（计算机科学与技术专业论文）移动通信网分组域ggsn网关功能的设计与实现.pdf

独创性( 或创新性) 声明 1 i i i i l l l l iii i l l1 1 1 11 1zi llq l l i y 17 5 8 8 4 7 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：娄建虹 日期： 7 oj d ，多，j 汐 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：兰虫垫 翩张二阻旦一 同期：2 1 丝! ! ! ! 望 日期： 为fo 、；、f0 北京邮电大学硕士学位论文 移动通信网分组域g g s n 网关功能的设计与实现 摘要 现代通信技术正处于高速发展期，核心网作为通信网的重要组成 部分，其技术在不断进步。核心网的全i p 化是一个不可避免的发展 趋势。g g s n 是移动通信网分组域的核心设备，为满足移动通信网分 组域s g s n 设备的设计、开发及测试，论文设计并实现了g g s n 的 网关功能。 论文通过深入学习移动通信网的主要网络架构、隧道技术、n a t 技术、g t p 协议，对移动通信网中相关协议栈的结构和数据包格式有 了深刻理解；在此基础上，论文分别从控制平面和用户平面介绍了移 动通信网中g g s n 网元和s g s n 网元的具体交互过程。在控制平面 主要介绍了建立维护数据通路时所需的相应控制平面的基本过程；用 户平面通过使用n a t 技术，可以使s g s n 和外部i p 网进行用户面数 据的交互。论文还介绍了一个附加的日志管理模块，用于对系统的信 息进行记录；论文最后对主要内容进行了总结并对后续工作提出了改 进建议。 论文在控制面创建p d p 上下文过程中，引入了一种高效的动态 分配i p 地址的方式，在控制面删除p d p 上下文过程中，引入了相应 的回收i p 地址的方式。在用户平面通过建立n a t 表进行i p 地址的 映射，从而将内部网和外部i p 网联系起来，并对g t p 头进行添加和 删除操作以进行协议转换，使处于不同网络的数据可以实现互通，从 而实现网关的功能。 关键词：分组域g g s n 网关g t p j ， t 7 - 北京邮电人学硕士学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fg g s n g a t e ，a yu s e di np o c k e ts 、i t c hd o m a i no f m o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nn et w o r k a b s t r a c t t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gi nav e r yh i g hs p e e d b e c a u s ec o r e n e t w o r kw o r k s 嬲o n eo f m a i np a r t so ft e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , i ta l s od e v e l o p s f a s t e r i tw i l lb eat r e n dt h a ta l lt h es e r v i c e st h a tc o r en e t w o r kp r o v i d e sw i l lb eb a s e d o ni pp a c k a g e s g g s ni sac o r ee q u i p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h eg a t e w a yf u n c t i o no fg g s ni no r d e rt om e e tt h e n e e do f d e s i g n , d e v e l o p m e n t a n dt e s to fs g s ne q u i p m e n ti nm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k o nt h eb a s eo fd e e ps t u d yo ft h em a i n f r a m eo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t u n n e lt e c h o n o l o g y , n a tt e c h n o l o g y , g t pp r o t o c a la n dg p r sp r o t o c a l ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ep r o t o c a ls t a c ko fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h ef o r m a to f d a t ap a c k e t ，a n dt h e ni n t r o d u c e st h ep r o c e s st h a tg g s na n ds g s nc o m m u n i c a t ew i t h e a c ho t h e ri nc o n t r o lp l a n ea n du s e rp l a n e i nc o n t r o lp l a n e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e p r o c e s st h a ti su s e dt oc r e a t ea n dm a i n t a i nd a t ep a t h i nu s e rp l a n e ，s g s nc o u l d c o m m u n i c a t ew i t ho t h e ri pn e t w o r kb yn a t t e c h n o l o g y t h i sp a p e r a l s oi n t r o d u c e da l o gm a n a g e m e n tm o d u l e ，i tc o u l db eu s e dt or e c o r ds y s t e mi n f o r m a t i o n i nt h ee n d ，i s u m m a r i z e dt h em a i nc o n t e n to ft h ep a p e ra n do f f e r e ds o m ea d v i c e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa l la l g o r i t h mt oa s s i g ni pa d d r e s s e si nc r e a t i n gp d p c o n t e x tp r o c e s sa n da na l g o r i t h mt or e t r i v ea s s i g n e di pa d d r e s s e si nc o n t r o lp l a n e w e 髑en a tt e c h n o l o g yt oc o n n e c tc o r en e t w o r ka n dp d n o u t s i d e ，a d d i n ga n dd e l e t i n g g t ph e a d ，t r a n s f o r md a t ef o r m a tf r o mo n ep r o t o c o lt oa n o t h e rp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：p o c k e t s w i t c h g g s ng a t e w a yg t p 北京邮电大学硕j 二学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 1 1 核心网的发展现状l 1 1 2 实际中的应用2 1 2 课题的主要研究内容及创新2 第二章移动核心网相关的概念4 2 1 移动核心网的演进。4 2 2 移动核心网的主要网络架构5 2 2 1 通信网的网络结构图5 2 2 2 移动核心网的主要网元及功能6 2 2 3 移动核心网分组域的协议栈结构7 2 3 网关一7 2 4 常用名词解释8 第三章g t p 协议1 0 3 1g p r s 骨干网1 0 3 1 1 隧道技术l o 3 2g t p 协议概述。11 3 3g t p 协议的头结构1 2 3 4g t p 协议的用户平面1 3 3 4 1g t p u 的传输模式1 4 3 4 2g t p u 的服务接入点s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 和原语1 4 3 5g t p 控制平面1 7 3 6g t p 协议的栈结构1 8 3 7g t p 协议用到的底层路径协议18 3 7 1u d p 协议l8 3 7 2m 协议。1 9 3 7 3g t p 协议下的u d p i p 协议2l 第四章n a t 技术2 2 4 1 只使用一个地址2 3 4 2 使用i p 地址池2 3 4 3 同时使用口地址和端口号2 4 北京邮电人学硕上学位论文 第五章g g s n 网关模块设计2 5 5 1 系统的需求分析。2 5 5 1 1 功能性需求2 5 5 1 2 非功能性需求2 5 5 2 系统的模块结构图2 6 5 3 控制平面模块接口定义2 7 5 3 1g g s n 保活探测。2 7 5 3 2p d p 上下文的激活过程2 8 5 3 3p d p 上下文的去激活过程2 9 5 4g g s n 控制平面模块3 0 5 5g g s n 用户平面模块3 2 5 6 日志模块3 4 5 7s g s n 和外部m 测试模块3 4 5 8m 地址分配和释放模块3 6 5 9 模块功能实现4 0 5 9 1 实现环境4 0 5 9 2 核心数据结构定义4 0 5 9 3g g s n 控制平面模块实现4 3 5 9 4g g s n 用户平面模块实现4 6 5 9 5i p 地址分配以及回收模块实现4 7 第六章测试模块功能4 9 6 1 控制平面数据的测试4 9 6 2 用户平面数据的测试5 3 第七章总结与展望5 7 参考文献5 9 致谢6 0 作者攻读学位期间发表的学术论文目录6 l 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 1 1 1 核心网的发展现状 第一章绪论 现代社会中，随着网络和通信技术的飞速发展，移动通信网络也经历了从 2 g ( g s m ) 到2 5 g ( g p r s ) ，到3 g ( u m t s ) 的演进，而且很快还会经历4 g ( l t e ) 等等。 通信技术和计算机技术、语音业务和数据业务日趋融合，无线互联网，移动 多媒体已经展现出相当大的优势和广阔的市场空间。在我们国家，移动电话和 i n t e m e t 用户也在飞速增长，可以预见，在不久的将来越来越多的移动电话用户 会渴望随时随地的得到i n t e m e t 以及多媒体业务的服务【l 】。 语音业务是传统的电信业务，也是电信的基本业务。在2 g 3 g 网络中，语 音一般由电路域( c i r c u i ts w i t c h ，c s ) 交换系统提供。当i p 多媒体子系统( d m u l t i - m e d i as u b s y s t e m ，i m s ) 出现后，我们将i m s 提供的语音业务称之为i m s 语音，一般也可以称之为p s ( 分组域交换，p a c k e ts w i t c h ) 语音，这是因为i m s 需要通过分组域交换网络提供的i p 通道与用户终端进行交互【2 】。 关于未来移动通信的发展，可以基本肯定的是移动通信网络将向m 话的大 方向演进，在此过程中，在移动网络上的业务将逐步呈现分组化特征，而网络结 构也将逐步实现以口方式为核心的模式。 未来的移动通信网络将向口化方向演进，未来的移动通信网络将是一个全 i p 的分组网络。对此，两个主要的第三代移动通信标准化组织3 g p p 和3 g p p 2 都将第三代移动通信的发展目标设定为全口网。i t u t 也认为可以将i m t - 2 0 0 0 重新定义为i m t ( i n t e m e tm o b i l e m u l t i m e d i at e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 。可以预见未 来的移动通信核心网络都将采用宽带m 网络，并在此网络上承载实时语音，视 频，w e b 浏览以及电子商务等多种业务。 移动通信网络由无线接入网( 黜蝌) 和核心网( c n ) 两部分组成。现阶段 3 g 核心网由电路域( c s 域) 和分组域( p s 域) 两部分组成，分别负责电路域 业务( 传统语音业务) 和分组域业务( 数据和多媒体业务) 。就分组域而言，相 对g p r s 核心网，3 g 核心网进一步明确了对服务质量( q o s ) 和服务等级( c o s ) 的 要求，逐步融合分立的电路域和分组域，并最终实现全口网络的目标。 分组交换技术是适应计算机通信的需求而发展起来的一种先进的通信技术， 北京邮电人学硕i ：学位论文 是重要的通信手段之一，具有信息传输质量高、网络可靠性高、线路利用率高、 利用不同类型终端间的相互通信等优点1 3 1 。鉴于分组交换技术具有电路交换技术 所不具备的优点，而且核心网口化也是大势所趋，所以对分组域业务的研究显 得十分必要。而本项目的目标正是设计并实现核心网分组域的网关，具有现实意 义。 1 1 2 实际中的应用 核心网的发展需要测试工作的有力支持，随着通信技术的飞速发展，网络建 设的不断升级，网络测试的重要性日渐显现，所以说网络测试是网络建设中的重 要环节之一。一方面，网络测试能够针对被测网络为电信运营商提供一个客观的 技术参数，以帮助电信运营商进行网络评估和验收；另一方面，电信运营商还需 要网络测试来提供未来网络规划和业务开展的依据。 现阶段，国外的工具制造厂商几乎垄断了主流的核心网测试设备，使得相关 设备的价格相当昂贵，本论文从实际出发，给出一种设计方案通过对g g s n 网 关的仿真从而可以实现对s g s n 等网元的测试，从而保证其质量。 1 2 课题的主要研究内容及创新 论文分析了核心网发展的现状和主要网络拓扑结构，对核心网的网关g g s n 模块的主要功能在控制平面和用户平面进行了仿真。 本论文一共由六章组成： 第一章绪论，该章概述了现阶段核心网发展的现状，在核心网由2 5 g 到3 g 以及未来4 g 等不断升级换代的前提下提出本课题研究的意义和目的。 第二章核心网的主要网元，该章介绍了现阶段核心网分组域的主要网元，以 及它们在核心网中起到的主要作用。 第三章g t p 协议，该章主要介绍了g t p 协议的主要内容，包括g t p 协议的概 念，g t p 协议的头结构，g t p 协议的协议栈结构以及g t p 协议所依赖的主要底层 协议等。 第四章n a t 技术，该章主要介绍了为了解决i p v 4 地址数量紧张问题而引入的 n a t 技术。包括现阶段主要应用的n a t 技术的种类，以及本论文中所选择使用 的n a t 技术。 第五章系统模块设计分析，该章主要介绍了各个系统模块的设计与实现，模 块间的交互。 第六章测试模块功能，该章主要对核心模块进行了功能性的测试，并给出测 2 北京邮电大学硕士学位论文 试结果。 第七章总结与展望，该章对课题研究工作和论文的进行了总结和评价，并对 后续工作进行了展望。 3 北京邮电人学硕上学位论文 第二章移动核心网相关的概念 2 1 移动核心网的演进 g s m 是第一代移动通信系统，其核心网是基于电路域交换的。g s m 网络的 网络交换系统除了具有g s m 网络的主要交换功能外，还具有用户数据和移动管 理所需的数据库。g s m 核心网的主要网元有移动交换中心( m s c ) ，访问位置寄 存器( v l r ) ，归属位置寄存器( h l r ) ，鉴权中心( a u c ) ，移动设备识别寄存 器( e 瓜) ，互通功能部件( i w f ) 和回声消除器( e c ) 组成。 g p r s 是第二代移动通信系统，它能够提供比g s m 网9 6 k b p s 更高的数据传 输速率。g p r s 网络在g s m 语音业务的基础上增加了高速数据的处理部分。g p r s 核心网网元主要包括g p r s 服务节点( s g s n ) ，g p r s 网关节点( g g s n ) 和边 界网关( b o r d e l g a t e w a y ) 。s g s n 相当于g s m 中的m s c ，它在g p r s 的服务区 内对移动站( m s ) 进行追踪。g g s n 实现g p r s 网络与外部网络的连接。从g s m 演进到g p r s 网络时，g s m 系统中绝大部分硬件部件都不需要改动，需要的只 是软件的升级。 u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 通用移动通信系统) 是 采用w c d m a 空中接口技术的第三代移动通信系统，所以通常也把u m t s 系统 称为w c d m a 通信系统。 由于t d s c d m a 与w c d m a 在核心网技术方面是一致的，所以u m t s 核 心网同样适用于t d s c d m a 网络。u m t s 核心网基于g s m g p r s 网络演进， 保持与g s m g p r s 得兼容性。 u m t s 的标准化工作经历了r 9 9 ，r 4 ，r 5 ，r 6 ，r 7 等阶段。u m t sr 9 9c s 核心网基本与g s m 核心网相同，u m t sr 4c s 核心网实现呼叫控制和承载相分 离。u m t sp s 核心网基本与g p r s 核心网相同。r 5 版本以后，u m t s 核心网的 电路域不再有发展，而发展变化是以i m s 为核心在分组域展开的，分组域除了 承担原有的提供分组数据业务以外，还需要为i m s 提供承载，也就是说u m t s 核心网主要由电路域( c s ) ，分组域( p s ) 和i p 多媒体子系统( i m s ) 组成【4 】。 l t e ( l a n g t e r me v o l u t i o n ) 是普遍看好的向4 g 演进的主流技术，基于s a e 架构的核心网提高了数据处理效率以及满足多接入需求。s a e 架构中，原有p s 域的s g s n 和g g s n 功能归并后重新作了划分，成为两个新的逻辑网元：移动 管理实体( m m e ) 和服务网关( s e r v i n gg a t e w a y ) ，实现p s 域的承载和控制相分离， 新增的p d ng w 网元实现各种类型的无线接入。在从3 g 向4 g 演进时需要对 4 北京邮电人学硕士学位论文 s g s n 和g g s n 进行软硬件升级，理论上s g s n 可以通过升级实现m m e 的功能， 主要承载信令流，而g g s n 可以通过升级实现s e r v i n gg w 与p d ng w 的功能， 用于承载业务流。 2 2 移动核心网的主要网络架构 2 2 1 通信网的网络结构图 3 g p p 组织制定的基于g v g p 接口的3 g 核心网结构图如图2 - 1 所示： - _ _ - _ - - - _ 。s i g n a l l i n gi n t e r f a c e _ _ _ _ _ - _ - _ - 。s i g n a l l i n ga n dd a t at r a n s f e ri n t e r f a c e 图2 - 13 g 核心网结构图( 基于o v g p 接口) 【1 5 1 通信网的结构主要包括三部分：用户终端，接入网和核心网，其中核心网同 时支持2 g 和3 g 的接入。 1 用户设备：用户端终止无线信道的设备，它主要通过空中无线接口 u u 给用户提供接入网络业务的能力。 2 u m t s 陆地无线接入网( u t r a n ) ：一个u t r a n 由几个无线网络系 统( r n s ) 组成，而每个r n s 又包含一个无线网络控制器( i c ) 和其下的n o d e b 组成。 3 核心网( c o mn e t w o r k ) ：核心网的功能是语音数据业务的呼叫处理 和控制，信道的管理和分配，越区切换和漫游控制，用户位置信息的 登记和处理，用户号码和移动设备号码的登记和管理，对用户的鉴权、 5 北京邮电人学硕上学位论文 互联以及计费功能。图2 1 从逻辑上可以把核心网分成电路域和分组 域以及两者共有的域。核心网的电路域主要包括m s c v l r 和g m s c 等实体。核心网的分组域基于2 5 g 的g p r s 平台演进而来，功能主 要通过s g s n 和g g s n 两大网元来实现。 2 2 2 移动核心网的主要网元及功能 g g s n 是g p r s 网络的主要组成部分，g g s n 位于g p r s 网络和外部分组交 换网络( 比如i n t c m e t 和x 2 5 网) 之间。对外部的网络来说，g g s n 隐藏了g p r s 网络，所以g g s n 充当了子网的路由器。当g g s n 收到一个特殊用户的数据地 址，它将检查该用户是否处于激活状态，如果用户处于激活状态，g g s n 将把该 数据包转发给s g s n ，并由其转发给移动用户；如果移动用户处于非激活状态， 该数据包将被丢弃。另一方面，移动用户产生的数据包也将由g g s n 路由到正 确的网络。g g s n 是个锚点，它可以使用户终端在g p r s u m t s 网络中移动。本 质上说，g g s n 在g p r s 中起得作用和本地代理在移动璩中起的作用一样。 g g s n 把来自s g s n 的g p r s 数据包转化为适当的分组数据协议格式，比如 i p 或者x 2 5 ，然后再把它们发送到相应的分组数据网络。在相反的方向上，到 来数据包的p d p 地址被转化为目的用户的g s m 地址，重新定址的数据包被发送 给相应的s g s n 。从这一点来看，g g s n 保存着当前用户的s g s n 地址在其地址 寄存器中。g g s n 还用于口地址分配，是连接到核心网的用户设备的默认网关。 g g s n 还有鉴权和计费功能。在l t e 中，g g s n 演进为p d n g a t e w a y 。 s g s n 主要用于为在其地理范围内的移动站传递数据包。它可以进行分组路 由和转发，移动性管理( 附着，去附着和位置管理) ，逻辑链路管理，鉴权以及 计费功能。s g s n 的位置寄存器保存着位置信息，比如当前的小区，当前的v l r 等。在l t e 中s g s n 演进为s e r v i n g - g a t e w a y 。 s g s n 的主要功能包括： 1 从下行链路方向看，解析来自g g s n 的g t p 分组。 2 从上行链路方向看，将m 分组打包成g t p 分组，然后发给g g s n 。 3 当手持终端从一个路由域移到另一个路由域时，执行移动性管理。 h l r ( 位置归属寄存器) ，h l r 通常是一个数据库，其中存放着全部归属用 户的信息。如用户的有关号码( i m s i 和m si s d n ) 及用户类别。h l r 还存储着 每个归属用户有关的动态数据信息如用户现在所在的m s c v l r 地址( 即位置 信息) 和分配给用户的补充业务。 h l r 是构成核心网的一个重要实体，它保存用户归属消息及当前位置信息， 从而能够建立对手机的呼叫。h l r 将归属位置寄存器和鉴权中心集成在一起， 6 北京邮电大学硕上学位论文 提供位置更新、漫游管理、鉴权、呼叫等多种功能；h l r 还支持丰富的补充业 务，如呼叫前转、呼叫禁止、主叫号码显示及限制、短消息等，用户使用得心应 丰【2 】 j o c g f 是统一计费中心，负责计费工作的实施。 2 2 3 移动核心网分组域的协议栈结构 通信网的用户面协议栈结构如图2 2 所示： a p p l i c a t i o n e 吕，i p ， e 辱，m ， p p p p p p 岁： p d 凹i ，l ，c t ，u l l ，- uu 1uuu鲫 l u cl u cu d p ，u d p pu d mu d p 佃 m a cm a c t1tlt 1 l l l l t 1 m si 瓜斛测 图用户平面协议栈结构图 侧层以上的内容在核心网中被加以头，然后依靠底层的 等协议进行传输。反之，从外部m 网到来的m 包也会被加以 头， 然后在核心网中进行传输。 2 3 网关 网关，也叫协议转换器，可以工作在模型的任何一层，网关的工作要比 路由器和交换机复杂的多。一般的来说，网关必须能把一种协议格式的数据转换 为另一种格式的数据。 在网络中，网关两侧的网络使用不同的通信协议。网关的主要工作是在不同 的通信网中转换协议。路由器只是在使用相同协议的网络中发送、接收以及延迟 经过它的数据包，网关可以接收一个网络的数据报并在进行转发前将它转换格式 以适合在另一个使用不同协议网络的传输。网关可以通过硬件实现，或者软件实 现，或者通过软硬件实现，但是它通常是通过在路由器上安装软件来实现。网关 必须了解它连接的网络所使用的协议，网关通常比网桥，交换器和路由器的处理 7 北京邮电人学硕- l ：学位论文 速度要慢。 网关是大多数路由器的必要功能，尽管其他设备比如个人p c 以及服务器也 可以作为网关使用。 网关有好多分类，网关可以分为：协议网关、应用网关和安全网关【6 】。 l 协议网关：协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一 转换过程可以发生在o s i 参考模型的第2 层、第3 层或2 、3 层之间。 2 应用网关：应用网关理解数据的格式和内容，并且将消息从一种格式转译 为另一种格式，典型的应用网关接收一种格式的输入，将之翻译，然后以 新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的也可以使用同一网络连接。 应用网关也可以用于将局域网客户机与外部数据源相连，这种网关为本 地主机提供了与远程交互式应用的连接。将应用的逻辑和执行代码置于局 域网中客户端避免了低带宽、高延迟的广域网的缺点，这就使得客户端的响 应时间更短。应用网关将请求发送给相应的计算机，获取数据，如果需要 就把数据格式转换成客户机所要求的格式。 3 安全网关：安全网关是各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用， 其范围从协议级过滤到十分复杂的应用级过滤。 2 4 常用名词解释 论文中常用到的名词如表2 - 1 所示【1 6 1 ： 袁2 - 1 常用名词解析 d h c p动态主机控制协议( d y n a m i ch o s tc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) g t pg p r s 隧道协议( g p r st u n n e lp r o t o c 0 1 ) g t p cg t p 控制平面( g t p c o n t r 0 1 ) g t pt u n n e lg t p 隧道( g t pt u n n e l ) g t p ug t p 用户平面( g t p u s e r ) g g s n 网关g p r s 支持结点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) i e信元( i n f o r m a t i o ne l e m e n t ) i p互联网协议( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) m s移动站( m o b i l es t a t i o n ) m t u最大传输单元( m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t ) n s a p i网络服务接入点标准( n e t w o r ks e r v i c ea c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r ) p d p分组数据协议( p o c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) p d pc o n t e x tp d p 上下文( p d pc o n t e x t ) q o s服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 8 北京邮电大学硕士学位论文 r a n无线接入网( r a d i oa c c e s sn e t ) r n c无线网络控制( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) r n s无线网络系统( r a d i on e t w o r ks y s t e m ) s g s n服务g p r s 支持结点( s e r v i c eg p r ss u p p o r tn o d e ) t e i d隧道终结点标识( t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ) t - p d u原始数据包，比如i p 数据包 u e用户设备( u s e re q u i p m e n t ) u d p用户数据报协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) u t r a nu m t s 陆地无线接入网( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 9 北京邮电人学硕上学位论文 第三章g t p 协议 在3 g 网络中，分组的发送和接收离不开g t p 协议，如图2 1 所示，在3 g 核心网的结构图中，g g s n 和s g s n 作为分组域主要的网元，它们之间进行通信 时需要g t p 协议的支持，3 g 核心网中包含g p r s 骨干网。 3 1g p r s 骨干网 g p r s 骨干网由g s n 组成，用户数据和信令是通过g p r s 骨干网中的g n g p 接口来发送的。 g p r s 骨干网的g p r s 支持结点之自j 是通过g t p 层来承载用户数据和信令 的，来自用户终端或外部分组网的数据通过g p r s 隧道用户面协议g t p u 封装 在g t p up d u 中并通过g p r s 骨干网进行隧道传输。而g s n 之间所有的控制 消息是通过g t p 控制平面g t p c 来进行隧道传输的。 g t p 隧道是一个双向的通道，用于在g s n 之间传送分组。每个g s n 结点 通过隧道终结点标识符t e i d 、i p 地址和u d p 端口号来具体的标识g t p 隧道。 在核心网中，是使用u d p i p 来传输用户数据和控制消息。口地址和u d p 端口 号在g s n 之间定义了一条无连接的u d p i p 链路。也就是说此u d p i p 链路的源 地址就是源g s n 的i p 地址，而其目的i p 地址就是目的g s n 的i p 地址，t e i d 用于对接收到的g t p 协议实体的隧道端点进行标识，以保证g s n 之间在一条 u d p i p 链路上实现g t p 隧道的多路复用。 g t p u 隧道是g s n 的p d p 上下文中定义的用户平面的隧道，主要用于在终 端和外部数据网之间传输用户数据，控制平面中的g t p u 隧道是所有上下文中 具有相同p d p 地址和a p n 的隧道。g t p 隧道的建立，修改和删除都是通过隧道 管理过程来实现的。 3 1 1 隧道技术 隧道技术( t u n n e l i n g ) 是一种通过使用现有互联网的基础设施在网络之间传 递数据的方式。使用隧道传递的数据可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将 其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。新的帧头提供路由信息，以 便通过互联网传递被封装的负载数据。 随着隧道技术的不断发展，好多领域都开始根据自身业务的特点制定相应的 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 隧道协议来满足自身业务的需求，g p r s 协议中的g p r s 隧道协议g t p 就是其 中的一个。g p r s 隧道用于连接g s n ，通过在现有的u d p f l p 协议上再封装上 g t p 头，g t p 头中含有隧道终结点标识t e i d 的信元，用于实现路由以及多路复 用等技术。负责和外部口网交互的g g s n 两边的最高层协议是不同的，在核心 网侧是g t p 协议，在外部数据网侧是u d p 协议或者t c p 协议，所以数据报在 这两种网络间交互时需要对数据报头进行处理。进入核心网时需要对数据报进行 加g t p 头处理，反之，则需要对数据报进行去g t p 头处理。 新的p 原始数据报 3 2g t p 协议概述 图3 - 1g t p 封装 净荷 在g p r s 系统的g s n ( g p r ss u p p o r tn o d e ，包括s g s n 和g g s n ) 之间采 用g t p ( g p r st u n n e lp r o t o c 0 1 ) 协议，g t p 在整个g p r s 协议栈中起着举足轻 重的作用，g t p 协议承载在t c p 或u d p 协议之上，分为控制平面和传输平面， 其控制平面定义了多种消息，涉及到g p r s 许多重要方面，传输平面则提供了 g s n 之间数据包传送的隧道。另外以g t p 为基础的g t p 协议用于g p r s 计费数 据采集和传输，深入理解g t p 协议是熟悉g p r s 网络所必须的。 g t p 协议是一组基于婵的通信协议，用于在g s m 网络和u m t s 网络内携 带g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i a ) 数据包。g t p 协议可以划分为3 部分， g t p c ，g t p u 和g t p 。g t p c 用于在g p r s 核心网的g g s n ( g a t e w a yg p r s s u p p o r tn o d e s ) 和s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e s ) 之间传送控制消息。s g s n 通过它可以激活或者去激活用户会话，以及更新来自另一个s g s n 的用户的会 话。g t p u 用于在g p r s 核心网内部以及g p r s 核心网和r a n ( r a d i oa c c e s s n e t w o r l 【) 之间传输用户数据。被传送的用户数据可以被打包成i p v 4 ，妒v 6 或者 p p p 等格式。g t p 使用和g t p u ，g t p c 相同的消息格式，但是它有一个特殊 北京邮电大学硕十学位论文 的功能。它可以用来携带来自c d f ( c h a r g i n gd a t ef u n c t i o n ) 的计费信息并把它 们送到c g f ( c h a r g i n gg a t e w a yf u n c t i o n ) 。 g t p u 协议在u m t s g p r s 骨干网侧由s g s n s 和g g s n s 实现，在u t r a n 接入网侧，由r n c s ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s ) 实现。u m t s g p r s 骨干网中 的s g s n s 和g g s n s 也实现g t p c 协议。其他系统不需要知道g t p 。对连接到 s g s n 的g p r s 移动站来说，g t p 协议是透明的。g t p u 通过隧道机制来传输 用户数据包。 在g p r s 骨干网中，g t p 依靠下层的u d p i p 协议来实现，端口号为3 3 8 6 。 3 3g t p 协议的头结构 g t p 头的长度是可变的，其最短长度是8 字节。g t p 头中有三个标志位用 于指示g t p 头中的可选域是否存在。g t p 头的格式如下图3 2 所示： b i t s o c t e t s l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 87654321 v e r s i o np t ( 宰) esp n m e s s a g et y p e l e n g t h ( 1 吼o c t e t ) l e n g t h ( 2 耐o c t e t ) t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ( 1 醴o c t e t ) t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ( 2 硼o c t e t ) t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ( 3 一o c t e t ) t u n n e le n d p o i n ti d e n t i f i e r ( 4 t “o c t e t ) s e q u e n c en u m b e r ( 1 啦o c t e t ) s e q u e n c en u m b e r ( 2 耐o c t e t