Описание базовых принципов построения мобильных сетей связи 3-го поколения на базе UMTS

Подождите немного. Документ загружается.

На рисунке ниже представлена архитектура обеспечения секретности в сетях 3G, как определено для версии 4.

Рис. 60 Обзор архитектуры обеспечения секретности в 4-й версии

Определено пять функциональных групп обеспечения секретности. Каждая из этих функциональных групп

соответствует определенным угрозам и выполняет определенные нормы по безопасности:

 Защита доступа к сети (I): средство защиты доступа, обеспечивающее пользователям конфиденциальный доступ к услугам

3G, и которое в частности защищает от вторжений на линии (радио) доступа. Примеры функциональных возможностей группы I:

o Защита от подслушивания для получения информации о номере IMSI

o Аутентификация пользователей и сети

o Конфиденциальность соглашения о шифрах

 Защита домена сети (II): средство защиты, позволяющее узлам в домене провайдера конфиденциально обмениваться

данными сигнализации, и защищающее от вторжений в сети радиосвязи. Примеры функциональных возможностей группы II:

o Сбор информации о мошенничестве

 Защита домена пользователей (III): средство защиты, обеспечивающее безопасный доступ к UE. Примеры функциональных

возможностей группы III:

o Аутентификация пользователь-USIM (например, PIN-код)

 Защита домена приложений (IV): средство защиты, позволяющее приложениям в домене пользователя и провайдера

конфиденциально обмениваться информацией. Примеры функциональных возможностей группы IV:

o Конфиденциальный обмен сообщениями между USIM и сетью

 Видимость и конфигурирование защиты (V): функциональная возможность, позволяющая пользователю выяснить,

функционирует ли средство защиты и будет ли использование и предоставление услуг зависеть от функции обеспечения

секретности

Принципы регистрации и организации соединения в пределах сети UMTS с доменом услуг CS и доменом услуг PS

эквиваленты GSM/GPRS - (временная) идентификация пользователя, аутентификация и ключевое соглашение -

которые имеют место независимо в каждом домене услуг. Трафик плоскости пользователей будет шифроваться с

использованием ключа шифрования (CK), принятого для соответствующего домена услуг, тогда как для данных

плоскости управления будет выполняться шифрование и защита целостности с помощью ключей шифрования и

обеспечения целостности одного любого домена услуг.

4.2 Шифрование

4.2.1 Универсальная наземная сеть радио доступа (UTRAN)

В UTRAN может шифроваться информация, передаваемая между UE и RNC. Это выполняется либо на уровне

MAC, либо на уровне RLC протоколов. От CN к RAN передается CK, который после аутентификации совместно

используется CN и UE. Затем RNC может активизировать шифрование.

4.2.2 Базовая сеть (CN)

В версии R99 шифрование определялось только для сети доступа (UTRAN). В последующих версиях шифрование

также предусматривается в CN. Для этого в настоящее время определяется два метода: MAPsec и IPsec. MAPsec,

определяемый для версии 4, является протоколом, используемым для шифрования информации плоскости

управления (сигнализации), т.е. операции MAP. IPsec, определяемый для версии 5, является протоколом,

используемым для шифрования плоскости пользователей, т.е. данных IP. В дополнение к протоколам

шифрования необходимы новые сетевые элементы - Центры административного управления ключами (KAC) и

шлюзы обеспечения секретности (SEG) - обеспечивающие перенос ключей шифрования между сетями (см.

рисунок 4.2).

Рис. 61 Обеспечение секретности между сетями.

4.2.2.1 IPsec

Плоскость управления сети UMTS подразделяется на домены секретности, которые обычно совпадают с

границами оператора. Граница между доменами секретности защищается SEG. Шлюзы SEG отвечают за

осуществление политики секретности в домене по отношению к другим SEG в домене секретности получателя.

Сетевой оператор может иметь несколько SEG в сети для целей резервирования или производительности.

Обеспечение секретности доменов сети UMTS не распространяется на плоскость пользователей и,

следовательно, домены секретности и связанные SEG по отношению к другим доменам не включают Gi-

интерфейс плоскости пользователей по направлению к другим сетям IP.

В архитектуре секретности доменов сети UMTS (NDS) управление ключом и распределение ключей между SEG

выполняется с помощью обмена ключами в протоколе Интернет (IKE). Основная цель IKE - согласование,

выполнение и обслуживание Ассоциаций Секретности (SA) между частями, требующими защищенные

соединения. Концепция SA является центральной в IPsec и IKE. SA определяет, какой протокол должен

использоваться, режим SA и оконечные точки SA.

В NDS UMTS протокол обеспечения секретности IPsec должен всегда быть инкапсулированной загрузкой

обеспечения секретности (ESP), а режим SA всегда должен быть режимом с туннелированием. В NDS

дополнительно требуется, чтобы использовалась защита целостности/аутентификация сообщений вместе с

защитой anti-replay (защита от копирования информации).

NDS/IP предоставляют следующие услуги обеспечения секретности:

 Целостность данных

 Аутентификация источника данных

 Защита от копирования информации

 Конфиденциальность (дополнительно)

 Ограниченная защита от анализа потока трафика в случае применения конфиденциальности

4.2.2.2 MAPsec

MAPsec обеспечивает секретность для протокола MAP на прикладном уровне. Это выполняется путем добавления

заголовка секретности к операциям MAP. MAPsec не зависит от используемых сетевых и транспортных

протоколов.

Прежде чем применить защиту, выполняется SA между вовлеченными сетевыми элементами MAP. SA определяет

ключи, алгоритмы, профили защиты и т.д., которые должны использоваться для защиты сигнализации MAP.

Необходимость в MAPSA между узлами согласовывается соответствующими сетевыми операторами.

Согласованная SA будет действовать по всей PLMN и распределяться по всем сетевым элементам, которые

обеспечивают секретность прикладного уровня MAP в пределах сети PLMN. Однако автоматическое управление

ключами и распределение ключей (для настройки SA) не является частью сети 4-й версии. Поэтому эти

операции должны выполняться другими средствами (см. 3GPP TS 33.200 Приложение A).

MAPsec предусматривает три разных режима защиты:

 Режим защиты 0: без защиты

 Режим защиты 1: целостность, достоверность

 Режим защиты 2: конфиденциальность, целостность и достоверность (шифрование)

Глава пятая: Качество обслуживания (QoS) в подвижной связи

5.1 Введение

Для операторов IP-сетей подвижной связи возможность добиться успеха состоит в том, что-бы сосредоточить

внимание не на скорости передачи или самой лучшей технологии, а на создании пакета новейших услуг и

предоставлении их с высоким качеством. Сети IP подвижной связи предлагают огромный потенциал для

новейших услуг, но в тоже время это самая сложная среда для достижения высоких показателей QoS.

Для предоставления приложений и услуг на базе протоколов IP операторы сетей подвижной связи должны

разработать сети радиосвязи на базе IP, используя технологии радио доступа и базовые сети с коммутацией

пакетов. Сети IP проводной связи и подвижной радиосвязи - это два фундаментально разных типа сетей, и для

них требуются разные стратегии для обеспечения QoS. Чтобы достигнуть QoS для сквозного соединения, должен

быть учтен участок между проводной и беспроводной сетью.

Сети радио доступа имеют ограниченную пропускную способность, которая должна быть разделена между

пользователями. Наряду с обеспечением мобильности пользователей, это приводит к чрезвычайно изменчивым

уровням качества. Методы обеспечения QoS для подвижной связи должны гарантировать справедливый доступ к

ограниченной полосе частот радио сигналов и использовать метод управления мобильностью для оптимизации

передачи данных IP по сети подвижной связи. В IP-сетях на линиях проводной связи механизмы обеспечения

QoS имеют дело, в основном, с готовностью полосы пропускания и обработкой трафика по приоритетам при

обслуживании случайного трафика с часто повторяющимися пачками данных.

Рис. 62 Сегменты QoS.

Как показано на рисунке выше для обеспечения QoS для сквозного соединения требуется QoS на уровне

межсетевого взаимодействия между сетью подвижной связи и сетью Интернет на базе протоколов IP.

5.2 Что такое качество обслуживания (QoS)?

Качество обслуживания является ключевым параметром для будущих IP-сетей подвижной связи. Однако QoS

также субъективно зависит от ожиданий отдельных пользователей. Так как же можно оценить QoS? Параметры

QoS пытаются оценивать опытным путем, основываясь на результатах измерений возможностей сети в

предоставлении конкретных услуг, как описано, например, в IETF RFC 1224, RFC 2212 и RFC 2544 для IP. К

данным, полученным опытным путем, относится качество сеанса и время отклика сети, а также общая

готовность услуги и сети.

Качество сеанса оценивается по:

 Величине фазового дрожания, т.е. изменению задержки в сети

 Пропускной способности, т.е. скорости, с которой пакеты данных могут передаваться без потери

Время отклика оценивается по:

 Времени передачи при двойном прохождении (RTT), т.е. промежутка времени от момента передачи пакета до момента

приема подтверждения

 Времени задержки однонаправленного сквозного соединения, также называемой временем запаздывания (latency)

 Пропускной способности

Готовность и надежность оценивается по:

 Возможности получения доступа к ресурсам сети или (коэффициенту использования)

 Результатам контроля уровня обслуживания 24/7

Основываясь на контрольных результатах для этих параметров, можно спроектировать QoS в сети и

использовать в качестве эталона во время эксплуатации для получения реальных рабочих показателей сети. В

сетях подвижной связи критичным фактором для всех параметров будет радио звено и мобильность

пользователей.

5.3 Механизмы обеспечения QoS

Чтобы обеспечить QoS для сквозного соединения, требуются гарантированные уровни обслуживания в пунктах

доступа и на магистральной линии. Чтобы обеспечить QoS сквозного соединения, которое охватывает

беспроводные и наземные IP-сети, каждый элемент в тракте передачи данных должен соответствовать

соглашению о трафике. Как показано на Рисунке 5.1, для сети подвижной связи требуется три механизма

обеспечения QoS:

 QoS сети подвижной связи

 Межсетевое взаимодействие QoS

 QoS стационарной (проводной) сети

Из трех элементов значительно труднее добиться QoS в сети доступа подвижной связи, чем в высокоскоростных

базовых сетях. Среде радиосвязи в отличие от стационарных (проводных) сетей свойственны более высокие

коэффициенты ошибок, более значительные задержки и более ограниченные ресурсы доступа. Многие методы

(например, кодирование), используемые в пределах UTRAN для минимизации коэффициента ошибок, приводят к

увеличению задержки сквозного соединения. В то же время ограничения доступной пропускной способности

часто приводят к перегрузке. Механизмы обеспечения QoS фокусируются на предоставлении равноправного

доступа к имеющимся ресурсам с целью устранения перегрузки. Большой проблемой также является соединение

сети подвижной связи и базовой сети IP (интерфейс Gi в GPRS/UMTS). Операторы должны преобразовать классы

обслуживания сети на базе протоколов IP (или специфических приложений IP) в классы обслуживания QoS сети

радиосвязи, чтобы гарантировать обеспечение QoS в сетях доступа.

5.3.1 Архитектура QoS UMTS

Чтобы гарантировать QoS для сети подвижной связи в UMTS, была определена архитектура услуг QoS,

основанная на иерархии служб переноса. Заданное QoS транслируется в службы переноса с четко

определенными характеристиками, которые должны быть настроены от источника до получателя. Трафик

должен переносить разные службы переноса по сетям на пути от источника к получателю.

Сквозная услуга, используемая мобильным терминалом, будет реализовываться с помощью нескольких разных

служб переноса, как показано на Рисунке 5.2: локальная служба переноса оконечного оборудования

(TE)/мобильного терминала (MT), служба переноса UMTS и внешняя служба переноса, например, Интернет.

Важно иметь в виду, что для обеспечения сквозной услуги требуется трансляция/сопоставление с внешними

услугами, например, с Интернетом. Каждая служба переноса предлагает индивидуальные рабочие

характеристики, основанные на услугах, предоставляемых нижними уровнями (например, ATM или IP).

Например, подсистема UMTS сети осуществляет QoS, базируясь на услуге RAB и службах переноса CN, которые

опять используют радиоинтерфейс или IP/ATM в качестве услуг нижнего уровня.

Когда пользователь запрашивает услугу с определенным качеством, например, во время процедуры

активизации контекста PDP, описанной в разделе 3.6, приложение согласовывает через CN услугу RAB с

определенными атрибутами. Таким способом UMTS позволяет пользователю согласовать характеристики

носителя, которые наиболее подходят для переноса информации. Кроме того, можно изменить свойства

носителя, используя процедуру повторного согласования во время действия активного соединения, например, в

случае передачи обслуживания может понадобиться обработка функции мобильности абонента.

Рис. 63 Архитектура QoS UMTS.

Услуга RAB выполняется с помощью услуги RB и службы переноса интерфейса Iu. Услуга RB обрабатывает все

аспекты средств передачи данных по радиоинтерфейсу и выбирает атрибуты QoS сеанса в процессе

активизации контекста PDP следующим образом.

Атрибуты QoS и их использование.

Атрибут QoS

Использование

Максимальная скорость передачи

битов

Скорость передачи, с которой данные доставляются пользователю/от

пользователя, позволяет определить схемы кодирования

Порядок доставки

Требует ли приложение данные в правильной последовательности,

например, требование буферизации?

Максимальный размер сервисного

блока данных (SDU)

Размер SDU в октетах. Используется для управления доступом и

определения стратегии доступа

Информация о формате SDU

Знание размера SDU позволяет лучше использовать службу переноса

Коэффициент ошибок SDU

Распределение протоколов, алгоритмов и схем коррекции ошибок в UTRAN

Остаточный коэффициент ошибок

по битам

Распределение протоколов, алгоритмов и схем коррекции ошибок в сети

радиосвязи

Доставка ошибочных SDU

Решает, будут ли доставляться ошибочные SDU

Задержка при переносе

Обеспечивает допустимое значение времени задержки (в мс) для

приложения

Гарантированная скорость

передачи битов

Используется для обеспечения распределения ресурсов и управления

доступом

Приоритет обработки трафика

Относительная значимость разных SDU. Может использоваться вместо

абсолютной гарантии

Приоритет распределения/

сохранения

Используется сетевыми элементами (не мобильными терминалами) для

распределения ресурсов между каналами с высоким приоритетом

Служба переноса Iu вместе со службой переноса физического уровня обеспечивают средства переноса данных

между UTRAN и CN. Это дополнительная возможность оператора для использования IP или ATM и связанных

возможностей QoS службы переноса Iu. Для служб переноса интерфейса Iu, базирующихся на протоколах IP,

должны использоваться дифференцированные услуги, определенные в IETF. Если оператор выбрал ATM-SVC в

качестве внутреннего выделенного транспортного канала, взаимодействие с сетями на базе IP будет основано

на дифференцированных услугах. Оператор будет управлять процессом преобразования классов QoS UMTS в

кодовые точки Diffserv.

Служба переноса CN управляет магистральной сетью UMTS, чтобы выполнить оговоренную соглашением службу

переноса UMTS. Это дополнительная возможность оператора, чтобы решить, какие используются возможности

QoS на уровне IP или возможности QoS на уровне ATM. Для магистральной сети на базе IP должны

использоваться дифференцированные услуги, определенные в IETF. Если оператор выбрал ATM-SVC в качестве

внутреннего выделенного транспортного канала, взаимодействие с магистральными сетями на базе IP будет

основано на дифференцированных услугах. Оператор будет управлять процессом преобразования классов QoS

UMTS в кодовые точки Diffserv.

5.3.2 Классы QoS UMTS

Чтобы обеспечить дифференцирование потоков трафика в сети, было определено четыре различных класса

услуг RAB связанных приложений: разговорный, потоковый, интерактивный и фоновый. Каждый класс

обслуживания предназначен для переноса потоков трафика различных типов приложений. Речевой сигнал и

видео - примеры разговорных услуг, однонаправленное потоковое аудио и видео - потоковые услуги, web-

браузер - типичная интерактивная услуга, тогда как электронная почта и перенос файлов - фоновые услуги.

На рисунке ниже показано как разные услуги используют разные классы трафика для выполнения требуемого

QoS.

Рис. 64 Классы трафика, используемые для достижения требуемого QoS.

Основным отличительным фактором между этими классами является то, насколько трафик чувствителен к

задержкам. Разговорный класс предназначен для трафика, который очень чувствителен к задержкам, тогда как

фоновый класс наименее чувствителен к ним. Далее в таблице проводится обзор четырех классов и атрибутов

QoS, связанных с каждым классом.

Классы QoS UMTS

Класс трафика

Разговорный класс

Потоковый класс

Интерактивный

класс

Фоновый

Фундаментальные

характеристики

 Сохранение

временного соотношения

(изменение) между

информационными

элементами потока

 Диалоговая структура

(точная и малая величина

задержки, основанная на

человеческом восприятии)

 Сохранение временного

соотношения (изменение)

между информационными

элементами потока

 Стационарный и

непрерывный поток

 Допускает фазовое

дрожание (буферизация)

 Обычно ассиметричный

 Запрос

образца отклика

 Сохранение

содержимого

загрузки

 Транзакция

Пример применения

Речь

Потоковое видео

Web-браузер

Фоновая

загрузка

электронной

почты

Максимальная

скорость передачи

(кбит/с)

< 2 048

1 2

< 2 048

1 2

< 2 048 -

заголовок

< 2 048 -

заголовок

2 3

Порядок доставки

Да/нет

Максимальный

размер SDU

(октетов)

<= 1500 или 1502

<= 1500 или

1502

Информация о

формате SDU

Доставка ошибочных

SDU

Да/Нет/-

Остаточный BER

5x10

-2

, 10

-2

, 5x10

-3

, 10

-3

-4

, 10

-6

5x10

-2

, 10

-2

, 5x10

-3

, 10

-3

, 10

-6

5x10

-2

, 10

-2

, 5x10

-3

, 10

-4

, 10

-6

5x10

-2

, 10

-2

5x10

-3

, 10

-3

, 10

-6

Коэффициент

ошибок SDU

-2

, 7x10

-3

, 10

-3

, 10

-4

, 10

-5

-2

, 7x10

-3

, 10

-3

, 10

-4

, 10

-5

-2

, 7x10

-3

, 10

-3

-4

, 10

-5 7

-2

, 7x10

-3

, 10

-4

, 10

-5 7

Задержка при

переносе (мс)

максимальное значение

100

максимальное значение 250

Гарантированная

скорость передачи

(кбит/с)

< 2 048

1 2

< 2 048

1 2

Приоритет обработки

трафика

1, 2, 3

Приоритет

распределения/

хранения

1, 2, 3

- Скорость передачи 2048 кбит/с требует функционирования UTRAN в прозрачном режиме протоко-ла RLC, в

этом случае заголовок протоколов 2-го уровня не принимается в расчет

- Должна быть изучена степень детализации атрибутов скорости передачи. Хотя сеть UMTS имеет возможность

поддерживать большой набор разных величин скорости передачи, количество воз-можных значений должно

быть ограничено, чтобы не увеличивать сложность терминалов, функций оплаты и взаимодействия и др. Точный

перечень поддерживаемых значений должен быть опреде-лен вместе с S1, N1, N3 и R2

- Должно быть оценено влияние протоколов 2-го уровня на максимальной скорости передачи в непрозрачном

режиме протоколов RLC

- В случае типа PDP=PPP максимальный размер SDU составляет 1,502 октета. В других случаях максимальный

размер SDU = 1,500 октетов

- Определение возможных значений точных размеров SDU, для которых UTRAN может поддержи-вать

прозрачный режим протокола RLC, является задачей RAN WG3

- Если Доставка ошибочных SDU установлено на 'Да', на стороне MT/TE канала UMTS может обес-печиваться

только индикация ошибок. На стороне шлюза CN индикация ошибок не может обеспе-чиваться за пределами

сети UMTS версии R99

- Значения получаются из длин CRC 8, 16 и 24 битов на 1-м уровне

- Число уровней приоритета должно быть проанализировано дополнительно S1, N1 и N3

Глава шестая: Тестирование в сети UMTS

Тестирование и измерение является важным инструментом эффективной эксплуатации сис-тем, особенно таких

сложных как UMTS. Тестирование и измерение - это ключ к оптималь-ному использованию ресурсов.

Тестирование и измерение - это быстрый путь получения де-тальной информации по коммерческим

показателям.

Никто не сможет выйти на рынок в условиях высокой конкуренции без предоставления каче-ственного

обслуживания. Победителями последних нескольких лет становятся не те компа-нии, которые обеспечивают

высокую скорость передачи или наилучшую технологию, а те которые могут создать пакеты новейших услуг и

предоставлять их с высоким качеством.

Рис. 65 Тестирование и измерение - быстрый способ получения детальной информации по коммерческим

показателям.

В современном мире появляются новые сетевые операторы, осуществляется конвергенция сетей и усложнение

отдельных сетей. Измерительное оборудование должно помочь пользо-вателям в быстрой диагностике проблем,

даже если они не слишком хорошо знакомы с ле-жащей в основе технологией сети. Для этого требуется

интеллектуальный анализ трафика и представление результатов в четком виде, простом для понимания.

Требования проведения тестирования сетей UMTS можно разделить на две фазы:

 Настройка и запуск в эксплуатацию

 Техническое обслуживание

Тестирование в процессе настройки и запуска в эксплуатацию включает в себя:

 Контроль транспортных уровней

 Контроль правильности сигнализации между оборудованием в сети от разных произво-дителей

 Модернизация системы и тестирование интегрирования

 Функциональное тестирование / контроль доступности услуг

На фазе технического обслуживания сети регулярное тестирование необходимо для того, чтобы убедиться, что

качественные показатели сети на требуемом уровне и что сеть имеет достаточную пропускную способность для

обработки трафика.

Примеры испытаний:

 Анализ сигнализации

 Поиск неисправностей

 Измерение показателей QoS

 Эксплуатационные характеристики передачи обслуживания

o UE будут выполнять гибкую передачу обслуживания практически постоянно во время телефонных соединений в

областях с маленькими ячейками

 Тестирование взаимосвязей

Компания NetTest предлагает исчерпывающий набор инструментов для тестирования в сети UMTS от

направленного экспертного анализа до сквозного контроля сети UMTS.

6.1 Инструменты экспертного анализа активной области

Рис. 66 Фазы тестирования, обеспечиваемые инструментами производства NetTest для экспертного анализа

активной области.

InterQuest Probe:

 высокопроизводительный сбор данных для последующего анализа

Impact:

 Тестирование взаимосвязей

 Контроль доступности услуг

 Функциональное тестирование

 Тестирование загрузки трафика

Compass:

 Поиск неисправностей

 Функциональное тестирование

 Оптимизация

 Измерение показателей QoS

 Обнаружение случаев мошенничества

6.1.1 Пробник InterQuest

Пробник InterQuest - это наращиваемый (модульный) инструмент для сбора данных высокой плотности,

способный эффективным образом собирать большие объемы сетевого трафика для активных приложений услуг

или последующего анализа с использованием экспертных инструментов.

Пробник InterQuest способен собирать данные одновременно с большого множества линий на различных

интерфейсах E1, DS1 и OC3, позволяя инструментам автономного экспертного анализа, таким как Compass и

Impact, анализировать одновременно множество различных соединений, обеспечивая более точную картину

эксплуатационных характеристик сети.

Чем больше интерфейсов можно контролировать, тем более точную информацию можно по-лучить от Compass и

Impact, что обеспечивает лучшую статистическую базу.

Пробник InterQuest подключается к сети, обеспечивая контроль большего количества линий в условиях роста

сети. Прибор может работать удаленно через LAN или модем, а также ло-кально с управлением множеством

блоков от одной рабочей станции. Данные из множества блоков могут быть скоррелированы. Поддержка

множества технологий позволяет собирать данные, как в сети доступа, так и в базовой сети.

Рис. 67 InterQuest - мощный инструмент с возможностями сбора большого объема данных из множества линий,

как в сети доступа, так и в базовой сети.

6.1.2 Impact

Сигнализация базовой сети является основой для базовых услуг в UMTS. Impact предлагает средства анализа

сети и документирования по:

 Управлению местоположением

 Роумингу

 Аутентификации и обеспечению секретности

 QoS услуг передачи сообщений

Рис. 68 Impact предлагает возможности анализа сети и документирования данных о роуминге и QoS для SMS.

6.1.3 Compass

Compass известен на рынке подвижной связи, как наиболее перспективное решение для по-иска

неисправностей и оптимизации сети доступа.

Compass предлагает значительные усовершенствования в процедурах технического обслу-живания - от

статистического анализа сети до детальной обработки данных по абонентам и отслеживания соединений:

 Поиск неисправностей

 Функциональное тестирование

 Оптимизация

 Измерение показателей QoS

 Анализ вызовов и отслеживание абонентов

Рис. 69 Compass - наиболее перспективное решение для оптимизации и поиска неисправностей в сетях

доступа.

6.2 Сквозной контроль сети