GTP协议介绍

GTP 协议介绍

概述

通用分组无线服务 (General Packet Radio Service, GPRS）是为了支持分组交换（Packet Switching, PS）业务，在 2G GSM 网络基础之上发展而来的，通常被称为 2.5G 网络。GPRS隧道协议（GPRS Tunnelling Protocol, GTP）是 GPRS 核心网中基于 IP 的协议，主要用于在 GSN（GPRS Support Node） 节点之间的信息交互。

GTP协议目前有3个版本：version 2 用于 LTE 核心网；version 1 用于 GSM 和 UMTS，也用于 LTE 网络中用户面数据传输；version 0 是早期版本，被 1999 年标准化的 version 1替代。

网络结构

简单来说，GPRS 的结构（如下图）主要分为无线接入网 （Radio Access Network, RAN）和核心网（Core Network, CN）。其中，RAN 负责把终端（例如手机）接入到通信网络中；核心网负责通信数据的交换和处理。服务 GPRS 支持节点（Serving GPRS Support Node, SSGN）和网关 GPRS 支持节点（Gateway GPRS Support Node，GGSN）是 GPRS 网络的主要组件。

• SGSN 负责在它的服务区域内从移动台接收/发送数据包，它的功能包括数据包路由和传输、移动性管理以及鉴权和计费功能。GGSN 负责 GPRS 网络和外部网络之间的互联。

• SGSN 和 GGSN 的主要区别在于，GGSN 作为网关，在不同的通信网中转换协议。可以把从 mobile 到 GGSN 看作一个内网， GGSN 实现 NAT/PAT 功能，将私有地址转成 GGSN 公网地址池的公网地址，即手机访问互联网使用的公网地址。而 SGSN 作为路由，只是在使用相同协议的网络中接收/转发数据包。

• 现行的 4G LTE 网络使用 SAE 结构体系，支持控制与转发面分离，SSGN 由服务网关（S-GW），移动性管理组件（MME）等网元替代，GGSN 的功能主要由 PDN 网关（P-GW）实现。

同一个移动通信网（Public Land Mobile Network, PLMN）内部 GSN 之间的通信接口称为 Gn，不同 PLMN 之间 GSN 的接口称为 Gp。Gn/Gp 接口运行 GTP 协议，为 SGSN 和 GGSN 之间的信令和用户数据提供隧道。GTP 能够将数据帧重新封装并通过隧道发送，由新的报文首部提供路由信息，以便在不同网络下传递被封装的负载数据。

• 由于核心网内部通过 GTP 协议通信，报文在核心网与外部网络之间传输时需要对数据报头进行处理。数据包进入核心网时添加 GTP 头，反之，则去 GTP 头。

• 数据转发的流程通常是 SGSN 接收数据包，对其封装后通过GTP 隧道将报文转发到 GGSN。GGSN 接收这些数据包时，先解封隧道，然后转发到外部主机。

核心网连接流程

GPRS 分组域核心网使用 PDP（Packet Data Protocol, 分组数据协议） 上下文来管理用户从移动终端到 GSN 及外部网络的数据。移动终端使用分组数据业务时，需要激活 PDP 上下文，激活成功后，移动终端、SGSN 和 GGSN 中会增加一条新的 PDP 上下文记录。根据 PDP 记录信息，SGSN 和 GGSN 才能正确地收发用户数据。
一个简单的分组会话连接过程包括以下三个阶段：

1. 分组域会话连接建立阶段

移动终端发起激活 PDP 上下文的请求，GSN 接受用户的请求并建立新的 PDP 上下文。

• SGSN 确认 MS 发送的激活 PDP 请求后，向 GGSN 发送创建 PDP 上下文请求消息。对于首次激活的PDP 上下文，请求消息中包含移动终端的 IMSI 和 MSISDN、NSAPI、SGSN 分配的控制平面 ID（TEID_CP）、PDP Address、接入点名称（Access Point Name）等信息。

• GGSN 收到请求后在其 PDP上下文表中创建一个新条目，生成计费 ID，并返回一个创建 PDP 上下文响应。SGSN 收到响应时检查报文中 cause 字段的值，若为 Request accepted，则激活 PDP 上下文。请求接受的响应报文消息包括 TEID、PDP 类型、PDP 地址、协议配置选项、协商的 QoS、计费 ID 等。

• 更新 PDP 上下文通常由 SGSN 发给 GGSN，作为 SGSN 间 GPRS 路由更新或 PDP 上下文修改过程的一部分。对于跨 SGSN 的路由区域更新，更新请求由新的 SGSN 发送。也可由 GGSN 发起，用于重新协商 PDP 上下文服务质量。

2. 分组域会话阶段：

移动终端收到 PDP 上下文请求成功消息后，可以通过 GSN 连接到互联网。核心网在移动终端和互联网之间透明地路由，转发分组数据，保证在不同网络环境下，数据的正确性。

3. 分组域会话连接结束阶段

当用户不再使用业务时，移动终端发送去激活消息给 SGSN。SGSN 发送删除 PDP 上下文请求给 GGSN，GGSN 删除 PDP 上下文，并返回消息给 SGSN。SGSN 将去激活响应消息再返回给移动终端。

协议分析

GTP 协议包括 GTP 控制面协议（GTP-C） 和用户面协议（GTP-U) 。 在控制面，GTP 协议定义了隧道控制和管理协议，允许 GSN 为移动终端提供分组数据接入， 控制面的信令用于创建、修改和删除隧道。在用户面， GTP 使用隧道机制为用户提供传输数据包的服务， 包括用户数据分组、路径管理。

首部结构

GTP 首部是 GTP- C 和 GTP-U 协议的公用变长首部，最小长度是8字节。分为必选字段和可选字段。

• 必选字段

1. Version field: 指定 GTP 协议的版本，通常情况为1。

2. Protocol Type (PT)：区分 GTP 协议（置1）和 GTP 计费协议（置0）。

3. Extension Header flag (E)：说明标志是否有下一个扩展头字段， 字段置1表示有，字段置0表示不必解释下一个扩展头字段。

4. Sequence number flag (S)：说明标志是否有序号字段，有则置1， 置0表示没有或不需要解释。

5. N-PDU Number flag (PN)：该标志指示 N-PDU 数字字段中存在一个有意义的值。当它被设置为0时，N-PDU 数字字段要么不存在，要么不被解释。当它被设置为1时，首部存在 N-PDU Number 字段，并将进行解释。

6. Message Type：该字段指示 GTP 消息类型（GTP-C 和 GTP-U）。

7. Length：GTP 头的必选字段（即前8字节）之后的包长度。

8. Tunnel Endpoint Identifier (TEID)：该字段标识 GTP 协议实体中的隧道端点。TEID 值由 GTP 隧道的对端本地分配，供发起方使用。

• 可选字段

1. Sequence Number：事务标识，说明消息传输顺序。

2. N-PDU Number：此字段用于 SGSN 路由区域间的更新和一些系统间的切换过程（例如 2G 和 3G 无线接入网之间)，协调MS 和 SGSN之间的公认通信模式的数据传输。

3. Next Extension Header Type：定义紧接该字段的扩展头的类型。

消息类型

通常情况下 GTP 报文的封装格式如下图所示：

GTP 定义了两个相关 GSN 或 SGSN 和 RNC 之间的一组消息。消息包括路径管理消息，隧道管理消息， 位置管理消息和移动性管理消息四大类。具体可参考 3GPP TS 29.060 Section 7。这里列举四类中部分消息。

• 路径管理消息

  路径管理消息可以在任何类型的 GSN 或 GSN - RNC 对之间发送。

• Echo Request/Response：GSN 或 RNC 可以在路径上向另一个 GSN 或 RNC 发送回送请求，以确定对等的 GSN 或 RNC 是否连通，对接收到的 Echo 请求发送响应。

• 隧道管理消息

• Create PDP Context Request/Response：创建 PDP 上下文请求和响应， 由 SGSN 向 GGSN 发送请求消息，GGSN 向 SGSN 发送响应消息。

• Update PDP Context Request/Response：更新 PDP 上下文请求和响应， 当 PDP 上下文的有关参数（如网络质量 QoS ）需要重新协商时， 或者手机发生越 SGSN 切换时， SGSN 或 GGSN 向对端发送请求消息， 对端发送响应消息。

• Delete PDP Context Request/Response：删除 PDP 上下文请求和响应。

• 位置管理消息：该可选消息在网络请求的 PDP上下文激活过程中 GGSN 没有 Gc 接口时使用。

• 移动性管理消息：移动管理消息在 SGSN 路由更新时发送。控制平面能够将 MS 相关的数据从旧的 SGSN 传输到新的 SGSN。

信息单元（Information Elements）

GTP 报文除去包头和扩展头，剩下的信令消息可包含若干信息元素（IE），分为 TLV 型（Type, Length, Value）或 TV 型（Type, Value）。可以从报文中提取这些 IE 信息用于关联分析。这里列出部分 IE，具体可参考 3GPP TS 29.060 Section 7.7 Table 37。

参考资料

• GPRS隧道协议. https://zh.wikipedia.org/wiki/GPRS%E9%9A%A7%E9%81%93%E5%8D%8F%E8%AE%AE.

• GPRS核心网. https://zh.wikipedia.org/wiki/GPRS%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%BD%91.

• 移动数据通信网络工作原理（SGSN&GGSN）. https://blog.csdn.net/zhuyiquan/article/details/52759930.

• GPRS Tunnelling Protocol. https://carecraft.github.io/protocol-model/2015/01/gtp_protocol/.

• GTP. http://support.huawei.com/view/contentview!getFileStream.action?mid=SUPE_DOC&viewNid=EDOC1000012846&nid=EDOC1000012846&partNo=j00d&type=htm.

• 陈勇. GTP协议解析系统的实现与应用[D]. 北京邮电大学, 2013.

• 3GPP TS 23.060-g00. https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/23_series/23.060/23060-g00.zip.

• 3GPP TS 29.060-f30. https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/29_series/29.060/29060-f30.zip.