网络协议分析与实现012通信协议信令

1、UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY北京邮电大学网络与交换技术网络协议分析与实现通信协议与信令目录 通信协议 如何全面理解通信协议 从通信系统实现结构角度 从通信目的与能力角度 从通信网络功能架构角度 通信协议与信令 通信协议属性UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYS

2、TATE KEY LABORATORY OF SWITCHINGTELECOMMUNICATION NETWORKTECHNOLOGYAND通信协议网络与通信技术的发展脉络个人电脑电信网络 2G（程控交换）下一代网络互联网台式机笔记本平板IPv4下一代互联网IPv6Web 2.03G（软交换）IMS/FMC大型机小型机 PC服务器下下一代网络3.9G（LTE）M2M物联网（IoT）4G（LTE-A）云计算5G传感网现场总线RFID（射频识别）UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING

3、AND SWITCHING TECHNOLOGYI 云P 云S 云网络与通信技术的终极目标计算服务：1983年，（Lehtinen）认为：“服通信务是与某个中介人或设备相互作用并为消费者提供满足的一种或一系列活动。”UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY泛在的网络通信泛在的服务如何理解通信协议“泛在”任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信ManMachineManMachineUNIVERSITY OF POSTS AND

4、 TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY人-人、人-物、物-物之间的语言通信协议人-人、人-物、物-物之间的语言信息编码火光点燃狼烟点燃胜利/烽火戏诸侯外族信息编码···· ···· ···电报点、短划和间隔的不同排列代表信息字符特定语义，人人之间同步····（AS：等待）···（AR：停止，消息结束）

5、信息编码PCM语音特定规则，间同步 8bit组成一个时隙（TS），32个时隙组成一个帧（F），16个帧组成一个复帧（MF）,TS0帧同步码UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYUNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY移动互联还需要通信协议吗移动互联网三国演义UNIVERSI

6、TY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYBAT过程调用（RPC）框架解释层：使用XML传输层：使用HTTPXML-RPC：XML Remote Procedure CallSOAP：Simple Object Access Protocol WebServiceUNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHN

7、OLOGY互联网业界伟大的发明：超文本标记语言（HTML）：数据展示语言可扩展标记语言（XML）：自描述、可扩展的数据传输描述语言传输层： 寻址 通信连接解释层： 数据序列化(Serialize) 数据编组(marshal)应用层： 应用接口XMPP<message>节点：即时消息<presence>节点：呈现<iq>节点：数据请求The Extensible Messaging and Presence Protocol<stream>UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LAB

8、ORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY端标识：JID（Jabber ID） 类似于地址，形如julietinitiating to receivingreceiving to initiatingToJID of receiverJID of initiatorFromJID of initiatorJID of receiverIdIgnoredstream identifierXml：langdefault languagedefault languageVersionXMPP 1.0+ supportedXMPP 1.0+ suppo

9、rtedDNS：寻址XML流：SASL：认证TLS：安全通信TCP：通信XMPPXML器（序列化、编组）面向IM、Present的XML数据结构Android推送机制1、App连接C2DM，使用用户名务推送服2、生成，C2DMID，反馈端3、终端将用户名和注册ID提供给服务提供者4、服务提供者产生向指定用户名的消息推送5、服务提供者向C2DM发起请求，向指定ID推送消息6、C2DM根据IDAndroid Cloud to Device Messaging (C2DM)Cloud Messaging (GCM)终端，将数据推送给终端UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMM

10、UNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY生活中的网络与服务智智慧社区慧政务监护智能安防社保、医保、公积金一卡通市民城市智慧交通企业政府自行车租赁智能交通管理与交通诱导智能公共交通智能停车管理智慧城管人流监测市政基础设施智能安全生产排污监管环境监测智慧物流城市应急管理市政物流食品物流与溯源城建物流监管BEIJSTAT通信协议通信协议（Communication Protocol） 在通信过程中，为了保证通信过程的正确进行而制定的协商规则 一组语义和语行工作则，决定功能部件在通信进 通信双方之间交换信

11、息的格式和相对定时同步的一种规范-英汉双解计算机词典UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYSTATE KEY LABORATORY OF SWITCHINGTELECOMMUNICATION NETWORKTECHNOLOGYAND从通信系统实现角度理解通信协议如何应对越来越复杂的通信系统？用户接口X.400：信息处理服务协议 （X.400：MessageHandling Service Protocols）HTTP/FTP应用层数

12、据表示、加ASN.1： 抽象语法标记 （ASN.1：AbstractSyntax Notation One）不同应用之间的数据ASCII/JPEG .表示层ISO-SP：ISO会话层协议 （ISO-SP：OSI会话层Session Layer Protocol）S可靠/不可靠传输、错误纠正ISO-TP：OSI传输层协议 TP0、TP1、TP2、TP3、TP4 （ISO-TP：OSI Transport Protocols 传输层TP0、TP1、TP2、TP3、TP4）路由寻址TCP/UDP 网络层CONP：面向连接网络协议 （CONP：Connection-Oriented Network P

13、rotocol） IP 数据链路层帧组装、MAC、错误发现 HDLC：高级数据链路协议 （HDLC：High物理层Level Data Link Control protocol）物理接口说明 802.2/802.3 UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYTCP/IP网络模型TCP/IP网络模型应用层负责处理特定的应用程序细节。为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。有时也称作互联网层， 处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。处理

14、与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYOSI网络模型应用层应用层表示层会话层传输层/主机到主机层传输层网络层网络层数据链路层/ 网络层数据链路层物理层TCP/IP应用层与OSI应用层的差异通信系统分层模型 SAP：业务接入点 IDU：接口数据单元 SDU：服务数据单元 ICI：接口信息使用信息传送服务SAP提供信息传送服务“同步”回调 调用提供相邻层间能力的调用服务UNIVERSITY OF

15、 POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY第N层服务通过“原语”调用层次模型中的纵向提供服务第N+1层IDU第N+1层第N层SDUICIICISDU通信系统协作模型PRP：协议参考点SDU：服务数据单元PDU：协议数据单元使用信息传送PRP提供信息传送PCI：协议信息请求异步应答协议提供对等层间能力的协作UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND

16、 SWITCHING TECHNOLOGY协议通过“通信协议”来协作第N层第N层层次模型中的横向提供协议第N层PCISDUPDU第N层PCISDU通信协议通信系统分层通信信息通信信息SDUIP头IP协议IP头ICMPICMP协议网络层网络层MAC协议ARP协议数据链路层数据链路层MAC头MAC头IP头MAC头IP头UDP头数据ARPICMPUNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY“通信协议”是对等层间的协作方法MAC头ARPMAC头A

17、RPMAC头SDUMAC头SDUIP头ICMPSDUIP头TCP/IP协议栈TCP/IP协议参考模型TCP/IP网络模型TCP/IP协议族应用层TCP/IP协议族传输层协议TCP/IP协议族网络层协议UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYFTPHTTPSNMPTCPUDPIP设备驱动及网卡接口RARPARPIGMPICMP应用层传输层/主机到主机层网络层数据链路层/ 网络层STATE KEY LABORATORY OF SWITCH

18、INGTELECOMMUNICATION NETWORKTECHNOLOGYAND从通信目的与能力角度理解通信协议电信系统的演进系统的发展人工交换模拟交换、程控交换交换机与交换网人工交换：人：模拟交换机：程控交换机网：模拟交换网程控交换网软交换网网：1G2G3G4G模拟交换程控交换交换网 固定 移动交换机到底是做什么的？交换网中的交换机如何协同工作？UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY通信过程中的交换机动作交换机交换机交换机UNI

19、VERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY试呼试呼摘机拨号振铃放振铃音放音听音摘机通话停振铃音建立话音通道停音建立话音通道停音通话听忙音确认确认信令系统的出现其他省汇接局省级长途汇接局交换机市级汇接局交换机汇接局交换机三级电路交换网端局交换机端局交换机县区级端局交换机端局交换机UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWI

20、TCHING TECHNOLOGY随路信令信令系统的演进其他省HSTPHSTP省级其他省汇接局长途汇接局交换机LSTP市级汇接局交换机汇接局交换机端局交换机端局交换机县区级端局交换机端局交换机UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY共路信令承载共路信令信令网SMTP3M2PAMTP2SCTPMTP1IP七号信令网智能网SCP程控交换机UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY

21、 LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY如何理解下一代网络中呼叫与承载分离信令保持用户与电路交换机之间和交换机与交换机之 间协同工作的通信系统，在程控交换机中被称为信令系统（Signalling System）信令系统中所交换的，用于维持信令系统之间协同工作的信息则被称为信令（Signalling）UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY下一代网络的信令协议栈下一代网络信令协

22、议栈TCP/IP网络模型G.711H.261SIP RAS H.225 H.245Radius SNMPTCAP ISUPSIPBICCH.248ISUP BICCRTPTCPUDPSCTPSUAMTP3M3UAM2UAIP设备驱动及网卡接口UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY应用层传输层/ 主机到主机层网络层数据链路层/网络层STATE KEY LABORATORY OF SWITCHINGTELECOMMUNICATION N

23、ETWORKTECHNOLOGYAND从通信网络功能架构角度理解通信协议UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY3G网体系架ICC/ISUP）下一代网络体系结构与信令协议SCN平面UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TE管理平面电信应用平面应用面应用平面信令应用用户面应用平面用户数据电信传送

24、平面传送面传送平面信令信令传送传送用传送技术户面数据传送IP电信应用平面传送平面（包括IP）下一代网络应用平面信令协议业务接口ParlayX等业务协调SIP等开放网络协议：协议：接口协议：Parlay、SIP等协议/会话呼叫协议 ：BICC、ISUP、SIP、H.225(H.323)等设备/协议：、Megaco等承载协商/协商协议：SDP、H.245(H.323)等下一代网络特点：开放的网络体系结构UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLO

25、GY下一代网络传送平面协议承载协议：Q.2630、IPBCP传送（流）RTP/RTCPSCTP/AAL等协议：注1：承载区别：协议与承载协商/协商协议的 承载协议负责具体承载连接的建立与维护 承载协商/协商协议用于协调如何建立承载连接注2：基于IP网的特点，任何信令协议都是TCP/IP协议栈的应用层协议UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY下一代网络体系结构与信令的承载应用用户面应用数据应用面电信应用平面电信应用平面信令传送面传送用

26、户面传送用户面电信传送平面电信传送平面信令电信应用平面信令传送电信传送平面信令传送信令传送数据传送传送技术36UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY下一代网络协议栈ParlayX H.323G.711 H.261SIPRAS H.225 H.245TCAPSOAPH.248ISUP BICCMegacoHTTPRTP RTCPTCPUDPSCTPSUAMTP3 M3UAM2UAIP电信应用平电信传送平应用数据数据传送面信令面信令信令

27、传送传送技术UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY设备驱动及网卡接口IPBCPIPBCP应用层传输层/ 主机到主机层网络层数据链路层/ 网络层STATE KEY LABORATORY OF SWITCHINGTELECOMMUNICATION NETWORKTECHNOLOGYAND通信协议与信令如何理解信令？应用层?表示层应用层协议？ 应用层层间协议 提供用户接口 提供层间协作 用于承载上层数据传送 例如：HTTP、FTP、DNS

28、、XMPP会话层传输层网络层数据链路层物理层UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY信令到底工作在OSI七层模型中的那一层？HTTP协议的作用Web浏览器HTMLWeb服务器HTML三层交换三层交换HTML应用层协议/HTTP表示层协议会话层协议传输层协议层协LLC协议网络层LLC协物理层网络层协LLC协议数据链路层数据链路层层协议物理层物理层协议物理层UTNYIVOF POSTATE KEY LRATORY ONOLOGY应用之间传

29、递的是HTTP承载的HTML页面或其他文本/图片等议网络层议网络层通信系统协议协应用层表示层会话层传输层议网络层数据链路层议物理层通信系统网络物理应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层信令的位置与作用电信系统电信系统信令信令STPSTP信令应用层协议表示层协议会话层协议传输层协议层协LLC协议网络层LLC协物理层网络层协LLC协议数据链路层数据链路层层协议物理层物理层协议物理层UTONIVSTATE KEY LABORATORY ONOLOGY信令本身就是通信系统需要传递的用户数据信令是电信系统之间的通信内容之一议网络层议网络层信令系统协议协应用层表示层会话层传输层议网络层数据链路层议

30、物理层信令系统网络物理应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层通信协议与信令通信协议 对网络中设备以何种方式交换信息的一系列规定的组合，它对信息交换的速率、传输代码、代码结构、传输信令步骤、出错等许多参数作出定义。 是指为使通信网中各种设备协调，在设备之间传递的有关信息。它用来说明各自的运行情况，提出对相关设备的接续要求。电路交换系统中 “协议”指的是用于具体信息传送的通信协议 信令则更侧重于传递交换机等通信设备之间的协作信息的通信协议。UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING

31、 AND SWITCHING TECHNOLOGY如何协议能力的转变通信协议完成什么功能？ WebService：HTTP承载SOAPREST：基于HTTP请求的语义操作呼叫：SIP呼叫过程：SIP协议承载MSCML服务器UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY不同的设计出发点会导致不同的协议设计侧重应用层协议以应用数据承载为目的信令以应用为目的STATE KEY LABORATORY OF SWITCHINGTELECOMMUNIC

32、ATION NETWORKTECHNOLOGYAND通信协议的属性典型通信协议分析超文本传输协议（HTTP：HyperText Transfer Protocol）应用层通信协议最初设计目的是为了提供一种发布和接收HTML页面的方法协议设计语法GET /sample/jsondata.html?nocache=1248935964991 HTTP/1.1Host:User-Agent: Keep-Alive: 300 Connection: keep-alive请求语义GET：要求获得Request-URI指定的Content-Type:text/plainPOST：向Request-URI位

33、置提交浏览器服务器数据，请求处理（例如提交表单或者GET请求时序方向上传文件） PUT：向Request-URI位置上传定时32s其最.GET请求应答200响应顺序 2xx：请求已被服务器接收、理解、并接受。反馈处理结果 UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYHTTP/1.1 200 OKDate: Thu, 30 Jul 2009 06:39:24 GMTServer: Apache/2.2.3 (CentOS) Content-

34、Length: 1556Content-Type: text/html通信协议通信协议首先是一种“协议” 其必须具有协议的基本特征： 双边或多边 有明确的目标 达成目标的方式与方法（表达明确的语义，具有准确的语法和 时序） 达成一致并共同遵守通信协议是通信系统中的人机，机机交互语言 达成通信协议的双边或多边是通信系统 目的是完成通信系统之间的协作（主要是进行信息传输） 达成目的的定语义和语方法则是在通信系统间传递一组具有特则的数据通信协议可以认为是通信系统之间就如何进行信息传递而达成的“协议”。UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KE

35、Y LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY注意：任何信息协议的基本内容语义（Lexeme/Semantic）协议所要表达的含义准确的表达协议目标的含义和协议双方需要为此而进行的动作的含义保证协议双方对协议将要达成的目标和达成目标的方式方法具有一致的认识语法（Grammar/Syntax）语义能够正确表达的规范语义的描述规则和详细的格式规范是协议双方所制定的这种语义能够被双方正确理解的保证时序（Sequence）语义被正确表达的时间点和先后顺序时序是语义被正确的保证时间顺序的错误将使协议动作本来所表达的语义造成错误的理解时序的内容：方向

36、，顺序，定时UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY通信协议的基本内容与分析方法特定的目标 完成信息系统之间特定信息的传递达成特定目标的方式与方法 语义一般采用自 传递特定信息的方法然语言定义 语法 协议所需要传递信息的规格说明 协议所需要规范的语义的规格说明 消息的定义一般采用二进制字节编码 消息的结构定义 消息的编方式 时序 方向 顺序 定时一般采用“请求-应答”时序UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMM

37、UNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY典型信令ISUP信令 ISUP信令背景 ISDN User Part 综合业务数字网用户部分 ISUP提供综合业务数字网中的信令功能，用以支持基本的承载业务和附加的承载业务。 对基本承载业务，ISUP的功能是建立、监视和拆除ISDN网中的64Kbit/s的电路连接。 对附加承载业务，如：主叫线号码识别，呼叫转移，呼叫前转等）提供信令支持。 信令设计目的： 协调交换机之间的动作 支持通信链路的自动交换与建立UNIVERSITY OF POSTS AND TEL

38、ECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYISUP信令STPSPASPBUNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY试呼试呼摘机拨号振铃放振铃音放音听音摘机通话停振铃音建立话音通道停音建立话音通道停音通话听忙音确认确认ISUP信令语义消息定义UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE

39、 KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGY符号名称方向基本功能IAMInitial address message初始地址消息前向开始占用出局电路并同时 号码及其他与选路和处理呼叫有关的信息；初始呼叫请求和地址信息ACMAddress complete message地址全消息后向已经接收到为该呼叫选路到被叫用户所需要的所有地址信号；地址接收完毕ANMAnswer message应答消息后向呼叫已经接续；被叫应答1. 开始向主叫用户计费2. 对国际计费，开始计算呼叫持续时长RELRelease消息双向电路 请求；由于所提供的 ，

40、电路正在 ，当收到 完成的时候， 准备好成为空闲状态；RLCRelease complete完成消息双向电路 完成；响应收到的 消息， 或在电路已经变成空闲状态时，响应电路复原消息（回答REL或RSC）ISUP信令语法消息结构比特传输次序字节传输次序87654321路由标记路由标记电路标志码消息类型码必选参数 A必选定长部分必选参数 F指针（指向参数 M）电路标识码指针（指向参数 P）指针（指向可选部分起始地址）参数 M 的长度指示必选可变长部分参数 M参数 P 的长度指示参数 P参数名X参数 X 的长度指示参数 X可选部分参数名Z参数 Z 的长度指示参数 Z可选部分结束标志ISUP 消息格式

41、UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYISUP信令时序正常呼叫建立SPA : SPSTP : STPSPB : SP1: IAM2: IAM3: T7_start()4: ACM5: ACM6: T7_stop()7: T9_start()8: ANM9: ANM10: T9_stop()UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORATORY OF NETWORKING AND SWITCHING TECHNOLOGYISUP信令时序正常呼叫SPA : SPSTP : STPSPB : SP1: REL2: T1_start()3: T5_start()4: REL5: RLC6:7: RLC9: T1_stop()8:10: T5_stop()11:UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONSSTATE KEY LABORA