Vergleich des GPRS Tunneling Protocols (GTP) mit IETF-Protokollen

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1 Projektseminar Wireless Internet / UMTS Vergleich des GPRS Tunneling Protocols (GTP) mit IETFProtokollen Achim Friedland Technische Universität Ilmenau Fakultät für Informatik und Automatisierung Institut für Theoretische und Technische Informatik Fachgebiet Integrierte Hard und Softwaresysteme Prof. Dr.Ing. Andreas Mitschele Thiel 8. Juni 2004

2 Inhalt und Aufbau G G V 3. Q V 4. G G Ziele von GPRS, UMTS und 4G Session und Mobility Management GTP PDU Format und Protokollfunktionen GTPC und GTPU Vergleich mit Mobile v4/6 Quality of Service QoS Klassen des UMTS Bearer Vergleich mit IntServ / DiffServ Charging und Lawful Interception GTP Protokoll GTP* Protokoll Seite 2/20

3 1. Ziele des GPRS, UMTS und 4G Bessere Nutzung der Radio Ressourcen für paketorientierte Dienste (httpbursts,...) Aus Anwendersicht: Nahtlose Bewegungsfreiheit innerhalb des GPRS, UMTS und 4G Netzes QoSParameter innerhalb des Providernetzes Unicast, Multicast und Broadcast Dienste Volumenbasiertes Charging, Lawful Interception Seite 3/20

4 2. GTP in der UMTS Packet Switched Domain (user plane) Radio Network Controler Serving GPRS Support Node Gateway GPRS Support Node Internet GPRS Support Node Multimedia Subsystem utran ip based core network Node B IUB RNC IUPS (n:m) IUPS (n:m) SGSN Gn (n:m) GTPU in UMTS IMS GTPU in 4G GTPU in GPRS User Equipment IGSN Gi GGSN Gi Internet Seite 4/20

5 2. GPRS Tunneling Protocol (R6, 3GPP TS V6.4.0, ) GTP: Tunneling Protocol mit QoS Fähigkeiten zwischen UMTS Nodes der Packet Switched Domain GGSNs und fremden Home Location Registern GTPC GTPU GTP GTP* Tunnel Control und Management Context Transfers zwischen UMTS Nodes Transport von Userdaten durch das UMTS Netz Angepasstes GTP für Abrechnungszwecke Angepasstes GTP für Law Enforcement Agencies GTP wird transportiert über: TCP/UDP und v4/6 Seite 5/20

6 2. GTPv1 Protocol Header (3G TS V ) version= 1 PT 0 E S PN message type length tunnel endpoint identifier (teid) sequence number npdu number next extension header type (if sflag==1) (if pnflag==1) (if eflag==1) 8bit 16 bit 32 bit 16 bit 8bit 8bit protocoltype E,S,PN sequence number tunnel endpoint identifier Prüfsumme/CRC? 1 für GTP, 0 für GTP (GSM 12.15) Erfordern das Auswerten der entspr. Felder nur 16 Bit, tcp/sctp: 32 Bit identifiziert den PDP Context > mehrere Contexte (versch. Mobilen) pro GTPU Tunnel möglich; spart Resourcen und Signalisierungsaufwand Keine vorhanden (Userdaten); UDP Checksum gilt allgemein als zu schwach Seite 6/20

7 2. GTPC Protokoll Funktionen Path Management Messages (Echo Request/Reply zwischen linklokalen GSNs) Session Management Messages (Auf Abbau, (De)Aktivierung von versch. PDP Contexten, TrafficFlowTable) Tunnel Management Messages (Auf Abbau von GTP Tunneln, Zuweisung der PDP Contexte an Tunnel) Location Management Messages (Routing und Location Area Updates, GPRS Paging,...) Mobility Management Messages (z.b. Nachsenden der GTPU Pakete beim Wechsel des SGSNs vom Alten zum Neuen, Contexttransfer zw. alten und neuen SGSN) Einfach gehaltene NACK und Flowcontrol Messages Seite 7/20

8 2. GTPC Protokollstack bei UMTS (ps domain, control plane) PDP Context definiert sich durch: Radio Access Network Application Protocol GPRS Mobility Management Session Management PDP Adresse des User Equipments GGSN Adresse, Lookup via Access Point Name QoS Parameter Application GMM/SM PDP context management GMM/SM RRC RRC RANAP RANAP GTPC GTPC UE UDP/Sec UDP/Sec L2 / Layer13 Layer13 Layer12 Layer12 L1 Uu IuPS Gn UTRAN SGSN (Node B & RNC) GGSN Seite 8/20

9 2. GTPC Protokollstack bei UMTS (ps domain, control plane) Radio Access Network Application Protocol GPRS Mobility Management Session Management u.u. mehrere PDP Contexte (pro Applikation) um verschiedene QoS Anforderungen zu realisieren Application GTPC soll transparent via Sec gesichert werden (R6, 3GPP TS V6.4.0, ) GMM/SM PDP context management GMM/SM RRC RRC RANAP RANAP GTPC GTPC UE UDP/Sec UDP/Sec L2 / Layer13 Layer13 Layer12 Layer12 L1 Uu IuPS Gn UTRAN SGSN (Node B & RNC) GGSN Seite 9/20

10 2. GTPU Protokollstack bei UMTS (ps domain, user plane) Application GTP Tunnel nicht auf dem Funklink; spart Radio Resourcen GTPU erfüllt damit nur Macro Mobility Anforderungen Screening der Userdaten im GGSN nach Traffic Flow Table Sicherheit gegen unerwünschte Daten/DenialofService Hierfür gibt s kein äquivaltentes IETF Protokoll PDP context PDCP UE PDCP GTPU GTPU GTPU GTPU Layer14 Layer14 Layer14 Layer14 Uu IuPS Gn UTRAN SGSN (Node B & RNC) GGSN L2 / L1 Seite 10/20

11 2. IETF Mobile v4 mit FA Careof Address Protokollstack ENCAPsulation: GRE, Minimal Encap., Sec ESP,... CN und MN wissen nichts bzw. nicht viel bzgl. Mobilität Spart teure Resourcen auf dem Funklink Dies Szenario könnte als MalsGTPErsatz dienen (QoS Signalisierung nicht mit eingerechnet) v4 Pfad v4 Application ENCAP. Mobile v4 mit FA Careof Address ENCAP. Application v4 v4 v4 v4 v4 v4 L2 L2 Layer12 L12 L12 Layer12 L12 Layer12 MN WLAN/Router/FA Router Router/HA CN Seite 11/20

12 2. IETF Mobile v6 Protokollstack Jeder Router dient als möglicher Home Agent Optionale Header zum Signalisieren der Mobilität, damit entfallen im allgemeinen die in Tunnel Jede Node im Internet muss Mv6 und Sec AH sprechen ABER: in be stimmten Situationen müssen dennoch Tunneln benutzt werden! Application Application Mv6 v6 v6 Mobile v6 v6 v6 Mv6 Layer2 Layer2 Layer12 Layer12 Layer12 Layer12 MN WLAN AP / Router v6 Router / HA CN Seite 12/20

13 2. Mobile (M) als Ersatz für GTP? Beide lösen das Problem der Macro Mobility RNC/SGSN als M Foreign Agent, GGSN als M Home Agent GTP ist aber beschränkt auf das UMTS Core Network GTP ist impliziet hierarchisch aufgebaut besserer Umgang mit Handoffs vgl. Hierarchical M oder M mit Cellular Seit Release 99 ist die Funktion eines M FA im GGSN möglich einfacher Anschluß an bestehende MLösungen möglich Seit Release5 mehrere SGSNs pro RNC, keine strenge Hierachie überlappende Routing Areas schnellerer Handover (aus Sicht von GTP) Seite 13/20

14 3. Quality of Service im UMTS (R6, 3GPP TS V6.1.0, ) UMTS kennt vier QoS Service Klassen: Conversational Class Streaming Class z.b. Interactive Class Background Class z.b. Sprache, Video Konferenz unidirectionales Videostreaming z.b. WWW, Internetspiele z.b. Hintergrunddienste, FTP, Festlegung der QoS Parameter des UMTS Bearer innerhalb der PDP Context Activation Das GTP Tunnel Management dient u.u. auch zur Resource Reservation entlang des Tunnelpfades. GTPU Pakete müssten mit den passenden DiffServ Tags versehen werden. Seite 14/20

15 3. Quality of Service im UMTS (R6, 3GPP TS V6.1.0, ) Conversational Streaming Interactive Background Maximale Bitrate (Mbps) Gesicherte Reihenfolge Zustell. fehlerh. Pakete BitFehlerRate SDU Fehlerrate Transportverzögerung (ms) Garantierte Bitrate (Mbps) Priorität der Daten Prioriät bei Reservierungen Stat. Eigenschaft der Quelle Signalisierungsdatenpaket... 5* max. <=16 1,2,3 2 6 speech/unk. 3 8 <=16 y/n/ y/n/ <=16 y/n/ y/n/ 2 6 5* max. <=16 1,2,3 speech/unk. <=16 y/n/ y/n/ 4*10 6* ,2,3 1,2,3 y/n <=16 y/n/ y/n/ 4*10 6* ,2,3 3 8 keine Garantien Realisierung mit IETF Protokollen (IETF definiert aber keine QoS Parameter) Integrated Services z.b. via RSVP Differentiated Services z.b. TOS Tags und FlowIDs im Header Seite 15/20

16 3. Quality of Service im UMTS GSNs können diese Anforderungen auch zur Laufzeit verändern (Mobile bislang nicht!) Uplink Userdaten werden... entsprechend des PDP Contextes klassifiziert conditionalized, d.h. verworfen, verzögert, reklassifiziert,... GGSN übersetzt PDP Context QoS in DiffServ Parameter Mobile hat dabei nicht viel zu sagen Downlink Userdaten werden entsprechend des PDP Contextes reklassifiziert Internet QoS für das UMTS nicht relevant UMTS = netzbasiertes QoS, Internet = EndezuEnde QoS Seite 16/20

17 4. GTP für Charging Management (R4, 3GPP TS V4.0.0, ) Charging Gateway Node/ Function Charging Data Record billing system utran CDRs Ga CGN/F core network Node B IUB RNC IUPS SGSN Ga GTP Gn Ga CDRs GGSN GGSN: GSNs: GTP : RNC: Erzeugt eine eindeutige Charging ID Größtenteils redundantes Accounting im SGSN und GGSN (für Handover) GTP (via TCP) für Charging Aufgaben, PushFTP als Alternative Accounted nur nichtgesendete Downlink Daten z.b. bei PDP context termination oder handover (optional) Seite 17/20

18 4. GTP für Charging Management (R4, 3GPP TS V4.0.0, ) GTP bietet folgende Funktionen: Gesicherter CDR Transfer zw. UMTS und den Charging Nodes durch Einsatz von TCP (HOL Blocking > besser wäre SCTP) Automatische Lastverteilung und Service Advertisement und Erkennen vom kommunikationsfehlern Umleitung eines Datentransfers zu einer anderen, besseren, schnelleren, etc.pp Charging Node Vermeiden von doppelten CDRs auch zu Zeitpunkten an denen redundant Accounted wird (Handover, etc.pp) IETF Alternative FTP kann dies alles nicht. Radius/Diameter als echte Alternative (Authentication, Authorization & Accounting) Seite 18/20

19 4. GTP* für Lawful Interception (R4, 3GPP TS V4.0.0, ) Lawful Interception = Aufzeichnen angefallender Userdaten auf gesetzlicher Basis Ein Derivat des GPRS Tunneling Protocolls wird beim GPRS HI3 Interface, Delivery Content of Communication (CC) eingesetzt Identifikation der Datensätze anhand: Lawful Interception Identifiers (LIID) = ChargingID (32 Bit) Network identifier (NID) xgsn address (32 Bit) Transport via TCP/Sec vorgeschrieben Kaum Umgang mit Fehlern oder Hochverfügbarkeit IETF Alternative FTP kaum besser geeignet Seite 19/20

20 Vielen Dank Seite 20/20

21 A. GTPU Protokollstack bei GSM/GPRS (ps domain, user plane) Application PDP context SNDCP SNDCP GTPU GTPU LLC RLC MAC RLC MAC BSSGP Frame Relay LLC BSSGP Frame Relay UE BTS / BSC SGSN UDP L1/L2 Um Gb Gn UDP L1/L2 GGSN L2 / L1

22 B. GTPU Protokollstack bei UMTS (ps domain, user plane) Application PDP context PDCP PDCP GTPU GTPU GTPU GTPU RLC MAC RLC MAC UDP/ UDP/ UDP/ L1/L2 L1/L2 L1/L2 Uu IuPS Gn UDP/ L1/L2 L2 / L1 UE UTRAN (Node B & RNC) SGSN GGSN

23 C. GTPU Protokollstack bei 4G (3G TR v3.0.0, ) Application Internet GPRS Support Node (IGSN) Vereinigt Funktionalität von SGSN und GGSN Erweitert um Mobile Funktionen Nicht wirklich all Standard TR wurde scheinbar zurückgezogen Mv6 PDP context Mv6 Mv6 PDCP PDCP GTPU wegen Kompatibilität GTPU RLC MAC Uu RLC MAC UDP/ L1/L2 IuPS UDP/ L1/L2 L1/L2 Internet UE UTRAN (Node B & RNC) IGSN

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