GPRS изнутри. Часть 3
В этой статье мы продолжаем наше знакомство со структурой и основными функциональными элементами пакетной сети оператора мобильной связи, которые мы начали в предыдущих двух статьях — GPRS изнутри. Часть 1 и GPRS изнутри. Часть 2. В нашей сегодняшней заметке речь пойдет об основных интерфейсах сетевых элементов PS Core Network, а также стеках проколов, используемых на этих интерфейсах.
Стандартная схема подключения ключевых GSN элементов пакетной сети, которая обычно изображена во многих учебниках и курсах по PS Core Network выглядит примерно так:
Для начала хочется уточнить, что не все интерфейсы, которые изображены на рисунке выше необходимы для предоставления пакетных услуг конечному абоненту — некоторые из них являются опциональными, т.е. эти интерфейсы вносят дополнительную функциональность для опорным сетевым элементам PS Core Network, другие же являются основой построения любой пакетной сети и будут реализованы в любом случае.
Нужно также не забывать, что некоторые интерфейсы предназначены лишь для передачи служебной сигнальной информации, поэтому они реализуются на основании стека модели SS7, причем транспортом для них может выступать различные технологии — PCM, IP, ATM (см. схему ниже).
В принципе сейчас есть тенденция к переходу на IP-шные каналы связи на всех интерфейсах пакетной сети, что связано с их экономической выгодой, большой распространенностью, а также самой TCP/IP «природой» сети за рубежом SGSN'а и общим переходам подобным IMS системам, основанным на пакетных технологиях.
Для того, чтобы иметь более целостную картину всех интерфейсов и стеков протоколов пакетной сети для архитектур 2G/3G сетей, обратимся к схеме интерфейсов от компании Tektronix:
Отталкиваясь от этой схемы начнем наше знакомство с интерфейсами GSN элементов.
С помощью этого интерфейса осуществляется подключение контроллеров базовых станций непосредственно к SGSN'у. Причем фактически, каналы на контроллере базовых станций (BSC) организовываются на специальные платы — PCU [Packet Control Unit], которые осуществляют обработку именно пакетных данных абонентов. Интерфейс может быть реализован как на довольно распространенной схеме через PCM линии (Е1 потоки), пользовательские данные которых будут «упакованы» во Frame Relay (FR) подключения к SGSN'у, так и непосредственно на одной из пакетных технологий — IP, например.
Общий стек протоколов на этом интерфейсов изображен на схеме ниже:
Как мы уже упоминали, в последнее время есть тенденция к переходу на более экономически выгодные и более дешевые варианты реализации сетевых интерфейсов, поэтому многие вендоры, производящие как контроллеры базовых станций, так и SGSN'ы предоставляют возможность реализовать Gb интерфейс на основании IP транспорта, т.е. — Gb over IP.
При этом нам следует не забывать, что в «чистом» виде Gb интерфейс реализуется лишь для 2G архитектуры, т.е. для реализации интерфейса между SGSN'ом и контроллером базовых станций — BSC, а для 3G (UMTS), т.е. для реализации интерфейса между SGSN'ом и RNC(en) контроллером, используется Iu-PS интерфейс, при чем внутри его идет разделение плоскостей сигнализации (управления) — Control Plane (основывающийся на протоколе GTP-C) и плоскости передачи данных абонентов — User Plane (основывающийся на протоколе GTP-U).
Стек протоколов Iu-PS интерфейса изображен на схеме ниже:
К слову сказать, для Gb интерфейса также существует разделение плоскостей управления и передачи данных, только они не так сильно выражены как для Iu-PS интерфейса. Плоскость передачи данных изображена на схеме ниже:
Плоскость управления по Gb интерфейсу изображена на следующей схеме:
Интерфейс между SGSN'ом и HLR'ом, который является очень нужным для пакетной сети оператора, т.к. именно через него проходят процедуры аутентификации и авторизации абонента при проведении процедур GPRS Attach, либо Combined IMSI&GPRS Attach, а т.к. этот интерфейс является «чисто» сигнальным, т.е. предназначен лишь для передачи служебной информации, то он базируется на модели SS7, в качестве основного протокола верхнего уровня используется MAP (см. схему справа), а если быть точным то специальная версия — MAP-H.
Это интерфейс между SGSN'ом и SMS-GMSC, т.е. центром отправки коротких сообщений, он является опциональным и не обязательным, но вносит в пакетную сеть дополнительную функциональность по отправке коротких сообщений через пакетные каналы. Стек протоколов для этого интерфейса ничем не отличается от стека на интерфейсе Gr (между SGSN'ом и HLR'ом), т.к. используются все те же процедуры SS7 MAP протокола (см. схему стека протоколов к Gr интерфейсу).
Более подробно услуга по отправке SMS через пакетную сеть (SMS over GPRS) рассмотрена в статье — Запасной путь для SMS. От себя могу добавить, что операторы очень не охотно идут на реализацию этого интерфейса и самой услуги по отправке сообщений через пакетную сеть.
Еще один опциональный интерфейс, между SGSN'ом и EIR'ом, позволяющий совершать проверку легитимности использования мобильного терминала абонента по его IMEI коду, выполняя запросы к базам данных IMEI кодов (Grey, Black, White Lists) оператора, находящиеся в базах данных сетевого элемента EIR. Стек протоколов аналогичен Gr, Gd интерфейсов — используется MAP (см. схему к Gr интерфейсу) протокол, а если быть точным — версия MAP-E.
Эффективность использования проверки IMEI кодов существенно повышается в случае использования центральной международной базы данных, либо же в стране должна существовать своя внутренняя база IMEI кодов, к которой будут подключены все мобильные операторы, что не всегда реализуется на практике. Поэтому многие операторы используют платформы EIR (к которым осуществляются запросы на проверку IMEI кодов) элементов в качестве платформ сопоставления пары значений IMSI/MSISDN и IMEI, т.е. в случае когда абонент меняет SIM карту или вставляет ее в другой аппарат — ему автоматически приходят «заботливые» и не разу не надоедливые настройки MMS/Internet/WAP/etc.
Еще один опциональный интерфейс между SGSN'ом и коммутатором MSC, который вносит функциональность по приему и возможности совершения CS (Circuit Services) сервисов во время активной GPRS/EDGE сессии. Это довольно нужный интерфейс, т.к. позволяет абоненту чувствовать себя более комфортно, не заморачиваясь по поводу своей доступности во время активной GPRS/EDGE сессии. По своему опыту могу сказать, что к сожалению, если сеть оператора построена на оборудовании разных вендоров, то порой не всегда удается совместить интерфейс с обоих сторон коммутатора (MSC) и SGSN'а, поэтому даже в одной сети оператора, возможно существование зон, где можно реализовать Gs интерфейс, а также тех зон где это невозможно.
За дополнительной информацией по возможности совершать и принимать звонки во время активной GPRS/EDGE сессии, я отправляю читателей к статье GPRS не помеха для звонков.
Интерфейс с помощью которого осуществляется передача биллинговых данных для проведения расчетных операций с абонентами, он реализуется между SGSN'ом и биллинг платформой — SCP. В качестве основного протокола используется приложение CAP модели SS7 (см. схему к Gr интерфейсу).
Здесь я бы хотел сделать небольшое отступление и рассказать как происходит процесс взаиморасчетов абонента с оператором по использованию пакетных услуг. Для начала вспомним, что существуют два типа абонентов:
Для pre-paid абонентов биллинг осуществляется в режиме реального времени, т.е. при поднятии (а также перед активацией) PDP Context’ов от SGSN’a через Ge интерфейс происходит запрос по CAP протоколу на IN платформы (SCP) – платформы биллинга, о текущем остатке на балансе абонента, а затем (в случае наличия необходимого остатка на счету) через определенные интервалы времени (таймеры, которые устанавливает оператор) производятся повторные запросы на возможное продолжение активной PDP сессии абонента предоплаченного сервиса.
Для post-paid абонентов, т.е. контрактных абонентов, сбор биллинг данных в основном осуществляется на самом SGSN’е (хотя есть системы биллинга, осуществляющие сбор данных и на GGSN’е), т.е. на SGSN по каждому абоненту генерируются т.н. CDR файлы, которые затем по tftp/ftp протоколу передаются на системы биллинга и по которым происходит расчет счетов абонентов, хотя для post-paid абонентов также существуют системы online биллинга, но они не получили особого распространения у операторов, по крайней мере такова информация для большинства операторов на Украине.
Таким образом, главное отличие этих двух типов абонентов в том, что для pre-paid производится т.н. online биллинг, а для post-paid – offline биллинг.
Фактически интерфейс в его полной реализации сейчас является опциональным, т.к. многие операторы используют Ge интерфейс для pre-paid абонентов, а CDR файлы для контрактных абонентов генерируются на самом SGSN'е, но тем не менее с помощью Ga интерфейса возможно реализовать биллинговые расчеты на GGSN'е. В его истинной реализации, этот интерфейс связывает SGSN, либо GGSN с СG [Charging Gateway] и в большинстве реализаций является пакетным интерфейсом (TCP/IP), использующим в качестве верхнего уровня GTP` протокол (см. схему ниже).
К слову, если сеть строиться на оборудовании одного вендора, т.е. SGSN/GGSN и CG поставляются одним вендором, то Ga интерфейс может быть использовать «на полную», при этом он будет основываться на собственных проприетарных разработках вендора, т.е. будет закрытым для самого оператора.
Два довольно похожих интерфейса, которые необходимы для реализации связности SGSN'а и GGSN'а. При чем Gn используется, если эти два сетевых элемента находятся в одной и той же PLMN(en), а Gp — если элементы находятся в различных PLMN, т.е. абонент пользуется услугами GPRS/EDGE в роуминге.
На интерфейсах используются две разновидности GTP протокола:
К слову сказать, интерфейс Gp является не всегда необходимым даже если абонент находится в роуминге, т.е. от использования этого интерфейса возможно отказаться, если выполнить несколько дополнительных условий (см. статью Expensive GPRS Roaming).
Один из самых простых, но в тоже время и самых важных интерфейсов для пакетной сети, т.к. именно через него у оператора есть выход на внешние сети Internet/Intranet. В основном интерфейс является полностью пакетным (IP) и часто представляет из себя гигабитные линки на роутеры мобильного оператора.
Вот такой вот список основных интерфейсов GSN элементов PS Core Network мобильного оператора.
Небольшой помощник:
ATM — Asynchronous Transfer Mode
BSC — Base Station Controller
BSS — Base Station Subsystem
EIR — Equipment Identity Register
GGSN — Gateway GPRS Support Node
GPRS — General Packet Radio Service
GTP — GPRS Tunnelling Protocol
HLR — Home Location Register
IMEI — International Mobile Equipment Identity
IMSI — International Mobile Subscriber Identity
MS — Mobile Station
MSC — Mobile Switching Center
MSISDN — Mobile Subscriber Integrated Services Digital Network Number
MT — Mobile Terminal
PCM — Pulse-Code modulation
PDN — Packet Data Network
PDP — Packet Data Protocol
PDU — Packet Data Unit
PLMN — Public Land Mobile Network
PS — Packet Switched
RNC — Radio Network Controller
SGSN — Serving GPRS Support Node
UMTS — Universal Mobile Telecommunications System
VLR — Visitor Location Register
Intro
Стандартная схема подключения ключевых GSN элементов пакетной сети, которая обычно изображена во многих учебниках и курсах по PS Core Network выглядит примерно так:
Для начала хочется уточнить, что не все интерфейсы, которые изображены на рисунке выше необходимы для предоставления пакетных услуг конечному абоненту — некоторые из них являются опциональными, т.е. эти интерфейсы вносят дополнительную функциональность для опорным сетевым элементам PS Core Network, другие же являются основой построения любой пакетной сети и будут реализованы в любом случае.
Нужно также не забывать, что некоторые интерфейсы предназначены лишь для передачи служебной сигнальной информации, поэтому они реализуются на основании стека модели SS7, причем транспортом для них может выступать различные технологии — PCM, IP, ATM (см. схему ниже).
В принципе сейчас есть тенденция к переходу на IP-шные каналы связи на всех интерфейсах пакетной сети, что связано с их экономической выгодой, большой распространенностью, а также самой TCP/IP «природой» сети за рубежом SGSN'а и общим переходам подобным IMS системам, основанным на пакетных технологиях.
Для того, чтобы иметь более целостную картину всех интерфейсов и стеков протоколов пакетной сети для архитектур 2G/3G сетей, обратимся к схеме интерфейсов от компании Tektronix:
Отталкиваясь от этой схемы начнем наше знакомство с интерфейсами GSN элементов.
Gb interface
С помощью этого интерфейса осуществляется подключение контроллеров базовых станций непосредственно к SGSN'у. Причем фактически, каналы на контроллере базовых станций (BSC) организовываются на специальные платы — PCU [Packet Control Unit], которые осуществляют обработку именно пакетных данных абонентов. Интерфейс может быть реализован как на довольно распространенной схеме через PCM линии (Е1 потоки), пользовательские данные которых будут «упакованы» во Frame Relay (FR) подключения к SGSN'у, так и непосредственно на одной из пакетных технологий — IP, например.
Общий стек протоколов на этом интерфейсов изображен на схеме ниже:
Как мы уже упоминали, в последнее время есть тенденция к переходу на более экономически выгодные и более дешевые варианты реализации сетевых интерфейсов, поэтому многие вендоры, производящие как контроллеры базовых станций, так и SGSN'ы предоставляют возможность реализовать Gb интерфейс на основании IP транспорта, т.е. — Gb over IP.
При этом нам следует не забывать, что в «чистом» виде Gb интерфейс реализуется лишь для 2G архитектуры, т.е. для реализации интерфейса между SGSN'ом и контроллером базовых станций — BSC, а для 3G (UMTS), т.е. для реализации интерфейса между SGSN'ом и RNC(en) контроллером, используется Iu-PS интерфейс, при чем внутри его идет разделение плоскостей сигнализации (управления) — Control Plane (основывающийся на протоколе GTP-C) и плоскости передачи данных абонентов — User Plane (основывающийся на протоколе GTP-U).
Стек протоколов Iu-PS интерфейса изображен на схеме ниже:
К слову сказать, для Gb интерфейса также существует разделение плоскостей управления и передачи данных, только они не так сильно выражены как для Iu-PS интерфейса. Плоскость передачи данных изображена на схеме ниже:
Плоскость управления по Gb интерфейсу изображена на следующей схеме:
Gr interface
Интерфейс между SGSN'ом и HLR'ом, который является очень нужным для пакетной сети оператора, т.к. именно через него проходят процедуры аутентификации и авторизации абонента при проведении процедур GPRS Attach, либо Combined IMSI&GPRS Attach, а т.к. этот интерфейс является «чисто» сигнальным, т.е. предназначен лишь для передачи служебной информации, то он базируется на модели SS7, в качестве основного протокола верхнего уровня используется MAP (см. схему справа), а если быть точным то специальная версия — MAP-H.
Gd interface
Это интерфейс между SGSN'ом и SMS-GMSC, т.е. центром отправки коротких сообщений, он является опциональным и не обязательным, но вносит в пакетную сеть дополнительную функциональность по отправке коротких сообщений через пакетные каналы. Стек протоколов для этого интерфейса ничем не отличается от стека на интерфейсе Gr (между SGSN'ом и HLR'ом), т.к. используются все те же процедуры SS7 MAP протокола (см. схему стека протоколов к Gr интерфейсу).
Более подробно услуга по отправке SMS через пакетную сеть (SMS over GPRS) рассмотрена в статье — Запасной путь для SMS. От себя могу добавить, что операторы очень не охотно идут на реализацию этого интерфейса и самой услуги по отправке сообщений через пакетную сеть.
Gf interface
Еще один опциональный интерфейс, между SGSN'ом и EIR'ом, позволяющий совершать проверку легитимности использования мобильного терминала абонента по его IMEI коду, выполняя запросы к базам данных IMEI кодов (Grey, Black, White Lists) оператора, находящиеся в базах данных сетевого элемента EIR. Стек протоколов аналогичен Gr, Gd интерфейсов — используется MAP (см. схему к Gr интерфейсу) протокол, а если быть точным — версия MAP-E.
Эффективность использования проверки IMEI кодов существенно повышается в случае использования центральной международной базы данных, либо же в стране должна существовать своя внутренняя база IMEI кодов, к которой будут подключены все мобильные операторы, что не всегда реализуется на практике. Поэтому многие операторы используют платформы EIR (к которым осуществляются запросы на проверку IMEI кодов) элементов в качестве платформ сопоставления пары значений IMSI/MSISDN и IMEI, т.е. в случае когда абонент меняет SIM карту или вставляет ее в другой аппарат — ему автоматически приходят «заботливые» и не разу не надоедливые настройки MMS/Internet/WAP/etc.
Gs interface
Еще один опциональный интерфейс между SGSN'ом и коммутатором MSC, который вносит функциональность по приему и возможности совершения CS (Circuit Services) сервисов во время активной GPRS/EDGE сессии. Это довольно нужный интерфейс, т.к. позволяет абоненту чувствовать себя более комфортно, не заморачиваясь по поводу своей доступности во время активной GPRS/EDGE сессии. По своему опыту могу сказать, что к сожалению, если сеть оператора построена на оборудовании разных вендоров, то порой не всегда удается совместить интерфейс с обоих сторон коммутатора (MSC) и SGSN'а, поэтому даже в одной сети оператора, возможно существование зон, где можно реализовать Gs интерфейс, а также тех зон где это невозможно.
За дополнительной информацией по возможности совершать и принимать звонки во время активной GPRS/EDGE сессии, я отправляю читателей к статье GPRS не помеха для звонков.
Ge interface
Интерфейс с помощью которого осуществляется передача биллинговых данных для проведения расчетных операций с абонентами, он реализуется между SGSN'ом и биллинг платформой — SCP. В качестве основного протокола используется приложение CAP модели SS7 (см. схему к Gr интерфейсу).
Здесь я бы хотел сделать небольшое отступление и рассказать как происходит процесс взаиморасчетов абонента с оператором по использованию пакетных услуг. Для начала вспомним, что существуют два типа абонентов:
- Pre-paid — абоненты предоплаченного сервиса
- Post-paid — контрактные абоненты
Для pre-paid абонентов биллинг осуществляется в режиме реального времени, т.е. при поднятии (а также перед активацией) PDP Context’ов от SGSN’a через Ge интерфейс происходит запрос по CAP протоколу на IN платформы (SCP) – платформы биллинга, о текущем остатке на балансе абонента, а затем (в случае наличия необходимого остатка на счету) через определенные интервалы времени (таймеры, которые устанавливает оператор) производятся повторные запросы на возможное продолжение активной PDP сессии абонента предоплаченного сервиса.
Для post-paid абонентов, т.е. контрактных абонентов, сбор биллинг данных в основном осуществляется на самом SGSN’е (хотя есть системы биллинга, осуществляющие сбор данных и на GGSN’е), т.е. на SGSN по каждому абоненту генерируются т.н. CDR файлы, которые затем по tftp/ftp протоколу передаются на системы биллинга и по которым происходит расчет счетов абонентов, хотя для post-paid абонентов также существуют системы online биллинга, но они не получили особого распространения у операторов, по крайней мере такова информация для большинства операторов на Украине.
Таким образом, главное отличие этих двух типов абонентов в том, что для pre-paid производится т.н. online биллинг, а для post-paid – offline биллинг.
Ga interface
Фактически интерфейс в его полной реализации сейчас является опциональным, т.к. многие операторы используют Ge интерфейс для pre-paid абонентов, а CDR файлы для контрактных абонентов генерируются на самом SGSN'е, но тем не менее с помощью Ga интерфейса возможно реализовать биллинговые расчеты на GGSN'е. В его истинной реализации, этот интерфейс связывает SGSN, либо GGSN с СG [Charging Gateway] и в большинстве реализаций является пакетным интерфейсом (TCP/IP), использующим в качестве верхнего уровня GTP` протокол (см. схему ниже).
К слову, если сеть строиться на оборудовании одного вендора, т.е. SGSN/GGSN и CG поставляются одним вендором, то Ga интерфейс может быть использовать «на полную», при этом он будет основываться на собственных проприетарных разработках вендора, т.е. будет закрытым для самого оператора.
Gn, Gp interfaces
Два довольно похожих интерфейса, которые необходимы для реализации связности SGSN'а и GGSN'а. При чем Gn используется, если эти два сетевых элемента находятся в одной и той же PLMN(en), а Gp — если элементы находятся в различных PLMN, т.е. абонент пользуется услугами GPRS/EDGE в роуминге.
На интерфейсах используются две разновидности GTP протокола:
- GTP-U — для передачи пользовательских данных
- GTP-C — для передачи служебной информации*
* — например, при активировании PDP Context'а, SGSN передает запрос PDP Context Activation к GGSN'у с помощью как раз GTP-C протокола.
К слову сказать, интерфейс Gp является не всегда необходимым даже если абонент находится в роуминге, т.е. от использования этого интерфейса возможно отказаться, если выполнить несколько дополнительных условий (см. статью Expensive GPRS Roaming).
Gi interface
Один из самых простых, но в тоже время и самых важных интерфейсов для пакетной сети, т.к. именно через него у оператора есть выход на внешние сети Internet/Intranet. В основном интерфейс является полностью пакетным (IP) и часто представляет из себя гигабитные линки на роутеры мобильного оператора.
Вот такой вот список основных интерфейсов GSN элементов PS Core Network мобильного оператора.
Небольшой помощник:
ATM — Asynchronous Transfer Mode
BSC — Base Station Controller
BSS — Base Station Subsystem
EIR — Equipment Identity Register
GGSN — Gateway GPRS Support Node
GPRS — General Packet Radio Service
GTP — GPRS Tunnelling Protocol
HLR — Home Location Register
IMEI — International Mobile Equipment Identity
IMSI — International Mobile Subscriber Identity
MS — Mobile Station
MSC — Mobile Switching Center
MSISDN — Mobile Subscriber Integrated Services Digital Network Number
MT — Mobile Terminal
PCM — Pulse-Code modulation
PDN — Packet Data Network
PDP — Packet Data Protocol
PDU — Packet Data Unit
PLMN — Public Land Mobile Network
PS — Packet Switched
RNC — Radio Network Controller
SGSN — Serving GPRS Support Node
UMTS — Universal Mobile Telecommunications System
VLR — Visitor Location Register
комментарии (14)