GPRS信令分析

课程目标
• 了解TCP/IP协议的基本原理 • 掌握GPRS网络结构和相关协议 • 掌握GPRS相关信令流程 • 掌握GPRS信令分析的主要思路
GPRS信令分析
1 TCP/IP基本原理 2 GPRS网络结构和基 本信令流程
3 GPRS信令分析 4 GPRS信令分析实例
1 TCP/IP基本原理
1.1 1.2
TCP/IP协议简介 TCP相关流程介绍
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.1 TCP/IP分层结构
类似于OSI的七层网络互连参考模型， TCP/IP实际上是一种层 次型协议，是一组协议的集合，它的内部包含许多其他的协 议，组成 了TCP/IP协议组。TCP/IP为四层协议系统，其参考 模型为下图：
2 GPRS网络结构和基本信令流程
2.1 GPRS网络结构和接口协议描述 2.2 GPRS基本信令流程
1.2 TCP相关流程介绍 1.2.5无线和有线环境拥塞处理的区别
我们这里介绍的TCP拥塞控制机制主要依据有线网络， GPRS无线网络与有线网络对数据包丢失的处理可能有所不同 。例如，有线网络认为丢包主要是由于网络拥塞，一旦发生 丢包，TCP就会将发送窗口减少一半，以减少拥塞。但如果 丢包是发生在无线网络上，实际上更有可能是由于无线信道 的瞬间快衰落造成的，这种衰落可能很快就恢复了，这时如 果使TCP窗口减少，就会降低数据吞吐量。 另外如果是基于无线网络的TCP传输，当不能够接收到 ACK信令的时候，很有可能是因为移动节点正在进行切换或 者是无线网络的信号不好，因此，需要发送节点保持或者加 快发送速率，而不是减速发送。 对于无线网络TCP的改进和优化，已经有研究人员提出 了几种方案，主要有TCP-Feedback、TCP-ELFN、固定RTO、 ATCP、TCP DOOR等。对这些方案感兴趣可到网上搜索相关 的资料。
1.2 TCP相关流程介绍 1.2.4 拥塞控制-拥塞避免
拥塞避免和慢启动算法是两个目的不同、独立的算法。在实际中这两个算法 通常在一起实现。拥塞避免算法和慢启动算法需要对每个连接维持两个变量： 拥塞窗口cwnd和慢启动门限ssthresh(slow-start threshold)。过程如下： 1) 对一个给定的连接，初始cwnd为1个报文段，ssthresh为65535个字节。 2) TCP输出例程的输出不能超过cwnd和接收方通告窗口的大小。拥塞避免是 发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方进行的流量控制。前者发送方 感受到的网络拥塞的估计，后者则与接收方在该连接上的可用缓存大小有关。 3) 当拥塞发生时（超时或收到重复确认），ssthresh被设置为当前窗口大 小的一半（ cwnd和接收方通告窗口大小的最小值，但最少为2个报文段）。此 外，如果是超时引起了拥塞，则cwnd被设置为1个报文段（这就是慢启动）。 4) 当新的数据被对方确认时，就增加cwnd，但增加的方法依赖于我们是否 正在进行慢启动或拥塞避免。如果cwnd小于或等于ssthresh，则正在进行慢启 动，否则正在进行拥塞避免。慢启动一直持续到我们回到当拥塞发生时所处位 置的半时候才停止（因为我们记录了在步骤2中给我们制造麻烦的窗口大小的一 半），然后转为执行拥塞避免。
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.3 IP协议介绍
I P是网络层上的主要协议，同时被TCP和UDP使用。TCP和 UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互 联网中进行传输，而互联网上的每个接口必须有一个唯一的IP 地址，IP地址具有一定的结构，IPv4地址长32位，有五类不同 的地址，如下图：
2.1 GPRS网络结构和接口协议描述 2.1.2 GPRS接口传输平面
2.1 GPRS网络结构和接口协议描述 2.1.3 GPRS接口协议
GTP：GPRS隧道协议。所有在GSN间传送的PDU应经GTP重新包装，GTP提供流 量控制功能。 UDP/TCP：传输层协议，建立端到端连接的可靠链路，TCP具有保护和流量控 制功能，确保数据传输的准确，TCP面向连接的协议。UDP则是面向非连接的 协议，UPP不提供错误恢复能力，也不关心是否已正确接收了报文，只充当 数据报的发送者和接收者。 L2：数据链路层协议，可采用一般以太网协议。 Network Service：数据链路层协议，采用帧中继方式。 BSSGP：该层包含了网络层和一部分传输层功能，主要解释路由信息和服务 质量信息。 LLC：传输层协议，提供端到端的可靠无差错的逻辑数据链路。 SNDCP：执行用户数据的分段、压缩功能等，待详细分析。 MAC：介质控制接入强，属于链路层协议。 RLC：无线链路控制子层，属于链路层和网络层协议。
1.2 TCP相关流程介绍 1.2.5 拥塞控制-快速重传和快速恢复
TCP提供了可靠的传输，它使用的方法之一是确认从另一端收到的数据，但数据和 确认都有可能会丢失。TCP通过在发送时设置一个定时器（Timer）来解决这种问题。 如果当定时器超时还没有收到确认，它就重传该数据。而TCP超时与重传主要依据RTT （round-trip time往返时间）和RTO（retransmission timeout重传超时）的计算。 前面提到过TCP的确认并不是立即发送的，需要有短暂的等待延时，但TCP对收到 乱序的报文段必须立即产生一个dup ack。重复ACK有两个作用，其一，发送端可以确 信该ACK序列号之前的TCP报文段都已经被接收端成功接收；其二，发送端可以据此判 断出接收端接收到的TCP报文段发生了乱序的情况和接收端当前期待的TCP报文段序列 号，从而触发其拥塞控制策略。 由于不知道一个重复的ACK是由一个丢失的报文段引起的，还是由于仅仅出现了几 个报文段的重新排序，因此我们等待少量重复的ACK到来。假如这只是一些报文段的 重新排序，则在重新排序的报文段被处理并产生一个新的ACK之前，只可能产生1~2个 重复的ACK。如果一连串收到3个或3个以上的重复ACK，就非常可能是一个报文段丢失 了于是我们就重传丢失的数据报文段，而无需等待超时定时器溢出。这就是快速重传 算法。接下来执行的不是慢启动算法而是拥塞避免算法。这就是快速恢复算法。
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.4 TCP协议介绍
当TCP发出一个段后，启动一个定时器等待目的端确认收 到该报文段。如不能及时收到确认，将重发这个报文段。 当TCP收到发自TCP连接另一端的数据，它将发送一个确认。 这个确认不是立即发送，而是等上一个短暂的时间，如果 这段时间里面主机还有发送到远程主机的TCP数据报，那 么就把这个ACK数据报“捎带”着发送出去，把本来两个 TCP数据报整合成一个发送。这个时间一般是200ms。 TCP将保持它首部和数据的检验和。这是一个端到端的检 验和，目的是检测数据在传输过程中的任何变化。如果收 到段的检验和有差错， TCP将丢弃这个报文段和不确认收 到此报文段（希望发端超时并重发）。
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.4 TCP协议介绍
TCP提供一种面向连接的、可靠的字节流服务。TCP将用户数 据打包构成报文段；它发送数据后启动一个定时器；另一端对 收到的数据进行确认，对失序的数据重新排序，丢弃重复数据 ；TCP提供端到端的流量控制，并计算和验证一个强制性的端 到端检验和。TCP通过下列方式来提供可靠性： 序号用来标识从TCP发端向TCP收端发送的数据字节流，它 表示在这个报文段中的的第一个数据字节。如果将字节流 看作在两个应用程序间的单向流动，则TCP用序号对每个 字节进行计数。序号是32 bit的无符号数，序号到达2 32-1 后又从0开始。
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.4 TCP协议介绍
既然TCP报文段作为I P数据报来传输，而I P数据报的到达 可能会失序，因此TCP报文段的到达也可能会失序。如果 必要， TCP将对收到的数据进行重新排序，将收到的数据 以正确的顺序交给应用层。如果IP数据报发生重复， TCP 的接收端必须丢弃重复的数据。 TCP还能提供流量控制。TCP连接的每一方都有固定大小的 缓冲空间。TCP的接收端只允许另一端发送接收端缓冲区 所能接纳的数据。这将防止较快主机致使较慢主机的缓冲 区溢出。
1.1 TCP/IP协议简介 1.1.2 TCP/IP分层描述
链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备 驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何 传输媒介）的物理接口细节。 网络层，有时也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选路。 在TCP / I P协议族中，网络层协议包括I P协议（网际协议），I C M P协议 （I n t e r n e t互联网控制报文协议），以及I G M P协议（I n t e r n e t组管理 协议） 。 运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在TCP / I P协议族 中，有两个互不相同的传输协议： TCP和U D P（用户数据报协议），TCP 为两台主机提供高可靠性的数据通信，UDP是不可靠的通信。 应用层负责处理特定的应用程序细节，包括Telnet、FTP、SMTP、SNMP等。
1.2 TCP相关流程介绍 1.2.3法通过观察到新分组进入网络的速率应该与另一端返 回确认的速率相同而进行工作。慢启动为发送方的TCP增加了另一个窗口：拥塞 窗口(congestion window)，记为cwnd。当与另一个网络的主机建立TCP连接时， 拥塞窗口被初始化为1个报文段（即另一端通告的报文段大小）。每收到一个A C K，拥塞窗口就增加一个报文段（cwnd以字节为单位，但是慢启动以报文段大 小为单位进行增加）。发送方取拥塞窗口与通告窗口中的最小值作为发送上限。 拥塞窗口是发送方使用的流量控制，而通告窗口则是接收方使用的流量控制。 发送方开始时发送一个报文段，然后等待A C K。当收到该A C K时，拥塞窗口 从1增加为2，即可以发送两个报文段。当收到这两个报文段的A C K时，拥塞窗 口就增加为4。这是一种指数增加的关系。 慢启动算法是在一个连接上发起数据流的方法，但有时我们会达到中间路由 器的极限，此时分组将被丢弃。拥塞避免算法是一种处理丢失分组的方法。该 算法假定由于分组受到损坏引起的丢失是非常少的（远小于1 %），因此分组丢 失就意味着在源主机和目的主机之间的某处网络上发生了拥塞。有两种分组丢 失的指示：发生超时和接收到重复的确认（duplicated ack）。