Тема работы:

 

«Управление сессиями передачи данных в системах радиодоступа (GTP)»

Часть 1.

 

Выполнил:

 

Студент группы 719м

Филатов А.В.

         

 Аннотация:

Статья посвящена анализу протокола GTP. Рассмотрен алгоритм создания сессии посредством протокола GTP-C, а также приведены примеры передачи сообщений GTP-U.


Список аббревиатур и условных сокращений


GTP - GPRS туннельный протокол.

GPRS - пакетная радиосвязь общего пользования.

GSN узел поддержки GPRS.

P-GW - пакетный шлюз.

S-GW - обслуживающий шлюз сети.

eNB - базовая станция.

EPC –базовая сетевой архитектуры 3GPP.

MME –устройство управления мобильностью.

UDP протокол пользовательских датаграмм.

UE - пользовательское оборудование.

NS – сетевой сервис.

BSSGP – протокол базовой станции.

LLC – протокол управления логическим каналом.

  SNDCP – протокол конвергенции подсетей.


Цель работы:

Целью данной курсовой работы является исследование принципов работы протокола GTP в сетях радиодоступа.           Введение


         Протокол GTP это протокол туннелирования. GTP описывает передачу данных между узлами GSN в сетях радиодоступа. GTP определяется как для интерфейса Gn , так и для интерфейса Gp. Пакеты GTP инкапсулируются UDP.

            GTP позволяет использовать туннелирование для передачи через магистраль радиосети между узлами GSN пакетов различных протоколов (рисунок 1). С точки зрения сигнализации GTP определяет механизмы контроля и управления, позволяющие протоколу SGSN обеспечивать для MS доступ в сеть. Сигнализация служит для созания, модификации и уничтожения тоннелей. С точки зрения передачи GTP используют механизмы туннелирования для того, чтобы передавать пользовательские пакеты данных. Выбор маршрута зависит от того, тербуют ли передаваемые по туннелю данные повышенной надежности соединения или нет.

            Таким образом протокол GTP может быть использован в различных сетях радиодоступа, так как функционирует между узлами GSN.

            С момента своего создания в конце 1990-х годов данный протокол был развернут в больших масштабах.

 Рисунок 1 – GTP протокол в сетях радиодоступа

GTP используется вместе с другими протоколами. К примеру сеть GPRS помимо протокола GTP 
содержит: LLC, BSSGP, NS-Network протоколы (Рисунок 2).

Рисунок 2 – стек протоколов GPRS в модели OSI
   Механизм туннелирования       

Протокол GTP обеспечивает так называемый механизм туннелирования (вложение пакетов) для передачи через магистраль GPRS между узлами GSN пакетов различных интерфейсов. С точки зрения сигнализации GTP определяет механизмы контроля и управления, позволяющие SGSN обеспечить для MS доступ в сеть GPRS. Сигнализация служит для создания, модификации и уничтожения туннелей. С точки зрения передачи, GTP использует механизм туннелирования для того, чтобы передавать пользовательские пакеты данных. Выбор маршрута зависит от того, требует ли передаваемые по туннелю данные повышения надежности соединения или нет.


Рисунок 3. Инкапсуляция IP пакета

Протокол GTP поддерживается сервисными узлами SGSN и шлюзами GGSN. Другие системы не обязаны знать что-либо о работе этого протокола. При подключении мобильных станций GPRS к узлам SGSN работа с протоколом GTP не требуется. Предполагается, что при работе сети будут устанавливаться множественные соединения между узлами GGSN. Один узел SGSN может обеспечивать сервис для множества шлюзов GGSN. Один шлюз GGSN может иметь связь со многими узлами SGSN для распределения трафика между множеством территориально распределенных мобильных станций.

Разновидности GTP

Существует три основные разновидности GTP протокола(рисунок 4):



Рисунок 4. Разновидности GTP

GTP-U


GTPU (User Plane) – используется для транспортировки пользовательских данных между пакетной сетью и радиосетью, причем эти данные могут быть «упакованы» в любой из IPv4, IPv6 или PPP форматов.

            GTP-U, по сути, является относительно простым протоколом туннелирования на основе IP, который позволяет организовывать несколько туннелей между набором конечных точек. При использовании в UMTS каждый абонент будет иметь один или несколько туннелей(по одному для каждого PDP контекста), в котором они активны, а также, возможно, отдельные туннели для конкретных соединений с различными требованиями к качеству обслуживания.

            Отдельные туннели в сообщениях GTP-U идентифицируются TEID (Идентификатор конечной точки туннеля), который динамически распределяется случайным числом. Если это случайное число имеет криптографическое качество, оно будет обеспечивать меру безопасности от определенных атак. Тем не менее, требование стандарта 3GPP заключается в том, что весь трафик GTP, включая данные пользователя, должен быть отправлен в защищенные частные сети, а не напрямую подключен к Интернету. Это происходит по UDP-порту 2152.

 

Рассмотрим, что любое приложение пользователя создает пакет IP / TCP. Этот пакет состоит из фактических данных заполненных с помощью приложения, заголовка TCP или UDP, а затем информации о поле IP, которая имеет адрес источника UE и адрес назначения сервера приложений (например, Вконтакте). 

Когда eNodeB получает этот пакет через радиоинтерфейс, он поместит IP-пакет внутрь пакета GTP c заголовком , который имеет информацию, относящуюся к идентификаторам туннеля. Кроме того, он инкапсулируется внутри UDP и IP-заголовка и перенаправляется в виде Ethernet-кадра в сторону SGW. Здесь заголовок IP содержит IP-адрес eNodeB в качестве исходного адреса и IP-адрес SGW в качестве адреса назначения.

                                          

                         

 Рисунок 5 - Инкапсуляция IP пакета


GTP-C

      GTP-C (Control Plane) – используется в сигнальной плоскости «общения» абонента и сети оператора, например при активировании PDP Context’а, SGSN передаст запрос на активацию контекста к GGSN’у как раз с помощью GTP-C протокола.  Для управления сессиями (именно с его помощью осуществляется процедура PDP Context Activation и прочие служебные процедуры).

        Интерфейс S3 между узлами SGSN и MME, интерфейс S4 между узлом SGW и SGSN, а также интерфейс S16 между двумя узлами SGSN использеют протокол GT-C версии 2 для передачи служебных сообщений только тогда, когда EPC сеть используется для передачи индивидуального UE контекста(рисунок 6).


Рисунок 6 – Интерфейсы в сети GPRS


GTP`

GTP` (Charging) – использует ту же структуру сообщений, что и предыдущие протоколы, но предназначен в основном для транспортировки биллинговых данных от Charging Data Function (CDF) частей GSM или UMTS сетей к Charging Gateway Function (CGF) биллинговым элементам.

GTP 'использует зарегистрированный UDP / TCP-порт 3386.


Рисунок 7– структура загоовка GTP’ протокола


Version -  первое поле заголовка в пакете. Указывает на версию используемого протокола.

Protocol Type (PT) - 1-битное значение, которое отличает GTP '(значение 0) от GTP (значение 1).

Reserved - 3-битовое зарезервированное поле.

Header Length – длина заголовка.

Type - 8-битовое поле, в котором указывается тип пакета.

Length -  16-разрядное поле, в котором указывается длина пакета, инкапсулированного GTP '(не включая сам GTP-заголовок).

Sequence Number - 16-битовое поле, которое однозначно идентифицирует этот пакет и позволяет обнаруживать потерю или дублирование

 

 GTP в сетях LTE

В LTE используется версия 2  для GTP-C, а версия 1 используется протокола для GTP-U 
В простой реализации сети LTE GTP-v2 используется на интерфейсах S5 и S11, а GTPv1 используется на интерфейсах
 S1-U, S5, X2-U (рисунок 8). В связях между RAT и inter PLMN интерфейсы S3, S4, S8, S10, S12 и S16 также используют 
протоколы GTP
Рисунок 8.  Использование GTP в сети LTE

Заголовок GTP

Заголовок GTP содержит информацию о мобильном абоненте и идентификатор контекста пакетного
протокола PDP (Packet Data Protocol).GTP функционирует поверх протокола IP в прозрачном режиме
(т.е. прикладные задачи фактически «не знают» о существовании GTP). Таким образом, магистральной
сетью GPRS может быть любая сеть с поддержкой IP, такая, как Ethernet, Frame Relay, ATM. Протокол
TCP переносит блоки PDU GTP в опорной сети GPRS для протоколов, которые нуждаются в надежной
линии передачи данных (например, Х.25), и протокол UDP переносит блоки GTP для протоколов, которые
не нуждаются в надежной линии передачи данных (например, IP). TCP обеспечивает управление потоком и
защиту от потерянных и разрушенных PDU-блоков протокола GTP. Заголовок пакета GTP используется для всех типов сообщений GTP и имеет фиксированную длину 16 октетов (рисунок 9).


       

Рисунок 9. Заголовок GTP пакета

Версия (Version) – устанавливается в 0, показывая первую версию протокола GTP.

Тип сообщения (Message type) – указывает тип сообщения GTP. Для сигнальных сообщений это поле имеет значение, уникальное для каждого используемого типа сообщений.

Длина (Length) – содержит длину GTP-сообщения (G-POU) в октетах. Для сигнальных сообщений это поле включает размер сигнального сообщения и заголовка GTP.

Порядковый номер (Sequence number) – идентификатор транзакции для сигнальных сообщений или порядковый номер для туннелированных сообщений T-PDU.

Метка потока (Flow label) – идентифицирует GTP-поток. В сигнальных сообщениях Path Management и Location Management метка потока не используется и данное поле имеет значение 0.

Идентификатор туннеля (TID) указывает ММ- и PDP-контекст в принимающем узле GSN.

         В качестве идентификатора каждого абонента в коммутационной подсистеме сети используется IMSI(рисунок 9), а для идентификации приложений пользователя используется идентификатор точки доступа к сетевым услугам NSAPI. Идентификаторы IMSI и NSAPI (идентификатор точки доступа к сетевому сервису) формируют идентификатор туннеля TID. Данный идентификатор указывает контекст управления мобильностью ММ-контекст (Mobility Management) и контекст пакетного протокола – PDP-контекст (Packet Data Protocol), т.е. однозначно определяет звено, назначенное для передачи данных абонента между узлами GSN, и является частью заголовка протокола GTP.


Рисунок 10 – структура TI

Цифры MCC, MNC,MSIN – фрагменты IMSI (определены в GSM 04.08)

NSAPI – идентификатор точки доступа к сетевому сервису.




Список используемых источников

1. 
Википедия — свободная энциклопедия 
[Электронный ресурс]. Режим доступа: 
https://en.wikipedia.org/wiki/GPRS_Tunnelling_Protocol

2. 
Блог о пакетной передаче данных в мобильных сетях
Блог о пакетной передаче данных в мобильных сетях[Электронный ресурс]. Режим доступа: 
http://pro-gprs.info/terms/gtp.html

3. 
JUNIPER
[Электронный ресурс]. Режим доступа: 
https://www.juniper.net/documentation/en_US/junos-mobility11.2/topics/concept/gtp-mobility-protocols-overview.html

4. 
GTP Primer 
[Электронный ресурс]. Режим доступа: 
https://www.youtube.com/watch?v=FPfExr9bEEg&t=1861s

5.All about Wired and Wireless Technology
[Электронный ресурс]. Режим доступа: 
http://www.simpletechpost.com/2013/03/gprs-tunneling-protocol-gtp-in-lte.html

5. S
haretechnote 
[Электронный ресурс]. Режим доступа:
http://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_GTP.html