TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中SCCP協(xié)議解碼

0、引言

隨著TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)在中國飛速發(fā)展，基于該標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備已經(jīng)研制成功，并已能滿足商用要求。現(xiàn)階段，TD-SCDMA測試設(shè)備是最薄弱的環(huán)節(jié)，一方面，這直接影響到TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)鏈的完整性;另一方面，也影響到電信運營商對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部署與檢測，基于這樣的現(xiàn)實，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀的研制具有重要意義。

TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)測試儀中的信令分析，針對的是無線接入網(wǎng)(UTRAN)和核心網(wǎng)(CN)的協(xié)議棧[1]，其中包含一系列的傳輸層和無線層協(xié)議。儀表協(xié)議分析的基礎(chǔ)是要能夠?qū)崿F(xiàn)對所接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼解析，在此功能準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)上，儀表才可以進(jìn)行更高級的統(tǒng)計追蹤功能。在進(jìn)行協(xié)議分析時，鑒于協(xié)議之間消息格式和處理機(jī)制的不同，以及軟件模塊化的實現(xiàn)要求，采取以單個協(xié)議進(jìn)行模塊封裝的辦法是更有效的，其好處在于能夠忽略協(xié)議間功能和格式的細(xì)微差別，對單個協(xié)議的分析方法也能在很大程度上推廣到其他協(xié)議。以UT-RAN內(nèi)部的協(xié)議棧為例，從下至上分為信令適配層、傳輸層和無線網(wǎng)絡(luò)層[2]，其中信令適配層和傳輸層的協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)中都有

明確的消息結(jié)構(gòu)，而無線網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議是采用ASN1(abstract syntax notation)語法進(jìn)行描述[3]，導(dǎo)致消息封裝的方法有所不同，進(jìn)而帶來解碼方式上的差異。

我們在本文中研究的主要內(nèi)容是TD-SCDMA的CN以及UTRAN協(xié)議棧中信令連接控制部分協(xié)議(signalling connection control part，SCCP)消息的分析，一方面描述如何根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的協(xié)議消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行解碼;另一方面結(jié)合實際情況探討SCCP協(xié)議上層PDU的獲取方法。

1、SCCP協(xié)議消息概述

SCCP協(xié)議是7號信令用戶部分的一種補充功能級，SCCP協(xié)議位于消息傳輸部分協(xié)議(message transfer part，MTP)之上，為MTP提供附加功能。

在TD-SCDMA的CN以及UTRAN的協(xié)議棧中，都包含有SCCP協(xié)議，該協(xié)議位于協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)控制平面中[3]，如圖1所示。

圖1　Iu接口無線網(wǎng)絡(luò)控制平面的協(xié)議棧

SCCP協(xié)議處于無線協(xié)議無線接入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部分(radio access network application part，RANAP)以下，ATM適配層協(xié)議以上，位于傳輸層，對于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸起著相當(dāng)重要的作用。

ITU-T在不改變原有MTP功能的基礎(chǔ)上，增加了SCCP，目的就是在信令網(wǎng)中建立邏輯信令連接，以傳送與電路無關(guān)的消息。因為隨著通信網(wǎng)和通信新業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，越來越多的業(yè)務(wù)需要和遠(yuǎn)端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接傳送控制消息，這些消息和呼叫連接的電路無關(guān)，甚至根本與呼叫無關(guān)，如現(xiàn)在通信網(wǎng)中開放的智能網(wǎng)業(yè)務(wù)、移動電話的漫游業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)的運行、管理和維護(hù)等，而這些業(yè)務(wù)僅僅用MTP已無法滿足要求。[3]

SCCP能提供4類業(yè)務(wù)，2類無連接業(yè)務(wù)，2類面向連接業(yè)務(wù)。無連接業(yè)務(wù)類似于分組交換網(wǎng)中的數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù);面向連接業(yè)務(wù)類似于分組交換網(wǎng)中的虛電路業(yè)務(wù)。

無連接業(yè)務(wù)不需要預(yù)先建立連接就可以在信令網(wǎng)中傳送信令消息。無連接業(yè)務(wù)又分為基本無連接業(yè)務(wù)和有序的無連接業(yè)務(wù)，也稱為0類業(yè)務(wù)和1類業(yè)務(wù)。0類業(yè)務(wù)不保證消息的順序傳輸，各個消息被獨立地進(jìn)行傳送，相互不發(fā)生關(guān)系，因而在這種情況下，不能保證按照發(fā)送的順序把消息送到目的地信令點;1類業(yè)務(wù)給來自同一消息流的數(shù)據(jù)信息附上了同一信令鏈路選擇SLS，即經(jīng)由同一信令鏈路傳送，因此可以保證按照發(fā)送的順序把消息送到目的地信令點。

面向連接業(yè)務(wù)在傳送消息之前，需要在源點和目的點之間建立一條消息傳送路徑，即邏輯連接。這種方式適合傳送大批量的數(shù)據(jù)。面向連接業(yè)務(wù)又分為基本面向連接業(yè)務(wù)和帶流量控制的面向連接業(yè)務(wù)，即2類業(yè)務(wù)和3類業(yè)務(wù)。它們共同的特點是保證消息發(fā)送和接收的順序一致。此外，3類業(yè)務(wù)具有流量控制功能、消息丟失及錯序的檢測功能等。在2類業(yè)務(wù)中，由于各個數(shù)據(jù)信息沒有順序號，因此不能完成順序控制和流量控制。

SCCP是在不改變原有MTP功能的基礎(chǔ)上增加的，它對MTP的改進(jìn)主要有以下功能：①能夠傳送各種與電路無關(guān)的信令消息;既支持無連接業(yè)務(wù)，又支持面向連接業(yè)務(wù);②具有增強(qiáng)的尋址功能，擴(kuò)大了業(yè)務(wù)范圍;③具有地址翻譯功能，可以在全球互連的不同7號信令網(wǎng)之間實現(xiàn)信令的直接傳輸;④具有管理功能，可以管理SCCP子系統(tǒng)狀態(tài)。

根據(jù)ITU-T Q.713，SCCP主要的消息類型[4]如表1所示。

表1　SCCP消息類型

一條完整SCCP消息包含以下4部分，消息類型、必選固定部分、必選可變長部分以及可選部分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　SCCP消息整體結(jié)構(gòu)

Message type字段的長度為1個字節(jié)，位于SCCP消息的開始，任何對SCCP消息的分析都要以判斷消息類型作為第一步。

SCCP協(xié)議是7號信令中的重要協(xié)議，處于無線接入網(wǎng)的Iu接口以及核心網(wǎng)接口中。網(wǎng)絡(luò)接口的協(xié)議之間是以協(xié)議棧的方式進(jìn)行組合的，而信令數(shù)據(jù)也是按照協(xié)議棧的分層關(guān)系進(jìn)行封裝的，由于SCCP層處于協(xié)議棧的中間，它上層協(xié)議的數(shù)據(jù)將作為SCCP的凈荷數(shù)據(jù)封裝在SCCP消息中，而SCCP消息整體又作為其下層協(xié)議消息的凈荷封裝進(jìn)整條二進(jìn)制數(shù)據(jù)。在實際的解碼過程中，正是要按照協(xié)議棧由底向上的順序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。以Iu接口為例，無線網(wǎng)絡(luò)層RANAP協(xié)議處于SCCP層以上，因此，RANAP消息被裝入SCCP的DATA數(shù)據(jù)中，SCCP消息則作為MTP3B協(xié)議消息的凈菏繼續(xù)被下層協(xié)議封裝?；谶@種不同協(xié)議間數(shù)據(jù)的封裝關(guān)系，以解碼為基礎(chǔ)的信令分析還有另外一個需求，即定位和提取上層協(xié)議的數(shù)據(jù)。協(xié)議分析進(jìn)行模塊劃分決定了解碼是每個協(xié)議自身完成的任務(wù)，而數(shù)據(jù)總是由下層提供，也就是說每個協(xié)議層應(yīng)該有2個基本的功能，一個是解碼，另一個就是定位和提取上層數(shù)據(jù)。

2、SCCP協(xié)議消息的解碼分析

SCCP協(xié)議消息的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　SCCP消息詳細(xì)結(jié)構(gòu)

圖3中，給出了SCCP協(xié)議消息的詳細(xì)消息結(jié)構(gòu)，從圖3中可以看出每條消息是由4部分構(gòu)成：消息類型+必選固定部分+必選可變部分+可選部分。下面對這4部分規(guī)則分別進(jìn)行解釋。

●Message type code：消息類型字段只有一個字節(jié)，該字段是所有SCCP消息必須包含，SCCP協(xié)議的消息類型已經(jīng)在前面的表格中有了說明。

●Mandatory fixed part：必選固定部分參數(shù)是指那些在消息中必須存在的并且位置、參數(shù)長度以及出現(xiàn)順序都由消息類型確定好的參數(shù)。因為這些參數(shù)的出現(xiàn)位置和長度都是固定的，因此在消息中并不需要額外的字段用來表示它們的類型和長度，只需在相應(yīng)的位置提供參數(shù)內(nèi)容即可。

●Mandatory variable part：必選可變部分參數(shù)是指那些在消息中必須存在的但是參數(shù)長度可變的參數(shù)，每個必選可變部分參數(shù)都有一個指針指向該參數(shù)內(nèi)容開始的位置，在不同的消息中，必選可變部分參數(shù)指針的順序在消息中是固定排列好的，因此對于必選可變部分參數(shù)，也不需要提供參數(shù)類別，雖然必選可變部分參數(shù)的指針順序是固定的，但是其內(nèi)容順序有可能與指針順序不同，另外，因為這種參數(shù)的長度可變，所以每個參數(shù)內(nèi)容中都包含1個或2個字節(jié)用來表示參數(shù)長度。

●Optional part：可選部分參數(shù)是指那些在消息中定義了的可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)的參數(shù)，整個可選部分的起始位置由必備可變部分參數(shù)的最后一個指針來指明，該指針指示的是可選部分第一個參數(shù)開始位置的指針。如果消息類型指示沒有可選部分參數(shù)存在，那么這個指針將不存在，如果消息類型指示有可選部分存在，但對于一條具體消息時并不包含這些可選參數(shù)，那么該指針?biāo)谧侄螒?yīng)該全為0?？蛇x部分可以包含固定長度參數(shù)或者可變長度參數(shù)。另外，可選部分參數(shù)在消息中的發(fā)送順序是不受限制的，比如一條SCCP消息3個可選部分參數(shù)，這3個參數(shù)出現(xiàn)的順序和協(xié)

議標(biāo)準(zhǔn)中描述的順序可以不同，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中只是說明這3個是可選的參數(shù)，并沒有規(guī)定其出現(xiàn)的順序。鑒于以上描述的可選部分參數(shù)的特點，任何一個可選部分參數(shù)都必須包括參數(shù)名，參數(shù)內(nèi)容，如果參數(shù)長度可變，還必須包括參數(shù)長度。

●End of optional parameters octet：在可選部分參數(shù)的最后，有一個長度為1字節(jié)，內(nèi)容為全0的end of parameters參數(shù)，這個參數(shù)用來表示可選部分參數(shù)的結(jié)束，該參數(shù)只有當(dāng)可選部分參數(shù)在消息中存在的時候才出現(xiàn)。

1)消息內(nèi)容的發(fā)送順序：在SCCP消息中，所有的參數(shù)都包含整數(shù)個字節(jié)，參數(shù)的格式都是按照字節(jié)棧的形式，在實際消息的傳送過程中，先發(fā)送的是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中描述的位于棧頂?shù)牡托蛱栕止?jié)，最后發(fā)送的是位于棧底的高序號字節(jié)。

2)長度參數(shù)的解碼規(guī)則：長度參數(shù)字段被解碼為二進(jìn)制值，用來表示參數(shù)內(nèi)容字段的長度，長度參數(shù)字段的值不包括參數(shù)名稱和參數(shù)長度占用的2個字節(jié)。

3)指針的解碼規(guī)則：指針的二進(jìn)制值表示了該指針的高位字節(jié)與該指針?biāo)傅膮?shù)之間相隔的字節(jié)數(shù)。

在SCCP協(xié)議中，消息都是遵循上面描述的固定結(jié)構(gòu)。對某一條具體的消息，比如CR(conneetion qequest)，在Q.713協(xié)議中對消息中包含的參數(shù)做了規(guī)定[5]，如表2所示。

表2　SCCP CR消息參數(shù)表

SCCP消息中消息類型，必選固定部分參數(shù)和必選可變部分參數(shù)都是按照固定的順序規(guī)定好的，而可選部分參數(shù)的情況并不固定，消息中只規(guī)定了可能包含的可選參數(shù)，但對可選參數(shù)在實際消息中是否出現(xiàn)以及出現(xiàn)的順序并沒有說明。

在編寫解碼函數(shù)的程序時，由于SCCP協(xié)議最底層的解碼單位是參數(shù)級別，即像Message type，Source local reference和Protocol class等參數(shù)，各自都有對應(yīng)的參數(shù)解碼函數(shù)，因此對于消息類型參數(shù)，必選固定部分參數(shù)，必選可變部分參數(shù)，只要按照順序調(diào)用參數(shù)解碼函數(shù)就可以完成解碼，真正復(fù)雜的是對可選參數(shù)的處理，因為消息定義中的可選參數(shù)在實際消息中是否出現(xiàn)以及參數(shù)出現(xiàn)的順序是不固定的，唯一確定的是，可以通過可選部分參數(shù)指針找到可選部分參數(shù)開始的位置，然后通過消息總長度減去固定部分長度得到可選部分長度，最后再根據(jù)可選參數(shù)部分的結(jié)構(gòu)通過循環(huán)處理的方式進(jìn)行解碼，每次循環(huán)處理的過程是先判斷可選參數(shù)的類型，然后調(diào)用相應(yīng)的參數(shù)解碼函數(shù)。下面用一個流程圖來說明CR消息的解碼過程，此過程可以推廣到所有其他SCCP消息的解碼，如圖4所示。

圖4　SCCP協(xié)議CR消息的解碼流程圖

3、實際測試中的SCCP消息組裝問題

網(wǎng)絡(luò)中的SCCP消息長度一般在100個字節(jié)內(nèi)，SCCP消息需要封裝上層RANAP或者RNSAP的數(shù)據(jù)，而上層數(shù)據(jù)通常不會很長，一條SCCP消息完全可以容納，但在少數(shù)情況下，上層數(shù)據(jù)需要分段由幾條SCCP消息中傳輸，而多條SCCP消息再分散在底層的ATM信元中傳送。這個現(xiàn)象從邏輯上是容易理解的，但從數(shù)據(jù)分析的角度，尤其是從數(shù)據(jù)接收端的角度來看，處理就要復(fù)雜很多，因為盡管數(shù)據(jù)分段的情況相對較少，但是信令分析注重消息解析的準(zhǔn)確性和信令流程的連貫性，為了達(dá)到這2個要求，就要保證接收端能夠準(zhǔn)確完成數(shù)據(jù)的組裝，在此基礎(chǔ)上，對SCCP層的分析以及更高層如RANAP協(xié)議的分析才能夠保證。

在SCCP協(xié)議的消息中，絕大部分都包含data或longdata參數(shù)，這2個參數(shù)表示SCCP的用戶數(shù)據(jù)(service data unit，SDU)，也叫做SCCP上層協(xié)議的協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol olata unit，PDU)。SCCP的大多數(shù)消息都包含數(shù)據(jù)參數(shù)，從而加大了獲取PDU的難度，另外，消息類型的不同導(dǎo)致獲取的方法也不同，包含Data參數(shù)的消息分類如表3所示。

表3　包含Data參數(shù)的消息分類表

當(dāng)調(diào)用SCCP協(xié)議模塊的獲取上層PDU函數(shù)時，首先判斷消息類型，如果不在

以上消息類型中，則不存在用戶數(shù)據(jù)，那么僅僅完成解碼即可;如果是以上消息類型中的一種，那么就需要調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行獲取SDU的操作。由于包含用戶數(shù)據(jù)的消息比較多，為了處理方便和邏輯清晰，在模塊實現(xiàn)時為表3中的消息定義了各自的函數(shù)。

表3中有兩列內(nèi)容分別是輔助參數(shù)和它們的存在性。輔助參數(shù)是指在相應(yīng)消息中對于獲取SDU有幫助的參數(shù)，而存在性就表示該輔助參數(shù)在相應(yīng)消息中的存在可能，F(xiàn)和V表示一定存在，0表示可能存在。輔助參數(shù)的作用主要是用來告知消息中包含的Data是完整的還是需要分段傳送的，如果完整，那么取得數(shù)據(jù)后函數(shù)就把PDU數(shù)據(jù)返回;否則要對來自多條SCCP消息的多個Data進(jìn)行組裝。在表3中用A，B，C，D對消息處理進(jìn)行了分類，每個類型代表一種處理的復(fù)雜程度如表4所示。

表4　獲取SDU分析表a

根據(jù)獲取Data數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度，把相應(yīng)函數(shù)分為4類。每類函數(shù)根據(jù)處理的復(fù)雜程度，都需要輔助函數(shù)的支持，例如，類型2中對DT1和DT2的處理，這2條消息中都有參數(shù)包含more data indicator字段，其作用是指示本條數(shù)據(jù)消息后面是否有屬于同一個SDU的數(shù)據(jù)，因此該參數(shù)是DT1和DT2消息獲取數(shù)據(jù)的重要操作依據(jù)。對于其他類型的函數(shù)，輔助參數(shù)起著同樣的作用，另外個別輔助參數(shù)本身是可選的，如類型4函數(shù)中的輔助參數(shù)segments，因此在類型4函數(shù)處理時需要判斷的條件就很多，首先需要知道segments參數(shù)是否存在，存在的話才有組裝的可能，不存在的話說明數(shù)據(jù)不需要組裝。4類函數(shù)對參數(shù)的需要性如表5所示。

表5　獲取SDU分析表b

在實際的SCCP消息中，大多都是用DT1消息來承載上層數(shù)據(jù)，獲取DT1消息的函數(shù)屬于表5中的第2類，下面就以該消息為例來說明SCCP協(xié)議獲取上層PDU的方法，DT1的格式[5]如表6所示。

表6　DT1消息結(jié)構(gòu)

第1個參數(shù)(Message type)表示消息類型，根據(jù)消息類型表格可知，DT1消息類型為OX0000 0110即6;第2個參數(shù)(Destination local reference)是目的地本地參考，表示目的地地址信息;第3個參數(shù)(Segmenting/reassembling)叫做分割/組裝，長度是1個字節(jié)，格式如圖5所示。

圖5　Segmenting/reassembling參數(shù)結(jié)構(gòu)

該參數(shù)長度為一個字節(jié)，最低位是信息字段M，為0表示消息后面沒有分段的數(shù)據(jù);為1則表示有。圖6表示在模擬真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，以DT1數(shù)據(jù)的傳輸為例，說明所有可能的情況。

圖6　DT1數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳送的可能情況示意圖

DT1消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送共4種可能，每種類型中右邊的表示本條DT1消息，圖6左邊的表示上條DT1消息，兩消息中都有M指示，下面分別說明。

類型1：本條DT1數(shù)據(jù)和前面的DT1是連續(xù)的，另外本條DT1數(shù)據(jù)后面還有連續(xù)的數(shù)據(jù)，在此情況下，應(yīng)該把本條DT1數(shù)據(jù)串接在前面的D

T1后面，并且繼續(xù)等待后面的包含同類內(nèi)容的數(shù)據(jù)。

類型2：本條DT1數(shù)據(jù)和前面的DT1是連續(xù)的，另外本條DT1數(shù)據(jù)后面沒有連續(xù)的數(shù)據(jù)，在此情況下，應(yīng)該把本條DT1數(shù)據(jù)串接在前面的DT1后面，構(gòu)成一個完整的上層數(shù)據(jù)PDU交給上層處理。

類型3：本條DT1數(shù)據(jù)和前面的DT1不是連續(xù)的，另外本條DT1數(shù)據(jù)后面有連續(xù)的數(shù)據(jù)，在此情況下，應(yīng)該把本條DT1數(shù)據(jù)保存起來等待后面同類數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝。

類型4：本條DT1數(shù)據(jù)和前面的DT1不是連續(xù)的，另外本條DT1數(shù)據(jù)后面沒有連續(xù)的數(shù)據(jù)，在此情況下，應(yīng)該用本條DT1數(shù)據(jù)作為上層PDU。

下面用流程圖的形式來說明獲取DT1消息上層數(shù)據(jù)的程序處理過程，如圖7所示。

圖7　獲取DT1消息上層PDU函數(shù)流程圖

在真實的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，在使用CR消息建立完SCCP連接后，SCCP協(xié)議出現(xiàn)最多的就是DT1，SCCP層的主要作用是封裝無線層的信令數(shù)據(jù)，而上層數(shù)據(jù)才是對分析網(wǎng)絡(luò)以及應(yīng)用最有價值的信息?；谶@樣的現(xiàn)實，分析DT1消息有重要意義，盡管在SCCP協(xié)議中還有其他消息也包含數(shù)據(jù)信息，但在實際信令中出現(xiàn)的情況并不多。

5、結(jié)束語

通過對SCCP協(xié)議解碼和獲取上層數(shù)據(jù)的分析，一方面為模塊實現(xiàn)提供了設(shè)計方案，另一方面可以把SCCP協(xié)議的分析方法推廣到TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧中其他傳輸層的協(xié)議分析中。在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)分析儀的軟件模塊中，采用面向?qū)ο缶幊谭椒╗7]對SCCP部分進(jìn)行了實現(xiàn)，該模塊在儀表測試的過程中表現(xiàn)穩(wěn)定，通過實踐論證了設(shè)計方案的正確性。

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