Projektseminar Wireless Internet / UMTS Vergleich des … · GPRS Tunneling Protocol (R6, 3GPP TS 29.060 V6.4.0, 2004-03)-----GTP: Tunneling Protocol mit QoS Fähigkeiten zwischen

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


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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-

-

-

-


Node B


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


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


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)


2. GTP-C Protokoll Funktionen

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-

-

-

.

.

.

.

.

.

.

-


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


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


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

-

-

-

radio Layer1-4 Layer1-4 Layer1-4 Layer1-4

IPIP

Router


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

-

-

-

-

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


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


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?

-

-

-

-

-

-

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


3. Quality of Service im UMTS (R6, 3GPP TS 23.107 V6.1.0, 2004-03)

-

-

-

-

z.B. Sprache, Video Konferenz

z.B. Videostreaming

z.B. WWW, Internetspiele

z.B. Hintergrunddienste, FTP, E-Mail

unidirectionales


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


3. Quality of Service im UMTS

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-

-

-

Node B


4. GTP’ für Charging Management (R4, 3GPP TS 32.215 V4.0.0, 2001-09)

IUB

I PSU

utran core network

Gn


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


4. GTP’ für Charging Management (R4, 3GPP TS 32.215 V4.0.0, 2001-09)


“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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Seite 20/20

Vielen Dankhttp://www.ahzf.de/uni/ps_gtp-ietf_folien.pdf


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A. GTP-U Protokollstack bei GSM/GPRS (ps domain, user plane)


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

<[email protected]>


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

<[email protected]>


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

Documents

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