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Achim Friedland<[email protected]>
Technische Universität Ilmenau
Fachgebiet Integrierte Hard- und SoftwaresystemeProf. Dr.-Ing. Andreas Mitschele Thiel
8. Juni 2004
Fakultät für Informatik und AutomatisierungInstitut für Theoretische und Technische Informatik
Projektseminar Wireless Internet / UMTS
Vergleich des GPRS Tunneling Protocols(GTP) mit IETF-Protokollen
http://www.ahzf.de/itstuff/ps_gtp-ietf_folien.pdf
<[email protected]>Seite 2/20
Ziele von GPRS, UMTS und 4G
Quality of Service
Charging und Lawful Interception
Session- und Mobility ManagementGTP PDU Format und ProtokollfunktionenGTP-C und GTP-UVergleich mit Mobile IPv4/6
QoS Klassen des UMTS BearerVergleich mit IntServ / DiffServ
GTP’ ProtokollGTP* Protokoll
Inhalt und Aufbau
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
1.
2.
3.
4.
GGV
QV
GG
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Bessere Nutzung der Radio Ressourcen für paketorien-tierte Dienste (httpbursts, ...)
Aus Anwendersicht: Nahtlose Bewegungsfreiheit inner-halb des GPRS, UMTS und 4G Netzes
Unicast, Multicast und Broadcast Dienste
QoS-Parameter innerhalb des Providernetzes
Volumenbasiertes Charging, Lawful Interception
1. Ziele des GPRS, UMTS und 4G
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-
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
Node B
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UserEquipment
2. GTP in der UMTS Packet Switched Domain (user plane)
RNC SGSN
IUB
I PSU
(n:m)
utran ip based core network
Gi
GTP-U in UMTS
GTP-U in GPRS
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
nternet PRS upport NodeP ultimedia ubsystem
I G SI M S
GTP-U in ‘4G’
I PSU
(n:m)
Gi
GGSN
IMS
R N CS G S NG G S N
adio etwork ontrolererving PRS upport odeateway PRS upport ode
Gn
(n:m)
IGSN
Internet
<[email protected]>Seite 5/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
2. GPRS Tunneling Protocol (R6, 3GPP TS 29.060 V6.4.0, 2004-03)
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GTP: Tunneling Protocol mit QoS Fähigkeiten zwischen
• UMTS Nodes der Packet Switched Domain
• GGSNs und “fremden” Home Location Registern
GTP wird transportiert über: TCP/UDP und IPv4/6
GTP-C
GTP-U
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
<[email protected]>Seite 6/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
2. GTPv1 Protocol Header (3G TS 29.060 V3.4.0 2000-3)
version=”1” PT PN
message type
length
tunnel endpoint identifier (teid)
sequence number
16 bit
32 bit
16 bit
8 bit
n-pdu number 8 bit
“0” E S
next extension header type 8 bit
protocoltypeE,S,PNsequence numbertunnel endpointidentifier
Prüfsumme/CRC ?
(if s-flag==1)
(if pn-flag==1)
(if e-flag==1)
“1” für GTP, “0” für GTP’Erfordern das Auswerten der entspr. Felder“nur 16 Bit”, tcp/sctp: 32 Bitidentifiziert den PDP Context -> mehrere Contexte(versch. Mobilen) pro GTP-U Tunnel möglich; spartResourcen und Signalisierungsaufwand
(GSM 12.15)
Keine vorhanden (Userdaten); UDP Checksum giltallgemein als zu schwach
Path Management Messages
Tunnel Management Messages
Location Management Messages
Mobility Management Messages
(Echo Request/-Reply zwischen link-lokalen GSNs)
(Auf- Abbau von GTP Tunneln, Zuweisung der PDP Contexte an Tunnel)
(Routing und Location Area Updates, GPRS Paging, ...)
(z.B. “Nachsenden” der GTP-U Pakete beim Wechsel des SGSNs vomAlten zum Neuen, Contexttransfer zw. alten und neuen SGSN)
Session Management Messages
Einfach gehaltene NACK- und Flow-control Messages
(Auf- Abbau, (De-)Aktivierung von versch. PDP Contexten, TrafficFlowTable)
<[email protected]>Seite 7/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
2. GTP-C Protokoll Funktionen
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<[email protected]>Seite 8/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
2. GTP-C Protokollstack bei UMTS (ps domain, control plane)
SGSNUE UTRAN(Node B & RNC)
GGSN
- PDP Adresse des User Equipments- GGSN Adresse, Look-up via ‘Access Point Name’- QoS Parameter
PDP Context definiert sich durch:
R A N A PG M MS M
adio ccess etwork pplication rotocolPRS obility anagementession anagement
UDP/IPSec
Uu IuPS Gn
RRC
radio
RRC
GMM/SM
Application
UDP/IPSec L2/
L1
IP IP
RANAPRANAP GTP-C GTP-C
PDP context management GMM/SM
GTP-C GTP-C
GMM/SM PDP context management GMM/SM
Layer1-2radio Layer1-3 Layer1-3 Layer1-2
<[email protected]>Seite 9/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
2. GTP-C Protokollstack bei UMTS (ps domain, control plane)
SGSNUE UTRAN(Node B & RNC)
GGSN
u.U. mehrere PDP Contexte (pro Applikation) um ver-schiedene QoS Anforderungen zu realisieren
GTP-C soll transparent via IPSec gesichert werden(R6, 3GPP TS 33.210 V6.4.0, 2004-03)
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-
UDP/IPSec
Uu IuPS Gn
RRC
radio
RRC
GMM/SM
Application
UDP/IPSec L2/
L1
IP IP
RANAPRANAP GTP-C GTP-C
PDP context management GMM/SM
GTP-C GTP-C
GMM/SM PDP context management GMM/SM
Layer1-2radio Layer1-3 Layer1-3 Layer1-2
R A N A PG M MS M
adio ccess etwork pplication rotocolPRS obility anagementession anagement
PDCPPDCP
IP
Application
L2/
L1
IP IP
GTP-UGTP-U GTP-U GTP-U
IP IPPDP context
<[email protected]>Seite 10/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
SGSNUu IuPS Gn
radio
UE
2. GTP-U Protokollstack bei UMTS (ps domain, user plane)
UTRAN(Node B & RNC)
GGSN
GTP Tunnel nicht auf dem Funklink; spart Radio Resourcen
GTP-U erfüllt damit nur Macro Mobility Anforderungen
Screening der Userdaten im GGSN nach Traffic Flow Table
Sicherheit gegen unerwünschte Daten/Denial-of-Service•
• Hierfür gibt’s kein äquivaltentes IETF Protokoll
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radio Layer1-4 Layer1-4 Layer1-4 Layer1-4
IPIP
Router
<[email protected]>Seite 11/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
ENCAPsulation: GRE, Minimal Encap., IPSec ESP, ...
CN und MN wissen nichts bzw. nicht viel bzgl. Mobilität
Spart teure Resourcen auf dem Funklink
Dies Szenario könnte als ‘MIP-als-GTP-Ersatz’ dienen(QoS Signalisierung nicht mit eingerechnet)
2. IETF Mobile IPv4 mit FA Care-of Address - Protokollstack
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-
-
radio
IPv4
radio
MN
IPv4
ENCAP.
IPv4
Application
IPv4 IPv4
IPv4“IP Pfad”
WLAN/Router/FA Router/HA CN
Application
IPv4IPv4
ENCAP.
IPIP
IPv4
IPv4
ENCAP.
IPv4
Application
IPv4 IPv4
IPv4“IP Pfad”
Application
IPv4IPv4
ENCAP.Mobile IPv4mit FA Care-of Address
Layer1-2 Layer1-2 Layer1-2
IPIPIPv4
ENCAP.
IPv4
ENCAP.Mobile IPv4mit FA Care-of Address
L1-2L1-2L1-2L2L2
<[email protected]>Seite 12/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
WLAN AP / Router IPv6 Router / HAMN
MIPv6
Application
CN
Jeder Router dient als möglicher Home Agent
Optionale IP Header zum Signalisieren der Mobilität, damit
entfallen im allgemeinen die IP-in-IP Tunnel
Jede Node im Internet muss MIPv6 und IPSec AH sprechen
stimmten Situationen müssen dennoch
Tunneln benutzt werden!
ABER: in be
2. IETF Mobile IPv6 - Protokollstack
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-
-
-
Application
MIPv6 MIPv6IPv6 IPv6 IPv6 IPv6Mobile IPv6
Layer1-2 Layer1-2Layer2
Layer1-2radio
Layer2
radioLayer1-2
<[email protected]>Seite 13/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
Beide lösen das Problem der Macro Mobility
GTP ist aber beschränkt auf das UMTS Core Network
GTP ist impliziet hierarchisch aufgebautbesserer Umgang mit Handoffsvgl. Hierarchical MIP oder MIP mit Cellular IP
Seit Release’99 ist die Funktion eines MIP FA im GGSN möglicheinfacher Anschluß an bestehende MIP-Lösungen möglich
Seit Release5 mehrere SGSNs pro RNC, keine strenge Hierachieüberlappende Routing Areas
RNC/SGSN als MIP Foreign Agent, GGSN als MIP Home Agent
••
•
•• “schnellerer” Handover (aus Sicht von GTP)
2. Mobile IP (MIP) als Ersatz für GTP?
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-
-
-
-
-
UMTS kennt vier QoS Service Klassen:
• Conversational Class
• Streaming Class
• Interactive Class
• Background Class
GTP Tunnel Management dient u.U. auch zur “Resource
Reservation” entlang des Tunnelpfades.
GTP-U IP Pakete müssten mit den passenden DiffServ Tags
versehen werden.
Festlegung der QoS Parameter des UMTS Bearer innerhalb
der PDP Context Activation
Das
<[email protected]>Seite 14/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
3. Quality of Service im UMTS (R6, 3GPP TS 23.107 V6.1.0, 2004-03)
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-
z.B. Sprache, Video Konferenz
z.B. Videostreaming
z.B. WWW, Internetspiele
z.B. Hintergrunddienste, FTP, E-Mail
unidirectionales
<[email protected]>Seite 15/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
3. Quality of Service im UMTS (R6, 3GPP TS 23.107 V6.1.0, 2004-03)
Maximale Bitrate (Mbps)Gesicherte ReihenfolgeZustell. fehlerh. PaketeBit-Fehler-RateSDU Fehlerrate
Priorität der DatenPriori t bei Reservierungen
...
äStat. Eigenschaft der QuelleSignalisierungsdatenpaket
Transportverzögerung (ms)Garantierte Bitrate (Mbps)
Conversational
<=16y/n/-y/n/-
5*10 - 1010 - 1080-max.
<=16-
1,2,3speech/unk.
-
-2 -6
-2 -5
Streaming
<=16y/n/-
5*10 - 1010 - 10250-max.
-1,2,3
-
y/n/-
<=16
speech/unk.
-2 -6
-1 -5
Interactive
<=16y/n/-
4*10 - 6*1010 - 10 .
--
-y/n
y/n/-
1,2,31,2,3
-3 -8
-3 -6
Background
<=16y/n/-
4*10 - 6*1010 - 10 .
---
--
y/n/-
1,2,3
-3 -8
-3 -6
Differentiated Servicesz.B. TOS Tags und
Flow-IDs im IP Header
Integrated Servicesz.B. via RSVP
Realisierung mit IETFProtokollen(IETF definiert aber keine QoSParameter)
keine Garantien
GSNs können diese Anforderungen auch zur Laufzeit verändern(Mobile bislang nicht!)
Uplink Userdaten werden...•••
•
entsprechend des PDP Contextes klassifiziertconditionalized, d.h. verworfen, verzögert, reklassifiziert, ...GGSN übersetzt ‘PDP Context QoS’ in DiffServ Parameter
Downlink Userdaten werdenentsprechend des PDP Contextes reklassifiziert
UMTS = netzbasiertes QoS, Internet = “Ende-zu-Ende”-QoS
• Mobile hat dabei nicht viel zu “sagen”
• “Internet QoS” für das UMTS nicht relevant
<[email protected]>Seite 16/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
3. Quality of Service im UMTS
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Node B
<[email protected]>Seite 17/20
4. GTP’ für Charging Management (R4, 3GPP TS 32.215 V4.0.0, 2001-09)
IUB
I PSU
utran core network
Gn
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
CGN/F
SGSN
GGSN
Ga
Ga
harging ateway ode/ unctionharging ata ecord
C G N FC D R
Ga
RNC
GGSN:GSNs:GTP’:RNC:
Erzeugt eine eindeutige Charging IDGrößtenteils redundantes Accounting im SGSN und GGSN (für Handover)GTP (via TCP) für Charging Aufgaben, Push-FTP als AlternativeAccounted nur nicht-gesendete Downlink Daten z.B. bei PDPcontext termination oder handover (optional)
GTP’
billing system
CDRs
CDRs
<[email protected]>Seite 18/20
4. GTP’ für Charging Management (R4, 3GPP TS 32.215 V4.0.0, 2001-09)
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
“Gesicherter” CDR Transfer zw. UMTS und den Charging Nodesdurch Einsatz von TCP
Umleitung eines Datentransfers zu einer anderen, besseren,schnelleren, etc.pp Charging Node
Vermeiden von doppelten CDRs auch zu Zeitpunkten andenen redundant Accounted wird (Handover, etc.pp)
(HOL Blocking -> besser wäre SCTP)
Automatische Lastverteilung und Service Advertisement undErkennen vom kommunikationsfehlern
IETF “Alternative” FTP kann dies alles nicht. Radius/Diameterals echte Alternative (Authentication, Authorization & Accounting)
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GTP’ bietet folgende Funktionen:
4. GTP* für Lawful Interception (R4, 3GPP TS 32.215 V4.0.0, 2001-09)
Lawful Interception = Aufzeichnen angefallender Userdaten aufgesetzlicher Basis
Ein Derivat des GPRS Tunneling Protocolls wird beim “
Identifikation der Datensätze anhand:
Transport via TCP/IPSec vorgeschrieben
Kaum Umgang mit Fehlern oder Hochverfügbarkeit
“IETF Alternative” FTP kaum besser geeignet
GPRS HI3Interface, Delivery Content of Communication (CC)” eingesetzt
Lawful Interception Identifiers (LIID) = Charging-ID (32 Bit)Network identifier (NID) xGSN address (32 Bit)
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<[email protected]>Seite 19/20GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
Seite 20/20
Vielen Dankhttp://www.ahzf.de/uni/ps_gtp-ietf_folien.pdf
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
A. GTP-U Protokollstack bei GSM/GPRS (ps domain, user plane)
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
MAC
radio
MAC
radio
BSSGP
Frame-Relay
IP IP
UDP
RLC BSSGP
UE BTS / BSC SGSN
Frame-Relay
RLC
LLC
IP
Application
LLC UDP
L1/L2 L1/L2
Um Gb Gn
L2/
L1
Frame-Relay
SNDCP SNDCP
IP IP
GTP-UGTP-U
IP IPPDP context
GGSN
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
RLC
MAC
radio
UDP/IP UDP/IP UDP/IP
L1/L2
SGSN
Uu IuPS Gn
PDCP
MAC
radio
UE
RLC
PDCP
IP
Application
UDP/IP
L1/L2
L2/
L1
IP IP
GTP-UGTP-U GTP-U GTP-U
IP IPPDP context
B. GTP-U Protokollstack bei UMTS (ps domain, user plane)
UTRAN(Node B & RNC)
GGSN
L1/L2L1/L2
GPRS Tunneling Protocol und IETF Protokolle
RLC
MAC
radio
UDP/IPL1/L2
Uu IuPS
PDCP
MAC
radio
RLC
PDCP
MIPv6
Application
MIPv6 MIPv6
Internet GPRS Support Node (IGSN)
Vereinigt Funktionalität von SGSN und GGSN
Erweitert um Mobile IP Funktionen
Nicht wirklich “all IP”
Standard TR 23.923 wurde scheinbar zurückgezogen
GTP-U
C. GTP-U Protokollstack bei ‘4G’ (3G TR 23.923 v3.0.0, 2000-05)
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-
UDP/IP
GTP-U
MIPv6 MIPv6PDP context
GTP-U GTP-Uwegen
Kompatibilität
UE IGSNUTRAN(Node B & RNC)
Internet
L1/L2L1/L2