移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程

你一定知道手機(jī)上網(wǎng)有 2G、3G、4G的說(shuō)法，究竟這都是什么意思呢？有一個(gè)通俗的說(shuō)法就是：用 2G 看 txt，用 3G 看 jpg，用4G看 avi。

2G 網(wǎng)絡(luò)

手機(jī)本來(lái)是用來(lái)打電話的，不是用來(lái)上網(wǎng)的，所以原來(lái)在 2G 時(shí)代，上網(wǎng)使用的不是 IP 網(wǎng)絡(luò)，而是電話網(wǎng)絡(luò)，走模擬信號(hào)，專業(yè)名稱為公共交換電話網(wǎng)（PSTN，PublicSwitchedTelephoneNetwork）。

那手機(jī)不連網(wǎng)線，也不連電話線，它是怎么上網(wǎng)的呢？

手機(jī)是通過(guò)收發(fā)無(wú)線信號(hào)來(lái)通信的，專業(yè)名稱是 MobileStaTIon，簡(jiǎn)稱 MS，需要嵌入 SIM。手機(jī)是客戶端，而無(wú)線信號(hào)的服務(wù)端，就是基站子系統(tǒng)（BSS，BaseStaTIonSubsystemBSS）。至于什么是基站，你可以回想一下，你在爬山的時(shí)候，是不是看到過(guò)信號(hào)塔？我們平時(shí)城市里面的基站比較隱蔽，不容易看到，所以只有在山里才會(huì)注意到。正是這個(gè)信號(hào)塔，通過(guò)無(wú)線信號(hào)，讓你的手機(jī)可以進(jìn)行通信。

但是你要知道一點(diǎn)，無(wú)論無(wú)線通信如何無(wú)線，最終還是要連接到有線的網(wǎng)絡(luò)里。

因而，基站子系統(tǒng)分兩部分，一部分對(duì)外提供無(wú)線通信，叫作基站收發(fā)信臺(tái)（BTS，BaseTransceiverStaTIon），另一部分對(duì)內(nèi)連接有線網(wǎng)絡(luò)，叫作基站控制器（BSC，BaseStaTIonController）?；臼瞻l(fā)信臺(tái)通過(guò)無(wú)線收到數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)發(fā)給基站控制器。

這部分屬于無(wú)線的部分，統(tǒng)稱為無(wú)線接入網(wǎng)（RAN，RadioAccessNetwork）。

基站控制器通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)，連接到提供手機(jī)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)中心，這部分稱為核心網(wǎng)（CN，CoreNetwork）。核心網(wǎng)還沒(méi)有真的進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，這部分還是主要提供手機(jī)業(yè)務(wù)，是手機(jī)業(yè)務(wù)的有線部分。

首先接待基站來(lái)的數(shù)據(jù)的是移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（MSC，MobileServiceSwitchingCenter），它是進(jìn)入核心網(wǎng)的入口，但是它不會(huì)讓你直接連接到互聯(lián)網(wǎng)上。

因?yàn)樵谧屇愕氖謾C(jī)真正進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)之前，提供手機(jī)業(yè)務(wù)的運(yùn)營(yíng)商，需要認(rèn)證是不是合法的手機(jī)接入。別你自己造了一張手機(jī)卡，就連接上來(lái)。鑒權(quán)中心（AUC，AuthenticationCenter）和設(shè)備識(shí)別寄存器（EIR，EquipmentIdentityRegister）主要是負(fù)責(zé)安全性的。

另外，需要看你是本地的號(hào)，還是外地的號(hào)，這個(gè)牽扯到計(jì)費(fèi)的問(wèn)題，異地收費(fèi)還是很貴的。訪問(wèn)位置寄存器（VLR，VisitLocationRegister）是看你目前在的地方，歸屬位置寄存器（HLR，HomeLocationRegister）是看你的號(hào)碼歸屬地。

當(dāng)你的手機(jī)卡既合法又有錢的時(shí)候，才允許你上網(wǎng)，這個(gè)時(shí)候需要一個(gè)網(wǎng)關(guān)，連接核心網(wǎng)和真正的互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)移動(dòng)交換中心（GMSC，GatewayMobileSwitchingCenter）就是干這個(gè)的，然后是真正的互連網(wǎng)。在 2G 時(shí)代，還是電話網(wǎng)絡(luò) PSTN。

數(shù)據(jù)中心里面的這些模塊統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)（NSS，NetworkandSwitchingSubsystem）。

因而 2G 時(shí)代的上網(wǎng)如圖所示，我們總結(jié)一下，有這幾個(gè)核心點(diǎn)：

手機(jī)通過(guò)無(wú)線信號(hào)連接基站；

基站一面朝前接無(wú)線，一面朝后接核心網(wǎng)；

核心網(wǎng)一面朝前接到基站請(qǐng)求，一是判斷你是否合法，二是判斷你是不是本地號(hào)，還有沒(méi)有錢，一面通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接電話網(wǎng)絡(luò)。

2.5G 網(wǎng)絡(luò)

后來(lái)從 2G 到了 2.5G，也即在原來(lái)電路交換的基礎(chǔ)上，加入了分組交換業(yè)務(wù)，支持 Packet 的轉(zhuǎn)發(fā)，從而支持 IP 網(wǎng)絡(luò)。

在上述網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，基站一面朝前接無(wú)線，一面朝后接核心網(wǎng)。在朝后的組件中，多了一個(gè)分組控制單元（PCU，PacketControlUnit），用以提供分組交換通道。

在核心網(wǎng)里面，有個(gè)朝前的接待員（SGSN，ServiceGPRSSupportedNode）和朝后連接 IP 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)型 GPRS 支持節(jié)點(diǎn)（GGSN，GatewayGPRSSupportedNode）。

3G 網(wǎng)絡(luò)

到了 3G 時(shí)代，主要是無(wú)線通信技術(shù)有了改進(jìn)，大大增加了無(wú)線的帶寬。

以 W-CDMA 為例，理論最高 2M 的下行速度，因而基站改變了，一面朝外的是 NodeB，一面朝內(nèi)連接核心網(wǎng)的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC，RadioNetworkController）。核心網(wǎng)以及連接的 IP 網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有什么變化。

4G 網(wǎng)絡(luò)

然后就到了今天的4G網(wǎng)絡(luò)，基站為 eNodeB，包含了原來(lái) NodeB 和 RNC 的功能，下行速度向百兆級(jí)別邁進(jìn)。另外，核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了控制面和數(shù)據(jù)面的分離，這個(gè)怎么理解呢？

在前面的核心網(wǎng)里面，有接待員 MSC 或者 SGSN，你會(huì)發(fā)現(xiàn)檢查是否合法是它負(fù)責(zé)，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)也是它負(fù)責(zé)，也即控制面和數(shù)據(jù)面是合二為一的，這樣靈活性比較差，因?yàn)榭刂泼嬷饕侵噶?，多是小包，往往需要高的及時(shí)性；數(shù)據(jù)面主要是流量，多是大包，往往需要吞吐量。

于是有了下面這個(gè)架構(gòu)：

HSS 用于存儲(chǔ)用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，其實(shí)就是你這個(gè)號(hào)碼歸屬地是哪里的，以及一些認(rèn)證信息。

MME 是核心控制網(wǎng)元，是控制面的核心，當(dāng)手機(jī)通過(guò) eNodeB 連上的時(shí)候，MME 會(huì)根據(jù) HSS 的信息，判斷你是否合法。如果允許連上來(lái)，MME 不負(fù)責(zé)具體的數(shù)據(jù)的流量，而是 MME 會(huì)選擇數(shù)據(jù)面的 SGW 和 PGW，然后告訴 eNodeB，我允許你連上來(lái)了，你連接它們吧。

于是手機(jī)直接通過(guò) eNodeB 連接 SGW，連上核心網(wǎng)，SGW 相當(dāng)于數(shù)據(jù)面的接待員，并通過(guò) PGW 連到 IP 網(wǎng)絡(luò)。PGW 就是出口網(wǎng)關(guān)。在出口網(wǎng)關(guān)，有一個(gè)組件 PCRF，稱為策略和計(jì)費(fèi)控制單元，用來(lái)控制上網(wǎng)策略和流量的計(jì)費(fèi)。

4G 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析

我們來(lái)仔細(xì)看一下 4G 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，真的非常復(fù)雜。我們將幾個(gè)關(guān)鍵組件放大來(lái)看。

控制面協(xié)議

其中虛線部分是控制面的協(xié)議。當(dāng)一個(gè)手機(jī)想上網(wǎng)的時(shí)候，先要連接 eNodeB，并通過(guò) S1-MME 接口，請(qǐng)求 MME 對(duì)這個(gè)手機(jī)進(jìn)行認(rèn)證和鑒權(quán)。S1-MME 協(xié)議棧如下圖所示。

UE 就是你的手機(jī)，eNodeB 還是兩面派，朝前對(duì)接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，朝后對(duì)接核心網(wǎng)絡(luò)，在控制面對(duì)接的是 MME。

eNodeB 和 MME 之間的連接就是很正常的 IP 網(wǎng)絡(luò)，但是這里面在 IP 層之上，卻既不是 TCP，也不是 UDP，而是 SCTP。這也是傳輸層的協(xié)議，也是面向連接的，但是更加適合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。它繼承了 TCP 較為完善的擁塞控制并改進(jìn) TCP 的一些不足之處。

SCTP 的第一個(gè)特點(diǎn)是多宿主。一臺(tái)機(jī)器可以有多個(gè)網(wǎng)卡，而對(duì)于 TCP 連接來(lái)講，雖然服務(wù)端可以監(jiān)聽 0.0.0.0，也就是從哪個(gè)網(wǎng)卡來(lái)的連接都能接受，但是一旦建立了連接，就建立了四元組，也就選定了某個(gè)網(wǎng)卡。

SCTP 引入了聯(lián)合（association）的概念，將多個(gè)接口、多條路徑放到一個(gè)聯(lián)合中來(lái)。當(dāng)檢測(cè)到一條路徑失效時(shí)，協(xié)議就會(huì)通過(guò)另外一條路徑來(lái)發(fā)送通信數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序甚至都不必知道發(fā)生了故障、恢復(fù)，從而提供更高的可用性和可靠性。

SCTP 的第二個(gè)特點(diǎn)是將一個(gè)聯(lián)合分成多個(gè)流。一個(gè)聯(lián)合中的所有流都是獨(dú)立的，但均與該聯(lián)合相關(guān)。每個(gè)流都給定了一個(gè)流編號(hào)，它被編碼到 SCTP 報(bào)文中，通過(guò)聯(lián)合在網(wǎng)絡(luò)上傳送。在 TCP 的機(jī)制中，由于強(qiáng)制順序，導(dǎo)致前一個(gè)不到達(dá)，后一個(gè)就得等待，SCTP 的多個(gè)流不會(huì)相互阻塞。

SCTP 的第三個(gè)特點(diǎn)是四次握手，防止 SYN 攻擊。在 TCP 中是三次握手，當(dāng)服務(wù)端收到客戶的 SYN 之后，返回一個(gè) SYN-ACK 之前，就建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并記錄下狀態(tài)，等待客戶端發(fā)送 ACK 的 ACK。當(dāng)惡意客戶端使用虛假的源地址來(lái)偽造大量 SYN 報(bào)文時(shí)，服務(wù)端需要分配大量的資源，最終耗盡資源，無(wú)法處理新的請(qǐng)求。

SCTP 可以通過(guò)四次握手引入 Cookie 的概念，來(lái)有效地防止這種攻擊的產(chǎn)生。在 SCTP 中，客戶機(jī)使用一個(gè) INIT 報(bào)文發(fā)起一個(gè)連接。服務(wù)器使用一個(gè) INIT-ACK 報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，其中就包括了 Cookie。然后客戶端就使用一個(gè) COOKIE-ECHO 報(bào)文進(jìn)行響應(yīng)，其中包含了服務(wù)器所發(fā)送的 Cookie。這個(gè)時(shí)候，服務(wù)器為這個(gè)連接分配資源，并通過(guò)向客戶機(jī)發(fā)送一個(gè) COOKIE-ACK 報(bào)文對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)。

SCTP 的第四個(gè)特點(diǎn)是將消息分幀。TCP 是面向流的，也即發(fā)送的數(shù)據(jù)沒(méi)頭沒(méi)尾，沒(méi)有明顯的界限。這對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)沒(méi)有問(wèn)題，但是對(duì)于發(fā)送一個(gè)個(gè)消息類型的數(shù)據(jù)，就不太方便。有可能客戶端寫入 10 個(gè)字節(jié)，然后再寫入 20 個(gè)字節(jié)。服務(wù)端不是讀出 10 個(gè)字節(jié)的一個(gè)消息，再讀出 20 個(gè)字節(jié)的一個(gè)消息，而有可能讀入 25 個(gè)字節(jié)，再讀入 5 個(gè)字節(jié)，需要業(yè)務(wù)層去組合成消息。

SCTP 借鑒了 UDP 的機(jī)制，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了消息分幀功能。當(dāng)一端對(duì)一個(gè)套接字執(zhí)行寫操作時(shí)，可確保對(duì)等端讀出的數(shù)據(jù)大小與此相同。

SCTP 的第五個(gè)特點(diǎn)是斷開連接是三次揮手。在 TCP 里面，斷開連接是四次揮手，允許另一端處于半關(guān)閉的狀態(tài)。SCTP 選擇放棄這種狀態(tài)，當(dāng)一端關(guān)閉自己的套接字時(shí)，對(duì)等的兩端全部需要關(guān)閉，將來(lái)任何一端都不允許再進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)了。

當(dāng) MME 通過(guò)認(rèn)證鑒權(quán)，同意這個(gè)手機(jī)上網(wǎng)的時(shí)候，需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)面的數(shù)據(jù)通路。建立通路的過(guò)程還是控制面的事情，因而使用的是控制面的協(xié)議 GTP-C。

建設(shè)的數(shù)據(jù)通路分兩段路，其實(shí)是兩個(gè)隧道。一段是從 eNodeB 到 SGW，這個(gè)數(shù)據(jù)通路由 MME 通過(guò) S1-MME 協(xié)議告訴 eNodeB，它是隧道的一端，通過(guò) S11 告訴 SGW，它是隧道的另一端。第二端是從 SGW 到 PGW，SGW 通過(guò) S11 協(xié)議知道自己是其中一端，并主動(dòng)通過(guò) S5 協(xié)議，告訴 PGW 它是隧道的另一端。

GTP-C 協(xié)議是基于 UDP 的，這是 UDP 的“城會(huì)玩”中的一個(gè)例子。如果看 GTP 頭，我們可以看到，這里面有隧道的 ID，還有序列號(hào)。

通過(guò)序列號(hào)，不用 TCP，GTP-C 自己就可以實(shí)現(xiàn)可靠性，為每個(gè)輸出信令消息分配一個(gè)依次遞增的序列號(hào)，以確保信令消息的按序傳遞，并便于檢測(cè)重復(fù)包。對(duì)于每個(gè)輸出信令消息啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器超時(shí)前未接收到響應(yīng)消息則進(jìn)行重發(fā)。

數(shù)據(jù)面協(xié)議

當(dāng)兩個(gè)隧道都打通，接在一起的時(shí)候，PGW 會(huì)給手機(jī)分配一個(gè) IP 地址，這個(gè) IP 地址是隧道內(nèi)部的 IP 地址，可以類比為 IPsec 協(xié)議里面的 IP 地址。這個(gè) IP 地址是歸手機(jī)運(yùn)營(yíng)商管理的。然后，手機(jī)可以使用這個(gè) IP 地址，連接 eNodeB，從 eNodeB 經(jīng)過(guò) S1-U 協(xié)議，通過(guò)第一段隧道到達(dá) SGW，再?gòu)?SGW 經(jīng)過(guò) S8 協(xié)議，通過(guò)第二段隧道到達(dá) PGW，然后通過(guò) PGW 連接到互聯(lián)網(wǎng)。

數(shù)據(jù)面的協(xié)議都是通過(guò) GTP-U，如圖所示：

手機(jī)每發(fā)出的一個(gè)包，都由 GTP-U 隧道協(xié)議封裝起來(lái)，格式如下：

和 IPsec 協(xié)議很類似，分為乘客協(xié)議、隧道協(xié)議、承載協(xié)議。其中乘客協(xié)議是手機(jī)發(fā)出來(lái)的包，IP 是手機(jī)的 IP，隧道協(xié)議里面有隧道 ID，不同的手機(jī)上線會(huì)建立不同的隧道，因而需要隧道 ID 來(lái)標(biāo)識(shí)。承載協(xié)議的 IP 地址是 SGW 和 PGW 的 IP 地址。

手機(jī)上網(wǎng)流程

接下來(lái)，我們來(lái)看一個(gè)手機(jī)開機(jī)之后上網(wǎng)的流程，這個(gè)過(guò)程稱為 Attach?？梢钥闯鰜?lái)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)還是很復(fù)雜的。因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程要建立很多的隧道，分配很多的隧道 ID，所以我畫了一個(gè)圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明這個(gè)過(guò)程。

手機(jī)開機(jī)以后，在附近尋找基站 eNodeB，找到后給 eNodeB 發(fā)送 AttachRequest，說(shuō)“我來(lái)啦，我要上網(wǎng)”。

eNodeB 將請(qǐng)求發(fā)給 MME，說(shuō)“有個(gè)手機(jī)要上網(wǎng)”。

MME 去請(qǐng)求手機(jī)，一是認(rèn)證，二是鑒權(quán)，還會(huì)請(qǐng)求 HSS 看看有沒(méi)有錢，看看是在哪里上網(wǎng)。

當(dāng) MME 通過(guò)了手機(jī)的認(rèn)證之后，開始分配隧道，先告訴 SGW，說(shuō)要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)會(huì)話（CreateSession）。在這里面，會(huì)給 SGW 分配一個(gè)隧道 IDt1，并且請(qǐng)求 SGW 給自己也分配一個(gè)隧道 ID。

SGW 轉(zhuǎn)頭向 PGW 請(qǐng)求建立一個(gè)會(huì)話，為 PGW 的控制面分配一個(gè)隧道 IDt2，也給 PGW 的數(shù)據(jù)面分配一個(gè)隧道 IDt3，并且請(qǐng)求 PGW 給自己的控制面和數(shù)據(jù)面分配隧道 ID。

PGW 回復(fù) SGW 說(shuō)“創(chuàng)建會(huì)話成功”，使用自己的控制面隧道 IDt2，回復(fù)里面攜帶著給 SGW 控制面分配的隧道 IDt4 和控制面的隧道 IDt5，至此 SGW 和 PGW 直接的隧道建設(shè)完成。雙方請(qǐng)求對(duì)方，都要帶著對(duì)方給自己分配的隧道 ID，從而標(biāo)志是這個(gè)手機(jī)的請(qǐng)求。

接下來(lái) SGW 回復(fù) MME 說(shuō)“創(chuàng)建會(huì)話成功”，使用自己的隧道 IDt1 訪問(wèn) MME，回復(fù)里面有給 MME 分配隧道 IDt6，也有 SGW 給 eNodeB 分配的隧道 IDt7。

當(dāng) MME 發(fā)現(xiàn)后面的隧道都建設(shè)成功之后，就告訴 eNodeB，“后面的隧道已經(jīng)建設(shè)完畢，SGW 給你分配的隧道 ID 是 t7，你可以開始連上來(lái)了，但是你也要給 SGW 分配一個(gè)隧道 ID”。

eNodeB 告訴 MME 自己給 SGW 分配一個(gè)隧道，ID 為 t8。

MME 將 eNodeB 給 SGW 分配的隧道 IDt8 告知 SGW，從而前面的隧道也建設(shè)完畢。

這樣，手機(jī)就可以通過(guò)建立的隧道成功上網(wǎng)了。

異地上網(wǎng)問(wèn)題

接下來(lái)我們考慮異地上網(wǎng)的事情。

為什么要分 SGW 和 PGW 呢，一個(gè) GW 不可以嗎？SGW 是你本地的運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備，而 PGW 是你所屬的運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備。

如果你在巴塞羅那，一下飛機(jī)，手機(jī)開機(jī)，周圍搜尋到的肯定是巴塞羅那的 eNodeB。通過(guò) MME 去查尋國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 HSS，看你是否合法，是否還有錢。如果允許上網(wǎng)，你的手機(jī)和巴塞羅那的 SGW 會(huì)建立一個(gè)隧道，然后巴塞羅那的 SGW 和國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 PGW 建立一個(gè)隧道，然后通過(guò)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 PGW 上網(wǎng)。

這樣判斷你是否能上網(wǎng)的在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 HSS，控制你上網(wǎng)策略的是國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 PCRF，給手機(jī)分配的 IP 地址也是國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的 PGW 負(fù)責(zé)的，給手機(jī)分配的 IP 地址也是國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商里統(tǒng)計(jì)的。運(yùn)營(yíng)商由于是在 PGW 里面統(tǒng)計(jì)的，這樣你的上網(wǎng)流量全部通過(guò)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商即可，只不過(guò)巴塞羅那運(yùn)營(yíng)商也要和國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行流量結(jié)算。

由于你的上網(wǎng)策略是由國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商在 PCRF 中控制的，因而你還是上不了臉書。

小結(jié)

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程從 2G 到 3G，再到 4G，逐漸從打電話的功能為主，向上網(wǎng)的功能為主轉(zhuǎn)變；

請(qǐng)記住 4G 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，有 eNodeB、MME、SGW、PGW 等，分控制面協(xié)議和數(shù)據(jù)面協(xié)議，你可以對(duì)照著結(jié)構(gòu)，試著說(shuō)出手機(jī)上網(wǎng)的流程；

即便你在國(guó)外的運(yùn)營(yíng)商下上網(wǎng)，也是要通過(guò)國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商控制的，因而也上不了臉書。