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GPRS隧道協議

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GPRS隧道協議(英語:GPRS Tunnelling Protocol,簡稱:GTP)是一組基於IP通信協議,用於在GSMUMTSLTE網絡中承載GPRS(通用分組無線業務,英語:General Packet Radio Service)。

GTP協議目前有3個版本:version 2使用於LTE核心網;version 1使用於GSM和UMTS網絡,也應用於LTE網絡中以傳輸用戶面數據;version 0是早期版本,被1999年標準化的version 1替代[1]

GTP協議的用途

GSM和UMTS網絡

GPRS核心網

GTP是GPRS核心網中使用的主要協議。它使得GSMUMTS網絡的終端能夠在網絡中移動位置,同時能持續的通過同一個GGSN連接到互聯網。為了實現這一功能,GTP協議總是將用戶面數據從用戶位置所屬的SGSN傳輸到它開戶信息所對應的GGSN。

GPRS核心網使用三種 GTP協議。

  • GTP-U用於為每個PDP上下文提供一個或多個隧道,用以傳輸用戶數據
  • GTP-C用於控制目的,包括:
    • PDP上下文的建立和刪除
    • GSN可及性驗證
    • 位置更新。例如,當簽約用戶從一個SGSN移動到另一個SGSN
  • GTP'用於從各個GSN傳送計費數據到計費網關功能(CGF,英語:Charging Gateway Function)。

GGSNSGSN(合稱為「GSN」)在UDP端口2123上監聽GTP-C消息,在端口2152上監聽GTP-U消息。GTP協議通信可以通過GPRS漫遊交換(英語:GPRS Roaming Exchange)發生在不同運營商之間。

計費網關功能(CGF,英文:Charging Gateway Function)在TCP/UDP端口3386上監聽發送自GSN的GTP'消息。核心網發送計費信息到CGF,計費信息至少包含PDP上下文激活次數以及終端用戶傳送的數據量。與GTP-C和GTP-U不同,GTP'協議承載的報文通常只在單個運營商網絡內部使用,因此並不那麼標準化。運營商可以做特殊的配置,使用特別的編碼,甚至使用完全不同的系統來完成計費。

UMTS的核心網和接入網之間(Iu-PS接口)

GPRS核心網和UMTS接入網之間的Iu-PS接口上,用戶面也使用GTP-U協議。然而在控制面上並不使用GTP-C,而是用RANAP協議。GTP-U的隧道在Iu-PS接口上也是以RANAP協議管理的。

LTE網絡

LTE網絡中的GTP協議功能與GSM/UMTS網絡中基本相同。在控制面上LTE網絡使用GTPv2-C,用戶面上使用GTP-U,計費相關功能使用GTP'。

在S1接口(eNodeB和SGW之間)上,用戶面使用GTP-U協議。在接入網X2接口(兩個eNodeB之間)上,用戶面也使用GTP-U協議,控制面使用X2AP。[2][3]

協議特性

所有的GTP變種都有一些共有的特性。消息的結構都是相同的,GTP消息頭在UDP/TCP頭之後。

消息頭

GTP版本1

GTPv1消息頭包含如下的字段:[4]

+ 0-2 3 4 5 6 7 8-15 16-23 24-31
0 版本號(Version) 協議類型(Protocol type) 保留(Reserved) 擴展消息頭標誌位(Extension Header Flag) 序列號標誌位(Sequence Number Flag) N-PDU號標誌位(Number Flag) 消息類型(Message Type) 總長度(Total length)
32 TEID
64 序列號(Sequence number) N-PDU號(number) 下一擴展消息頭類型(Next extension header type)
版本(Version)
長度為3位,對於GTPv1來說,這個值始終是「1」。
協議類型(PT,全稱:Protocol Type)
長度為1位,取值為1表示GTP,0表示GTP'。
保留(Reserved)
長度為1位,保留字段(必須為0)。
擴展消息頭標誌位(E,全稱:Extension header flag)
長度為1位,標記是否存在一個可選的擴展消息頭字段。
序列號標誌位(S,全稱:Sequence number flag)
長度為1位,標記是否存在一個可選的序列號字段。
N-PDU號標誌位(PN,全稱:N-PDU number flag)
長度為1位,標記是否存在一個可選的N-PDU號字段。
消息類型(Message Type)
長度為8位,指示GTP消息的類型。關於消息類型的定義,請參考3GPP TS 29.060第7.1節。
總長度(Total Length)
長度為16位,指示消息體長度,單位為字節,不包括GTP頭前8位元組的必選字段。
隧道端點標識(TEID,全稱:Tunnel endpoint identifier)
長度為32位(4個八位元組),用於區分GTP隧道中的不同連接。
序列號(Sequence number)
可選字段,長度為16位。當E、S或PN位中的任意一個取值為1時,這個字段存在。僅當S位為1時,這個字段必須被解析。
N-PDU號(N-PDU number)
可選字段,長度為8位。當E、S或PN位中的任意一個取值為1時,這個字段存在。僅當PN位為1時,這個字段必須被解析。
下一擴展消息頭類型(Next extension header type)
可選字段,長度為8位。當E、S或PN位中的任意一個取值為1時,這個字段存在。僅當E位為1時,這個字段必須被解析。

下一擴展消息頭如下:

+ Bits 0-7 8-23 24-31
0 總長度(Total length) 內容(Contents)
... ...
... 內容(Contents) 下一擴展消息頭(Next extension header)
長度(Length)
長度為8位。這個字段指出本擴展消息頭的長度,包括長度(這個字段本身)、內容和下一擴展消息頭字段,以4個八位元組為單位,因此擴展消息頭的長度必須是4的倍數。
內容(Contents)
擴展消息頭內容。
下一擴展消息頭(Next extension header)
長度為8位。它指出下一擴展消息頭的類型,取值為0表示不存在下一個擴展消息頭。通過該字段可以實現多個擴展消息頭的串聯。

GTP版本2

它也被稱為「進化版GTP」(evolved-GTP)或「eGTP」。GTPv2-C消息頭包含如下的字段:[5]

+ Bit 0-2 3 4 5-7 8-15 16-23 24-31
0 版本號(Version) 捎帶消息標誌位(Piggybacking flag,簡稱P) TEID標誌位(T) 剩餘(Spare) 消息類型(Message Type) 總長度(Total length)
32 TEID(只有在T=1時才出現)
64(有TEID)/32(無TEID) 序列號(Sequence number) 剩餘(Spare)

注意:不存在GTPv2-U協議。在LTE中的GTP-U仍使用GTPv1-U。

版本號:長度為3位,對於GTPv2來說,這個值始終是「2」。
捎帶消息標誌位(Piggybacking flag)
如果被置為1,則在這條消息後面會有另外一條帶有完整消息頭的GTP消息。協議里具體規定了每種消息可以攜帶的消息類型。
TEID標誌位(TEID flag)
如果被置為1,則TEID字段存在。只有Echo Request和Echo Response消息不攜帶TEID字段。
總長度(Total length)
包括消息頭和消息體的消息總長度(除去必選字段所在的前4個八位元組)。

連接機制

除了共同的消息結構之外,GTP協議還有一個共同的機制來驗證兩個節點之間的連接。這種機制依靠以下兩種消息實現:

  • Echo Request
  • Echo Response

每隔60秒,一個網元可以向每個有活躍連接的對端發送一個Echo Request,來確認連接有效。如果對端不回復Echo Response,則它可以被視為宕機,而該活躍連接將被刪除。

各種 GTP協議除了上述2個消息之外,沒有共通的消息類型。[6]也就是說,GTP-C,GTP-U和GTP'基本上是3種獨立的協議。

GTP-C - GTP控制面

GTP-C協議是GTP標準的「控制」部分。當一個簽約用戶請求一個PDP上下文SGSN將發送一個「創建PDP上下文請求」(Create PDP Context Request)的消息給GGSN,給出該簽約用戶的請求的明細。該GGSN將發送一個「創建PDP上下文響應」(Create PDP Context Response)消息,這個消息會要麼給出被激活的PDP上下文內容,要麼指出一個失敗,及該失敗的原因。版本1和版本2的GTP-C消息使用UDP端口2123。

在LTE核心網中,GTPv2-C協議負責在S1、S5/S8等接口上創建、維持和刪除隧道。它被用於控制面路徑管理(control plane path management)、隧道管理(tunnel management)和移動性管理(mobility management)。它也控制轉發位置變更消息、SRNS上下文、並在LTE的網間切換中創建轉發隧道。

GTP-U - GTP用戶數據隧道

GTP-U是一個比較簡單的基於IP的隧道協議,它允許在各個端點集之間建立多個隧道。UMTS網絡中,每個簽約用戶擁有至少一個隧道。每一個激活的PDP上下文擁有至少一個隧道,當隧道多於1個時,多出來的隧道為特定的服務提供特定的端到端QoS

每個隧道由一個GTP-U消息中的TEID(隧道端點標識符,{{lang-en|Tunnel Endpoint Identifier})標識。TEID應當是一個動態分配的隨機數。如果這個隨機數能達到密碼級水平,則可以抵禦一定程度的攻擊。即使這樣,3GPP標準仍然要求所有的GTP流量,包括用戶數據,都應當在安全私有網絡中被發送,不能直接連接到互聯網。GTP-U使用UDP端口2152。

在LTE核心網中,使用GTPv1-U協議在GTP隧道上跨S1、S5/S8等接口上交換用戶數據。UE所收發的IP包被打包在GTPv1-U的包中,並在P-GW和eNodeB之間的各段隧道中傳輸。LTE網絡的X2接口,即eNodeB之間的接口上,用戶面協議使用的也是GTPv1-U[7]

GTP' - 計費傳輸

GTP'協議被用於向CGF(計費網關功能,英語:Charging Gateway Function)傳輸計費數據。GTP'使用TCP/UDP端口3386。

協議棧

應用層協議
IP(用戶)
GTP
UDP
IP
二層(例如, WAN or以太網)

GTP-U協議棧

GTP協議需要被承載在UDP協議上。早期版本GTPv0也允許TCP傳輸。

GTPv0是最早的GTP協議,控制面和用戶面使用相同的端口。

GTPv1於1999年在3GPP TS 29060版本3.3.0中被標準化。它實際上是兩個協議,一個用於控制面(被稱為「GTP-C」),而另一個則用於用戶數據隧道(被稱為「GTP-U」)。

GTP-U在UMTS網絡中也被用於從RNC往SGSN(即Iu-PS接口上)傳送用戶數據。然而,此時控制面使用的是RANAP協議而不是GTP-C。

GTP的歷史版本

GTP的原始版本(版本0)與3G/LTE核心網中使用中的版本1和版本2有顯著的不同:

  • 隧道標識符(TEID)是非隨機的;
  • 除了IP協議,也支持傳輸X.25協議的數據;
  • 所有的功能都使用固定的3386端口(不像在GTPv1中僅僅用於計費);
  • 除了UDP以外,也可以使用TCP協議作為傳輸層;
  • 與簽約用戶相關的字段,例如QoS,相對較少。

版本0中的非隨機TEID在有安全性問題:當一個攻擊者對任一漫遊合作夥伴網絡有訪問權限時,或可以找到其它一些方式來遠程地向GPRS骨幹網發送消息包的時候,就可以干擾網絡運行。版本0現在幾乎已完全被版本1所替代。即使這樣,新版本的標準仍聲明,GSN必須支持更舊的版本。但幸運的是,可以用簡單的IP訪問列表來禁止v0使用的3386端口,從而封鎖版本0。

GTP標準化

GTP原本是在ETSIEuropean Telecommunications Standards Institute)的GSM標準09.60中被標準化的。[8]隨着UMTS標準的創建,它被移動到3GPP。到2005年,3GPP將其做為3GPP標準29.060來維護。GTP'使用相同的消息格式,但是它的使用獨立的標準32.295,並且定義了它所傳輸的計費數據的標準化格式。

TS 29.060的後續版本取消了對GTPv1和v0互聯的支持,因此如果網絡中有GSN只支持v0的話,使用v1協議的其他網元也不會降到v0去配合。

GTPv2(用於EPC,即LTE核心網)在2008年進入起草階段,並在同年12月發佈。使用GTPv1的「版本不支持」機制,GTPv2支持到GTPv1的降級運行,但不提供到GTPv0的降級運行。

參見

參考資料

  1. ^ 3GPP TS 29.060 V3.3.0 General Packet Radio Service (GPRS); GPRS Tunnelling Protocol (GTP) across the Gn and Gp Interface. 1999-12-15 [2016-06-15]. (原始內容存檔於2020-06-22) (英語). 
  2. ^ 3GPP TS 36.423 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP). [2016-07-22]. (原始內容存檔於2016-08-14). 
  3. ^ 3GPP TS 36.424 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 data transport. [2016-07-22]. (原始內容存檔於2016-07-25). 
  4. ^ 3GPP TS 29.060 section 6. [2014-10-08]. (原始內容存檔於2008-12-09). 
  5. ^ 3GPP TS 29.274 section 5. [2014-10-08]. (原始內容存檔於2008-10-11). 
  6. ^ 3GPP TS 29.060 section 7. [2014-10-08]. (原始內容存檔於2008-12-09). 
  7. ^ 3GPP TS 36.424 V8.2.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 data transport: 6. 2008-06 [2016-06-15]. (原始內容存檔於2020-07-20). 
  8. ^ Standard: ETSI - 3GPP TS 09.60. 2002-12-11 [2016-06-15]. (原始內容存檔於2016-08-13). 

外部連結