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3G无线核心网络流量采集系统白皮书
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发表于 2014-10-22 18:33:13  只看楼主 

3G无线核心网络流量采集白皮书

1
3G无线核心网络流量采集3G无线核心网络流量采集是一种对3G无线核心网进行流量获取并分析的系统，主要用户政府网络管理、运行商广告推送、运行商计费取证服务、运行商信令监控服务、园区网审计、公安网监、大数据分析等应用领域。
2
3G移动通信系统2.1
3G背景1985年，国际电信联盟（ITU）提出了第三代移动通信的概念，当时称为未来公用陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年改为IMT-2000。IMT-2000支持的网络被称为第三代移动通信系统，简称3G。它支持速率高达2Mbits/s业务，使用2000MHz的频段。为了更好地开展3G标准化工作，国际电联ITU分别成立了3GPP、3GPP2两大标准化组织。3GPP负责制定WCDMA的标准，3GPP2则负责制定cdma2000的标准。截至1998年9月，16个无线传输技术（RTT）的提案被提交至这两大标准化组织：除6个卫星接口方案外，地面无线接口方案有10个，主要分为两大类：CDMA与TDMA，其中CDMA占据主导地位。目前3G的主流制式有三个，即欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000和我国的TD－SCDMA制式。
2.2
W-CDMA制式W-CDMA全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。因此W-CDMA具有先天的市场优势。该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。GPRS是General PacketRadio Service（通用分组无线业务）的简称，EDGE是Enhanced Datarate for GSM Evolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。
2.3
CDMA2000制式CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、韩和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。
2.4
TD-SCDMA制式全称为Time Division SynchronousCDMA（时分同步CDMA），该标准是由中国大陆独自制定的3G标准。1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD—SCDMA标准。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。
目前三种主流制式的3G移动通信系统均已经商用。WCDMA移动通信系统商用的国家和地区主要有欧洲和亚太地区如马来西亚、新加坡、中国香港、韩国、日本，以及澳大利亚等；CDMA2000移动通信系统商用的国家和地区主要有中国、北美、日本、韩国等。
就我国而言，中国移动增加基于TD-SCDMA技术制式的3G牌照，TD-SCDMA为我国拥有自主产权的3G技术标准；中国电信增加基于CDMA2000技术制式的3G牌照；中国联通增加基于WCDMA技术制式的3G牌照。
3
3G无线网络流量采集方法3G无线网络的监控远比原Internet骨干网的监控要复杂。有两种监控位置的设置，网关前端和网关后端。网关位于移动核心网络与Internet骨干网之间，在TD-SCDMA和WCDMA上称为GGSN（Gate GPRSSupport Node）；在CDMA2000上称为PDSN（Packet DataService Node）。所谓网关前端是指在网关偏向Internet一侧部署，而网关后端是指在网关偏向移动核心网一侧部署。

[attach]314797[/attach]

如果在网关前端监控（参见图1），则无法得到用户的IMSI （ International Mobilesubscriber Identifier ) 号，虽然可以得到用户的IP地址，但这个地址在PDSN上可能经过了转换，无法得到IMSI号与IP地址的对应关系，从而无法从所还原的应用中得到用户的身份。有一种途径可以解决这个问题，即在获取Internet上数据的同时，另外增加对Radius认证的监控，并另行部署一套Radius与IP之间关联的分析软件。
如果在网关后端监控（参见图2），则可以获得比较完全的数据，而且不需要Radius接入点。在网关后端可以捕获到IMSI、用户IP地址、PCF和PDSN地址、用户上线时的BSID小区号、用户的ESN号、用户上线时间、用户下线时间，以及访问的互联网的内容。但是移动核心网的承载协议远比Internet骨干网复杂。

[attach]314796[/attach]

图2 后端监控

分析TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000三种制式可知，TD-SCDMA和WCDMA在核心网上采用GSM MAP（即GTP封装），而CDMA2000采用ANSI-41（即GRE封装）。其封装方式较为特殊。GTP和GRE数据的封装如图3所示。

[attach]314795[/attach]

图3 GRE和GTP报文封装


3G无线网络监控的复杂性，主要表现在封装方式复杂。以CDMA2000为例，其复杂性表现如下：
（1）一个GRE报文中可能封装多个终端的数据（称为终端包），且终端包之间用特殊字节0x7e包含起来，为了解决终端包中可能出现的7e字节。PCF又对终端包中的0x7e进行了转义，将0x7e转义成0x7d 0xd，而由于0x7d变成了转义控制字符，所以报文中的0x7d也需要转义（转义成0x7d 0x5d）。如果要提取出终端包，则必须对所有的报文进行逐字节扫描，并重新填写报文。当链路带宽达到10Gbps时，这类扫描过程所需要的计算资源已经是CPU所无法完成的工作了。
（2）单个终端包中，为了节省带宽，从终端开始的数据即可能进行VJ（Van Jacobson）压缩，IP头部及TCP头部可以最少压缩到3个字节。为了保证还原机正常还原数据，并对数据进行五元组衰减，需要对VJ进行解压缩。而接压缩VJ需要大量存储资源存储流表。
（3）PCF在收到终端的终端包时，会将一个报文封装到一个以太帧中，当终端包比较大时，1个以太帧无法封装下来，此时，会将一个终端包拆开到两个以太帧中封装。为了保证还原机正常还原数据，需要将终端包的前一部分缓存起来，等后一部分到达之后，再拼包交给还原机。由于核心网可能存在乱序，后一片可能比前一片先到，从而进一步增加了系统的复杂性。
（4）用户的登录数据在核心网上表现为699报文、LCP和IPCP，这类报文是与用户IP地址关联，才能获取非法行为的IMSI号，因此，必须对这类报文进行特殊的处理。
4
小结综上所述，综合实现GRE和GTP的核心网络流量采集系统，具有一定的技术门槛，使用专用加速芯片，软硬结合完成3G核心网的流量采集，以实现高性能、高还原率的采集设备是一种主流方法。
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