分组数据SNDCP和PDCP协议研究

1、分组数据SNDCP和PDCP协议研究研修班2015年1月目录目录1摘要21.概述32. SNDCP协议42.1 SNDCP功能42.2 SNDCP的主要处理流程52.2.1 LLC链路的建立和释放52.2.2 SM的激活与去激活62.2.3 XID参数协商62.2.4 确认和非确认数据传输62.2.5 数据的分段与重组62.2.6 跨SGSN的路由更新73. PDCP协议83.1 PDCP简介83.2 传输过程103.2.1 AM-RLC模式103.2.2 UM-RLC模式113.2.3 TM-RLC模式113.3 重建过程113.3.1 上行发送113.3.2 下行接收123.4 PDCP状

2、态报告133.4.1 传输133.4.2 接收133.5 报头压缩133.6 安全性功能144. 总结15摘要分组数据指GPRS( General Packet Radio Service)，是通用分组无线业务的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS最显著的优点是能够提供比现有的GSM网络更高的数据传输率，最高达171kbps，从而能使网络能实现除语音数据外的其它业务。GPRS具有资源利用率高，接人速度快，计费更合理(可采用按流量计费)等特点，还能满足突发数据业务的要求。因此，GPRS被看作是GSM网络向3G演化的重要阶段。GPRS将无线接口分为传输平面和控制平面。SND

3、CP(Sub Network Dependent Convergence Protocol)（子网相关汇聚协议），位于网络层的下面，逻辑链路层的上面，存在于MS和SGSN，属于传输平面；PDCP(Packet Data Convergence Protocol)（分组数据汇聚协议），是UMTS中的一个无线传输协议栈，属于无线接口协议栈的第二层，它负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统（SRNS）设置的无线承载的序列号。关键词：GPRS；SNDCP；PDCP1.概述由SNDCP提供服务的用户是在移动站(MS)或中继的服务GPRS支持节点(SGSN)的分组数据协议(P

4、DP)。此外，一个控制实体，例如AT命令解释器，可能是SNDCP用户。SNDCP使用了由逻辑链路控制(LLC)层和会话管理(SM)层提供的服务。SNDCP的主要功能为一个或几个复用的数据包应用到一条逻辑链路上；冗余控制协议信息和用户数据的压缩；分段和重组。在用户平面上，PDCP子层得到来自上层的IP数据分组后，可以对IP数据分组进行头压缩和加密，然后递交到RLC子层。PDCP子层还向上层提供按序提交和重复分组检测功能。在控制平面，PDCP子层为上层RRC提供信令传输服务，并实现RRC信令的加密和一致性保护，以及在反方向上实现RRC信令的解密和一致性检查。2. SNDCP协议2.1 SNDCP功

5、能子网相关汇聚协议(Subnetwork Dependent Convergence Protocol)，简称SNDCP,属于GPRS传输平面，在MS侧，它位于LLC和LP/X2.5之间，受SM的控制，它向上面的IP/X2.5层提供的服务，并使用LLC层提供的服务;在GPRS侧，它位于Gb接口的最高层，如图2.1所示。在 SNDCP与SM之间是信令接口，主要是由SM给SNDCP发出消息原语，来控制SNDCP完成某些操作，如发出建链请求。图2.2表示了SNDCP与相关模块的关系。由于GPRS支持多种对业务的使用者提供协议透明性的网络层协议，引人在GPRS上传输的新的网络层协议将不会对GPRS做任

6、何改动。因此，所有与网络层协议数据单元有关的功能将由GPRS网络实体以透明的方式进行。SNDCP上的协议实体的集合由通用的网络协议组成。这些网络协议都使用同一个SNDCP实体，这允许来自不同源的数据复用同一个SNDCP实体，这些数据利用LLC层提供的业务发送出去。然而，每一个已分配的NSAPI可能由不同的PDP使用。每一个激活的NSAPI应使用LLC层中业务接人点标识(SAPI)提供的业务，且多个NSAPI可以关联同一个SAPI，这就是SNDCP的汇聚收敛功能。SNDCP所实现的功能可以细分为下面几类：1、 网络协议数据单元(N-PDU)的复用；2、 建立和释放确认模式的端对端的LLC操作；3

7、、 确认模式端到端LLC操作中，通过缓冲和重传机制确保LLC层数据的完整性；4、 在同等实体之间SNDCP应该保留着每个NSAPI的N-PDU传送序列号；5、 协议控制信息的压缩；6、 用户数据压缩；7、 数据单元的分段和重组，即将网络协议数据单元(N-PDU)分段成逻辑链路控制协议数据单元(LL-PDU)，并将LL-PDU重新组装成N-PDU；8、 与对端SNDCP实体进行交换标识(XID)参数协商；9、 数据传送；图2.1 SNDCP在协议栈的位置图2.2 SNDCP和相邻层的关系2.2 SNDCP的主要处理流程2.2.1 LLC链路的建立和释放SNDCP在收到SM的激活指示时，根据QoS

8、确定其使用确认传输方式或非确认传输方式，如果采用确认方式，则判断指定的SAPI(LLC链路)链路是否存在，如果该链路不存在，需要发起链路建立过程，当LLC已经建立好链路后，将通知SNDCP链路已经建立，这时SNDCP将其中包含的XID参数等保存下来，链路建立完成。如果在SNDCP链路建立请求发出的同时，收到对端的请求建链消息，SNDCP将认为链路建立产生了冲突，这时它将认为所发出的建立请求未发出，而重新处理对端的消息，并给LLC发出响应，链路建立。当SNDCP认为已经没有确认方式的PDP数据使用该SAPI时，它将发起链路释放过程，清除相应的上行和下行数据缓冲区，同时复位相关的NSAPI和SAP

9、状态。2.2.2 SM的激活与去激活当手机或网络需要传送数据时，需要对NSAPI进行激活，典型的激活过程是由SM发起的，SM向SNDCP发送激活消息，指示一个NSAPI已经激活，SNDCP收到消息后，根据其QoS，确定该NSAPI使用的是确认或非确认方式传输，如果使用确认方式传输，将判断其中指示的链路是否已经建立，如果未建立，SNDCP将发起链路建立工作，当链路建立完成，SNDCP将向SM发起激活响应。SM还可以通过发送去激活消息点击活一个NSAPI，如果没有确认方式的NSAPI使用对应的链路，SNDCP将释放该链路，在释放完成后，向SM发送去激活响应。2.2.3 XID参数协商SNDCP在进

10、行确认数据传输前，必须首先建立链路，并对链路参数进行协商，SNDCP协商的XID参数有两种类型：协议压缩参数和数据压缩参数。两种压缩参数分别封装在不同的实体中，每种压缩类型可以有32个压缩实体，其范围为0-31，这些压缩实体是根据不同的SAPI独立分配的，每个压缩实体可以独立指定给同一个SAPI不同的NSAPI使用，当进行参数协商时，XID、参数中应该包含所有使用该实体的NSAPI。如果对端接受该参数值，SNDCP将对应的压缩实体和压缩算法指定到相应的NSAPI上;如果对端不接受该参数值，将会重新进行协商，直至协商成功或超时。2.2.4 确认和非确认数据传输SNDCP可以同时传送确认和非确认消

11、息，非确认消息的传送相对比较简单，SNDCP在收到PDP数据，进行协议压缩、数据压缩和分段后，发送给LLC，数据一旦发出将立即清除。LLC发送过来的数据经过重组、解压缩后直接发送到上层。确认数据的传输比较复杂，在确认数据传输时，SNDCP要保存对端发送过来的数据包，当对端LLC确认已经收到该消息时,SNDCP方可清除对应的缓冲区中的数据。当确认方式传输出错时(如先发出的数据未得到确认时而后发出的数据却已经确认)，SNDCP将认为链路出错，将发起链路重建工作，同时重新发送该链路上所有未确认数据。如果有一段数据长期未得到确认，SNDCP也将进行链路重建工作。2.2.5 数据的分段与重组由于IP等高

12、层分组协议的最大传输单元(MTU)长度大于Gb口的最大传输长度，在上层程度发来超长数据包必须经过分段才可以交由低层传输，同时，对于对端传送过来的分段数据，SNDCP还要负责数据的重组，确认和非确认方式都需要进行分段和重组，但两者的最大传输长度可以不同。非确认数据的分段比较简单，确认数据的分段传输需要考虑的分段数据的确认问题，当分段数据中有一段数据未得到确认时，SNDCP可以发起链路重建过程。对于数据的重组，在确认传输方式下，如果接收到的数据有冗余，SNDCP将丢弃冗余数据，如果接收的分段不完整，SNDCP将等待丢失的数据段，如果等待超时，SNDCP将进行链路重建工作。在非确认传输方式下，如果接

13、收到的数据有冗余，SNDCP也将丢弃冗余数据，如果缺少第一段，SNDCP将丢弃新来的数据段，直到又收到第一段为止，如果在等待第N段时，收到第N+1段，SNDCP将继续保存该段，并等待所有段收到。如果在收到下一个第一段时(或超时后)还没有收到缺少的段，SNDCP将丢弃该数据的所有段，不进行数据重组。2.2.6 跨SGSN的路由更新在手机跨SGSN进行路由更新时，SNDCP需要将本端保存的N-PDU发送到新的SGSN中，当开始路由更新时，旧SGSN的SM首先发送消息通知SNDCP，SNDCP停止发送下行数据，并将缓冲区所有未发送或未得到对方确认的N-PDU发送到SM，SM将数据转发到新SGSN的S

14、M上，这时SM将向SGSN发送MODIFY消息，带上发送序列号和接收序列号，新SNDCP将利用这两个参数准备发送数据，新SNDCP接着重建链路，并接收数据到自己的缓冲区内，一旦旧SGSN的数据传送完成，SM将向SNDCP发送包含手机已经确认的序列号的消息，SNDCP将根据此序列号开始重新发送数据。3. PDCP协议3.1 PDCP简介PDCP 是对分组数据汇聚协议的一个简称。它是通用移动通信系统(UMTS中的一个无线传输协议栈，它负责将IP头压缩和解压、传输用户数据并维护为无损的无线网络服务子系统(SRNS)设置的无线承载的序列号。分组数据汇聚协议(Packet Data Convergenc

15、e Protocol，PDCP)层属于无线接口协议栈的第二层，处理控制平面上的无线资源管理(RRC)消息以及用户平面上的因特网协议(IP)包。在用户平面上，PDCP子层得到来自上层的IP数据分组后，可以对IP数据分组进行头压缩和加密，然后递交到RLC子层。PDCP子层还向上层提供按序提交和重复分组检测功能。在控制平面，PDCP子层为上层RRC提供信令传输服务，并实现RRC信令的加密和一致性保护，以及在反方向上实现RRC信令的解密和一致性检查。PDCP结构与功能描述如下图3.1所示。每个PS域的无线接入承载(RAB)都和一个RB相关联，每个RB又和PDCP实体相连。根据RB的特点和RLC模式，每

16、个PDCP实体跟一个或两个RLC实体相连，PDCP实体位于PDCP子层上。根据RLC模式的不同，每个PDCP实体可和1个或2个RLC相关联，1个PDCP可和2个非确认模式透明模式的RLC实体(1个上行和1个下行)或1个确认模式(AM)RLC实体相关联。数据传输确认模式RLC关系如图3.2所示，数据传输非确认和透明模式RLC关系如图3.3所示。图3.1 PDCP结构图3.2 PDCP数据传输确认模式RLC图3.3 PDCP数据传输非确认或透明模式RLC3.2 传输过程3.2.1 AM-RLC模式UE开始进行数据传送，首先PDCP处于空状态，RRC没有对PDCP进行配置。RRC向PDCP发送1条“

17、CPDCP_CONFIG_REQ”原语，进行PDCP实例的配置，保留配置参数后准备收发数据。然后RRC通知RABM可进行数据传输，RABM将数据以“PDCP_DATA_REQ”原语发送到PDCP，PDCP将完成IP头压缩等操作，将PDCP SDU组装成PDCP PDU，并以“RLC_AM_DATA_REQ”原语发送到RLC实体。如果支持无丢失SRNS重定位，PDCP收“RLC_AM_DATA_CNF”消息时；如果指示PDU发送成功，则PDCP将释放掉该数据；如果不成功，PDCP需重发该数据。如果不支持无丢失SRNS重定位，可省去该消息。然后PDCP收到RLC的“RLC_AM_DATA_IND”

18、消息，将PDU进行解压缩处理等，组装成“PDCP_DATA_IND”原语发送RABM实体。如果PDCP配置了无丢失SRNS重定位，就需要维护序列号，可通过“CPDCP_RE_LOC_REQ_CNF”原语进行操作。在数据传输过程中，如果RRC需要对PDCP进行重配置实体，发送“CPDCP_CONFIG_REQ”进行该操作。数据收发完成后RRC向PDCP发送“CPDCP_REIEASE_REQ”消息释放PDCP实例，PDCP回到空状态。以上的各种消息里包含一些参数，参数参见表3.1.参数参数内容说明PDCP-info包含对于一个PDCP实例使用配置的头压缩协议之一的参数RLC-SAP当与RLC子层

19、通信时PDCP实体使用的RLC-SAP(TM/UM/AM)SN_Sync指示PDCP应开始PDCP SN同步过程当SN_Sync=1,即要求进行序列号同步Next_Send_SN即将发送的下一个PDCP SDU的SEND PDCP SN在上行链路有1个；在下行链路有1个Next_Receive期望将接收的下一个PDCP SDU的Receive PDCP SN在上行链路有1个；在下行链路有1个PDCP SNPDCP序列号它包括一个PDCP SNR/I/C/RSRe-initialise/intialise指示PDCP应该初始化头压缩协议表3.1 在原语中使用的参数图3.2 AM-RLC数据传输过

20、程3.2.2 UM-RLC模式UM-RLC的PDCP数据传输过程与AM-RLC过程大致相同，这里不进行详细说明。不同之处在于：PDCP在上行链路数据传输时，PDCP将SABM发送来的SDU组装成PDU后以“RLC_UM_DATA_REQ”原语形式发送到RLC。当下行链路进行数据传输时RLC将PDU以“RLC_UM_DATA_IND”原语形式发送到PDCP。因为只有RLC配置为AM模式且顺序传输时才支持无SRNS重定位，所以在该过程是不支持无SRNS重定位的，则“CPDCP_RELOC_REQ”和“RLC_AM_DATA_CNF”消息在该过程中将被视为无效。3.2.3 TM-RLC模式TM-RL

21、C的PDCP数据传输过程与UM-RLC过程基本相同，不同在于PDCP将上层送下来的SDU组装成PDU后以RLC UM_DATA_REQ发送到RLC；下行链路数据传输时RLC将数据以RLC_UM_DATA_IND发到PDCP。3.3 重建过程3.3.1 上行发送3.3.1.1 映射到RLC AM的DRB过程(1) UE应重建上行链路的头压缩协议；(2) 重建过程期间，UE应使用加密算法及上层提供的密钥加密；(3) 从第一个对应的PDCP PDU成功传递但没有被下层确认的PDCP SDU开始，在如PDCP重建之前，执行所有与此PDCP SDU对应的COUNT开始的，按照COUNT升序排列的PDCP

22、 SN值对应的PDCP SDU来重传(4) UE应执行PDCP SDU的头压缩；(5) UE应使用于此PDCP SDU关联的COUNT值来加密PDCP SDU；(6) UE应将最后产生的PDCP 数据PDU传递给下层；3.3.1.2 映射到RLC UM的DRB过程(1) UE应重建上行链路的头压缩协议；(2) UE应置Next_PDCP_TX_SN以及TX_HFN为0；(3) 重置过程期间，UE应使用加密算法及上层提供的密钥加密；(4) 对于每一个已经对应于一个PDCP SN，但相应的PDU没有事先传递给低层3.3.1.3 SRB过程(1) UE应设置Next_PDCP_TX_SN及TX_HF

23、N为0；(2) UE应丢弃所有存储的PDCP SDU和PDCP PDU；(3) 重建过程期间，UE应使用加密和完整性保护算法，以及使用上层提供的密钥进行加密3.3.2 下行接收3.3.2.1 映射到RLC AM的DRB过程(1) UE应处理由于下层重建而从下层接收到的PDCP数据PDU；(2) UE应重建下行链路的头压缩协议；(3) 重建过程期间，UE应使用加密和完整性保护算法，以及使用上层提供的密钥进行加密；3.3.2.2 映射到RLC UM的DRB过程(1) UE应处理由于下层重建而从下层接收到的PDCP数据PDU；(2) UE应重建下行链路的头压缩协议；(3) UE应将Next_PDCP

24、_RX_SN及RX_HFN置0；(4) 重建过程期间，UE应使用加密和完整性保护算法，以及使用上层提供的密钥进行加密；3.3.2.3 SRB过程(1) UE应丢弃由于下层重建而从下层接收到的PDCP数据PDU；(2) UE应将Next_PDCP_RX_SN及RX_HFN置0；(3) UE应丢弃所有存储的PDCP SDU和PDCP PDU；(4) 重建过程期间，UE应使用加密和完整性保护算法，以及使用上层提供的密钥进行加密；3.4 PDCP状态报告3.4.1 传输当上层请求一次PDCP重建时，对于映射到RLC AM的RB被上层配置用于在上行链路上发送一个状态报告，在处理完因下层重建而从下层接收来

25、的PDCP数据PDU以后，UE应按下述指示进行状态报告：UE应将FMS设置为第一个丢失的PDCP SDU的PDCP SN值；如果至少有一个失序PDCP SDU被存储，则UE分配一个Bitmap field，长度等于从第一个丢失PDCP SDU开始知道最后一个失序的PDCP SDU结束的PDCP SN的个数，四舍五入到下一个8的倍数；UE将所有低层指示还未接收到的PDCP SDU以及任意解压缩的PDCP SDU在Bitmap field中对应的区域置0；对于其它的PDCP SDU，对应域置1。3.4.2 接收当在下行链路接收到一个PDCP状态报告时，对已映射到RLC AM的RB，对于每个PDCP

26、 SDU，如果在Bitmap中对应的bit位为1，或者相关联的COUNT值小于FMS字段确定的PDCP SDU的COUNT值，则相应PDCP SDU的成功传输将被确认，且UE应按照PDCP丢弃过程的规定来处理PDCP。3.5 报头压缩在LTE系统中，规定PDCP子层支持由IETF(互联网工程任务组)定义的健壮性报头压缩协议(ROHC)来进行报头压缩。在LTE中，因其不支持通过电路交换域(CS)传输的语音业务，为了在分组交换域(PS)提供语音业务且接近常规电路交换域的效率，必须对IP/UDP/RTP报头进行压缩，这些报头通常用于VoIP业务。典型的，对于一个含有32 B有效载荷的VoIP分组传输

27、来说，IPv6报头增加60 B，IPv4报头增加40 B，即188%和125%的开销。为了解决这个问题，在LTE系统中，设定在激活周期内PDCP子层采用ROHC报头压缩技术，在压缩实体初始化之后，这一开销可被压缩成46个字节，即12.5%18.8%的相对开销，从而提高了信道的效率和分组数据的有效性。报头压缩协议可以产生两种类型的输出包：(1) 压缩分组包，每一个压缩包都是由相应的PDCP SDU经过报头压缩产生的；(2) 与PDCP SDU不相关的独立包，即ROHC的反馈包；压缩包总是与相应的PDCP SDU采用相同的PDCP SN和COUNT值；ROHC反馈包不是由PDCPSDU产生的，没有

28、与之相关的PDCP SN，也不加密。3.6 安全性功能在LTE系统中，加密功能位于PDCP实体中，加密对象包括：(1) 控制平面，被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分(未压缩的用户面或控制面的PDCP SDU或压缩的用户平面PDCP SDU)和MAC-I域(完整性消息鉴权码)。(2) 用户平面，被加密的数据单元是PDCP PDU的数据部分。PDCP实体所使用的加密算法和密钥(KEY)由高层协议配置。一旦激活安全功能，加密功能即被高层激活，该功能应用于高层指示的所有PDCP PDU。PDCP用于加密的参数包括以下2个：COUNT；DIRECTION(传输的方向)。RRC协议提供给PDCP加密功能所需要的参数包括以下2个：BEARER；KEY(控制平面使用KRRCenc，用户平面使用KUPenc)。加密是通过对消息和加密流做异或(XOR)运算来实现的，这里加密流是由基于接入层 (AS)导出、无线承载ID、传输方向(上行或下行)以及COUNT值的加密算法