移动数据通信网络工作原理（SGSNGGSN）
最近公司在做移動網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和治理工作，借這個(gè)機(jī)會，好好學(xué)習(xí)了下移動網(wǎng)絡(luò)底層傳輸?shù)墓ぷ髟?#xff0c;并將結(jié)果分享出來。
- 1 移動網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)
- 2 GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
- 2.1 無線接入網(wǎng)RAN
- 2.2 無線核心網(wǎng)CN
- 2.3 GTP隧道協(xié)議
- 3. 無線核心網(wǎng)工作原理
- 3.1 分組業(yè)務(wù)會話連接建立
- 3.2 分組會話傳輸
- 3.3 分組會話結(jié)束
- 4. 移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議
- 4.1 APP節(jié)約用電
- 4.2 服務(wù)端推送優(yōu)于客戶端輪詢
- 4.3 面對多網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)變化的現(xiàn)實(shí)
- 5. 根據(jù)移動通信原理解釋常見的網(wǎng)絡(luò)疑問
1 移動網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)
GSM（Global System For Mobile Communications）是第一代移動通信網(wǎng)絡(luò)，也就是常用的2G移動電話系統(tǒng)。其做出的改變是將信令和語音信道都轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的。
GPRS（General Packet Radio Service）是第二代移動通信系統(tǒng)，在GSM的基礎(chǔ)上，采用分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，利用“包交換”（Packet-Switched）將數(shù)據(jù)封裝成許多獨(dú)立的封包,再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，效率比GSM高的多，因?yàn)檫@樣做，只有在需要傳輸時(shí)，才會占用帶寬。GPRS核心網(wǎng)元包括SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node）
UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）在GPRS的基礎(chǔ)上，引入了WCDMA空中接口技術(shù)，“空中接口”相對于有線通信中的線路接口，是基站和移動電話之間的無線傳輸規(guī)范，它定義每個(gè)無線信道的使用頻率。UMTS被稱為第三代移動通信系統(tǒng)。同時(shí)，GPRS/UMTS也成為了一個(gè)完整的3G移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
LTE（Lang Term Evolution）是目前普遍應(yīng)用的4G通信的主流技術(shù)，原有3G核心網(wǎng)的SGSN和GGSN功能歸并后重新被劃分，生成新的邏輯網(wǎng)元：移動管理實(shí)體（MME）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gateway）。換言之，3G和4G核心網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)是不同的，演進(jìn)過程中需要對SGSN和GGSN的軟硬件進(jìn)行升級。
綜上所述，GPRS/UMTS起到了承前啟后的作用，其工作原理與機(jī)制也被4G、5G所沿用并優(yōu)化。因此我們詳細(xì)來看GPRS/UMTS系統(tǒng)。
2 GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
簡單來說，GPRS/UMTS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括兩部分：無線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）。如下圖所示：
2.1 無線接入網(wǎng)RAN
無線接入網(wǎng)(Radio Access Network)，簡稱RAN。RAN中包括的設(shè)備包括有：基站(Node B)和無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，主要的功能就是控制用戶通過無線接入到移動通信網(wǎng)絡(luò)中來。
其中，基站的作用是為了數(shù)據(jù)的無線傳遞，而RNC主要用于管理和控制它下面的多個(gè)基站，并決定接入到核心網(wǎng)。
2.2 無線核心網(wǎng)CN
現(xiàn)階段，3G核心網(wǎng)由電路域（CS域）和分組域（PS域）兩部分組成，分別負(fù)責(zé)傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)和分組域業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)），我們只看PS域。
PS核心網(wǎng)主要由SGSN和GGSN兩部分組成。統(tǒng)稱為GSN，GSN的功能包括：
SGSN
SGSN主要用于為在其地理范圍內(nèi)的移動站傳遞數(shù)據(jù)包，相當(dāng)于無線網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。它可以進(jìn)行分組路由和轉(zhuǎn)發(fā),移動性管理（附著,去附著和位置管理）,邏輯鏈路管理,鑒權(quán)以及計(jì)費(fèi)功能。SGSN的位置寄存器保存著位置信息,比如當(dāng)前的小區(qū)。
SGSN的主要功能包括：
1 完成和GGSN的通信，通過GTP協(xié)議將用戶數(shù)據(jù)傳遞給GGSN，并將GGSN返回的數(shù)據(jù)傳遞給用戶
2 當(dāng)用戶地理位置發(fā)生變化，執(zhí)行移動性管理。
GGSN
GSGN作為整個(gè)GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，位于GPRS網(wǎng)絡(luò)和外部分組交換網(wǎng)絡(luò)（Internet）之間。網(wǎng)關(guān)的作用能將一種協(xié)議格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一種格式的數(shù)據(jù)。
GGSN把來自的SGSN的GPRS數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆纸M數(shù)據(jù)協(xié)議格式,比如IP，然后再把它們發(fā)送到相應(yīng)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，比如廣域有線網(wǎng)。反之亦然。
SGSN和GGSN的區(qū)別
所以，GGSN和SGSN的主要區(qū)別就在于，GGSN作為網(wǎng)關(guān)，是在不同的通信網(wǎng)中轉(zhuǎn)換協(xié)議，而SGSN作為路由，只是在使用相同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送、接受以及延遲它的數(shù)據(jù)包。
另外，GGSN能夠?qū)崿F(xiàn)地址的轉(zhuǎn)換，比如把無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部地址（PDP地址）轉(zhuǎn)換為一個(gè)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址（IP地址），而SGSN只能實(shí)現(xiàn)PDP地址映射，即根據(jù)一個(gè)地址，映射到相同種類的另一個(gè)地址。可見，我們常說的3、4G網(wǎng)絡(luò)的IP地址，其實(shí)就是對應(yīng)GGSN的出口IP地址。
2.3 GTP隧道協(xié)議
GTP協(xié)議為GPRS/UMTS分組域核心網(wǎng)中的SGSN和GGSN之間的信令和用戶數(shù)據(jù)提供隧道。隧道協(xié)議能夠?qū)⑵渌麉f(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包重新封裝然后通過隧道發(fā)送。新的幀頭提供路由信息，以便在不同網(wǎng)絡(luò)下傳遞被封裝的負(fù)載數(shù)據(jù)
GPRS隧道通過GTP協(xié)議封裝了含有終結(jié)點(diǎn)標(biāo)識TEID的頭，用于實(shí)現(xiàn)路由以及多路復(fù)用。在核心網(wǎng)內(nèi)部通過GTP協(xié)議通信，在外部數(shù)據(jù)網(wǎng)側(cè)是TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議通信，所以數(shù)據(jù)報(bào)在這兩種網(wǎng)絡(luò)間交互需要對數(shù)據(jù)報(bào)頭進(jìn)行處理（SGSN、GGSN都可以實(shí)現(xiàn)）。進(jìn)入核心網(wǎng)時(shí)需要對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行加GTP頭處理，反之，則需要對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行去GTP頭處理。
3. 無線核心網(wǎng)工作原理
在GPRS/UMTS分組域核心網(wǎng)中，通過PDP上下文（Pocket Data Protocol, 分組數(shù)據(jù)協(xié)議）來管理用戶從移動終端到GGSN及外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)路由信息。PDP上下文的數(shù)據(jù)分別存儲在移動終端、SGSN和GGSN中。移動用戶需要使用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，需要先執(zhí)行激活PDP上下文，激活成功后，在移動終端、SGSN和GGSN中就增加了一條新的PDP上下文記錄，根據(jù)這條記錄信息，SGSN和GGSN才能正確地路由和轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)。
所以，一個(gè)完整的分組業(yè)務(wù)過程包括三個(gè)階段：
- 分組域會話連接建立階段：用戶在移動終端一側(cè)發(fā)起激活PDP上下文的請求，GPRS/UMTS接受用戶的請求并建立新的PDP上下文。PDP上下文包含了映射和路由信息，用于在移動臺和GGSN之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；
- 分組域會話階段：用戶得到PDP上下文建立成功的確認(rèn)后，開始使用外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（簡單說，開始使用互聯(lián)網(wǎng)Internet服務(wù)）。GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)在移動終端和互聯(lián)網(wǎng)之間透明地路由并轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，同時(shí)，提供數(shù)據(jù)封裝功能（GTP），保證在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)與路由的正確性。
- 分組域會話結(jié)束連接階段：當(dāng)用戶不再需要使用上述數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，GGSN釋放PDP地址。
3.1 分組業(yè)務(wù)會話連接建立
如下圖所示，移動終端發(fā)送PDP激活請求消息給SGSN，SGSN驗(yàn)證PDP類型，根據(jù)地址轉(zhuǎn)發(fā)到GGSN。GGSN在PDP上下文表中加入一條新的記錄，這條新的記錄允許GGSN在SGSN和互聯(lián)網(wǎng)之間正確地路由通信。
GGSN返回一條響應(yīng)消息給SGSN，SGSN更新自己的PDP上下文表，可以在GGSN和移動終端之間正確的路由通信。并發(fā)送響應(yīng)告知移動終端建連成功。
3.2 分組會話傳輸
當(dāng)PDP上下文成功建立后，該用戶就可以通過GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)，在移動終端使用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的各種應(yīng)用程序，如HTTP、FTP、郵件和流媒體業(yè)務(wù)。
3.3 分組會話結(jié)束
當(dāng)用戶不再使用業(yè)務(wù)時(shí)，移動終端發(fā)送去激活消息給SGSN。SGSN發(fā)送刪除PDP上下文請求給GGSN，GGSN刪除PDP上下文，并返回消息給SGSN。SGSN將去激活響應(yīng)消息再返回給移動終端。
4. 移動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議
移動網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦詫ξ覀兊男阅懿呗蕴岢隽诵碌摹ⅹ?dú)特的要求。應(yīng)用層協(xié)議雖然相同，但物理傳輸層的差別卻有很多限制，如果對這些限制估計(jì)不足，就會導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、延遲時(shí)間搖擺不定，最終導(dǎo)致用戶體驗(yàn)大打折扣。
底層的無線傳輸優(yōu)化必須依賴于運(yùn)營商，作為應(yīng)用程序提供方，參考《Web性能權(quán)威指南》，我們可以做的事情包括：
4.1 APP節(jié)約用電
手機(jī)無線電模塊的耗電量僅次于設(shè)備的屏幕，全功率打開無線電模塊只消幾小時(shí)就可耗盡電量。我們應(yīng)該盡最大可能在無線電開啟時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而盡量把喚醒無線電以傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù)減到最少。
這里提供給開發(fā)和測試一款開源工具，可以用于測試和評估應(yīng)用程序的耗電量：Application Resource Optimizer（ARO，應(yīng)用資源優(yōu)化器）工具包。
ARO包含兩個(gè)組件：收集器和分析器。其中，收集器是一個(gè)后臺Android應(yīng)用（可以在手機(jī)或模擬器中運(yùn)行），用于捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組、無線模塊活動息及其他與手機(jī)的交互行為。要想記錄用電情況，可以打開收集器，點(diǎn)擊記錄，使用應(yīng)用，然后將記錄結(jié)果復(fù)制到系統(tǒng)中。
得到記錄結(jié)果后，可以通過分析器打開它，從而得知無線電狀態(tài)、電量消耗、應(yīng)用的通信模式等信息。另外，分析器有一個(gè)很不錯的功能，即針對常見的性能陷阱提供建議，比如沒有壓縮、重復(fù)傳輸數(shù)據(jù)，等等。
4.2 服務(wù)端推送優(yōu)于客戶端輪詢
輪詢在移動網(wǎng)絡(luò)中代價(jià)極高，少用，盡可能使用推送和通知，且要控制推送頻率。一般來說，推送比輪詢效果更好。但頻率過高的推送與輪詢也不相上下。
對推送而言，原生應(yīng)用可以訪問平臺專有的推送服務(wù)，因此應(yīng)該盡可能使用。對Web應(yīng)用來說，可以使用SSE（Server Sent Events，服務(wù)器發(fā)送事件）和WebSocket以降低延時(shí)間和協(xié)議消耗，盡可能不使用輪詢和更耗資源的XHR技術(shù)。
4.3 面對多網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)變化的現(xiàn)實(shí)
即便用戶手里拿著最新的手機(jī)，也需要不斷在4G、3G，甚至2G網(wǎng)絡(luò)之間切換。我們的應(yīng)用必須接受這些接口變化，作出相應(yīng)調(diào)整：
- 不要緩存或試圖猜測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；
- 調(diào)度請求、監(jiān)聽并診斷錯誤；
- 瞬態(tài)錯誤總會發(fā)生，不可忽視，可以采取重試策略；
- 監(jiān)聽連接狀態(tài)，以便采用最佳請求方式；
- 對重試請求采用補(bǔ)償算法，不要永遠(yuǎn)循環(huán)；
- 離線時(shí)，盡可能記錄并在將來發(fā)送請求；
- 利用H5的AppCache和localStorage實(shí)現(xiàn)離線應(yīng)用。
5. 根據(jù)移動通信原理解釋常見的網(wǎng)絡(luò)疑問
了解了移動數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和工作原理后，對我們分析用戶常見的一些網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象和問題幫助很多，比如說：
場景一：在同一個(gè)地區(qū)，使用同一個(gè)運(yùn)營商的同一個(gè)基站的用戶出口IP是否相同？
不相同，正如我們上面說的，基站的作用其實(shí)僅僅是無線數(shù)據(jù)的傳遞（只涉及到物理層和數(shù)據(jù)鏈路層），而真正決定用戶出口IP的是GGSN（GGSN將無線地址轉(zhuǎn)換成IP地址）。而每個(gè)地區(qū)運(yùn)營商的GGSN，使用的不只一個(gè)IP地址，而是一個(gè)IP地址池。
所以同地區(qū)運(yùn)營商的用戶，IP地址不同，但會處于一個(gè)網(wǎng)段中。同時(shí)，每個(gè)用戶的IP在一定時(shí)間內(nèi)會變換（GGSN會從地址池中更新IP）
場景二：為什么手機(jī)漫游到外省后上網(wǎng)卻顯示歸屬地 IP？
比如用戶是上海聯(lián)通的，來到南京，顯示的仍是上海聯(lián)通的IP。
漫游用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的方案有兩種：1. 歸屬地接入方式，2. 漫游地接入方式。蘋果手機(jī)默認(rèn)使用歸屬地接入方式。
歸屬地接入方式就是無論用戶漫游還是在本地，最終都是通過歸屬地的GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)的。歸屬地接入方式的好處就是各省之間的計(jì)費(fèi)話單對賬方便，缺點(diǎn)就是增加了時(shí)延。
漫游地接入方式顧名思義就是直接使用漫游地運(yùn)營商的GGSN/P-GW接入Internet，此時(shí)用戶所使用的公網(wǎng)IP地址就是漫游地的IP地址。漫游地接入方式的優(yōu)點(diǎn)就是省去了數(shù)據(jù)可能要繞大半個(gè)中國甚至大半個(gè)地球的麻煩，有利于降低時(shí)延，節(jié)省長途鏈路資源等等。
場景三：漫游手機(jī)用戶的網(wǎng)絡(luò)問題應(yīng)該如何排查？
漫游手機(jī)用戶的網(wǎng)絡(luò)問題肯定是由于漫游地運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)造成的。而如果采用歸屬地接入方式的話，網(wǎng)絡(luò)問題有可能是歸屬地運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)造成，也有可能是由漫游地的SSGN無線核心網(wǎng)造成的。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的移动数据通信网络工作原理（SGSNGGSN）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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