现代交换原理复习笔记 - 第五、六、七章

转载自 BakaNetwork/PrinciplesOfModernSwitchingCircuit - GitHub，有少量修改。

• 信令系统
• 移动交换
• 新一代融合网络交换技术

第五章 信令系统

定义：各个设备间传输的控制信号和规约称为信令。

七号信令

• 协议栈：
  • MTP 部分各级功能
  • UP 部分
    • TUP 的基本信令流程（IAM、ACM、ANC、CLF、RLG）
  • 信令消息的传递涉及的协议栈
• 我国的信令网结构
  • HSTP、LSTP、SP 结构、连接方案
• 信令点编码
  • 国际 14bits
  • 我国 24bits
    • 主信令区、分信令区、信令点

七号信令网结构

国内信令点编码：24bits

HSTP 高级信令转接点	LSTP 低级信令转接点	SP 信令点
8bit	8bit	8bit

国际信令网的信令点编码：14bits（大区和 SP 变为 3bit）

HSTP 设在 C1、C2 交换中心，C1 和 C2 长途局直接与 HSTP 相连，HSTP 汇接 C1、C2 及所属 LSTP 的信令。LSTP 设在 C3 交换中心，同一分信令区内的长途局应与本区内的每对 LSTP 相连，LSTP 汇接 C3、C4、C5 信令点的信令。

七号信令协议栈结构

• MTP：消息传递部分
  • MTP1——物理层
  • MTP2——数据链路层
  • MTP3——网络层一部分
• SCCP：信令连接控制部分——网络层一部分
• UP：用户部分——传输层、会话层、表示层、应用层
  • ISUP：综合业务数字网部分
  • TUP：电话用户部分
  • DUP：数据用户部分
  • TCAP：事务处理能力部分
    • INAP：智能网应用部分
    • OMAP：操作维护应用部分
    • MAP：移动通信应用部分

MTP 各级功能：

OSI 对应	MTP 部分	功能
物理层	MTP1：信令数据链路级	规定信令链路电气特性和接入方法。速率 64Kbps。
数据链路层	MTP2：信令链路功能级	将第一级中透明传输的比特流划分为不同长度的信令单元，有差错检测和重发校正。
网络层的部分	MTP3：信令网功能级	保证信令单元在网络中的可靠传输。

TUP 功能：规定电话呼叫的建立和释放的信令流程，以及实现这些流程的消息和消息编码。并能支持部分用户补充业务。提供电话呼叫的控制信令，完成电话呼叫续接和控制。

• 处理 SIF 字段中的 CIC、H0H1、信令信息。
• 呼叫信令：

消息类型	含义
IAM	初始地址消息
ACM	地址全消息，表示被叫空闲，呼叫建立成功
ANC	被叫应答，计费消息
CLF	前向释放
CBK	后向释放
RLG	正常呼叫结束时电路释放监护消息
SLB	市话忙
STB	长话忙
CGC	电路群拥塞
SEC	交换机拥塞

七号信令单元格式

三种信令单元：

• 消息信令单元 MSU（Message Signaling Unit）：运载高层（用户部分或信令网管理功能）产生的信令消息。
• 链路状态信令单元 LSSU（Link State Signaling Unit）：用来传送链路状态信息。
• 插入信令单元 FISU（Filled-In Signaling Unit）：在无 MSU 和 LSSU 时发送。

• MTP2 处理 F、CK、FSN、BSN、FIB、BIB、LI

• MTP3 处理路由标记和 SIO。MSU 信令的 SIF 信息字段中开始位置是路由标记（Routing Label），分为：

  • DPC：目的信令点编码
  • OPC：源信令点编码
  • SLS：信令链路选择码

  路由标记供 MTP3 级进行消息寻址和路由。

• 电话用户部分 TUP 处理 MSU 信令中 SIF 子段的 CIC、H0H1、信令信息：

  • CIC：话路编码，标记话路时隙
  • H0H1：是标题码
  • 信令信息传递消息参数

例题

信令消息的传递

• 直联工作方式：SP 和 SP 之间的信令消息通过直接相连的信令链路传送。
• 准直联工作方式：SP 和 SP 之间的信令消息通过（STP 转发）预先指定的多条串接的信令链路传送。
• 非直连工作方式：不预先指定，随机转发（复杂，No.7 未采用）

准直联方式下信令信息的传递方式：

SIP 信令

SIP（Session Initiation Protocol）会话发起协议是一种 IP 电话信令协议。

基本特点：

• 应用层控制协议，独立于底层协议。用于建立、修改和中止 IP 网上的双方或多方多媒体会话。
• 基于文本的消息编码，使用 UTF-8 字符集，易于读取和调试。
• 具有多个层次的可实现性，最小的实现非常简单、最完全的实现能够完成非常多的功能。
• 通过代理、重定向功能支持用户的移动性。
• 可与 RTP/RTCP、SDP、RTSP、DNS 等协议配合。易于实现和扩展。

SIP 系统中各网元（用户代理、代理服务器、注册服务器）作用：

• 用户代理（User Agent）：终端用户设备，用于创建和管理 SIP 会话的设备。UA 发出消息，代理服务器对消息进行响应。
• 代理服务器：接收 UA 的会话请求并查询 SIP 注册服务器，获取收件方 UA 的地址信息。然后，根据收件方域的位置，将会话邀请转发给收件方 UA 或代理服务器。
• 注册服务器：包含域中所有用户代理的位置的数据库。在 SIP 通信中，注册服务器会检索参与方的 IP 地址和其它相关信息，并将其发送到代理服务器。

SIP 相关协议：

• SIP 呼叫准许与建立、SDP 媒体通道协商与建立：基于 TCP 或 UDP
• RTP 媒体流：基于 UDP

SIP 消息：

消息	功能
REGISTER	在注册服务器上注册用户代理 UA。
INVITE	发起呼叫，并对会话进行描述。
100 TRYING	正在尝试连接。
180 RINGING	正在振铃。
200 OK	请求成功。
ACK	主叫确认收到被叫发送的对 INVITE 的确认响应。
BYE	释放连接，主被叫双方都可以发出。
1xx	通知服务器或代理正在执行处理，终端应该等待响应。
2xx	成功。
3xx	重定向响应，终端应向新地址发送请求。
4xx	请求失败，被拒绝。
5xx	服务器内部错误造成不能响应。
6xx	全局错误，未来该用户所有请求都无法响应。

SIP 地址与端口：sip:username@company.com:5060。

SDP 媒体协商的重点内容：SIP 消息体主要是 SDP 会话描述协议，用于描述这次回话的媒体信息。话音流使用 RTP/RTCP 传输。

通过 Call-ID 区分各个呼叫。

• 注册流程（失败与成功）：

• 基本呼叫建立：

• 正常呼叫释放：

• 被叫忙呼叫释放：

• 被叫无应答，主叫挂机：

• 被叫无应答，超时：

• 注销（将 register 里的 expires 字段置为 0）：

例题

第六章 移动交换

移动通信的基本概念

入网、鉴权、切换、漫游、位置更新、网络附着

概念	内容
入网	GSM 中，MS 向 BSC 申请 SDCCH 或 TCH 信道进行通信的过程。GPRS 中，MS 向 SGSN 发送入网附着请求的过程。
鉴权	MS 使用网络之前，网络检查其合法性的过程。
切换	将一个正处于呼叫状态中的 MS 转换到新的业务信道上的过程。通常由 MS 位置移动或小区业务负载均衡触发。
漫游	用户当前位置非本号码的 HLR 服务区。
位置更新	MS 从一个位置区移动到另一个位置区，发现其存储器中的 LAI 位置区标识与接收到的 LAI 发生变化，便执行登记的过程。
网络附着	MS 附着在 GPRS 网络上，MS 和 SGSN 中记录该用户的路由信息，建立对于该用户 IMSI 的移动管理上下文（PDP）。

GSM、GPRS 的基本网络结构及网元功能

GSM 网络结构、网元功能：

主要分为 MS、BSS、NSS、OMC 四大部分。

• MS（移动台）：移动客户设备部分，分手持机和车载台。包括移动终端（ME）、手机客户识别卡（SIM）。

• BSS（无线基站子系统）：由 MSC 控制，是与 MS 通信的系统设备。主要完成无线发送接收和无线资源管理等功能。

  包括基站收发信机 BTS、基站控制器 BSC。

  • BTS（基站收发信机）：完成无线传输、无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密。
  • BSC（基站控制器）：连接 BTS 与 MSC、为 BTS 和 OMC 的信息交换提供接口，具有控制一个或多个 BTS 的功能。完成无线网路资源的管理、呼叫和通信链路的建立与拆除、本控制区内 MS 越区切换的控制、小区配置数据管理、功率控制等。

• NSS（交换网路子系统）：完成交换功能、完成客户数据、移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

  包括 MSC、HLR、VLR、AUC、EIR。

  • MSC（移动交换中心）：蜂窝通信网络的核心，对位于本 MSC 控制区内的移动用户进行通信控制和管理。完成信道的管理和分配、呼叫的处理和控制、用户位置信息的登记与管理、越区切换和漫游的控制、用户号码和移动设备号码的登记和管理、服务类型的控制、用户鉴权、为系统中连接其他 MSC 和其他公用通信网络（PSTN、ISDN、PDN）提供链路接口。

  • HLR（归属位置寄存器）：存储本地用户位置信息的数据库。每个用户都必须在某个 HLR（相当于该用户的原籍）中登记。登记内容：

    • 永久性参数：ISDN 号码、移动设备号码 IMSI、接入优先级、预定业务类型、保密参数等。
    • 暂时性参数：用户当前所处位置的有关参数。

    HLR 的目的是：

    • 即使用户漫游到该 HLR 服务区外，HLR 也要登记漫游区域传送来的位置信息。
    • 保证呼叫一个未知位置的移动用户时，均可由该移动用户的 HLR 获知它当前处于哪个区域，从而建立通信链路。

  • VLR（访问位置寄存器）：存储来访用户位置信息的数据库。一个 VLR 可以为一个或多个相邻 MSC 服务。

    • 当移动用户漫游到新的 MSC，向对应的 VLR 申请登记。
    • VLR 从该用户的 HLR 查询参数，给用户分配一个新的漫游号码（MSRN），通知其 HLR 修改用户位置信息。为其他用户呼叫此用户提供路由信息。
    • 移动用户离开此 VLR 服务区时，HLR 接收到新的 VLR 发来的消息，通知旧的 VLR 删除此用户的位置信息。

  • AUC（鉴权中心）：可靠地识别用户的身份，只允许有权用户接入网络获得服务。

  • EIR（设备标志寄存器）：存储移动台设备参数的数据库。识别用户的 IMEI，对移动设备进行鉴别和监视，拒绝非法移动台入网。

  • SMS-SC（短信息业务中心）：提供点对点短信服务和广播式公共信息服务。

• 维护操作子系统（OMC）：对整个 GSM 网路内各种部件进行功能监视、状态报告、故障诊断、设备管理。包括系统的自检与报警、备用设备的激活、系统的故障诊断与处理、话务量的统计和计费数据的记录与传递、各种资料的收集分析与显示等。

• GMSC（网关交换中心）：负责移动交换网络与 PSTN 固话网络的互联互通。进行信令控制与话音转发。

GSM 网络信令基本过程（始呼、寻呼、切换）

切换：

• 同一 BSC 内小区间的切换：

• 同一 MSC 内不同 BSC 的小区间切换：

• GSM 越区切换：

GPRS 网络结构、网元功能

GSM 一个用户只能分配一个信道。GPRS 按需动态占用资源，速率可达 171.2Kbps。

组成：

• PCU：在 BSC 中新增的设备，属于分组域。负责移动分组数据的组装和拆解。
• SGSN：功能类似 MSC/VLR。
  • 记录移动台当前位置信息，进行鉴权、移动性管理、路由选择。
  • 在 MS 和 GGSN 之间完成移动分组数据的发送和接收。
• GGSN：网关，功能类似 GMSC。
  • 可以把 GPRS 分组数据包进行协议转换，提供与多种不同数据网络的互联。
  • 为 MS 动态分配 IP 地址，或接入 DHCP 服务器来实现动态分配 IP 地址。

GPRS 系统的电路域与分组域：

• 电路域：（原 GSM 部分）BTS、BSC、MSC/VLR，HLR、AUC 等。
• 分组域：PCU、SGSN、GGSN、BG（？）、骨干网、ISP 网等。

GPRS 分组域中的数据通道：

• BSC（PCU）与 SGSN 之间：BSSGP 协议，采用虚电路透明地传输新型号和数据。
• SGSN 和 GGSN 之间：采用隧道技术，允许多协议包传输。对传输信息负责（不透明），基于 IP 协议栈，在 OSI 传输层使用 UDP。

3G 通信

网络结构演进过程（了解）

• 制式：cdma2000、wcdma、td-scdma
• 3GPP-R99 网络：电路域+分组域重叠交换网络，电路交换与分组交换共存。
• 3GPP-Release4&5 网络：电路域进行 IP 化改造，核心网全分组交换模式。

4G 通信

特点：

• 业务平面与控制平面完全分离化。
• 核心网趋同化、交换功能路由化。
• 网元数目最小化、协议层次最优化。
• 网络扁平化、全 IP 化。

网元结构和功能（了解）：网元分为：UE、eNodeB、MME、S-Gateway、P-Gateway、HSS、IMS。

• eNodeB：eNodeB 之间可以直接通信。功能：无线资源管理、IP 头压缩和数据流加密、无线接入控制、用户数据向 S-GW 路由、MME 发起的呼叫信息的调度和发送。
• MME 移动管理实体：移动性管理、会话管理、用户及安全与密钥管理、承载控制、信令加密和完整性保护、P-GW/S-GW 选择。
• S-Gateway 服务网关：是 eNodeB 之间切换的锚点。功能：分组路由和转发功能、IP 头压缩、用户平面数据交换、计费信息收集和监听、漫游路由优化与 QoS 保障。
• P-Gateway 分组数据网关：UE 的 IP 地址分配、数据包过滤、分组路由和数据转发等等。
• HSS 归属签约用户服务器：存储用户业务相关的签约信息、4G 位置信息等。
• IMS：略。

5G 通信

业务特点：

• 增强移动宽带（eMBB）：高峰值速率
• 海量机器通信（mMTC）：高连接数密度
• 高可靠低时延通信（uRLLC）

关键技术：

• 高频段高带宽传输：毫米波通信。
• 新型多天线传输：大规模 MIMO。
• 同时同频全双工。
• 多种多址接入方案。
• D2D：Device to Device。
• 微基站。
• 新型网络架构。

用户面与控制面分离，网元->微服务

• 独立组网 (SA)：要新建大量的 5G 基站和核心网
• 非独立组网 (NSA)
  • 利用现有 4G 基站和核心网，增设 5G 基站，快速部署 5G 业务
  • 双连接：手机能同时跟 4G 和 5G 都进行通信

例题

第七章 新一代融合网络交换技术

软交换的系统结构、四层结构

• 软交换技术特征：
  • 业务处理与呼叫控制分离。（控制与控制不分离）
  • 呼叫处理与承载分离。
  • 核心传输网络基于 IP 网。
  • 融合异构网络同一传输。
• 四层体系结构、各层典型设备：
  • 业务/管理层：AS 应用服务器（提供业务执行、管理开发环境）、NMC 系统管理中心。
  • 会话控制层：SSC 软交换控制器（呼叫控制、资源管理、路由控制、地址解析）、MS 媒体服务器。
  • 核心传送层：IP 网络。
  • 外围接入层：SG 信令网关（连接 7 号信令网和 IP 网、信令格式转换）、MG 中继媒体网关（连接 PSTN 与 IP 网络、实现媒体传输格式转换）、AG 接入网关和 IAD 综合接入设备（连接各类接入网、完成媒体流转换、信令处理等功能）。

IMS 特点

大概是软交换的全面升级版。增强了移动性。

• 全 SIP 信令。
• 业务处理与呼叫控制分离。
• 呼叫处理与承载分离。
• 呼叫控制与媒体控制分离。（控制与控制分离）

例题

SDN*

与传统 IP 网络的区别——控制平面、数据转发平面分离。特征：集中控制、开放接口、网络虚拟化。

SDN 的核心诉求：让软件应用参与到网络控制中并起到主导作用，而不是让各种固定模式的协议来控制网络。

转发、控制、应用的三层架构：

• 转发层（基础设施层）：由转发设备组成。（流表处理、数据转发）
• 控制层：由 SDN 控制软件组成，与转发层可通过 OpenFlow 协议通信。（设备管理和拓扑、流表控制和下发）
• 应用层：不同的应用逻辑通过控制层开放的 API 管理能力控制设备的报文转发功能。（网络资源统一管理）

南北向接口：

• 北向接口，为应用提供编程接口。暂时没有标准化。
• 南向接口，设备控制信令，控制设备的转发行为。可用标准化 OpenFlow 协议。

Openflow 基本概念：将转发面设备抽象为一个由多级流表（Flow Table）驱动的转发模型。

• 转发面抽象成多级流水线，每个节拍匹配关键字、操作指令集。
• 转发面的行为：根据转发表和报文头决定下一跳及新的报文格式。

流表的作用、与路由表的区别：

• 流表是 OpenFlow 对网络设备的数据转发功能的抽象，表项包括了网络各个层次的配置信息。
• 传统的路由表无法更改、不可编程。