on IP communication network in order to carry out set-up, change and release by NGN of course, the existing voice services. But now It is broadly substituting in the IPTV, wire phone company and it is substituted in internet platform base on the soft-switch in currently. Especially, in currently, 4G LTE in a mobile communication company is rapidly growing in market. Therefore, in this study, we had designed and developed to the main prosser that can admit to 1000 user over and SIP gateway which can link the IMS Core that can link SIP Device which adopt the standard protocol on the SIP and to provide variable multimedia services. Key Words : IMS Core, 3GPP, PSTN, CSCF, SIP Ⅰ. 서론지능형모바일단말기의급증과 IPTV 등다양한멀티미디어스트리밍부가서비스의증가로보다진보된네트워크인프라의확대가요구되고있는현실에서한정된 자원으로최대의효과를낼수있는 IMS(IP Multi-Media Subsystem) 가유 / 무선통합제어망으로각광을받고있다. IMS의구조는인터넷프로토콜 (IP) 기반의통신망에서기존음성서비스는물론 SIP를이용한다양한멀티미디어부가서비스를제공하기위해세션의설정변경 * 정회원, ( 주 ) 코아트리연구소장 ** 정회원, 우송대학교컴퓨터정보학과 ( 교신저자 ) 접수일자 : 2014 년 9 월 5 일, 수정완료 : 2014 년 10 월 5 일게재확정일자 : 2014 년 10 월 10 일 Received: 5 September, 2014 / Revised: 5 October, 2014 Accepted: 10 October, 2014 * Corresponding Author: stkim@wsu.ac.kr Dept. of Information Science & Engineering, Woosong University, Korea

Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 및해제를수행하도록 NGN 에서세션제어계층으로정의되었다. 현재는 IPTV, 유선전화서비스사업자등에서도폭넓게채택되어기존소프트스위치기반의인터넷전화서비스플랫폼을대체하고있고, 특히, 최근에는이동통신서비스인 4G LTE의확산에따라관련시장이빠르게성장하고있다.

[2]-[4] 시스템이다. IMS는글로벌넘버링을이용한개인화된서비스에초점을맞추고있고전형적인기업전화서비스환경과는차이가있다. 기업입장에서최소의비용으로다양하고효과적인멀티미디어서비스를제공하기위해 IMS를이용해기존통신환경을최대한유지하면서꼭필요한 IMS 융합서비스만도입하는것이효과적이다.

2 Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 및해제를수행하도록 NGN 에서세션제어계층으로정의되었다. 현재는 IPTV, 유선전화서비스사업자등에서도폭넓게채택되어기존소프트스위치기반의인터넷전화서비스플랫폼을대체하고있고, 특히, 최근에는이동통신서비스인 4G LTE의확산에따라관련시장이빠르게성장하고있다. [1]-[2] 따라서본논문에서는 1,000명이하사업장에서도입하여최대 1,000 회선급가입자회선을수용할수있고다양한멀티미디어 IMS 서비스를이용할수있는고속의메인 IMS Core 프로세서를개발했다. 또한기존표준 SIP 프로토콜을사용하는 SIP 단말과 IMS Core와연동하여단말기의교환없이 IMS 서비스를사용할수있는 SIP 게이트웨이를설계하고구현하였다. [2]-[4] 시스템이다. IMS는글로벌넘버링을이용한개인화된서비스에초점을맞추고있고전형적인기업전화서비스환경과는차이가있다. 기업입장에서최소의비용으로다양하고효과적인멀티미디어서비스를제공하기위해 IMS를이용해기존통신환경을최대한유지하면서꼭필요한 IMS 융합서비스만도입하는것이효과적이다. 그림1과같이기간통신사업자의 IMS 서비스와연동하여 IMS 단말과 CSCF(Call Session Control Function) 중간에위치하며, IMS 단말에대응해서는 CSCF 역할을, CSCF에대응해서는 IMS단말의기능을제공한다. 유선전화, SIP폰등기존에기업에서사용하던단말기들은게이트웨이를이용하여연동한다. [6]-[9] Ⅱ. 중 소형 IMS 솔루션구현 1. IMS 솔루션개요 IMS는정보를교환하기위한통신규격이아니라멀티미디어서비스를하나의플랫폼에서제공하기위한서비스아키텍처인데, 시스템간정보교환에는인터넷프로토콜에서음성과비디오같은멀티미디어통신세션을제어하는데널리사용되는 SIP와 Diameter란프로토콜이이용된다. [3]-[6] IMS는체계화된과금구조로선불과금등을처리하기위한온라인과금체계정보를제공하고, 세션에대한과금 (Start, Intermediate, End 단계 ) 및트랜잭션메시지에대한과금정보를생성한다. 또한과금생성지점및생성규칙제어가능을포함한다. IMS 구조에서는하나의단말이멀티서비스를동시에처리하고복수의가입자 ID를지원함에따라서비스의개인화, 이동성보장, TPS 제공등유 / 무선통신에서의혁명이가능하게되었다. 예를들어, 가정의 TV에서도프레젠스, 인스턴트메시징, 멀티미디어텔레포니등다양한차세대네트워크서비스를이용할수있고, TV로전화를걸거나시청하고있는 TV 프로그램을연결된사용자들과함께보면서토론을하는등다양한멀티미디어서비스를제공할수있게되었다. [6]-[10] 본논문에서구현한임베디드기반의중소형 IMS 솔루션은사업장의직원이 1,000명이하의기업이나소규모멀티미디어서비스사업자용 IMS 솔루션구축을위한 그림 1. 중 소형 IMS 코어의개요 Fig. 1. The overview of small & medium IMS core IMS Core는중소기업용 IMS 서비스이용에사용할수있고, IMS 서비스를제공하지않는국가에서도사용가능하다. 특히, SIP 기반의인터넷전화서비스와연동하기위한 SIP- 게이트웨이기능을제공하여 SIP기반의소프트스위치와표준 SIP폰도연동할수있다. [9] 2. IMS 코어하드웨어구조 가. IMS 솔루션용메인시스템하드웨어 IMS 솔루션용메인플랫폼은다음그림 2와같이내 [9] 부 IP통신을지원하는서브-랙형식으로구성된다. 그림 2. 소용량 IMS 코어의내부구조 Fig. 2. The inner structure of small capacity IMS

The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 14, No. 5, pp.209-214, Oct. 31, 2014.

또한, 각유니트간고속으로정보를교환하는 IP통신기반의백플레인을제공하는단일시스템형상을같도록설계하였고, SIP게이트웨이는표준 SIP 메지지를 IMS 메시지로변환하고, 무선 IMS 단말 / 스마트폰등무선단말을이동환경에서사용할수있도록지원하는 FMC제어기로구성되어있다. 나.

3 The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 14, No. 5, pp , Oct. 31, pissn , eissn 주제어부 (MCU) 는 IMS 구조의각기능중집단고객에필요한기능만제공하고, PSTN 처리부 (LIU) 는 POTS 의물리적인포트확장에이용된다. 또한, 각유니트간고속으로정보를교환하는 IP통신기반의백플레인을제공하는단일시스템형상을같도록설계하였고, SIP게이트웨이는표준 SIP 메지지를 IMS 메시지로변환하고, 무선 IMS 단말 / 스마트폰등무선단말을이동환경에서사용할수있도록지원하는 FMC제어기로구성되어있다. 나. SIP 게이트웨이하드웨어개발 SIP Gateway 는그림 3과같이중소기업용 IMS 솔루션의내부에 P-CSCF로하나의기업용단말로연결되는독립된기능으로설치가된다. 본장치에연결된 SIP Gateway 는 P-CSCF 기능을담당하는 MCU로전달하는양방향전달기능을위해서 KT의유선망 (FXO) 과일반폰 (FXS) 으로부터의콜을 IMS 데이터로변환한다. [8]-[9] 그림 4. SIP 게이트웨이하드웨어블록도 Fig. 4. The H/W block diagram of SIP gateway 3. IMS 솔루션용메인시스템소프트웨어구현가. IMS 솔루션용메인시스템소프트웨어메인시스템소프트웨어블록은그림 5와같이내부데이터베이스를설계하여 IMS 솔루션용시스템에연결된 IMS 단말기에대한정보를저장했고, IMS 데이터처리를위해전체 9개의부로구현하였는데주소서버를통해서주소연동처리를할수있다. IVR/ VMS 연동처리부는응용을처리할수있고, 웹서버연동처리부는웹서버연동을처리할수있다. 단문을처리할수있는단문메시지처리부와로컬음원처리부, SIP 메시지처리부, 미디어데이터릴레이처리부를구현하였다. [9]-[10] 그림 3. SIP 게이트웨이시스템개요도 Fig. 3. The SIP gateway system 다음그림 4는소용량 IMS 코어의고성능하드웨어설계블록다이어그램이다. 그림 5에서보는바와같이당연구에서개발한소용량 IMS Core의고성능 CPU의하드웨어설계블록다이어그램이다. 그림 4에서보는바와같이당연구에사용된중앙처리장치로는 Freescale P2041 Processor를사용했으며당프로세서는최대 4 Port의 Gigabit Ethernet 을지원하며또한최대 4GB의 DDR3 메모리와 128MB의 Nor Flash 를지원한다. Ethernet 인터페이스는내부 1개, 외부 4개를설계했으며, Memory 는상용 DDR3 메모리를사용했으며, 메모리크기는 S/W포팅완료및 Call Test 완료후시스템성능에따라서확정할수있도록하였다. [9] 그림 5. MCU 보드소프트웨어블럭도 Fig. 5. The S/W block diagram of MCU board 나. SIP 게이트웨이소프트웨어구현 SIP 게이트웨이는통신서비스업체등에설치된 P-CSCF에하나의기업용단말로연결되는중소기업용 IMS 솔루션의내부에하나의독립된기능으로설치가된다. 본장치기능은통신서비스업체의 FXO과일반 FXS으로부터의콜을 IMS 데이터로변환하여 P-CSCF 기능을담당하는 MCU로전달하고또한 MCU로부터의 IMS 데이터를콜로변환하여 FXO와일반 FXS로전달

4 Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 하는기능을담당하는것이다. 이러한데이터변환을수행하기위하여그림 6과같이 SIP 게이트웨이소프트웨어를설계하였다. 외장형아날로그게이트웨이장비등으로부터콜신호는기존의 SIP 처리부를통해서 IMS 용 SIP메시지변환작업을한후에 MCU를통해서사업자 P-CSCF로전달된다. IP-PBX 등으로입력되는신호는 IMS-SIP 처리부통해서기존 SIP 메시지로변환한후기존 SIP 메시지를처리부를통해서외부장비로전달할수있도록설계하고구현하였다. 럼 REGISTER 를송신한다. 3) IP-PBX 가 P-CSCF로 REGISTER 를보냈는데 480 Temporarily not available 을수신한경우 Response에있는 Retry-After 값을얻어서타이머를설정한다. 4) IP-PBX 가 P-CSCF 로 SUBSCRIBE를보냈는데 504 서버의 Time-out 을수신한경우현재등록되어있는 P-CSCF/SBC 로초기등록처럼 REGISTER 를송신한다. 그림 6. SIP 게이트웨이소프트웨어블럭도 Fig. 6. The S/W block diagram of SIP gateway 다. 통화알고리즘본논문에서구현한임베디드기반의중소기업용 IMS 솔루션개발을위한 IMS 서버에지능형게이트웨이를연동시키기위해서통합 IMS IP-PBX 기반으로구현한다. PBX에등록하여사용되는 IP폰의등록관련부분과 PBX가 IMS 서버에등록하는부분을구현한다. RFC3680에정의되어있는 SUBSCRIBE와 NOTIFY를이용하여등록후에처리하는내용을구현한다. 절차는다음과같다. 1) IP-PBX 의대표번호를 IMS 서버 (P-CSCF) 에등록하는절차 5) FXS 가외부로전화를걸어통화하는경우. 6) 외부로부터전화를수신하여 FXS 로연결하는경우. 2) IP-PBX 가 P-CSCF로 INVITE를보냈는데 504 서버의 Time-out 을수신한경우 현재등록되어있는 P-CSCF/SBC 로초기등록처 Ⅲ. 중앙처리장치 (MCU) 선정을위한시험 본논문결과로구현된시스템을성공적으로수행하기위해서는무엇보다도중앙처리장치의선택이매우중요

The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 14, No. 5, pp.209-214, Oct. 31, 2014. pissn 2289-0238, eissn 2289-0246 하다.

4Ghz Qual-core CPU와 Mindspeed 사에서제공하는 650Mhz 듀얼코어 CPU인 C1000 프로세서, 800Mhz 듀얼코어 CPU인프리스케일프로세서와 2.4Ghz Qual-core CPU등의 3개의프로세서를콜테스트용시험장치인 Abacus 5000 시스템과리눅스서버를이용하여중앙처리장치를선정하기위해참조할수있는 CPU의호처리성능을측정하였다.

시스템의 CPU 부하에무리가없는선에서최대 300 동시 Call 까지측정하였다. 측정결과 CPU 사용률이 65% 로측정되었다. 아래그림은 Abacus 5000 시스템을통한결과화면이다. 1.

5 The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication (IIBC) Vol. 14, No. 5, pp , Oct. 31, pissn , eissn 하다. 특히본논문에서개발한임베디드기반의중소기업용 IMS 솔루션은많은양의영상및음성, 텍스트데이터를실시간으로처리해야함으로중앙처리장치의선정은연구초기에무엇보다도중요하다할수있다. 따라서본논문에서사용될중앙처리장치 (MCU) 를선정하기위하여 2.4Ghz Qual-core CPU와 Mindspeed 사에서제공하는 650Mhz 듀얼코어 CPU인 C1000 프로세서, 800Mhz 듀얼코어 CPU인프리스케일프로세서와 2.4Ghz Qual-core CPU등의 3개의프로세서를콜테스트용시험장치인 Abacus 5000 시스템과리눅스서버를이용하여중앙처리장치를선정하기위해참조할수있는 CPU의호처리성능을측정하였다. 그리고각각의측정결과는다음과같다. 까지측정하여그결과를제시하였다 Ghz Qual-core CPU 본 CPU의호처리성능측정을측정하기위하여호 (Call) 발생기 (Abacus 5000) 를이용하여 Call Test를진행하였다. 이때 Call Test는 10CPS 호를보내고 30초간호를유지하고종료한후다시호를보내는방식으로진행하였다. 시스템의 CPU 부하에무리가없는선에서최대 300 동시 Call 까지측정하였다. 측정결과 CPU 사용률이 65% 로측정되었다. 아래그림은 Abacus 5000 시스템을통한결과화면이다 Mhz 듀얼코어 CPU 인 Mindspeed C1000 프로세서를이용한호테스트결과본성능시험을위해서 Abacus 5000 콜시험장치를이용하였으며호테스트는 4CPS(Call per Second) 의부하로 8초간호를유지하고종료한후다시호를보내는방식으로진행하였다. 아래그림은 Abacus 5000 시스템을통한결과화면이다. 그림 8. Abacus 5000 를이용한호테스트화면 Fig. 8. The Call test display using Abacus 5000 그림 7. Mindspeed C1000 프로세서를이용한 Abacus 5000 시스템화면 Fig. 7. The system display of Abacus 5000 using Mindspeed C1000 processor Mhz 듀얼코어 CPU인 Freescale 프로세서본시스템의성능측정은 Over Clocking하여 1Ghz로만든후호테스트를진행하였다. 그리고호테스트는 10 대의호시뮬레이터를연동하여각시뮬레이터에서전해진수만큼의부하로호를보내고 30초간호를유지하고종료한후다시호를보내는방식으로진행하였다. 시스템의 CPU 부하에무리가없는선에서최대 140 동시호 그림 9. H/W 프로세스상태및시스템성능통계 Fig. 9. The H/W process status and system performance statistics 위와같은 3개의 CPU의성능은측정한결과본논문에서개발하고있는임베디드기반의중소기업용 IMS 솔루션개발에핵심장치로사용할수있는 CPU로는 Freescale사의 P2041 Processor이제일적당한것으로판명되어설계에반영하였다. 또한해당 CPU는본논문에서당초계획했던중소형 IMS Core의가입자수를 1,000으로하였을때동시호처리용량은 200 Call 정도가적당할것으로판단된다. 따라서본중앙처리를이용하여설계를한다면 1500가입자확장이가능한것으로판단된다. 그리고당사는 Embedded Linux Kernel 환경

Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 에서는 1Ghz CPU를사용하여동시 140 Call을무리없이처리한설계경험을가지고있다. P2041 Processor 의 Clock 수는 1.5Ghz Quad-core 이다. Ⅴ.

6 Implementation of IMS Core SIP Gateway based on Embedded 에서는 1Ghz CPU를사용하여동시 140 Call을무리없이처리한설계경험을가지고있다. P2041 Processor 의 Clock 수는 1.5Ghz Quad-core 이다. Ⅴ. 결론본논문에서구현한 IMS 코아 SIP 게이트웨이시스템은정형화된 SIP 메시지구조를기반으로하고있고이를수용할수있도록개발했다. 사업장에있는표준화된 SIP 시스템에서 IMS Core 구조로사업형태가변경되더라도수정없이기존사용자를수용할수있고, IMS Core 개발완료이전에추가되는사용자에대해서도무리없이사용이가능하다. 구현된 IMS 코어 SIP 게이트웨이를활용하여소용량 IMS Core 개발을성공적으로수행한다면단순한음성위주의통신서비스에서다양한멀티미디어형태의데이터서비스를할수있다. 다양한콘텐츠개발과고객들은원하는정보서비스를선택할수있어일대일가입자의요구대로맞춤형정보서비스를받을수있게될것이다. 본논문에서임베디드기반의중소기업용 IMS 솔루션개발을위한 IMS 서버에지능형게이트웨이를연동시키기위해서통합 IMS IP-PBX 기반으로구현하였으며중앙처리장치 (MCU) 선정을위한시험에서성능을만족하는중앙처리장치를선정했다. 향후에는본시스템을면밀한성능을측정하여그결과를제시할수있을것이다. References [1] 3GPP TS , "Policy and Charging Control over Gx reference point", September [2] 3GPP TR , "Architectural enhancements for end-to-end Quality of Service(QoS) R7", June [3] Nae-Son Lee, Jae-Oh Lee, "Police Based Network Management in the IMS", KNOM Review, Vol. 10, No.1, August [4] Bo Yu, Dong Yu, Junying Jia, JinghuaLin, "A Review of the Policy-Based QoS Architecture in IMS", PCSPA 2010 pp , September [5] H. Shulzrinne and E. Wedlund, "Application layer mobility using SIP," ACM Mobile Comput. and Commun. Review, vol.4, no.3, pp , Jul [6] J. Rosenberg, et al, "SIP:Session Initiation Protocol," IETF RFC 3261, Jun [7] R. Sparks, "The Session Initiation Protocol (SIP) refer method," IETF RFC 3515, Apr [8] S. T. Kim "Implementation of Hybrid IP-PBX System offer to Voice Conference and Video Conference base on the SIP" The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 9, No. 4, pp , August [9] S. T. Kim "Design of IMS solution based on Embedded" The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), Vol. 14, No. 4, pp , August 유승선 ( 정회원 ) 저자소개 1988 년 : 한남대학교전자계산학과 ( 공학사 ) 1997 년 : 한남대학교대학원전자계산학과 ( 공학석사 ) 2003 년 : 전북대학교대학원영상학과 ( 공학박사 ) 2010 년 ~ 현재 : 코아트리연구소장 / 부사장 2010 년 ~ 현재 : 목원대학지능로봇공학과겸임교수 < 주관심분야 : 인공지능, IP 네트워크 etc.> 김삼택 ( 정회원 ) 1985 년 : 한남대학교전자계산학과학사졸업 1987 년 : 중앙대학교전자계산학과석사졸업 년 : 중앙대학교컴퓨터공학과박사학위 1995 년 3 월 ~ 2007 년 8 월 : 우송정보대학컴퓨터정보계열교수 년 9 월 ~ 현재 : 우송대학교컴퓨터정보학과교수 < 주관심분야 : 유 / 무선네트워킹, VoIP, 모바일컴퓨팅, USN>

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°í¼®ÁÖ Ãâ·Â Performance Optimization of SCTP in Wireless Internet Environments The existing works on Stream Control Transmission Protocol (SCTP) was focused on the fixed network environment. However, the number of