第三代行動通訊PPP 應用協定整合
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(2) 通訊協定的內容會與 WCDMA NAS 層中 的 SM 模組有很大的關係，以下將分別說 明 SM 模組的功用及以 IP Based Services 之 IPv4 Non Transparent access to an Intranet or ISP 為例，說明這些多重通訊協 定的內容透過 SM 模組中的 PCO(protocol configuration option)參數傳遞到 GGSN。. 的定義，PPP 在 Packet Domain 的應用中， 主要有下列應用模式： ․Transparent access to the Internet ․ IPv4 Non Transparent access to an Intranet or ISP ․ IPv6 Non Transparent access to an Intranet or ISP ․Access to Internet, Intranet or ISP with. WCDMA NAS 層之 SM 模組. Mobile IPv4 ․Virtual dial-up-and direct Access to PDNs,. SM 模組主要功能是支援行動終端 PDP(Packet Data Protocol) Context 的管 理，包含啟動、終止或修改 PDP Context， PDP Context 所攜帶的資料包含 PDP 位 址、APN(Access Point Name)、PDP 位址 的 型 態 (PPP/IPv4/IPv6) 、 QoS 及 PCO(protocol configuration option) 等 資 料，用以界定行動終端(MS)與 GGSN 之間 網路所使用的存取點、資料傳輸品質、通 訊協定設定及網路 IP address 設定等功用。. or ISPs through Packet Domain 透過 PPP 通訊協定達成下列功能： ․user authentication ․user’s authorization ․end to end encryption between MS and Intranet/ISP ․ allocation of a dynamic address belonging to the PLMN/Intranet/ISP 在 WCDMA 協定中，對於 PPP 的應 用而言，MS 端須將 PPP 整合進來；因此 必須改進 MT 的設計架構，使 MT 能接收 由 TE 所傳來的訊息資料並透過 MT 中的 AT 模組與另一模組(PPP server)產生互 動，最後再將 PPP 的協定內容交由 NAS 層的 SM 模組轉換成 peer to peer 的格式， 並經由無線傳輸方式將這些 PPP 協定內容 傳 送 到 core network 端 SGSN(Serving GPRS Support Node) 及 GGSN(Gateway GPRS Support Node)。 MT 中 AT 模組、PPP server 模組與 SM 模組之間的關係在第三章有詳細的描 述。. IPv4 Non Transparent access to an Intranet or ISP 架構 TE. PPP/L2. Phy. layer. MT. PPP/L2. Phy. layer. SGSN. SM. Lower layers. SM. Lower layers. GTP-C. Lower layers. GGSN. ISP. GTP-C DHCP/ RADIUS. DHCP/ RADIUS. Lower layers. UDP. UDP. IP. IP. Lower layers. Lower layers. 圖二、IPv4 Non Transparent case 上圖為 Ipv4 Non Transparent 模式與 Intranet 或外界 ISP 連結之架構圖，SGSN 及 GGSN 為 3G 網路中 GPRS 節點；此架 構圖用以說明 TE 之 PPP client 及 MT 之 PPP server 位 置 ， 以 及 GGSN 可 使 用 RADIUS 或 RADIUS+DHCP 的 溝 通 方 式，與外界 ISP 互動，執行使用者認證 (Authentication)及動態 IP 位址的取得。. 二、PPP 與 3G 通訊協定之關係 對 PPP 而言，PPP 所提供的多重通訊 協定(如 IP、LCP、NCP 等)，將如何由 MS(或 TE)端傳送到 PLMN 的 GGSN。這些多重. 2.
(3) TE 傳送 AT command 到 MT，以設定 PDP Context 所需的參數(APN、PDP type、 PDP address、QoS 等)；MS 端之 IP address 可為固定 IP address(static IP address)或動 態的 IP address；動態的 IP address 可藉由 SM 模組中的 PDP Context activation 時來 取得；此 IP address 為 packet data 傳輸時 之 source IP address，若使用動態的 IP address 則 GGSN 與此位址的提供者(如 AAA 或 DHCP)之間須有連結(Link)。 MS 端 在 PDP Context activation procedure 中會啟動 GGSN 送出對使用者 Authentication 的要求、並透過 AAA 或 DHCP server 取得動態 IP 位址(若 PDP Context 被設定為動態 IP)。 GGSN 對 其 他 網 路 之 使 用 者 Authentication 及動態 IP 位址的取得有下 列的兩種方式：. server。當 MS 端啟動 PDP Context activation procedure 時，會讓 GGSN 的 RADIUS client 送出 RADIUS Access-Request 訊息到 RADIUS server， RADIUS server 回覆 Authentication 的結 果(RADIUS Access-Accept 或 Access-Reject)給 GGSN 的 RADIUS client，此舉能讓 GGSN 判斷此 PDP Context activation 是否成功。 2. RADIUS+DHCP：RADIUS 的功能如上 所述；GGSN 將包含 DHCP client，而外 界網路則包含 DHCP server。當 RADIUS 完成使用者 Authentication(RADIUS Access-Accept)後，GGSN 的 DHCP client 則會要求 DHCP server 回覆 host configuration(包含動態 IP 位址)。 以上動作請參閱下列之流程圖：. 1. RADIUS(Remote Authentication Dial In User Service)：GGSN 將包含 RADIUS client，而外界網路則包含 RADIUS TE. MT. SGSN. GGSN. ISP/intranet. RADIUS/DHCP client. RADIUS/DHCP server. AT-Commands [APN] GGSN performs: - APN -> ISP address translation via DNS - allocates 1) RADIUS client or 2) RADIUS client and DHCPclient - Translates the Protocol Configuration Options DHCP option and RADIUS attributes.. LCP negotiation [MRU, Auth. prot.]. Authentication [CHAP/PAP/none]. The MT stores the authentication parameters. IPCP Config-req [ IP-address, Header compression ]. Activate PDP Context req. [ APN, QoS, PDP-type, NSAPI, Protocol Configuration Options]. Create PDP ContextReq. [ APN, QoS, PDP-type, TID, Protocol Configuration Options]. RADIUS Access-Request Option 1: RADIUS. Authentication, Configuration RADIUS Access-Accept Authentication, Configuration. RADIUS Access-Request Authentication RADIUS Access-Accept Authentication DHCP-DISCOVER Option 2: RADIUS+ DHCP DHCP-OFFER Configuration. DHCP-REQUEST Configuration GGSN stores IPaddress and composes an NCP-IPCP Configure-Ack packet. DHCP-ACK Configuration. Create PDP Context Response Activate PDP Context Acc IPCP Configuration-Ack [IP-address, Header compression]. [Protocol Configuration Options, Cause]. [Protocol Configuration Options, Cause]. 圖三、PDP Context activation for IPv4 Non-transparent 流程圖 3.
(4) 三、SM 模組之 PCO(Protocol Configuration Options). transparent 的例子中，LCP 協定的溝通 將發生在 TE 與 MT 之間，而 NCP 協 定的溝通則發生在 TE 與 GGSN 之 間，所以 PCO 參數將承載 NCP 協定的 內容。但若是 Virtual dial-up-and direct. 本章節描述 MT 中 AT 模組、PPP server 模組與 SM 模組之間的互動，是 我們主要的設計重點；當 PPP 協定開 始溝通時，各模組之間的互動機制及 協定內容的轉換將使用 MSC(Message Sequence Chart)圖描述於以下各小節 中。 SM 模組中的 PCO 參數將是承載 PPP link 建 立 時 各 種 通 訊 協 定 ( 如 LCP、NCP 等)的內容，透過此參數來 聯繫兩端(MS 端及 GGSN 端)之間協定 的 溝 通 。 在 IPv4 over PPP non TE Windows. Access to PDNs, or ISPs through Packet Domain 的應用模式，則 LCP 及 NCP 協定的溝通都將發生在 TE 與 GGSN 之間。 不論是 IP Based Services 或 PPP Based Services 的模式，PCO 參數均將 承載這些協定的內容。 在 IPv4 over PPP non transparent 模式下，MT 中各模組之關係如下圖：. MT ATConn UART 模組. internal msg. AT模組. internal msg HDLC format msg. internal msg. PPP Server 模組 User data. NAS模組. RABM 模組. SM模組. CM層 MM層. L2/L1/Phy. layers. 圖四、MT 中各主要模組架構圖 MT 中各主要模組之功能為： AT Conn 模組：此模組負責接受或回覆 TE 端 的 資 料 ， 這 些 串 列 資 料 包 含 AT commands、PPP 協定及 user data(packet data)等；對這些資料而言，此模組亦需判. 別區分以便將資料傳送到不同的模組；此 模組採用 UART 的連線方式，透過序列埠 (Com port)連接兩端。 AT 模組：此模組提供 TE 與 MT 之間標準 化的控制指令(即 AT command)，對 UMTS 4.
(5) 而言，AT command 在封包資料傳輸提供 「Commands for UMTS Packet Domain」。 PPP Server 模組：此模組負責 PPP link 連 通時各種協定(LCP、Authentication 等)的 溝通，並在 NCP 協定溝通時，將協定內容 (如 IP-Compression-Protocol、IP-Address) 透過 AT 模組傳送到 SM 模組。 SM 模組：在第二章中已描述。 RABM 模 組 ： 此 模 組 主 要 負 責 傳 輸 時 Radio bearer 的管理。 W ind o w s (T E ). ATConn. AT. LCP 協定的溝通 當 LCP 協定的溝通發生時，TE 會送 出 LCP Configure-Request 的訊息至 MT 的 PPP server 模組，由此模組決定回覆 LCP Configure-Ack 或 Configure-Reject 或 Configure-Nak 給 TE。其訊息流程圖如下 所示：. P P P s rv. F o r T E to i n it a P S d o m a in a p p l ic a ti o n :A T c o m m a n d s p a rt. A T + C G D C O N T = < c id > [, < P D P _ t yp e > [,< A P N > [,< P D P _ a d d r > [,< d _ c o m p > [,< h _ c o m p > [,< p d 1 > ]]] ]]]]. 1. e g :N O K IA 6 6 8 0 ( A T + C G D C O N T = 1 , " ip " , " in te r n e t" ). A T +C G D C O N T "O K " "OK" A T D *9 9 #. M o d e m c o m p a ti b i li ty c o m m a n d , 9 9 fo r G P R S S e r v i c e C o d e , w h i ch i d e n tif ie s a r e q u e s t to u s e th e P a c k e t D o m a in A T D *99 # "C O N N E C T ". " C O N N EC T " 1. L C P C o n fi g u r e _ r e q u e st. L C P n e g o ti a t i o n. L C P C o n f ig u re _ r e q u e s t L C P C o n f ig u re _ a c k L C P C o n f ig u re _ a c k. 圖五、LCP 協定溝通之訊息流程(MSC)圖 Authentication Windows(TE). 若 TE 要求 Authentication，可使用 PAP(Password Authentication Protocol) 或 CHAP(Challenge Handshake Authentication Protocol) 來完成認證協定；以 PAP 為例， TE 會送出 Authenticate-Request 訊息至 MT 的 PPP server 模組，由此模組決定回覆 Authenticate-Ack 或 Authenticate-Nak 給 TE。其訊息流程圖如右所示：. ATConn. Authentication_Req. AT. PPP srv. Authentication. Authentication_Req. From TE(Windows sysyem), PAP(Password Authentication Protocol) is prefered Authentication_Ack. Authentication_Ack. 圖六、Authentication 協定溝通之訊息流程 (MSC)圖 NCP 協定的溝通-Request 訊息 當 NCP 協定的溝通發生時，TE 會送 5.
(6) 出 IPCP Configure-Request 的訊息至 MT 的 PPP server 模組，PPP server 模組判定此訊 息為 IPCP Configure-Request 時，會送出 MT 的內部訊息(MT internal message,即 CGACT 之 AT command)至 AT 模組，並將 IPCP Configure-Request 訊息所帶的協定 內容一併傳遞給 AT 模組；AT 模組得到此 訊 息 及 其 內 容 後 會 啟 動 PDP Context activation procedure，AT 模組透過此啟動 程序將 IPCP Configure-Request 的協定內 容及其對 PDP Context 的設定(包含 PDP 位址、APN、PDP 位址的型態、QoS 等參 數)透過 MT 內部訊息傳送至 SM 模組，其 中 IPCP Configure-Request 的協定內容將 Windows(TE). ATConn. IPCP Configure_req. AT. 成為此內部訊息的一部分(為一 text 的字 串模式)；SM 模組接受到此內部訊息後， 則將此訊息的內容轉換成 SM 與 GMM(屬 於 NAS 模組中 MM 層內之 GMM 模組)之 間 peer to peer 的訊息格式(此格式請參閱 3GPP TS 24.008 文 件 ) ， 其 中 IPCP Configure-Request 的協定內容將會轉換成 此 PDP Context 的 PCO 參數；GMM 透過 L2/L1 以無線傳輸方式傳送到 core network 端的 SGSN 及 GGSN，GGSN 將參照此 PCO 的內容(即 IPCP Configure-Request 的 協定內容)與外界網路(external network)溝 通。其訊息流程圖如下所示：. PPP srv. SM. RABM. SGSN/GGSN. External/ISP. NCP negoitiate started, (Static IP address used or dynamic IP used), Parameters include IP_address and Header compression. IPCP Configure_request AT +CGACT=1,cid. 1.CGACT command to request PDP context activattion 2.Get content of IPCP and convert/put into pd(a parameter of +CGDCONT). Create PDP context Req.. 1. send to SM mosule 2.Parameters are: APN,QoS, PDP type,NSAPI,PCO Activate PDP context request (APN,QoS,PDP type,TID,PCO ) RADIUS or RADIUS+DHCP procedure. 圖七、NCP 協定(for request)溝通之訊息流程(MSC)圖 則回覆 Activate PDP Context reject 訊息給 MT；不論 PDP Context 建立成功或失敗， 其回覆給 MT 的訊息都包含 PCO 參數；當 MT 接收到此回覆訊息時，經由下層轉送 到 SM 模組，再由 SM 模組傳送到 AT 模 組，AT 模組會將回覆訊息中的 PCO 參數 傳遞給 PPP server，PPP server 依此參數內 容 ( 包 含 IPCP Configure-Ack 或 Configure-Reject 或 Configure-Nak)轉換成 IPCP 的回覆訊息並傳送給 TE，當 TE 接 收到此回覆訊息時則判斷此協定是否溝通. NCP 協定的溝通-Response 訊息 待外界網路回應結果給 GGSN(IP 位 址 及 IPCP Configure-Ack 或 Configure-Reject 或 Configure-Nak)，GGSN 依此回覆結果，回應 Create PDP Context Response 給 SGSN(此時 GGSN 已將外界網 路的回應結果轉換成 PCO 參數)，SGSN 依此回覆來判斷 PDP Context 是否建立成 功；若建立成功，則回覆 Activate PDP Context Accept 訊息給 MT，若建立失敗， 6.
(7) 完成。若完成，則進行 packet data 的傳輸， 若未完成，則進行下一步的協定溝通(例如. Windows(TE). ATConn. AT. 再 送 一 次 IPCP Configure-Request 的 訊 息)。其訊息流程圖如下所示：. PPP srv. SM. RABM. SGSN/GGSN. Activate PDP context accept. External/ISP. Assume PDP activated successfully. Activate PDP context confirm message Inform PPP srv IPCP_Ack. The parameter will include IP_address, Header compression, PCO. IPCP Configuration_ack IPCP Configuration_ack. 1. ALT:For packet data up link packet data. packet data. packet data. The uplink packet data will transmit to network side through air interface packet data. for uplink 1 1. ALT:For packet data down link packet data. packet data. packet data. packet data. for down link. The downlink packet data will transmit from network side through air interface 1. 圖八、NCP 協定(for response)溝通之訊息流程(MSC)圖 [1] 3GPP TS 27.007 V4.5.0 (2002-12): "AT command set for User Equipment (UE) "，(Release 4).. 四、結論 隨著大量無線數據傳輸需求的日益 增加，WCDMA 協定中應用 PPP 與外界網 路建立連結，使 MS 成為網路中的一個節 點，並透過 SM 模組的 PCO 參數，順利完 成無線網路中 PPP 協定的溝通。 本設計之特點在於如何應用 SM 模組 中 PDP Context 的 PCO 參數，此 PCO 參 數扮演傳遞 PPP 協定內容的角色，並且如 何與 MT 中之 AT 及 PPP server 模組互動， 成功的將協定內容傳遞到 PLMN 中的 GGSN，並將外界網路的回覆回傳給 MS 端，完成無線數據傳輸 control plane 的機 制。. [2] 3GPP TS 23.060 V4.1.0 (2000-06): "General Packet Radio Service (GPRS); Service description; Stage 2"，(Release 4). [3] 3GPP TS 24.008 V4.9.0(2002-12): "Mobile radio interface Layer 3 specification; Core network protocols; Stage 3"，(Release 4). [4] 3GPP TS 27.060 V4.3.1(2003-07): "Packet Domain; Mobile Station (MS) supporting packet switched services"， (Release 4).. 五、參考文獻. [5] 3GPP TS 29.061 V4.9.1(2003-12): 7.
(8) "Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting packet based services and Packet Data Networks (PDN)"，(Release 4). [6] RFC 1661: "The Point-to-Point Protocol (PPP)"，July 1994. [7] RFC 1700: "ASSIGNED NUMBERS"，October 1994 [8] RFC 1334: "PPP Authentication Protocols"，October 1992. 8.
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