Tài liệu Thông tin di động

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn Hoàng Thanh Sơn i LỜI CẢM ƠN Sau 2 năm học tập và nghiên cứu em đã hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp của mình. Tập luận văn này là kết quả học tập tại Viện Sau đại học – Đài học Hàng Hải – Ngành Điện Tử Viễn Thông và thay lời cảm ơn chân thành nhất của em đến tất cả các thầy cô giáo, những người đã tận tâm, nhiệt tình giảng dạy tất cả các môn học để em có kiến thức thực hiện tốt đề tài. Qua đây em gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Lê Quốc Vượng, người Thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp. Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, các anh chị đã giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập tại trường. Hải Phòng, ngày 01 tháng 09 năm 2015 Sinh viên Hoàng Thanh Sơn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC….. ......................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU...................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ x MỞ ĐẦU…… .......................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG PS CORE ................................................ 3 1.1 Kiến trục mạng PS .......................................................................................... 3 1.1.1 Nút dịch vụ GPRS (Serving GPRS Support node) SGSN.............................. 3 1.1.2 Nút cổng hỗ trợ GPRS (Gateway GPRS Support node) GGSN ..................... 4 1.1.3 Cổng tính cƣớc (Charging gateway) CG ........................................................ 4 1.1.4 Máy chủ phân dải tên miền DNS (Domain name service server) .................. 4 1.1.5 Các thành phần khác của mạng GPRS............................................................ 5 1.2 Các giao diện trong mạng PS .......................................................................... 6 1.2.1 Giao diện Gb (Gb inteface) ............................................................................. 6 1.2.2 Giao diện IU (Iu inteface) ............................................................................... 7 1.2.3 Giao diện Gn (Gn interface) ........................................................................... 7 1.2.4 Giao diện Gp (Gp interface) ........................................................................... 8 1.2.5 Giao diện Gr (Gr interface) ............................................................................. 8 1.2.6 Giao diện Ge (Ge interface) ............................................................................ 9 1.2.7 Giao diện Gi (Gi interface) ............................................................................. 9 iii 1.2.8 Giao diện Gy (Gy interface) ......................................................................... 10 1.2.9 Giao diện Gx (Gx interface) ......................................................................... 10 1.3 Quản lý di động MM và quản lý phiên SM .................................................. 10 1.3.1 Quản lý di động MM..................................................................................... 10 1.3.2 Quản lý phiên SM ......................................................................................... 13 1.4 Các thủ tục quan trọng mạng PS ................................................................... 14 1.4.1 Các thủ tục MM ............................................................................................ 14 1.4.2 Các thủ tục SM.............................................................................................. 19 1.5 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................... 24 CHƢƠNG 2. CHẤT LƢỢNG MẠNG PS CORE VÀ MÔ PHỎNG ..................... 25 2.1 Tổng quan các tham số đánh giá chất lƣợng mạng PS core ......................... 25 2.1.1 Tham số mạng di động .................................................................................. 25 2.1.2 Tham số mạng IP core .................................................................................. 27 2.2 Mô phỏng mạng PS core ............................................................................... 28 2.2.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng ................................................................... 28 2.2.2 Mục tiêu và mô hình mô phỏng .................................................................... 29 2.2.3 Mô hình và kịch bản mô phỏng .................................................................... 29 2.2.4 Thiết lập mô phỏng ....................................................................................... 31 2.2.5 Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 34 2.3 Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................... 37 CHƢƠNG 3. TRIỂN KHAI MẠNG PS CORE TẠI MOBIFONE........................ 38 3.1 Tổng quan về sơ đồ mạng ............................................................................. 38 3.2 Kênh trực tiếp (Direct Tunnel) ..................................................................... 39 iv 3.2.1 Tổng quan về Direct Tunnel ......................................................................... 39 3.2.2 Ƣu nhƣợc điểm của Direct Tunnel so với Two Tunnel ................................ 40 3.2.3 Các thủ tục báo hiệu trong Direct Tunnel ..................................................... 41 3.3 Chuyển hƣớng website (Website redirection) .............................................. 48 3.3.1 Tổng quan về Website Redirection ............................................................... 48 3.3.2 Nguyên lý của giải pháp ............................................................................... 48 3.3.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 53 3.4 Sửa sai tên APN (APN Correction) .............................................................. 55 3.4.1 Tổng quan về giải pháp ................................................................................. 55 3.4.2 Nguyên lý giải pháp ...................................................................................... 56 3.4.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 57 3.5 Định tuyến phía sau thuê bao (Routing behind MS) .................................... 59 3.5.1 Tổng quan về giải pháp ................................................................................. 59 3.5.2 Nguyên lý giải pháp ...................................................................................... 60 3.5.3 Thực nghiệm ................................................................................................. 61 3.6 Cấp PDP với địa chỉ IPv6 ............................................................................. 61 3.6.1 Tổng quan giải pháp IPv6 ............................................................................. 61 3.6.2 Mô hình và nguyên lý giải pháp ................................................................... 62 3.6.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 62 3.7 Chức năng phân tích gói tin DPI................................................................... 63 3.7.1 Tổng quan về phân tích gói tin DPI .............................................................. 63 3.7.2 Các kiểu phân tích DPI ................................................................................. 64 3.7.3 Ứng dụng của DPI......................................................................................... 64 v 3.8 Chức năng luật chính sách và tính cƣớc PCRF ............................................ 66 3.8.1 Các vấn đề về quản lý tài nguyên trong mạng 3G ........................................ 66 3.8.2 Tổng quan về PCRF và giao diện Gx ........................................................... 67 3.8.3 Giao thức sử dụng cho giao diện Gx ............................................................ 68 3.8.4 Các dịch vụ ứng dụng sử dụng PCRF........................................................... 73 3.8.5 Ví dụ về bản tin trao đổi trên giao diện Gx .................................................. 84 3.9 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 86 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 88 vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt A APN Access Point Name Tên điểm truy cập ATM Asynchronous Transfer Mode Chế độ truyền không đồng bộ B Base Station Controller Bộ điểu khiển trạm cơ sở CG Charging Gateway Cổng tính cƣớc CS Circuit Switching Service Dịch vụ chuyển mạch kênh BSC C D DNS Domain Name Server Máy chủ phân dải tên miền E EDGE Enhanced Data for GSM Evolution Mở rộng dịch vụ dữ liệu cho GSM EIR Equipment Identity Register Bộ đăng ký nhận dạnh thiết bị EPS Evolved Packet System Hệ thống dữ liệu mở rộng Frame relay Chuyển tiếp khung Internet Protocol Giao thức IP F FR I IP G GGSN Gateway GPRS Support Node Nút cổng hỗ trợ GPRS GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp HLR Home Location Register Bộ đăng ký vị trí thƣờng trú M MM Quản lý di động Mobility Management vi MMS Multimedia short message Tin nhắn đa phƣơng tiện MS Trạm di động Mobile Station MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch chính O OCS Online charging system Hệ thống tính tiền trực tuyến P PCRF Policy and Charging Rule Function Chức năng chính sách và tính cƣớc PCU Packet Control Unit Đơn vị điểu khiển dữ liệu PS Packet Switching Service Dịch vụ chuyển mạch gói Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ Q QoS R Bộ điểu khiện mạng vô tuyến RNC Radio Network Controller S SGSN Serving GPRS Support Node Nút dịch vụ hỗ trợ GPRS SM Session Management Quản lý phiên STP Signaling transfer point Điểm trung chuyển báo hiệu User Equipment Thiết bị ngƣời dùng U UE UMTS Universal Mobile Hệ thống tông tin di động thứ 3 Telecommunication System V Bộ đăng ký vị trí tạm chú VLR Visitor Location Register vii DANH MỤC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang bảng 1.1 Các trƣờng hợp của RAU 18 2.1 Kịch bản mô phỏng 30 2.2 Áp dụng các profile va ứng dụng vào thuê bao và server 33 3.1 Một số chính sách ứng dụng của PCRF 74 3.2 Ví dụ về chính sách quản lý thuê bao theo lƣu lƣợng 76 3.3 Chính sách quản lý thuê bao theo nhiều điều kiện 81 ix DANH MỤC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 3 1.2 Sơ đồ máy chủ DNS trong mạng PS 5 1.3 Chồng giao thức trong giao diện Gb 6 1.4 Chồng giao thức trong giao diện Iu 7 15 Chồng giao thức trong giao diện Gn 8 1.6 Chồng giao thức trong giao giao diện Gr 9 1.7 Chồng giao thức trong giao giao diện Ge 9 1.8 Sơ đồ kết nối GGSN ra mạng ngoài thông qua Firewall 9 1.9 Trạng thái MM trên thuê bao và trên SGSN 10 1.10 Trạng thái MM trên thuê bao và SGSN trong mạng 2G 12 1.11 Trạng thái MM tƣơng ứng trên 2G và 3G 12 1.12 Sơ đồ chuyển đổi trạng thái SM 13 1.13 Thủ tục đăng nhập mạng 14 1.14 Thủ tục rời mạng (Khởi tạo bởi MS) 16 1.15 Thủ tục rồi mạng khởi tạo bảo SGSN 16 1.16 Thủ tục rời mạng khởi tạo bởiHLR 17 1.17 Tổng quan về thủ tục cập nhật vùng định tuyến RAU 17 1.18 Thủ tục Inter SGSN RAU (từ vùng 2G sang 3G) 19 1.19 Thủ tục khởi tạo PDP 20 1.20 Bản tin “active PDP context accept” 21 1.21 Quá trình xử lý IP tĩnh 22 1.22 Quá trình xử lý IP động 22 1.23 Deactivation khởi tạo bảo MS 23 x MỞ ĐẦU Thông tin di động đƣợc chia thành 2 phần là CS và PS. - Dịch vụ trên nền chuyển mạch kênh CS (circuit switching service) bao gồm: dịch vụ cuộc gọi thoại, dịch vụ gọi có hình ảnh (video call). - Dịch vụ trên nền mạch chuyển góiPS (packet switching service): Dịch vụ PS giúp thuê bao truy cập internet bằng điện thoại di động hoặc gửi tin nhắn mutilmedia (MMS). Trong lịch sử của công nghệ này, thế hệ di động thứ nhất 1G và 2G chỉ cung cấp CS, dịch vụ PS bắt đầu đƣa ra trong GPRS đƣợc gọi là 2.5G và EDGE 2.75G. Tuy nhiên phải cho đến thế hệ di động thứ 3 thì dịch vụ dữ liệu gói mới đƣợc phát triển mạnh mẽ vừa đƣợc nhiều ngƣời sử dụng biết đến do khắc phục đƣợc băng thông thấp ở các chế độ dịch vụ trƣớc đó. Nếu nhƣ trong 2G GPRS, tốc độ tối đa tới ngƣời dùng chỉ là 171,2 kbps (GPRS) và 296 kbps (EDGE) thì tốc độ 3G tăng gấp nhiều lần. Thế hệ di động 3.5G (HSDPA) có khả năng cung cấp đến 21Mbps tới ngƣời sử dụng. Cùng với xu hƣớng phát triển mạnh mẽ của dịch vụ dữ liệu, thế hệ di động thứ 4 (4G) tiếp tục mở rộng băng thông download và upload cho dịch vụ PS, đồng thời không còn cung cấp dịch vụ CS qua các cổng MSC nhƣ thế hệ 3G trở về trƣớc nữa. Thay vao đó các cuộc gọi trên nền chuyển mạch kênh sẽ đƣợc thay bằng cuộc gọi qua IP (VoIP) hay IMS. Thừa kế trên dịch vụ CS, dịch vụ PS sử dụng chung các phần tử vô tuyến nhƣ trong CS. Tuy nhiên trong mạng Core thì có sự khác biệt. Trong 1 luận văn này tập trung nghiên cứu về phần mạng lõi của dịch vụ PS. Để hiểu rõ hơn về mạng, luận văn sử dụng các bản tin thực tế tại mạng Mobifone và 1 số bản tin khác đƣợc thực hiện trong phòng Lab Nội dung chính của luận văn bao gồm 3 chƣơng Chƣơng 1: Tổng quan về mạng PS Core. Chƣơng này nghiên cứu tổng quan về cấu trúc, các phần tử trong mạng, giao diện và các giao thức đƣợc sử dụng trong mạng PS Core. Đồng thời nghiên cứu các thủ tục đƣợc sử dụng trong mạng để 1 thuê bao có thể sử dụng đƣợc dịch vụ PS. Chƣơng 2: Đánh giá chất lƣợng mạng PS core và mô phỏng. Trong chƣơng này sẽ đƣa giá các tham số đánh giá chất lƣợng 1 mạng PS Core. Đồng thời mô phỏng đánh giá trong trƣờng hợp xảy ra nghẽn. Chƣơng 3: Triển khai mạng Core PS tại mạng Mobifone. Là chƣơng chính của luận văn, trong đó đƣa ra các giải pháp đã và đang đƣợc ứng dụng tại nhà mạng Mobifone. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG PS CORE Mạng PS core là trung tâm chuyển mạch của phần dịch vụ dữ liệu gói bao gồm các thiết bị SGSN, GGSN, CG, DNS… Sau đây sẽ tìm hiểu kiến trúc và nguyên lý hoạt động chung của mạng Hình 0.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống 1.1 Kiến trục mạng PS 1.1.1 Nút dịch vụ GPRS (Serving GPRS Support node) SGSN SGSN tƣơng tự nhƣ MSC trong mạng CS, 1 số chức năng chính của SGSN: - Quản lý di động (Mobility management) MM - Quản lý phiên (Session management) SM - Một số chức năng quan trọng khác của SGSN o Chức năng định tuyến và chuyển tiếp: SGSN chuyển tiếp dữ liệu giữa MS và GGSN o Chức năng tính cƣớc: SGSN tạo ra, lƣu trữ và truyền file cƣớc. 3 1.1.2 Nút cổng hỗ trợ GPRS (Gateway GPRS Support node) GGSN GGSN cũng là 1 thành phần quan trọng mạng GPRS. Các chức năng chính của GGSN: - Quản lý phiên SM - Định tuyến và truyển tiếp: GGSN thực hiện định tuyến các gói tin từ MS đi ra internet. Thông thƣờng kết nối từ GGSN ra internet thông qua 1 firewall, chức năng chính của firewall là chuyển từ đỉa chị IP private MS ra địa chỉ IP public để ra internet và chống tấn công từ bên ngoài. - Chức năng tính cƣớc:Tƣơng tự nhƣ SGSN, GGSN tạo, lƣu trữ và truyền file cƣớc đến CG thông qua giao diện Ga. 1.1.3 Cổng tính cƣớc (Charging gateway) CG Máy chủ CG sử dụng giao diện Ga kết nối với SGSN và GGSN để thu thập file cƣớc nguyên bản từ SGSN và GGSN, xử lý tạo ra file cƣớc cuối cùng và truyền đến trung tâm tính cƣớc BC (Billing Center) phục vụ cho việc tính tiền thuê bao. 1.1.4 Máy chủ phân dải tên miền DNS (Domain name service server) Cần phân biệt giữa 2 loại DNS là DNS internet và DNS trong mạng PS. DNS trên internet có nhiệm vụ phân dải tên miền, ví dụwww.google.comsang địa chỉ IP (ví dụ 173.194.72.113). Trong mạng PS Core cũng có DNS nhƣng có chức năng khác biệt với DNS ngoài internet, cụ thể nhƣ sau: - Phân giải APN sang địa chỉ IP của GGSN: Trong thủ tục khởi tạo PDP, thuê bao gửi thông tin APN lên SGSN. DNS sẽ dựa vào APN để trả về địa chỉ IP của GGSN. 4 - Phân giải RAI của SGSN: Trong thủ tục inter-RAU khi thuê bao di truyển từ SGSN này sang SGSN mới, DSN dựa vào vào RAI để thông báo cho SGSN mới biết địa chỉ IP của SGSN cũ. - Phân giải địa SGSNIP dựa vào RNCID trong thủ tục relocation. Hình 0.2: Sơ đồ máy chủ DNS trong mạng PS 1.1.5 Các thành phần khác của mạng GPRS HLR (Home Location Register) - bộ ghi vị trí thƣờng trú có nhiệm vụ lƣu trữ thông tin về mỗi thuê bao nƣ dịch vụ cuộc gọi, tin nhắn, dịch vụ dữ liệu…Đặc biệt là HLR lƣutrữ thông tin về các dịch vụ phụ, về các tham số chứng thực và về địa chỉ IP v.v...Các thông tin này đƣợc trao đổi giữa HLR và SGSN. VLR (Visitor Location Register) - bộ ghi vị trí tạm trú có nhiệm vụ lƣu trữ thông tin về vị trí tạm thời của thuê bao. Trong VLR cũng lƣu trữ các thông tin về các thuê bao tƣơng tự nhƣ trong HLR nhƣng chỉ tới khi thuê bao rời khỏi vùng lãnh thổ mà bộ ghi tạm trú này phục vụ. EIR (Equipment Identity Register) - bộ ghi danh tính thiết bị (ghi các dữ liệu để nhận dạng thiết bị) có nhiệm vụ lƣu giữ các thông tin cho phép khoá các cuộc gọi từ các thiết bị gian lận, trộm cắp hoặc bất hợp pháp. Tuy nhiên chƣa có nhà mạng nào ở Việt nam sử dụng thiết bị này. 5 1.2 Các giao diện trong mạng PS 1.2.1 Giao diện Gb (Gb inteface) Giao diện Gb là giao diện giữa BSS (PCU) và SGSN. Trong mạng 2G, do BSC không hỗ trợ kết nối trực tiếp với SGSN, nên kết nối đƣợc thông qua PCU (Packet control Unit). Có 2 phƣơng thức kết nối cho Gb là “Gb over FR” (Sử dụng kết nối bằng Frame Relay) và “Gb over IP” (Sử dụng kết nối IP). Giao diện Gb đƣợc chia thành 2 đƣờng riêng biệt là đƣờng báo hiệu(Control Plane) và đƣờng lƣu lƣợng (User Plane). Hình 0.3: Chồng giao thức trong giao diện Gb 6 1.2.2 Giao diện IU (Iu inteface) Giao diện Iu là giao diện giữa RNC và SGSN. Khác với mạng 2G, RNC hỗ trợ kết nối trực tiếp với SGSN sử dụng giao thức RANAP. Tƣơng tự nhƣ giao diện Gb, giao diện Iu cũng có 2 loại Iu over ATM và Iu over IP và cũng đƣợc chia làm 2 đƣờng riêng biệt là Control Plane và User Plane. Hình 0.4: Chồng giao thức trong giao diện Iu 1.2.3 Giao diện Gn (Gn interface) Giao diện Gn là giao diện giữa SGSN và GGSN hoặc giữa 2 SGSN trong một mạng di động. Gn sử dụng giao thức GTP, đƣợc chia thành 2 phần riêng biệt GTP-C cho báo hiệu và GTP-U cho đƣờng lƣu lƣợng. 7 Hình 0.5: Chồng giao thức trong giao diện Gn 1.2.4 Giao diện Gp(Gp interface) Tƣợng tự nhƣ Gn interface nhƣng Gp interface là giao diệngiữa các mạng di động khác nhau vàcũng sử dụng giao thức GTP. Thông thƣờng để đảm bảo tính bảo mật, Gp thƣờng đƣợc chạy trên mạng GRX thông qua các Border Gateway (BG) 1.2.5 Giao diện Gr (Gr interface) Giao diện Gr là giao diện giữa SGSN và HLR sử dụng giao thức MAP. Về phƣơng diện truyền dẫn, Gr interface có 2 dạng là sử dụng kết nối E1/T1 (Gr over E1/T1) hoặc IP (Gr over IP). Về mô hình kết nối, SGSN có thể kết nối trực tiếp tới HLR hoặc thông qua STP (SignalingTranfer Point). 8 Hình 0.6: Chồng giao thức trong giao giao diện Gr 1.2.6 Giao diện Ge (Ge interface) Để quản lý thuê bao trả trƣớc trong thông tin di động, mạng sử dụng SCP. Giao diện Ge là giao diện giữa SGSN và SCP, giao thức đƣợc sử dụng là giao thức CAP. Tƣơng tự nhƣ HLR, SGSN có thể kết nối trực tiếp với SCP hoặc thông qua STP. Ge interface cũng có 2 loại là Ge over E1/T1 hoặc Ge over IP. Hình 0.7: Chồng giao thức trong giao giao diện Ge 1.2.7 Giao diện Gi (Gi interface) Gi interface là giao diện từ GGSN đi ra mạng ngoài sử dụng giao thức ở lớp IP. Để phòng chống tấn công, kết nối từ GGSN đi ra internet thông qua 1 Firewall. Firewall đồng thời cũng làm nhiệm vụ chuyển đổi địa chỉ Private IP của thuê bao sang địa chỉ Public IP (NAT) để đi ra mạng ngoài. Hình 0.8: Sơ đồ kết nối GGSN ra mạng ngoài thông qua Firewall 9 1.2.8 Giao diện Gy (Gy interface) Tƣợng tự nhƣ SCP, OCS là giải pháp mới cho việc tính cƣớc online thuê bao DOCUMENTTYPE trả trƣớc. Giao diện Gy (giữa GGSN và OCS) sử dụng giao thức Diameter. TypeUnitOrDepartm entHere TypeYourNameHere TypeDateHere 1.2.9 Giao diện Gx (Gx interface) Giao diện Gx là giao diện giữa GGSN và PCRF cũng sử dụng giao thức Diameter nhƣ Gy interface. Giao diện Gx sẽ đƣợc đề cập cụ thể ở phần sau của luận văn này Ngoài ra còn 1 vài giao diện nữa trên thực tế ở Việt Nam không sử dụng nhƣ Gs (Giữa MSC và SGSN), Gf (giữa SGSN và EIR),… 1.3 Quản lý di động MM và quản lý phiên SM 1.3.1 Quản lý di động MM Trong mạng 3G, có 3 trạng thái MM là detached, connected và idle giống nhau trên MS và SGSN thể hiện các trạng thái truy cập mạng của thuê bao PM MDETACHED P S D etach PS Attach P MM-IDLE SM-A CTIVE or INA CTIVE P S S ignalling Connection Releas e P S S ignalling Connection Establish PMMDETACHED Detach, PS Attach R eject, RAU Rej ect P S D etach PS Attach PMMCONNE CTE D S M-ACTIV E or INACTIV E P MM-IDLE PS S ignalling Connection Releas e D etach, PS Attach Reject, RA U R eject PMMCONNE CTE D SM-A CTIVE or S M-ACTIV E or PS S ignalling INA CTIVE INAC TIV E Connection Establish Serving RNC reloc ation MS MM States 3G-SGSN MM States Hình 0.9: Trạng thái MM trên thuê bao và trên SGSN 10