GPRS VỚi MẠNG IP
Ở đây sẽ trình bày việc kết nối giữa nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói GSN với các phần tử trong mạng.
R – Router; 3-G – Border Gateway NTP – Network Time Protocol EGT – Ericsson GPRS Term DNS – Domain Name System BGW – Billing Gateway
Hình 15: Sơ đồ kết nối giữa các nút GSN với các phần tử GPRS
Trong số các phần tử cấu hình mạng GPRS, hai bộ phận sau đây được xem là không thể thiếu của mạng GPRS: mạng quản lý và mạng dịch vụ. Các mạng này được kết nối với nút GSN. Trong đó, mạng quản lý thực hiện các công việc như: vận hành, tính cước, bảo dưỡng…;còn mạng phục vụ bao gồm các khối chức năng đóng vai trò như các điểm truy cập dịch vụ Internet. Để đơn giản, trên H.15 không trình bày kết nối với các phần tử không thuộc mạng GPRS (các khối GSM thuần tuý). Do đó, các kênh thông tin giữa BSS- MSC/VLR, HLR-MSC/VLR,… không mô tả trên hình.
GSN luôn chứa chức năng của một bộ định tuyến. Tuy nhiên, ta cũng có thể sử dụng một bộ định tuyến tách biệt đặt trong mạng đường trục GPRS, giữa các nút GSN. Ngoài ra, còn có một khả năng cấu hình khác là đặt SGSN và GGSN trong cùng một thiết bị duy nhất. Cách làm này giúp cho việc triển
SGSN (R) SGSN (R) EGT BGW NTP DNS EGT BGW NTP DNS BSC BSC GGSN (BG) WWW Email PPP, Frame Relay PPP, ATM, Ethernet
Mạng LAN quản lý
Mạng LAN quản lý Mạng dịch vụ Mạng đường trục
o Các giao diện và giao thức sử dụng tại các nút GSN
Có 3 giao thức cơ bản được sử dụng tại các nút GSN, đó là: IP, giao thức báo hiệu số 7 và giao thức kết nối giữa SGSN và GGSN.
Các nút GSN, mạng đường trục GPRS và mạng LAN quản lý đều sử dụng giao thức IP. Các nút GSN trao đổi dữ liệu với MSC, HLR và các khối xử lý bản tin ngắn thông qua hệ thống báo hiệu kênh số 7.
Về phương diện vật lý, các giao diện tại nút GSN có thể được chia thành 3 nhóm chính:
Giao diện dựa trên mạng chuyển tiếp khung (giao diện Gb) nằm giữa SGSN và BSC. Chuẩn của ETSI về GPRS định nghĩa: dịch vụ Frame Relay phải được sử dụng trên giao diện Gb, trong đó việc truyền tải dữ liệu giữa SGSN và BSC là hoàn toàn trong suốt. Một SGSN có thể kết nối với nhiều BSC, trong khi đó mỗi BSC chỉ có thể kết nối với một SGSN. Tuy nhiên, BSC có thể sử dụng nhiều liên kết vật lý để kết nối với SGSN.
Giao diện dựa trên hệ thống báo hiệu số 7 bao gồm các giao diện Gs (SGSN-MSC), giao diện Gr (SGSN-HLR) và Giao diện Gd (SGSN- SMS/GMSC).
Giao diện sử dụng IP: bao gồm các giao diện Gn (giữa các nút GSN trong cùng một mạng), Gi (GGSN-mạng số liệu), và Gp (giữa các nút GSN và mạng PLMN khác nhau). Các giao diện này có khả năng hỗ trợ các giao thức cấp thấp cũng như các giao diện vật lý cơ bản sau:
Giao thức kết nối điểm-điểm
Giao thức kết nối IP qua mạng ATM
Giao thức kết nối IP qua mạng Ethernet hoặc Fast Ethernet. Ngoài ra, nếu trong hệ thống có sử dụng mạng ATM làm phương tiện truyền tải thì lớp AAL-5 của mạng ATM phải tuân theo chuẩn RFC-1577 về truyền dữ liệu qua mạng ATM.
Báo hiệu và số liệu Báo hiệu
Hình 16: Cấu hình của hệ thống GPRS và giao diện giữa các nút GSN
o Kết nối IP trong hệ thống GPRS
Nhờ có hệ thống kết nối IP mà các hệ thống trong mạng GPRS có thể trao đổi thông tin được với nhau, các phần tử trong mạng GPRS có thể truy cập Internet dễ dàng. Có thể phân loại kết nối IP thành hai cấp độ khác nhau:
Kết nối IP giữa các phần tử của mạng GPRS với nhau nhằm mục đích báo hiệu, quản lý…
Kết nối IP của người dùng để truy cập đến tài nguyên mạng. Các kết nối loại này thường kết nối MS với các điểm truy cập dịch vụ Internet, thông thường là máy chủ. Thông tin trao đổi giữa MS và máy chủ được truyền dưới dạng gói tin IP, từ đầu cuối đến đầu cuối. Nếu nhìn từ phía người sử dụng thì việc sử dụng các dịch vụ Internet thông qua các mạng GPRS hoàn toàn giống như việc sử dụng một modem để truy cập
SMS-GMSC SMS-IWMSC MT TE BSS SGSN GGSN TE MSC/VLR HLR SGSN GGSN/ Mạng HLR GPRS khác SMS-C R Um A Gs E Gd C D Gs Ge Gi Gn Gb Gn Gp Gf PDN
Để trao đổi thông tin bằng giao thức IP, mỗi giao diện cần có một địa chỉ IP riêng dùng làm định danh. Vì hệ thống GPRS sử dụng giao thức IP cho cả hai lưu lượng người dùng cuối cũng như lưu lượng giữa các phần tử trong hệ thống, cả MS và các phần tử mạng đều cần địa chỉ IP. Do sự quá tải của không gian địa chỉ IP hiện nay, và để có thể sử dụng được với địa chỉ mới, GPRS hỗ trợ đồng thời hai giao thức IP v.4 và IP v.6.
Các địa chỉ IP sử dụng trong hệ thống GPRS có thể là địa chỉ công cộng hay địa chỉ dùng riêng; có thể phân bố động hay cố định (địa chỉ IP tĩnh).
Địa chỉ IP công cộng và dùng riêng
Các phần tử của hệ thống GPRS có thể được gán địa chỉ IP công cộng hoặc dùng riêng. Địa chỉ IP công cộng là địa chỉ được cấp bởi các tổ chức quản lý Internet chính thức, và được xác định duy nhất trên mạng Internet toàn cầu; địa chỉ IP dùng riêng là địa chỉ có ý nghĩa cục bộ trong một mạng nhất định. Do đó, nó có thể được dùng trong nhiều mạng khác nhau.
Việc sử dụng địa chỉ IP dùng riêng sẽ giúp bảo tồn không gian địa chỉ IP v.4 ngày càng cạn kiệt. Mặt khác, do không phải thực hiện các thủ tục đăng ký (như với IP công cộng) nên không làm ảnh hưởng đến tiến độ triển khai mạng lưới. Nhà khai thác mạng tự quản lý việc phân bố các địa chỉ cho thuê bao của mình. Thiết bị MS của người sử dụng cũng được bảo vệ nhờ Gateway thực hiện chức năng NAT/Firewall - ngăn cách giữa thiết bị di động và mạng ngoài.
Địa chỉ IP dùng riêng có hiệu quả với một số ứng dụng ngày nay như WAP, Web, FTP, POP 3 Email,… tuy nhiên, loại địa chỉ này lại bị giới hạn về số lượng. Không gian địa chỉ IP dùng riêng lớn nhất là Class A (10.x.x.x) tương đương khoảng 16 triệu địa chỉ IP. Do vậy, nếu tại một thời điểm một nhà khai thác GPRS có nhiều hơn 16 triệu khách hàng cùng on-line sử dụng dịch vụ số liệu sẽ dẫn đến không đủ địa chỉ để cung cấp.
Địa chỉ IP động:
Địa chỉ IP động được cấp cho MS mỗi lần thực hiện thủ tục kích hoạt giao thức số liệu gói. Việc phân bố IP động có thể sử dụng trong trường hợp khi MS tạm trú di động trong vùng phục vụ của GGSN hay khi MS thường trú di động ra ngoài vùng phục vụ GGSN.
Khi MS là tạm trú thì GGSN tạm trú có nhiệm vụ cấp địa chỉ IP động cho MS; còn khi MS là thường trú thì GGSN thường trú sẽ cấp địa chỉ IP động cho MS đó.
Nhờ việc sử dụng IP động, nhà cung cấp dịch vụ có thể tái sử dụng các địa chỉ trong số các địa chỉ mà nhà cung cấp dịch vụ được phép sử dụng. Điều này cho phép giảm đáng kể số địa chỉ mà nhà cung cấp dịch vụ phải sử dụng.
Địa chỉ IP tĩnh:
Địa chỉ IP tĩnh được cấp riêng cho mỗi MS. Thông tin về địa chỉ IP tĩnh được lưu tại HLR và được chuyển đến SGSN khi thuê bao kết nối với mạng. Việc sử dụng địa chỉ IP tĩnh cho phép nhà cung cấp dịch vụ cấp cho thuê bao một địa chỉ riêng. Địa chỉ IP tĩnh có ý nghĩa là định danh duy nhất và cố định đối với MS trong mạng dịch vụ. Khi đó các MS có thể dễ dàng trao đổi dữ liệu với nhau và với các phần tử khác trong mạng nhờ biết địa chỉ IP của nhau và nhờ đó tính an toàn số liệu cũng cao hơn.
Phân chia các kết nối IP trong hệ thống GPRS
Các bộ định tuyến trong mạng đường trục có nhiệm vụ xác định địa chỉ IP của tất cả các MS kết nối với hệ thống. Khi nhận một gói tin IP, các bộ định tuyến sẽ tiến hành phân tích địa chỉ rồi sau đó sẽ định tuyến tới SGSN, BTS và cuối cùng tới MS ứng với địa chỉ ghi trên gói tin. Cũng tương tự như vậy, các gói tin gửi từ thiết bị đầu cuối vào mạng Internet sẽ được thiết bị MS chuyển tới SGSN rồi sau đó tới các
bộ định tuyến. Tại các bộ định tuyến, các gói tin sẽ được chuyển vào mạng dịch vụ theo giao thức IP thông thường.
Để đảm bảo an toàn, hệ thống phải có những hạn chế nhất định với từng thiết bị truy cập mạng cụ thể (ví dụ, máy chủ Internet hay một thuê bao bình thường sẽ không được phép truy cập tới và điều khiển máy trạm GPRS). Để làm được điều này, người ta phân các kết nối IP GPRS thành các loại sau:
Hệ thống cung cấp dịch vụ Internet (ISP) hay LAN công cộng
Mạng quản lý
Mạng đường trục GPRS
Mạng dịch vụ.
- Mạng cung cấp dịch vụ Internet ISP
Là mạng được sử dụng để kết nối hệ thống GPRS với Internet. Mọi thuê bao hợp lệ trong mạng di động GPRS đều có thể truy cập tới ISP. Giao diện giữa GPRS với ISP hay mạng LAN công cộng sẽ được kích hoạt khi thủ tục thiết lập giao thức số liệu gói bắt đầu được thực hiện và giao diện này được sử dụng để truyền tín hiệu tải tin trong quá trình trao đổi số liệu.
Khi bản tin yêu cầu thiết lập giao thức số liệu gói được gửi tới GGSN, hệ thống có thể sử dụng giao thức RADIUS để xác thực các thuê bao. Sau khi xác thực đúng và việc thiết lập giao thức số liệu gói đã hoàn thành, mạng IP ngoài có thể gửi trả lại một địa chỉ IP để cấp cho MS (trường hợp MS sử dụng địa chỉ động).
Địa chỉ IP của MS có thể là công cộng mà cũng có thể là dùng riêng. Trong trường hợp thiết bị MS chỉ có địa chỉ IP dùng riêng thì MS đó vẫn có thể kết nối với mạng Internet thông qua các hệ chuyển đổi địa chỉ mạng (NAT hoặc Proxy). Quá trình chuyển đổi địa chỉ hoàn toàn trong suốt đối với toàn bộ hệ thống GPRS. Bản thân các nút mạng GGSN cũng không có chức năng chuyển đổi địa chỉ mà các chức năng
MS sử dụng địa chỉ IP dùng riêng để kết nối với một thiết bị khác trong nội bộ hệ thống GPRS thì không cần phải thực hiện thủ tục chuyển đổi địa chỉ mạng. Khi cần bảo mật các gói tin IP, người ta còn sử dụng giải pháp bảo mật bởi giao thức IP sec (giao thức bảo mật lớp IP) để truyền các gói.
- Mạng đường trục GPRS
Mạng đường trục GPRS được sử dụng để kết nối các nút hỗ trợ dịch vụ chuyển mạch gói (GSN). Mỗi nút GSN kết nối với nút khác thông qua các bộ định tuyến và có thể truy cập được từ các máy MS trong mạng quản lý. Các bộ định tuyến trong GSN có nhiệm vụ truyền các gói tin IP tới đúng địa chỉ.
Như vậy, chức năng định tuyến của một GSN bao gồm các chức năng của một bộ định tuyến IP thông thường và các chức năng khác phụ khác bao gồm điều khiển lưu lượng và phân tải trong bản thân hệ thống GPRS. Vì lý do đó, có thể nói rằng bộ định tuyến có khả năng xử lý các gói tin IP và các giao thức IP một cách hiệu quả. Trong hệ thống GPRS, các bộ định tuyến có khả năng hỗ trợ việc định tuyến tĩnh (theo những tuyến cố định đã được xác định từ trước) cũng như tự định tuyến (định tuyến động) theo các giao thức định tuyến trong IP (RIP v.2 và OSPF v.2) và định tuyến theo giao thức cổng (BGP v.4) để kết nối với mạng IP bên ngoài. Hệ thống còn cho phép lựa chọn phương thức lọc các gói tin một cách cẩn thận, nhằm chống truy cập trái phép.
Tuy các yêu cầu về định tuyến trong tiêu chuẩn của ETSI về GPRS là tương đối lỏng lẻo và không bắt buộc nhưng để thực hiện hoạt động có hiệu quả thì các bộ định tuyến phải có khả năng thực hiện việc định tuyến một cách mềm dẻo. Nếu hệ thống không có khả năng tự định tuyến thì nhân viên vận hành sẽ phải lập sơ đồ định tuyến cho hệ thống tại từng thời điểm và từng mức lưu lượng. Nghĩa là rất khó để cho hệ thống luôn hoạt động ở mức tối ưu.
Để kết nối giữa các nút GSN thuộc hai mạng thông tin di động khác nhau người ta phải sử dụng một loại nút mạng đặc biệt gọi là cổng truy nhập biên BG. Các BG có nhiệm vụ kết nối các mạng đường trục của hệ thống GPRS với nhau. Trong hệ thống có sử dụng BG, một nút GSN của mạng này có thể truy cập vào mạng Internet thông qua các BG và hệ thống định tuyến của mạng kia.
Chức năng BG được tích hợp với GGSN trong một thiết bị vật lý và sử dụng một bộ định tuyến chung cho cả hai chức năng GGSN và BG. Do đó, cả hai giao diện vật lý cũng được dùng chung để truyền dữ liệu cho cả GGSN và BG.
Các kết nối mạng di động này tới mạng di động khác có thể có các đường kết nối trực tiếp thông qua các kênh dành riêng những cũng có thể là các kênh kết nối gián tiếp thông qua mạng Internet. Với BG trong mạng đường trục GPRS, người ta sử dụng các giao thức RIPV2, OSPFV2 và BGV4 cho việc định tuyến. Cũng giống như các bộ định tuyến bên trong GSN, trong các hệ thống kết nối liên mạng người ta dùng việc lọc gói tin và sử dụng phương thức truyền tin theo giao thức IP Sec cho mục đích bảo mật.
- Mạng quản lý
Mạng quản lý là mạng gồm các máy chủ giám sát toàn bộ hoạt động của hệ thống. Các máy chủ trong mạng quản lý có thể bao gồm cả các máy chủ trong hệ thống tính cước và có thể truy cập tới các nút GSN.
- Mạng dịch vụ
Mạng này chứa các máy chủ cung cấp dịch vụ Internet cho người sử dụng: các máy chủ trong mạng này là các máy chủ cung cấp tên miền (DNS), máy chủ thư điện tử (mail-server), máy chủ cung cấp các dịch vụ web (web-server)… như vậy, các máy chủ trong mạng cung cấp dịch vụ là các máy chủ có khả năng truy cập từ các thuê bao trong mạng.
Bây giờ, sẽ trình bày cách mà một mạng GPRS có thể kết nối với các mạng IP bên ngoài như Internet, Intranet… khi nhìn từ mạng ngoài, mạng GPRS giống như bất kỳ một mạng IP thông thường nào. Trong đó, GGSN đóng vai trò là bộ định tuyến và các trạm MS đóng vai trò như các máy trạm hay thiết bị đầu cuối số liệu. Giống như bất kỳ mạng IP khác, chúng có thể kết nối được với nhau và có thể kết nối với Internet. Gb PLMN A MS PLMN B MS Mạng truy cập {SGSN} BG {SGSN} Gp {SGSN} BG {SGSN} Mạng dịch vụ
Hình 17: Kết nối hệ thống mạng GPRS với Internet
Người ta sử dụng khi muốn trao đổi dữ liệu với mạng ngoài (trong trường hợp này là mạng Internet), phải được gán một địa chỉ IP. Địa chỉ này được lấy từ không gian địa chỉ mà nhà khai thác GPRS được cấp. Để có thể hỗ trợ một lượng lớn thuê bao, đặc biệt là trong bối cảnh không gian địa chỉ IP v.4 ngày càng cạn kiệt, do đó, người ta thường chọn giải pháp địa chỉ IP động. Để làm được điều này, có thể đặt máy chủ RADIUS hoặc máy chủ DHCP bên trong mạng cung cấp dịch vụ. Lúc này, GGSN sẽ đóng vai trò là một máy khách để nhận địa chỉ IP từ máy chủ RADIUS/DHCP cho trạm MS khi thực hiện dịch
{BSC} {BTS} {BSC} {BTS} Internet Đường trục GPRS