网络的OSI七层模型Word格式文档下载.docx
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7、应用层
提供OSI用户服务,如语音、数据、文件的传送、电子邮件等应用功能模块。
C.数据构成
在遵循OSI参考模型的现代通信网络中,用户的有效数据并非是直接传送到目的端,而是通过遵守层层协议、进行了协议规定的变换或附加了许多信息(包括控制信息等)后,形成了一个新的数据,在物理层规定的传输介质上传送至对端。
通常,我们把遵守某个协议看成是“附加一个报头(Header)”。
下图为数据“DATA”在OSI模型每层中的构成:
AH–ApplicationHeaderTH–TransportHeader
PH–PresentationHeaderNH–NetworkHeader
SH–SessionHeaderLH–LinkHeader
D.OSI模型的主要特点
1、OSI参考模型定义的是一种抽象结构,它给出的仅是功能上和概念上的标准框架。
该模型与具体实现无关;
2、每层完成所定义的功能,对某一层功能的修改并不影响其他层;
3、不同系统的同层实体间使用该层协议进行通信(逻辑意义上的通信),只有最底层才发生直接数据传送;
4、同一系统内部相邻层实体间的接口定义了服务原语以及向上层提供的服务;
5、OSI参考模型本身并不引起网络通信,必须执行某个实现某层功能的协议时,才执行有形的网络通信。
只有协议才涉及某一层的实现描述。
因此,模型的最大作用是提出了功能划分原则,描述了网络通信所需的各种服务;
6、两种不同的协议可能隶属模型的同一层功能实现,但它们之间并不能协同工作,只有执行相同协议的实体才能彼此通信。
二、GSM系统构成、接口,呼叫建立过程
A.系统的组成
蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统(NSS)、无线基站子系统(BSS)和移动台(MS)三大部分组成,如图2-1所示。
其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口,BSS与MS之间的接口为“Um”接口。
在模拟移动通信系统中,TACS规范只对Um接口进行了规定,而未对A接口做任何的限制。
因此,各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议,对Um接口遵循TACS规范。
也就是说,NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备,而MS可用不同厂家的设备。
图2-1蜂窝移动通信系统的组成
由于GSM规范是由北欧一些运营公司“炒”出的规范,运营公司当然喜欢花最少的投资,用最好的设备来建最优良的通信网,因此GSM规范对系统的各个接口都有明确的规定。
也就是说,各接口都是开放式接口。
GSM系统框图如图2-2,A接口往右是NSS系统,它包括有移动业务交换中心(MSC)、拜访位置寄存器(VLR)、归属位置寄存器(HLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR),A接口往左Um接口是BSS系统,它包括有基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。
Um接口往左是移动台部分(MS),其中包括移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。
在GSM网上还配有短信息业务中心(SC),即可开放点对点的短信息业务,类似数字寻呼业务,实现全国联网,又可开放广播式公共信息业务。
另外配有语音信箱,可开放语音留言业务,当移动被叫客户暂不能接通时,可接到语音信箱留言,提高网路接通率,给运营部门增加收入。
2.2交换网路子系统
交换网路子系统(NSS)主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。
NSS由一系列功能实体所构成,各功能实体介绍如下:
MSC:
是GSM系统的核心,是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体,也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。
它可完成网路接口、公共信道信令系统和计费等功能,还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。
另外,为了建立至移动台的呼叫路由,每个MS、还应能完成入口MSC(GMSC)的功能,即查询位置信息的功能。
VLR:
是一个数据库,是存储MSC为了处理所管辖区域中MS(统称拜访客户)的来话、去话呼叫所需检索的信息,例如客户的号码,所处位置区域的识别,向客户提供的服务等参数。
HLR:
也是一个数据库,是存储管理部门用于移动客户管理的数据。
每个移动客户都应在其归属位置寄存器(HLR)注册登记,它主要存储两类信息:
一是有关客户的参数;
二是有关客户目前所处位置的信息,以便建立至移动台的呼叫路由,例如MSC、VLR地址等。
AUC:
用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数(随机号码RAND,符合响应SRES,密钥Kc)的功能实体。
EIR:
也是一个数据库,存储有关移动台设备参数。
主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能,以防止非法移动台的使用。
2.3无线基站子系统
BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制,与MS进行通信的系统设备,它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
功能实体可分为基站控制器(BSC)和基站收发信台(BTS)。
BSC:
具有对一个或多个BTS进行控制的功能,它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等,是个很强的业务控制点。
BTS:
无线接口设备,它完全由BSC控制,主要负责无线传输,完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。
2.4移动台
移动台就是移动客户设备部分,它由两部分组成,移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)。
移动终端就是“机”,它可完成话音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和解调、信息发射和接收。
SIM卡就是“身份卡”,它类似于我们现在所用的IC卡,因此也称作智能卡,存有认证客户身份所需的所有信息,并能执行一些与安全保密有关的重要信息,以防止非法客户进入网路。
SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据,只有插入SIM后移动终端才能接入进网,但SIM卡本身不是代金卡。
2.5操作维护子系统
GSM系统还有个操作维护子系统(OMC),它主要是对整个GSM网路进行管理和监控。
通过它实现对GSM网内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断等功能。
OMC与MSC之间的接口目前还未开放,因为CCITT对电信网路管理的Q3接口标准化工作尚未完成。
B.2.6网络接口
网络中的接口是指两个相邻实体间的连接点,它可以承载与不同实体对有关的消息流,即几种协议。
GSM中主要的接口有以下几种:
链路层
网络层
高层协议
Um接口
LAPDm
RR/MM/CM
-
Abis接口
LAPD
TrafficManagement
RR/BTSM
A接口
MTP2(SSNo.7)
MTP3+SCCP(SSNo.7)
DTAP/BSSMAP
Map接口
TUP/TCAP+MAP
对于移动通信来说,大部分的信令都是和移动台(MS)相关。
移动台虽然只和BTS有接口,但发往BTS和从BTS发往MS的信令消息中还包括了MS与GSM网中其他设备之间的通信信息,即要在无线接口上传输各种不同的协议。
因此在各接口上需要有专门的协议鉴别器(PD)和报文鉴别器(MD)来区分信令信息和哪个应用协议有关。
这在信令的分析和处理时尤其要注意区分
2.6.1Um接口信令系统
Um接口是MS与BTS之间的接口。
从表1可以得知,Um接口的链路层为LAPDm,它是在固定网ISDN的LAPD协议基础上作少量修改形成的。
修改原则是尽量减少不必要的字段以节省信道资源。
由于TDMA系统提供了定位和信道纠错编码,因此取消了帧定界标志和帧校验序列。
另外,还定义了许多简短的帧格式用于各种特定的情况。
Um接口的网络层是收发和处理信令消息的实体。
它包括了RR(无线资源管理)、MM(移动管理)、CM(呼叫管理)三个子层。
2.6.2A接口信令系统
A接口是BSC与MSC之间的接口。
物理层是数字传输2048KBIT/S的E1线路,具体标准见G.703,G.704。
数据链路层基于7号信令系统MTP2。
网络层为MTP3和SCCP共同组成。
提示使用SCCP的识别负责识别高层消息。
网络层以上的高层协议为BSSMAP(BSS管理应用部分)和DTAP(直接传送应用部分)。
其信令系统结构模型见图4:
图4A接口上的协议分层结构
2.6.3Abis接口信令系统
Abis接口是NSS内BTS与BSC之间的接口。
信令系统结构模型见图5:
图5Abis接口信令系统结构模型
所用的各层协议(除物理层)分别为:
∙LAPD
∙TrafficManagement(业务管理)
∙DTAP
2.6.4MAP接口信令系统
MAP是移动应用部分(MobileApplicationPart)的意思,这里用来统称MAP接口是NSS内部的接口(见图3),每一接口上都有不同的协议堆成不同的层次,完成不同的功能。
为了和现有的有线通信网很好的配合和过渡,MAP接口上均使用有线通信网上使用的7号信令系统,并根据GSM的特点,使用了TCAP和MAP来完成相应功能。
MAP接口的分类和所使用的协议见表4:
接口
对应实体
所用协议
MAP/B接口
MSC-VLR
MTP+SCCP+TCAP+MAP
MAP/C接口
(G)MSC-HLR
MAP/D接口
HLR-VLR
MAP/E接口
MSC-MSC
MTP+TUP/MTP+SCCP+TCAP+MAP
MAP/F接口
MSC-EIR
MAP/G接口
VLR-VLR
表2MAP接口的分类和所使用的协议
其中由于在实际运营中,MSC和VLR是集成在一起的,所以MAP/B接口对于外部一般不可见
C.2。
7叫建立过程
2.7.1MS主叫
若一MS处于激活且空闲状态,客户A要建立一个呼叫,他只要拨被叫B客户号码,再按“发送”键,MS便开始启动程序。
首先,MS通过随机接入控制信道(RACH)向网路发第一条消息,既接入请求消息,MSC会分配它一专用信道,查看A客户的类别并标注此客户忙。
若网路容许此MS接入网路,则MSC发证实接入请求消息。
接着,MS发呼叫建立消息及B客户号码,MSC根据此号码将主叫与被叫所在MSC连通,并将被叫号码送至被叫所在MSC(B客户为移动客户时)或送入固定网(PSTN)转界交换机(B客户为固定客户时)中进行分析。
一旦通往B客户的链路准备好,网路便向MS发呼叫建立证实,并给它分配专用业务信道TCH。
至此,呼叫建立过程基本完成,MS等待B客户的证实信号。
2.7.2MS被叫
若MS作被叫,以PSTN的固定客户A呼叫GSM的移动客户B的呼叫建立过程,如图8-13所示。
B客户号码为139HlH2H3ABCD。
图8-13GSM系统呼叫移动客户时接续示意图
A客户(如北京固定网某客户)拨打B客户(如上海数字移动某客户),拨MSISDN(0139HlH2H3ABCD)号码。
本地交换机根据A客户所拨B客户号码中国内目的地代码(139)可以与GSM网的GMSC(GSM网入口交换机)间建立链路,并将B客户MSISDN号码传送给GMSC。
GMSC分析此号码,根据HlH2H3ABCD,应用查询功能向B客户的HLR发MSISDN号码,询问B客户漫游号码(MSRN)。
HLR将B客户MSISDN号码转换为客户识别码(IMSI),查询B客户目前所在的业务区MSC(如他已漫游到广州),向该区VLR发被叫的IMSI,请求VLR分配给被叫客户一个漫游号码MSRN,VLR把分配给被叫客户的MSRN号码回送给HLR,由HLR发送给GMSC。
GMSC有了MSRN,就可以把入局呼叫接到B客户所在的MSC(北京-广州)。
GMSC与MSC的连接可以是直达链路,也可由汇接局转接。
VLR查出被叫客户的位置区识别码(LAI)之后,MSC将寻呼消息发送给位置区内所有的BTS,由这些BTS通过无线路径上的寻呼信道(PCH)发送寻呼消息,在整个位置区覆盖范围内进行广播寻呼。
守候的空闲MS接收到此寻呼消息,识别出其IMSI码后,发送应答响应。
2.7.3释放
GSM系统使用的呼叫释放方法与其它通信网使用的呼叫释放方法基本相同,通信的双方都可以随时终止通信。
在GSM实施第一阶段的规范中,对释放过程可以简化成只用两条消息,如释放由移动台发起,客户按“结束(END)”键发“拆除”消息,MSC收到后就发送“释放”消息。
若是网路端(如PSTN)发起的释放过程,MSC收到“释放”消息就向移动台发出“拆线”消息。
在GSM实施的第一阶段,客户从拆线到释放这段时间内不再交换信令数据,于是释放过程可以简化成只用两条消息。
用三条消息这种更复杂的释放过程只是用于将来在客户拆线到释放这段时间交换必要的信令。
如果是一次ISDN的通信,MSC在ISUP上送出“释放”消息,通知对方通信终止,端到端的连接到此结束。
但至此呼叫并末完全释放,MSC到移动台的本地链路仍然保持还需执行一些辅助任务,例如向移动台发送收费指示等。
当MSC认为没有理由再保持与移动台之间的链路时,就向移动台送“拆除”消息,移动台返回“释放完成”消息,这时所有低层链路才释放,移动台回到空闲状态。
2.7.4
主要接续流程
为了对GSM系统的整体工作流程有进一步的认识,本节描述几种主要接续流程。
移动客户至固定客户出局呼叫流程
移动台始发呼叫框图见图8-14,流程图见图8-15。
图8-14移动台始发呼叫框图
图8-15MS始发呼叫流程图
图中流程说明如下:
(1)在服务小区内,一旦移动客户拨号后,移动台向基站请求随机接入信道。
(2)在移动台MS与移动业务交换中心MSC之间建立信令连接的过程。
(3)对移动台的识别码进行鉴权,如果需加密则设置加密模等,进入呼叫建立的起始阶段。
(4)分配业务信道的过程。
(5)采用七号信令的客户部分(1SUP/TUP),建立与固定网(ISDN/PSTN)至被叫客户的通路,并向被叫客户振铃,向移动台回送呼叫接通证实信号。
(6)被叫客户取机应答,向移动台发送应答连接消息,最后进入通话阶段。
固定客户至移动客户入局呼叫的基本流程
移动台终结呼叫框图如图8-16所示,流程图如图8-17所示。
图8-16移动台终结呼叫框图
图8-17MS终结呼叫流程图
流程说明如下:
(1)通过No.7信令客户部分ISUP/TUP,入口MSC(GMSC)接受来自固定网(1SDN/PSTN)的呼叫。
(2)GMSC向HLR询问有关被叫移动客户正在访问的MSC地址(即MSRN)。
(3)HLR请求拜访VLR分配MSRN。
MSRN是在客户每次呼叫时由拜访VLR分配并通知HLR。
(4)GMSC从HLR获得MSRN后,便可寻找路由建立至被访MSC的通路。
(5)(6)被访MSC从VLR获得有关客户数据。
(7)(8)MSC通过位置区内的所有基站BTS向移动台发送寻呼消[息。
(9)(10)被叫移动客户的移动台发回寻呼响应消息后,执行与上述出局呼叫流程中的
(1)、
(2)、(3)、(4)相同的过程,直到移动台振铃,向主叫客户回送呼叫接通证实信号。
(11)移动客户取机应答,向固定网发送应答连接消息,至此进入通话阶段。
三、GSM系统中各个信道的含义和作用
GSM中的信道分为物理信道和逻辑信道,一个物理信道就为一个时隙(TS),而逻辑信道是根据BTS与MS之间传递的信息种类的不同而定义的不同逻辑信道。
这些逻辑信道的信息附着在物理信道上传送。
从BTS到MS的方向称为下行链路,相反的方向称为上行链路。
逻辑信道又分为两大类,业务信道和控制信道。
业务信道(TCH):
用于传送编码后的话音,在上行和下行信道上。
控制信道:
用于传送信令或同步数据。
根据所需完成的功能又把控制信道定义成广播、公共及专用三种控制信道,它们又可细分为:
1.广播信道(BCH);
●频率校正信道(FCCH):
用于校正MS频率,下行信道。
●同步信道(SCH):
携带MS的帧同步(TDMA帧号)和BTS的识别码(BSIC)的信息,下行信道。
●广播控制信道(BCCH):
广播每个BTS的通用信息(小区特定信息)。
下行。
2.公共控制信道(CCCH):
●寻呼信道(PCH):
用于寻呼MS。
下行,点对多点方式传播。
●随机接入信道(RACH):
MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道(SDCCH),可作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。
上行信道。
●允许接人信道(AGCH):
用于为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH)。
下行信道。
3.专用控制信道(DCCH):
●独立专用控制信道(SDCCH):
用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。
例如登记和鉴权在此信道上进行。
上行和下行信道。
●慢速随路控制信道(SACCH):
它与一个TCH或一个SDCCH相关,是一个传送连续信息的连续数据信息,如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。
这对实现移动台参与切换功能是必要的。
它还用于MS的功率管理和时间调整。
●快速随路控制信道(FACCH):
它与一个TCH相关。
工作于借用模式,即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信令信息,这一般在切换时发生,因此这种中断不被用户查觉。
控制信道的配置是依据每小区的载频数而定的,当某小区配置一个载频时,仅需一个控制信道。
四、MS的鉴权
MS的鉴权主要包含下列3个部分:
接入网络时对客户鉴权;
无线路径上采用对通信信息加密;
对移动设备采用设备识别(中国移动均不对移动设备进行鉴权);
对客户识别码用临时识别码保护;
SMI卡用PIN码保护。
(1)提供三参数组
客户的鉴权与加密是通过系统提供的客户三参数组来完成的。
客户三参数组的产生是在GSM系统的AUC(鉴权中心)中完成,每个客户在签约(注册登记)时,就被分配一个客户号码(客户电话号码)和客户识别码(IMSI)。
IMSI通过SIM写卡机写入客户SIM卡中,同时在写卡机中又产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki,它被分别存储在客户SIM卡和AUC中。
AUC中还有个伪随机码发生器,用于产生一个不可预测的伪随机数(RAND)。
RAND和Ki经AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc(密钥),经A3算法(鉴权算法)产生一个响应数(SRES)。
由产生Kc和SRES的RAND与Kc、SRES一起组成该客户的一个三参数组,传送给HLR,存储在该客户的客户资料库中。
一般情况下,AUC一次产生5组三参数,传送给HLR,HLR自动存储。
HLR可存储10组三参数,当MSC/VLR向HLR请求传送三参数组时,HLR又一次性地向MSC/VLR传5组三参数组。
MSC/VLR一组一组地用,用到剩2组时,再向HLR请求传送三参数组。
(2)鉴权
鉴权的作用是保护网路,防止非法盗用。
同时通过拒绝假冒合法客户的“入侵”而保护GSM移动网路的客户。
当移动客户开机请求接入网路时,MSC/VLR通过控制信道将三参数组的一个参数伪随机数RAND传送给客户,SIM卡收到RAND后,用此RAND与SIM卡存储的客户鉴权键Ki,经同样的A3算法得出一个响应数SRES,传送给MSC/VLR。
MSC/VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较。
由于是同一RAND,同样的Ki和A3算法,因此结果SRES应相同。
MSC/VLR比较的结果相同就允许接入,否则为非法客户,网路拒绝为此客户服务。
在每次登记、呼叫建立尝试、位置更新以及在补充业务的激活、去活、登记或删除之前均需要鉴权。
(3)加密
GSM系统中的加密也只是指无线路径上的加密,是指BTS和MS之间交换客户信息和客户参数时不被非法个人或团体所得或监听,在鉴权程序中,当客户侧计算SRES,三参数组的提供时,同时用另一算法(A8算法)也计算出密钥Kc。
根据MSC/VLR发送出的加密命令,BTS侧和MS侧均开始使用Kc。
在MS侧,由Kc、TDAM帧号和加密命令M一起经A5算法,对客户信息数据流进行加密(也叫扰码),在无线路径上传送。
在BTS侧,把从无线信道上收到加密信息数据流、TDMA帧号和Kc,再经过A5算法解密后,传送BSC和MSC。
所有的语音和数据均需加密,并且所有有关客户参数也均需加密。
(4)设备识别(了解)
每个移动台设备均有设备识别码(1MEl),移动台设备如允许进入运营网,必需经过欧洲型号认证中心认可,并分配一个十进制6位数字,占用IMEI15位十进制数字的前6位设备识别的作用就是确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。
设备的识别是在设备识别寄存器EIR中完成。
EIR中存有三种名单:
白名单---包括已分配
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