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 3G無線核心網(wǎng)絡(luò)流量采集系統(tǒng)白皮書
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發(fā)表于 2014-10-22 18:33:13  只看樓主 

3G無線核心網(wǎng)絡(luò)流量采集白皮書

1
3G無線核心網(wǎng)絡(luò)流量采集3G無線核心網(wǎng)絡(luò)流量采集是一種對3G無線核心網(wǎng)進(jìn)行流量獲取并分析的系統(tǒng)，主要用戶政府網(wǎng)絡(luò)管理、運(yùn)行商廣告推送、運(yùn)行商計(jì)費(fèi)取證服務(wù)、運(yùn)行商信令監(jiān)控服務(wù)、園區(qū)網(wǎng)審計(jì)、公安網(wǎng)監(jiān)、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用領(lǐng)域。
2
3G移動通信系統(tǒng)2.1
3G背景1985年，國際電信聯(lián)盟（ITU）提出了第三代移動通信的概念，當(dāng)時稱為未來公用陸地移動通信系統(tǒng)（FPLMTS），1996年改為IMT-2000。IMT-2000支持的網(wǎng)絡(luò)被稱為第三代移動通信系統(tǒng)，簡稱3G。它支持速率高達(dá)2Mbits/s業(yè)務(wù)，使用2000MHz的頻段。為了更好地開展3G標(biāo)準(zhǔn)化工作，國際電聯(lián)ITU分別成立了3GPP、3GPP2兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織。3GPP負(fù)責(zé)制定WCDMA的標(biāo)準(zhǔn)，3GPP2則負(fù)責(zé)制定cdma2000的標(biāo)準(zhǔn)。截至1998年9月，16個無線傳輸技術(shù)（RTT）的提案被提交至這兩大標(biāo)準(zhǔn)化組織：除6個衛(wèi)星接口方案外，地面無線接口方案有10個，主要分為兩大類：CDMA與TDMA，其中CDMA占據(jù)主導(dǎo)地位。目前3G的主流制式有三個，即歐洲的WCDMA、美國的CDMA2000和我國的TD－SCDMA制式。
2.2
W-CDMA制式W-CDMA全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于GSM網(wǎng)發(fā)展出來的3G技術(shù)規(guī)范，是歐洲提出的寬帶CDMA技術(shù)，它與日本提出的寬帶CDMA技術(shù)基本相同，目前正在進(jìn)一步融合。其支持者主要是以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商，日本公司也或多或少參與其中，包括歐美的愛立信、阿爾卡特、諾基亞、朗訊、北電，以及日本的NTT、富士通、夏普等廠商。這套系統(tǒng)能夠架設(shè)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)上，對于系統(tǒng)提供商而言可以較輕易地過渡，而GSM系統(tǒng)相當(dāng)普及的亞洲對這套新技術(shù)的接受度預(yù)料會相當(dāng)高。因此W-CDMA具有先天的市場優(yōu)勢。該標(biāo)準(zhǔn)提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演進(jìn)策略。GPRS是General PacketRadio Service（通用分組無線業(yè)務(wù)）的簡稱，EDGE是Enhanced Datarate for GSM Evolution（增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率的GSM演進(jìn)）的簡稱，這兩種技術(shù)被稱為2.5代移動通信技術(shù)。
2.3
CDMA2000制式CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMA IS95）技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，也稱為CDMA Multi-Carrier，由美國高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、Lucent和后來加入的韓國三星都有參與，韓國現(xiàn)在成為該標(biāo)準(zhǔn)的主導(dǎo)者。這套系統(tǒng)是從窄頻CDMAOne數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)衍生出來的，可以從原有的CDMAOne結(jié)構(gòu)直接升級到3G，建設(shè)成本低廉。但目前使用CDMA的地區(qū)只有日、韓和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不過CDMA2000的研發(fā)技術(shù)卻是目前各標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)度最快的，許多3G手機(jī)已經(jīng)率先面世。該標(biāo)準(zhǔn)提出了從CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演進(jìn)策略。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術(shù)。CDMA20003x與CDMA20001x的主要區(qū)別在于應(yīng)用了多路載波技術(shù)，通過采用三載波使帶寬提高。目前中國聯(lián)通正在采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMA IS95網(wǎng)絡(luò)。
2.4
TD-SCDMA制式全稱為Time Division SynchronousCDMA（時分同步CDMA），該標(biāo)準(zhǔn)是由中國大陸?yīng)氉灾贫ǖ?/font>3G標(biāo)準(zhǔn)。1999年6月29日，中國原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院（大唐電信）向ITU提出。該標(biāo)準(zhǔn)將智能無線、同步CDMA和軟件無線電等當(dāng)今國際領(lǐng)先技術(shù)融于其中，在頻譜利用率、對業(yè)務(wù)支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面的獨(dú)特優(yōu)勢。另外，由于中國內(nèi)的龐大的市場，該標(biāo)準(zhǔn)受到各大主要電信設(shè)備廠商的重視，全球一半以上的設(shè)備廠商都宣布可以支持TD—SCDMA標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)提出不經(jīng)過2.5代的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級。
目前三種主流制式的3G移動通信系統(tǒng)均已經(jīng)商用。WCDMA移動通信系統(tǒng)商用的國家和地區(qū)主要有歐洲和亞太地區(qū)如馬來西亞、新加坡、中國香港、韓國、日本，以及澳大利亞等；CDMA2000移動通信系統(tǒng)商用的國家和地區(qū)主要有中國、北美、日本、韓國等。
就我國而言，中國移動增加基于TD-SCDMA技術(shù)制式的3G牌照，TD-SCDMA為我國擁有自主產(chǎn)權(quán)的3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；中國電信增加基于CDMA2000技術(shù)制式的3G牌照；中國聯(lián)通增加基于WCDMA技術(shù)制式的3G牌照。
3
3G無線網(wǎng)絡(luò)流量采集方法3G無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控遠(yuǎn)比原Internet骨干網(wǎng)的監(jiān)控要復(fù)雜。有兩種監(jiān)控位置的設(shè)置，網(wǎng)關(guān)前端和網(wǎng)關(guān)后端。網(wǎng)關(guān)位于移動核心網(wǎng)絡(luò)與Internet骨干網(wǎng)之間，在TD-SCDMA和WCDMA上稱為GGSN（Gate GPRSSupport Node）；在CDMA2000上稱為PDSN（Packet DataService Node）。所謂網(wǎng)關(guān)前端是指在網(wǎng)關(guān)偏向Internet一側(cè)部署，而網(wǎng)關(guān)后端是指在網(wǎng)關(guān)偏向移動核心網(wǎng)一側(cè)部署。

[attach]314797[/attach]

如果在網(wǎng)關(guān)前端監(jiān)控（參見圖1），則無法得到用戶的IMSI （ International Mobilesubscriber Identifier ) 號，雖然可以得到用戶的IP地址，但這個地址在PDSN上可能經(jīng)過了轉(zhuǎn)換，無法得到IMSI號與IP地址的對應(yīng)關(guān)系，從而無法從所還原的應(yīng)用中得到用戶的身份。有一種途徑可以解決這個問題，即在獲取Internet上數(shù)據(jù)的同時，另外增加對Radius認(rèn)證的監(jiān)控，并另行部署一套Radius與IP之間關(guān)聯(lián)的分析軟件。
如果在網(wǎng)關(guān)后端監(jiān)控（參見圖2），則可以獲得比較完全的數(shù)據(jù)，而且不需要Radius接入點(diǎn)。在網(wǎng)關(guān)后端可以捕獲到IMSI、用戶IP地址、PCF和PDSN地址、用戶上線時的BSID小區(qū)號、用戶的ESN號、用戶上線時間、用戶下線時間，以及訪問的互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容。但是移動核心網(wǎng)的承載協(xié)議遠(yuǎn)比Internet骨干網(wǎng)復(fù)雜。

[attach]314796[/attach]

圖2 后端監(jiān)控

分析TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000三種制式可知，TD-SCDMA和WCDMA在核心網(wǎng)上采用GSM MAP（即GTP封裝），而CDMA2000采用ANSI-41（即GRE封裝）。其封裝方式較為特殊。GTP和GRE數(shù)據(jù)的封裝如圖3所示。

[attach]314795[/attach]

圖3 GRE和GTP報文封裝


3G無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在封裝方式復(fù)雜。以CDMA2000為例，其復(fù)雜性表現(xiàn)如下：
（1）一個GRE報文中可能封裝多個終端的數(shù)據(jù)（稱為終端包），且終端包之間用特殊字節(jié)0x7e包含起來，為了解決終端包中可能出現(xiàn)的7e字節(jié)。PCF又對終端包中的0x7e進(jìn)行了轉(zhuǎn)義，將0x7e轉(zhuǎn)義成0x7d 0xd，而由于0x7d變成了轉(zhuǎn)義控制字符，所以報文中的0x7d也需要轉(zhuǎn)義（轉(zhuǎn)義成0x7d 0x5d）。如果要提取出終端包，則必須對所有的報文進(jìn)行逐字節(jié)掃描，并重新填寫報文。當(dāng)鏈路帶寬達(dá)到10Gbps時，這類掃描過程所需要的計(jì)算資源已經(jīng)是CPU所無法完成的工作了。
（2）單個終端包中，為了節(jié)省帶寬，從終端開始的數(shù)據(jù)即可能進(jìn)行VJ（Van Jacobson）壓縮，IP頭部及TCP頭部可以最少壓縮到3個字節(jié)。為了保證還原機(jī)正常還原數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行五元組衰減，需要對VJ進(jìn)行解壓縮。而接壓縮VJ需要大量存儲資源存儲流表。
（3）PCF在收到終端的終端包時，會將一個報文封裝到一個以太幀中，當(dāng)終端包比較大時，1個以太幀無法封裝下來，此時，會將一個終端包拆開到兩個以太幀中封裝。為了保證還原機(jī)正常還原數(shù)據(jù)，需要將終端包的前一部分緩存起來，等后一部分到達(dá)之后，再拼包交給還原機(jī)。由于核心網(wǎng)可能存在亂序，后一片可能比前一片先到，從而進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
（4）用戶的登錄數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)上表現(xiàn)為699報文、LCP和IPCP，這類報文是與用戶IP地址關(guān)聯(lián)，才能獲取非法行為的IMSI號，因此，必須對這類報文進(jìn)行特殊的處理。
4
小結(jié)綜上所述，綜合實(shí)現(xiàn)GRE和GTP的核心網(wǎng)絡(luò)流量采集系統(tǒng)，具有一定的技術(shù)門檻，使用專用加速芯片，軟硬結(jié)合完成3G核心網(wǎng)的流量采集，以實(shí)現(xiàn)高性能、高還原率的采集設(shè)備是一種主流方法。
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