Evoluzione della piattaforma di segnalazione verso

Transcript

PIATTAFORME
Evoluzione della piattaforma
di segnalazione verso la
tecnologia IP
GIOVANNI CICCOLELLA
MARCO DE LUCA
SANDRO PERLINI
La crescita del traffico dei servizi a valore aggiunto basati sul servizio Short
Message e l’elevato numero di clienti raggiunto dai sistemi radiomobili ha
spinto l’industria delle Telecomunicazioni a definire soluzioni volte ad ovviare
alle limitazioni di scalabilità della rete di segnalazione SS7, che garantisce la
gestione della mobilità dei clienti e dei servizi. In questo contesto, TIM Italia
ha intrapreso un percorso di evoluzione della piattaforma di segnalazione
verso la tecnologia IP realizzando un’architettura per il trasporto del traffico
SM (Short Message) a livello nazionale; successivamente, l’esperienza
maturata ha permesso di adattare tale soluzione per offrire, con tempi e
costi ridotti, servizi a valore aggiunto ai clienti mobili delle consociate estere
riutilizzando le piattaforme di servizio di TIM Italia. Tale esperienza sarà alla
base del percorso evolutivo della piattaforma di segnalazione per le reti e i
servizi GSM/GPRS/UMTS ed IMS.
1. Introduzione
Lo sviluppo e la realizzazione di una rete multiservizio che permetta di fornire al cliente l’insieme dei servizi e all’Operatore di gestire un’unica infrastruttura di
rete, sono state, negli ultimi anni, uno dei principali driver di evoluzione. Nel mercato, lo sviluppo di Internet e
dei servizi dati ha permesso alla tecnologia IP di raggiungere una pervasività e capillarità sempre più simili
a quelle della reti di telefonia e al traffico dati di sorpassare quello voce; tale fenomeno ha fatto sì che il
traffico dati abbia sorpassato il traffico voce. Tutti questi fattori fanno sì che ci sia un diffuso accordo, all’interno dei principali attori dell’industria, nel prevedere
che la tecnologia IP sarà alla base delle reti di telecomunicazioni del futuro integrando varie tecnologie di
accesso per fornire un insieme molto vasto di servizi,
ovviamente di tipo dati ma anche voce, realizzando
così il paradigma della rete multiservizio.
Parte di questo percorso evolutivo è stato già
percorso attraverso un forte impegno nella definizione e lo sviluppo della tecnologia per intergare servizi voce (VoIP) su una rete dati di tipo IP. Al crescere
dell’interesse mostrato dagli Operatori nell’integrare
la tecnologia IP all’interno delle reti di telefonia
(PSTN/PLMN), il cui “sistema nervoso” è il sistema
di segnalazione SS7 (Signalling System n.7) per
garantire l’accesso ai servizi, l’industria si è confrontata per definire la soluzione per garantire l’interlavoro tra le tecnologie SS7 e IP e il trasporto di
segnalazione di servizio su rete IP. Alla fine degli anni
Novanta, si è imposta sul mercato la tecnologia SIGTRAN (SIGnalling TRANsport) definita in ambito IETF
e presto abbracciata e armonizzata dagli enti di
standardizzazione 3GPP, ETSI e ITU come il riferimento per il trasporto della segnalazione, sia tradizionale SS7 che innovativa SIP (Session Internet
Protocol), nella rete multiservizio del futuro.
NOTIZIARIO TECNICO TELECOM ITALIA › Anno 14 n. 1 - Giugno 2005
43
CICCOLELLA › DE LUCA › PERLINI • Evoluzione della piattaforma di segnalazione verso la tecnologia IP
TIM è stata pioniere nell’introduzione di questa
tecnologia nella rete mobile attraverso la realizzazione di una rete dedicata per il trasporto del servizio Short Message (SMS over IP) per far fronte
ad un incremento del traffico del servizio e ottimizzare i costi, grazie anche all’impiego di una rete IP
multiservizio.
2. Drivers ed obiettivi
gli SMSC (Short Message Service Centre) è di
asso l u to ri l i evo . In fatti , o sservan do qu a nt o
mostrato in figura 2, si notano due aspetti di
rilievo:
• un trend d’incremento costante annuo dal 1999
ad oggi del volume medio giornaliero di SMS;
• un andamento distribuito nell’anno con picchi di
concentrazione nel periodo natalizio di ciascun
anno.
La peculiarità del servizio SM e l’utilizzo massiccio in particolari periodi dell’anno (caratterizzato dal brusco picco ricorrente nel periodo di
Natale-Capodanno, evidenziato in figura 2 con le
frecce che indicano le percentuali di incremento
del valor massimo rispetto al valor medio), hanno
comportato a livello di rete, impatti elevati concentrati sulle risorse di nodo e di trasporto.
Inoltre, è da notare che in alcuni giorni particolari
si verificano incrementi nell’ora di picco fino
anche a dieci volte il volume medio nell’orario
ordinario. Pertanto, durante le festività, il traffico
per Short Message, a causa della mobilità dell’utente, viene ad assumere volumi comparabili con
quelli relativi al traffico MAP.
Prima dell’introduzione della core network di
segnalazione dedicata al servizio di Short Message
(SMS over IP), la rete tradizionale di segnalazione
basata su tecnica TDM, gestiva in modo condiviso
tutte le componenti SS7 (SMS, mobilità, …).
Pertanto, al fine di garantire in primis il trasporto
della componente di mobilità, assai delicata ed
importante, la comune rete SS7 doveva essere
dimensionata tenendo conto non solo del traffico
SS7 ordinario, ma anche dell’andamento nel
periodo natalizio del traffico SMS, ossia di quei
Se per una qualunque rete di telecomunicazioni
il sistema di segnalazione rappresenta il sistema
nevralgico che consente la fornitura di un canale di
comunicazione tra utenti e l’accesso ai servizi, per
una rete radiomobile, il ruolo, nonché il peso, della
segnalazione risulta ancor più significativo e fondamentale.
Va precisato infatti che il sistema di segnalazione SS7 di un Operatore mobile si avvale in
ambito di core network di diverse componenti:
• MAP (Mobile Application Part), per la gestione
della mobilità d’utente, dei servizi supplementari e del servizio SM (Short Message);
• ISUP (ISDN User Part) per la gestione della
chiamata;
• INAP (Inteligent Network Application Part) per i
servizi di rete intelligente;
• CAP (CAMEL Application Part) per la gestione
dell’utenza roaming e di alcuni servizi.
Il servizio di Short Message si avvale del protocollo MAP, ovvero di messaggi o pacchetti di
segnalazione SS7, per veicolare sia il contenuto
d’utente, ossia il testo dello Short Message, che la
procedura di segnalazione per espletare la consegna dello Short Message.
Fino ad oggi, il trasporto della
MAP tra MSC/VLR, HLR ed SMSC
è stato assicurato, dalla comune
rete di segnalazione ‘core’ basata
SMSC
SMSC
SCP
HLR
SCP
HLR
sui nodi di transito TDM (figura 1).
Negli ultimi anni, sulla rete
mobile TIM Italia sono stati registrati incrementi elevati del traffico
SGw
SGw
di segnalazione, in termini di quota
TR
TR
TR
TR
relativa al singolo utente e comSS7/TDM
SS7/TDM
IP Network
plessivamente per la crescita delNetwork
Network
l’utenza.
TR
TR
TR
TR
SGw
SGw
In particolare, negli ultimi cinque anni, il traffico di segnalazione MAP che gestisce la mobiMSC/VLR
MSC/VLR
lità d’utente (HLR) ha subito incrementi del 50% circa, passando da
MAP - mobilità ISUP
INAP/CAP MAP - SMS
30 Mbit/s di traffico di segnalazione (uplink e downlink registrato
CAP = Camel Application Part
SGw = Signalling Gateway
a livello dei nodi di transito) ad
HLR = Home Location Register
SMS = Short Message Service
INAP = Inteligent Network Application Part
SMSC = SMS Centre
oltre 45 Mbit/s attuali. Tuttavia,
ISUP = ISDN User Part
SS7 = Signalling System n. 7
mentre nel 1999 l’incidenza del
MAP = Mobile Application Part
TDM = Time Division Multiplex
MSC = Mobile Switching Centre
TR = nodo di TRansito
traffico MAP per Short Message
SCP = Service Control Point
VLR = Visited Location Register
rispetto alla quota parte di mobilità era minima (inferiore al 5%), il
valore attuale di traffico di segnalazione che gli Short Message svi- FIGURA 1› Evoluzione della rete di segnalazione per SMS.
luppano sull’interfaccia da/verso
44
3. Evoluzione piattaforma
di segnalazione
60
50
91%
40
30
80%
3.1 Architettura tradizionale
della rete di segnalazione
di TIM Italia
77%
Come descritto nel capitolo
precedente, la rete di
20
80%
segnalazione garantisce il
10
trasporto del traffico di
segnalazione per il set-up
0
delle chiamate voce (ISUP),
1Q 2Q 3Q 4Q 1Q 2Q 3Q 4Q 1Q 2Q 3Q 4Q 1Q 2Q 3Q 4Q
la gestione della mobilità dell’utente (MAP [1]), la fornitura
2000
2001
2002
2003
del servizio SMS (MAP) e la
Media giornaliera
Variazione percentuale tra valore di picco
fruizione dei servizi di Rete
e valore medio nel periodo
Intelligente (INAP o CAP).
La struttura della rete di
segnalazione garantisce
FIGURA 2› Evoluzione del traffico di segnalazione legato a SM in rete TIM Italia.
un’infrastruttura di comunicazione a tutti i nodi della rete
mobile
GSM,
ovvero
picchi della componente MAP per SM che comunMSC/VLR, HLR, SMSC e i nodi di Rete Intelligente.
que andavano ad erodere le risorse di segnalaDato l’elevato numero dei nodi da interconnettere in
zione comuni.
rete TIM Italia, l’attuale rete di segnalazione, illustrata
La soluzione adottata è stata, pertanto, quella
in figura 3, possiede un’architettura gerarchica
di dedicare nuove risorse di nodo e di rete per il
basata su nodi di trasferimento della segnalazione
servizio SM al fine di preservare sulla piattaforma
STP (Signalling Transfer Point) che garantiscono i
tradizionale la delicata componente MAP relativa
servizi di instradamento e smistamento del traffico.
alla gestione della mobilità dei clienti.
L’architettura è strutturata in regioni di segnalaIn conclusione la creazione di una core network
zione, ognuna delle quali è composta da:
di segnalazione basata su IP per il servizio SM
• un insieme di MSC/VLR raggruppati in base a
(figura 1) ha consentito di:
criteri geografici e di appartenenza ad enti terri1) separare le problematiche relativa alla mobilità
toriali;
e al servizio SM;
• la globalità degli HLR (Home Location Register)
2) utilizzare tecniche di trasporto, nodi e tecnolodove risiedono i profili di utente;
gie dedicate, che, tenendo conto della specifi• un nodo SMSC (Short Message Service Centre)
cità del servizio, comportino minori investimenti
che riceve, mantiene ed invia secondo una
rispetto a quelli necessari per ampliare i nodi
logica store&forward i messaggi SMS di tipo
TDM adibiti a nodi di transito voce e segnalatestuale;
zione;
• alcuni nodi di Rete Intelligente SCP (Service
3) implementare una soluzione già orientata a
Control Point) dove risiedono le logiche dei serfuture evoluzioni (in linea con gli standard).
vizi;
Il punto 1) ha avuto come primo risultato
• una coppia di nodi TR/STP che eseguono funquello di ridurre il traffico di segnalazione sui nodi
zionalità di:
di transito e di recuperare risorse di segnalazione.
- Transito (TR) per il traffico voce tra diverse
I punti 2) e 3) hanno comportato l’orientamento
regioni di segnalazione e anche all’interno
verso soluzioni basate su tecniche di trasporto di
della stessa regione;
tipo IP.
- Signaling Transfer Point (STP) per instradare
Tale scelta ha portato a migrare il trasporto
il traffico MAP;
della segnalazione da una rete dedicata ad alta
- Punto di Interconnesione (PdI) con OLO
affidabilità ad un Backbone IP multiservizio. Se da
(Other Licensed Operators).
un lato ciò ha consentito di utilizzare, con investiPer garantire il livello di affidabilità necessario
menti ridotti, una piattaforma di trasporto preesiogni nodo è sempre connesso ad almeno i due
stente (la rete IP TIM Italia: Unigate) condivisa con
nodi che formano la coppia di STP; in particolare:
altri servizi, dall’altro tale condivisione ha richiesto
• ogni MSC/VLR e ogni SMSC è attestato alla
adeguate garanzie sulla qualità del servizio offerto.
coppia di nodi STP della regione.
D’altra parte, la modalità “Store and Forward”, pro• ogni HLR è attestato a tutti i nodi STP in modo
pria del servizio SM, consente di gestire mediante
che il numero di segnalatori sia sufficiente a
retry (tentativi successivi) l’eventuale mancata consmaltire il traffico sviluppato per la gestione
segna dello Short Message offrendo così anche
della mobilità, che risulta essere la maggioranza
una robustezza intrinseca rispetto a situazioni di
del traffico totale. In questo modo si garantisce
congestione del backbone IP.
il passaggio attraverso un solo nodo STP.
45
Queste regole pratiche
per la progettazione dell’architettura della rete di
segnalazione possono trovare delle eccezioni dovute
a situazioni legate a vincoli
della rete reale in campo.
3.2 Il sistema di segnalazione
SS7
SMSC
SCP
Pdl
OLO
TR/
STP
MSC/VLR
TR/
STP
HLR
Regione
segnalazione
≠1
MSC/VLR
SMSC
TR/
Regione
STP
segnalazione
≠5
MSC/VLR
SCP
TR/
STP
Pdl
OLO
MSC/VLR
C o s ì c o m e de finito in
Rete di
ITU-T durante gli anni
segnalazione
Novanta, la rete di segnalatradizionale
zione è basata su sistema
SS7 (Signalling System n.7),
formato da due parti:
HLR
SMSC
SCP
• la rete di segnalazione
MTP (Message Transfer
SGw
SGw
Part) che offre i servizi di
instradamento;
Pdl
TR/
TR/
• gli utilizzatori (User Part)
OLO
STP
STP
SGw IP Network SGw
che garantiscono le logiche per la gestione del
setup delle chiamate e
dei servizi supplementari
MSC/VLR
MSC/VLR
(ISUP); della mobilità dell’utente e del servizio SM
SMSC = Short Message Service Centre
STP = Signalling Transfer Point
(MAP); dei servizi di Rete
OLO = Other Licensed Operator
Intelligente (INAP).
SCP = Service Control Point
I livelli utilizzatori fanno
affidamento su robustezza e
performance della rete di FIGURA 3› Evoluzione dell’architettura della rete di segnalazione TIM Italia.
segnalazione per garantire la
qualità finale del servizio
percepita dal cliente (ad
esempio tempo di call setup di una chiamata,
I requisiti imposti sulla rete di segnalazione
tempo di attach da parte di un utente mobile).
sono:
La rete di segnalazione MTP (Message Transfer
• Affidabilità e disponibilità. La rete deve garantire
Part) è una rete a commutazione di pacchetto
un trasferimento affidabile dei messaggi di
basata su link di livello 2 con capacità di 64 kbit/s
segnalazione anche in condizioni critiche:
ricavati dai time slot della rete di trasporto TDM
- Il livello di link (MTP2) [2] esegue funziona(Time Division Multiplex).
lità volte a rilevare e correggere errori di traL’architettura della rete di segnalazione prevede
smissione e a garantire la consegna in
due tipologie di nodi:
sequenza;
• SEP (Signalling End Point) presso i quali risie- Il livello di rete (MTP3) [3] esegue funzionadono i livelli utilizzatori che coincidono con
lità di instradamento anche al fine di reagire
MSC/VLR, HLR, SCP, SMSC;
a situazioni di guasto di link o di nodo.
• STP (Signalling Transfer Point) che eseguono
• Ritardo. Per lo scambio di messaggi, è suffisolo funzionalità di instradamento e presso i
ciente che sia garantito un limite massimo di
quali non risiedono i livelli utilizzatori.
ritardo, mentre non sono presenti vincoli
In genere, la regola per la progettazione della
sulla variabilità del ritardo a differenza dei
rete prevede di collegare ogni nodo SEP ad
servizi voce. Tale requisito si rispecchia, a
almeno una coppia di nodi STP e di dimensionare i
livello di link, in un ritardo massimo di attesa
link di segnalazione del collegamento a 0,3 Erlang
di un riscontro (ack) prima di considerare il
in condizioni nominali; tale regola garantisce la
messaggio non consegnato; a livello di rete
robustezza della rete al guasto del singolo nodo
si traduce in un ritardo massimo di attesa
STP, nel qual caso il nodo STP ancora attivo
prima di eseguire le procedure di reinstradaavrebbe il link di segnalazione a 0,6 Erlang.
mento al fine di evitare duplicazioni o fuori
Questo limite di riempimento dei segnalatori è
sequenza.
dovuto a modelli matematici, i quali garantiscono
• Sicurezza. La rete di segnalazione è una rete
che fino al limite di 0,6 Erlang la rete non introduce
dedicata ai nodi di segnalazione e pertanto può
ritardi di accodamento tali da portare ad una
definirsi chiusa. Tuttavia, le reti di segnalazione
situazione di congestione.
tra Operatori possono essere interconnesse, in
46
questi casi la sicurezza viene garantita attraverso funzionalità di screening/autorizzazione
della sorgente del traffico.
La tabella 1 riporta i principali requisiti prestazionali della rete di segnalazione in termini di affidabilità, disponibilità e ritardo. Questi sono anche i
requisiti imposti sulla soluzione per il trasporto
della segnalazione su rete IP.
aspetti di mercato, è maturata in TIM Italia la decisione di realizzare una rete di segnalazione basata
su IP per trasportare il traffico SM. La scelta del
traffico da veicolare su rete IP si è orientata verso il
traffico Short Message per la sua natura
Store&Forward che non richiede stringenti garanzie
di ritardo e di consegna. Tuttavia, il servizio SM si è
imposto sul mercato come un mezzo di comunicazione rapido, infatti il cliente è abituato a percepire una buona qualità del servizio in termini di
rapidità di consegna; pertanto, in fase di proRitardo
gettazione della soluzione sono stati comunque
Livello SS7
Affidabilità / Disponibilità
(timer più stringente)
imposti requisiti di ritardo per garantire, nella
percezione da parte del cliente, la continuità del
500 - 2000 ms
MTP2
P errore non rilevato ≤ 10-10
Max ritardo di
(ITU-T Q.703)
servizio.
riscontro (ack)
L’architettura evoluta della rete per il trasporto della segnalazione SMS via IP si basa
I indisponibilità ≤ 10 minuti/anno
MTP2
sull’introduzione di nuovi nodi, detti SGw
P perdita messaggio ≤ 10-7
500 - 1200 ms
(Signalling Gateway), che sono funzionalmente
(ITU-T Q.704)
P fuori sequenza messaggio ≤ 10-10
degli STP (Signalling Transfer Point) in grado di
gestire, oltre ai link di segnalazione tradizionali
su portanti TDM, nuovi link (virtuali) di segnalazione su IP.
MTP2 = Message Transfer Part 2
SS7 = Signalling System n. 7
L’architettura, illustrata in figura 3, prevede
che gli SMSC siano collegati esclusivamente ai
nuovi nodi SGw che smistano il traffico di
TABELLA 1› Requisiti prestazionali della rete di segnalazione del sistema SS7.
segnalazione verso MSC/VLR e HLR attraverso
link di segnalazione tradizionale e che scambiano il traffico tra SGw attraverso link di
3.3 Architettura evoluta per trasporto SMS over IP
segnalazione virtuali su IP.
Tale archittettura garantisce che il traffico di
Negli ultimi anni, l’evoluzione dei servizi e del
segnalazione relativo al servizio Short Message sia
relativo traffico si è rivolta sempre più verso il
interamente gestito da una nuova rete dedicata,
mondo dati imponendo agli Operatori di realizzare
scaricando così la rete tradizionale di STP.
un’infrastruttura adeguata per tali servizi, in
3.4 Tecnologia SIGTRAN e posizionamento nello
genere di tipo IP. Contemporaneamente è matustandard
rata sul mercato la tecnologia per trasportare
anche il traffico voce su rete IP (VoIP) e, infatti,
All’interno dell’ente IETF (Internet Engineering
alcuni Operatori hanno deciso di adottarla per rinTask Force), dove vengono definite le soluzioni e i
novare parti della loro rete telefonica e/o introprotocolli per l’evoluzione della tecnologia basata
durre nuovi servizi telefonici e multimediali su
su IP, è stato formato nel 1999 un nuovo Gruppo di
accessi a larga banda come ha fatto Telecom
Lavoro (WG – Working Group), denominato SIGItalia Wireline [4].
TRAN (SIGnalling TRANsport), con l’obiettivo di
Con l’obiettivo di rendere i nodi di commutadefinire l’architettura e i protocolli per il trasporto
zione sempre più similari a dei nodi di tipo IP, alla
della segnalazione di tipo SS7 attraverso una rete
fine degli anni Novanta, l’industria e gli standard (in
IP, nel rispetto dei requisiti tipici del sistema SS7.
primis IETF e poi 3GPP) si sono coordinati per defiI protocolli di trasporto (livello 4) tipici del
nire una soluzione tecnologica che permettesse di
mondo IP sono UDP (User Datagram Protocol) e
trasportare anche il traffico di segnalazione attraTCP (Trasmission Control Protocol). Mentre UDP
verso una rete IP.
fornisce un servizio connection-less veloce senza
Rispetto al trasporto della voce, la definizione
meccanismi di affidabilità, TCP fornisce un servizio
della soluzione per il trasporto della segnalazione è
connection-oriented affidabile ma con limitazioni in
stato più rapido, prima di tutto per la caratteristica
termini di disponibilità e reazione ai guasti.
nativa del sistema SS7 di basarsi già su una tecPertanto entrambi sono stati considerati non adenica a commutazione di pacchetto simile a quella
guati allo scopo, sebbene sia stato riconosciuto
IP, e inoltre, per l’esperienza già maturata sulla tecche il TCP avesse la caratteristica fondamentale di
nologia IP per gli aspetti di Qualità del Servizio.
essere connection-oriented.
All’inizio del 2001 sono emerse sul mercato le
Queste considerazioni hanno spinto il WG SIGprime implementazioni commerciali della tecnoloTRAN a definire un nuovo protocollo di trasporto
gia SIGTRAN. In quel periodo, come già scritto nel
nel mondo IP: SCTP (Stream Control Transmission
paragrafo 1, la rete di segnalazione era in fase di
Protocol) [5] (si veda l’omonimo riquadro di
espansione per l’esplosione dei servizi basati su
approfondimento) al fine di sorpassare alcune limiShort Message.
tazioni tipiche del TCP.
In questo contesto tecnologico e valutando gli
47
SCTP (Stream Control
Transmission Protocol)
SCTP [5], sviluppato in ambito
IETF dal Working Group SIGTRAN, è un protocollo di trasporto connection oriented
che, a differenza dei protocolli
preesistenti (TCP e UDP) prevede meccanismi atti a rispettare i requisiti del trasporto
della segnalazione in rete IP.
Un’associazione SCTP è una
connessione virtuale tra due
entità, contenente diversi
s t re a m c h e c o s t i t u i s c o n o i
canali logici unidirezionali tra
due end point SCTP. SCTP è
p ro g e t t a t o p e r t r a s p o r t a re
messaggi. Infatti, la struttura
d e l d a t a g r a m m a p re v e d e u n
header comune e un insieme di
unità dati ognuna contenente
un messaggio del livello superiore. Ogni messaggio applicativo appartiene ad uno stream,
all’interno del quale è garantito
u n t r a s f e r i m e n t o a ff i d a b i l e
mediante riscontri selettivi e
ritrasmissioni (figura A).
Ta l e s t r u t t u r a d i S C T P c o n sente:
• di migliorare l’efficienza in
rete diminuendo l’overhead
complessivo, trasportando
nello stesso datagramma un
insieme di messaggi dei
livelli superiori fino a raggiungere la massima dimensione del datagramma
(bundling);
• di evitare situazioni di
head-of-line-blocking e il
relativo ritardo (multiplexing). Ciò avviene poiché
le ritrasmissioni sono
gestite a livello di singolo
flusso, pertanto la perdita
di messaggi appartenenti
ad un certo flusso non
blocca la consegna dei
messaggi di altri flussi.
I n o l t re v i e n e e s e g u i t o u n
meccanismo di ritrasmissione selettiva al fine di
r i t r a s m e t t e re s o l o i m e s saggi effettivamente persi e
48
dei requisiti di disponibilità e
affidabilità garantendo una tolleranza ai guasti IP in rete o
presso il nodo con reinstradamento del traffico su percorsi
alternativi, come illustrato in
(figura B) con un percorso IP
primario ed uno secondario.
Tale funzionalità garantisce la
capacità di reazione al fault IP
senza avvertire il livello superiore SS7.
La raggiungibilità dell’end point
remoto e la disponibilità di tutti
non tutti quelli trasmessi
successivamente alla perdita del primo messaggio.
Un’associazione, a differenza di
una connessione TCP, viene
aperta una sola volta per il trasferimento di molti flussi informativi, effettuando così un’unica
procedura di instaurazione. In
maniera analoga al TCP, prevede meccanismi per il controllo
di flusso e di congestione direttamente a livello di associazione.
Appl A
Appl A
2 1
2 1
2
2
2
1
1
1
Appl B
2 1
SCTP
A
Header
SCTP
Associazione SCTP
2 1
Appl C
Appl C
2
Appl B
SCTP
B
2
1
1
SCTP = Stream Control Transmission Protocol
FIGURA A› Architettura della rete intelligente (fisso e mobile).
A d i ff e re n z a d i T C P, i n v e c e ,
questo protocollo risulta arricchito di una funzionalità chiave,
il multihoming, che consente di
i percorsi definiti viene testata
mediante invio di messaggi
periodici, detti hearbeat.
SCTP fornisce inoltre varie fun-
persorso primario
10.10.1.2
10.10.3.2
IP Network
10.10.2.2
10.10.4.2
persorso secondario
FIGURA B› Funzionamento multihoming.
a s s e g n a re a d u n e n d p o i n t
SCTP “n” indirizzi IP così da
poter configurare all’interno di
una singola associazione “n”
indirizzi di trasporto; il multihoming contribuisce al rispetto
z i o n a l i t à p e r r i s p o n d e re a l
requisito di sicurezza del trasporto delle informazioni di
segnalazione in termini di confidenzialità, autenticazione e
integrità.
L’architettura definita in IETF dal WG SIGTRAN
è orientata a garantire che non ci siano impatti sui
protocolli SS7, e si basa su un’architettura protocollare modulare (figura 4), formata da:
• un protocollo di trasporto SCTP comune per
ogni livello di segnalazione SS7 in grado di
superare le limitazioni di TCP e UDP;
• un modulo di adattamento specifico per ogni
protocollo di segnalazione che si vuole trasportare su IP (x-UA, User Adaptation layer),
al fine di poter riutilizzare i livelli applicativi
della segnalazione SS7 e adattare i servizi forniti da SCTP.
virtuali (connessioni virtuali end to end), che non
presentano limitazioni di banda, in quanto realizzati
su una rete a pacchetto con interfacce ad alta
velocità (ad esempio interfacce FE 10/100 Mbit/s).
Come descritto nel paragrafo 3.2, i link tradizionali
SS7 sono link a 64 kbit/s in genere dimensionati a
0,3 Erlang, pertanto ne servono molti per smaltire
elevate quantità di traffico; inoltre esiste un limite al
numero di link tra due nodi SS7 (da standard 16,
per una banda massima di circa 300 kbit/s, sebbene alcuni costruttori permettano di arrivare
anche a 32). Tali limitazioni pongono vincoli sull’espansione della rete SS7 tradizionale, già raggiunti
nella rete mobile di TIM Italia.
Con i link virtuali di segnalazione su IP, la scalabilità di questi
è limitata solo dalla banda disponiSegnalazione SS7 tradizionale
Segnalazione
nativa IP
bile sulla rete a pacchetto ad alta
User Part
MAP/CAP
RANAP/
segnalazione
velocità, pertanto ciò garantisce di
BSSAP
TCAP
sorpassare i limiti e i vincoli della
ISUP
tecnica SS7 tradizionale.
SCCP
All’interno del percorso evoluModuli
tivo
delle architetture delle reti e
specifici
SUA
MTP3
di
dei
servizi
mobili, il 3GPP ha previadattamento
M3UA
DIAMETER
SIP
sto, come opzioni, l’utilizzo della
M2PA
M2UA
tecnologia IETF SIGTRAN per il
trasporto della segnalazione su IP
Livello comune
in Core Network dalla Release 4 e
SCTP
di trasporto
in RAN (Radio Access Network)
dalla Release 5 (interfaccia Iu CS).
IPv4 / IPv6
Il 3GPP [6] ha definito come
opzione la possibilità di trasportare
MTP3 = Message Transfer Part 3
attraverso reti a pacchetto (ATM o
IPvx = IP vers x
IP) la segnalazione tradizionale
SCCP = Signalling Connection Control Part
ISUP = ISDN User Part
SIP = Session Initiation Protocol
M2PA = MTP2 Peer to peer Application layer
SS7 (SCCP, ISUP, MAP, CAP) e le
SUA = SCCP User Adaptation layer
M2UA = MTP2 User Adaptation layer
TCAP = Transaction Capability Application Part
nuove componenti di segnalazione
(H.248 [7], BICC [8]) in CN (Core
Network). Nel caso di utilizzo di
una rete in tecnologia IP in CN, il
FIGURA 4› Architettura protocollare SIGTRAN.
trasporto della segnalazione deve
avvenire in accordo con l’architettura e i protocolli SIGTRAN. In parL’emergere di SCTP come protocollo di riferiticolare la specifica 3GPP chiarisce che è necessamento per il trasporto in rete IP di traffico segnalario l’utilizzo della pila composta da M3UA [10] e
zione ha fatto sì che fosse scelto, come alternativa
SCTP. La selezione di una sola opzione è stata
ai protocolli UDP e TCP, anche per il trasporto di
eseguita nell’ottica di semplificazione, infatti è
protocolli di segnalazione nativi del mondo IP, come
stato selezionato M3UA poiché risulta l’unico
ad esempio SIP (Session Initiation Protocol)1e DIAlivello di adattamento che garantisce il trasporto
METER2. L’applicazione di SCTP rimane, ad oggi,
della segnalazione sia ISUP che SCCP, ovvero
confinata all’interno del segmento di core network
rispettivamente call related e non call related.
poiché un dispiegamento sui numerosi terminali
Tuttavia, per lo scenario di off load del traffico
presenti nella rete di accesso potrebbe essere
SMS su una rete IP, TIM Italia ha selezionato la pila
troppo oneroso in termini elaborativi.
protocollare M2PA [11] / SCTP poiché si presenUno dei maggiori vantaggi della segnalazione
tava, al momento, come la soluzione più matura sul
su IP è la possibilità di realizzare tra i nodi dei link
mercato dato che prevede il riutilizzo del livello
MTP3 per le funzionalità base di instradamento
(1)
della rete di segnalazione.
SIP è un protocollo per il setup di sessioni nativo IP, scelto come riferimento per i servizi del dominio IMS in 3GPP e considerato il protocollo che si
imporrà per i servizi (dati, voce, video) nell’evoluzione di Internet.
4. Realizzazione della rete SMS over IP
(2)
DIAMETER è un protocollo, evoluto rispetto al RADIUS, per eseguire funzionalità e procedure di AAA (Authentication, Authorization, Accounting). È stato
selezionato nello standard 3GPP per tali funzionalità nel dominio IMS.
Come già anticipato, l’architettura della rete di
segnalazione MAP di TIM Italia prevede una suddivisione geografica in cinque aree di segnalazione.
49
La struttura di rete realizzata prevede di garanGli MSC/VLR vengono assegnati alle diverse aree
tire l’affidabilità mediante la ridondanza:
cercando, compatibilmente con vincoli di carattere
• geografica, in quanto ogni nodo di rete è congeografico/organizzativo, di garantire l’equidistrinesso, via TDM, a due SGw di zone geografiche
buzione del traffico di segnalazione MAP tra le
distinte;
regioni.
• di apparato, in modo da gestire temporanei
In ciascuna area di segnalazione sono presenti
fault di nodo, per cui ogni SGw è in grado di
due nodi di transito TR/STP.
gestire il traffico dell’altro SGw della coppia in
L’architettura prevede che:
• i nodi di transito siano connessi tra di loro a
condizioni normali di traffico;
• interna al SGw, realizzata attraverso un’architetmaglia completa;
• i nodi HLR siano connessi, direttamente o tratura del nodo completamente ridondata.
mite connessioni semipermanenti, con tutti i
4.1 Funzionalità della piattaforma
nodi di transito;
• i nodi MSC/VLR siano connessi ai due nodi di
Durante l’analisi dei requisiti della piattaforma
transito della regione di appartenenza.
SS7 over IP si sono tenute in considerazione le
I nodi di transito gestiscono:
• la segnalazione ISUP e i canali fonici relativi al
funzionalità implementate sulla piattaforma SS7
traffico voce fra differenti regioni di segnalatradizionale in tecnica TDM, che necessariazione;
mente erano richieste anche sulla nuova piat• le procedure MAP, che coinvolgono HLR,
taforma.
SMSC, MSC/VLR ed altri apparati di servizio;
Nel seguito si è focalizzata l’attenzione agli
• la funzionalità di Number Portability in maniera
aspetti relativi ai seguenti requisiti/funzionalità
congiunta ai nodi HLR.
della piattaforma SMS over IP:
La rete SMS over IP è costituita da sei nodi
• routing a livello MTP3 ed SCCP (Global Title
Signaling Gateway che realizzano una rete di
Translation);
segnalazione su IP (mediante connessioni di tipo
• screening su utenza originante/terminante gli
SS7 con i nodi GSM e di tipo IP con il backbone
SMS per interazioni con la MNP (Mobile
IP), parallela a quella costituita dai nodi di transito.
Number Portability);
Questa rete è in grado di gestire tutte le procedure
• interlavoro tra SS7 ed IP per l’Interconnessione
MAP relative al servizio di Short Message.
verso elementi di rete SS7 (MSC, HLR, TR) e via
L’architettura della rete di segnalazione viene ad
IP con SMSC (Protocol adaptation).
essere ridisegnata con l’introduzione della segnalazione su IP,
infatti i sei SGw sono organizzati in
coppie che costituiscono tre bacini
Regione NORD
di raccolta del traffico SM. In tal
modo, per la rete IP le aree di
MSC/VLR
SMSC
SMSC
segnalazione sono state ridotte da
MI
BO
HLR
cinque a tre.
MSC/VLR
La definizione delle tre aree di
HLR
segnalazione è stata effettuata
SGw BO
SGw MI
considerando:
• l’inserimento dei nodi SGw in
Rete IP
MSC/VLR
siti in cui è presente un nodo
UNIGATE
MSC/VLR
SMSC, al fine di risparmiare
SGw PI
SGw NA
connessioni geografiche;
HLR
• la doppia attestazione geograSMSC
NA
fica dei nodi SMSC, HLR e
SGw CT
SGw RM
SMSC
MSC/VLR ai nodi SGw.
PI
HLR
SMSC
Pertanto, come illustrato in
CT
MSC/VLR
figura 5, su una coppia di nodi
SMSC
MSC/VLR
RM
SGw insistono:
HLR
HLR
• due centri servizi (SMSC) con
Regione CENTRO
link SS7;
Regione SUD
• MSC/VLR, HLR con link SS7
LinksetSS7
dedicati al traffico SMS;
Linkset M2PA
• TR/STP con link SS7 per veicoHLR = Home Location Register
lare il traffico da/verso altri
Operatori OLO (Other Licensed
Operators);
• una rete magliata di linkset
logici IP (M2PA) verso gli altri
SGw, realizzata mediante il FIGURA 5› Struttura della rete SMS over IP in tre regioni di segnalazione.
backbone IP.
50
4.1.1 Funzionalità di routing
Il routing nel sistema SS7 è basato su due
livelli: livello di rete MTP3 e livello SCCP [9] (GTT).
Lo spazio di indirizzamento di MTP3 è basato
sulla individuazione degli elementi di rete SS7
mediante Signaling Point Code, pertanto la generica MSU presenta OPC (Originating Point Code) e
DPC (Destination Point Code), che individuano
rispettivamente l’origine e la destinazione del messaggio.
Il livello SCCP estende e completa la capacità
d’indirizzamento, infatti lo spazio di indirizzamento
si basa sull’individuazione dei nodi di rete mediante
un numero telefonico, tipo E.164 (Global Title), per
identificare origine (Calling Party Address) e destinazione (Called Party Address). Inoltre, il livello
SCCP fornisce il servizio di GTT (Global Title
Translation) che permette di tradurre un indirizzo
numerico, in genere il Called Party Address SCCP,
con l’indirizzo fisico di livello MTP3.
Grazie al doppio livello di indirizzamento MTP3
e SCCP si rende l’instradamento molto flessibile,
poiché una destinazione è identificata da un
numero, pertanto qualsiasi cambiamento di indirizzi PC (Point Code) di rete si riflette in un aggiornamento solo nei nodi che eseguono GTT.
Nella rete di TIM Italia, un caso in cui si ricorre
alla funzione di GTT è l’invio di un SMS (procedura
SM-MO) da parte di un cliente verso il Centro
Servizi (SMSC). Il terminale possiede, preimpostato,
il numero virtuale (E.164) del SMSC TIM (+39
3359609600); quando il cliente invia uno SM, il
MSC/VLR lo instrada verso un nodo intermedio (ora
i SGw, precedentemente le TR/STP) che esegue
GTT ed individua il PC del SMSC. In questo modo,
l’introduzione di un nuovo SMSC in rete, comporta
impatti solo sui nodi intermedi e non su tutti i
restanti nodi MSC/VLR ed HLR della rete TIM Italia.
Tuttavia, la maggiore flessibilità fornita dalla
funzionalità di GTT implementata in un nodo SS7
va a gravare sul carico elaborativo del nodo. È
quindi necessario valutare con attenzione il suo
eventuale utilizzo soprattutto nei nodi intermedi
che, per il loro numero ridotto, si prestano maggiormente ad implementare la “decisione” del routing. L’operazione di GTT incide sulle capacità del
nodo, per cui il numero di GTT/sec eseguibili rappresenta uno dei dati più significativi per le prestazioni di un nodo di segnalazione.
L’introduzione della piattaforma SMS over IP,
con il relativo off load del carico di SMS dalle centrali di transito ha portato a spostare la funzionalità
di GTT dai nodi di Transito (TR/STP) verso i SGw,
con conseguente alleggerimento del carico di elaborazione sui nodi tradizionali. La figura A nel
riquadro “Il servizio Short Message” mostra, per
ogni procedura MAP componente il servizio SM, la
funzionalità di GTT eseguita dal SGw.
L’architettura della rete SMS over IP garantisce
pertanto le seguenti funzionalità per il servizio
Short Message:
• Traduzione delle GT relative ai vari elementi di
rete: MSC, SMSC, HLR e TR;
• Traduzione della GT virtuale del servizio;
• Esecuzione del routing.
4.1.2 Funzionalità di Mobile Number Portability (MNP)
La migrazione del servizio Short Message sulla
piattaforma SMS over IP, ha dovuto tener conto dei
vincoli imposti dalla regolamentazione relativa alla
portabilità della numerazione del cliente.
Come descritto nel riquadro “Il servizio Short
Message”, è necessario eseguire in rete le verifiche
sulla tipologia del cliente per comprenderne l’operatore di appartenenza ed eseguire le opportune
azioni. In particolare, in rete TIM Italia è eseguito:
• Screening sull’originante lo Short Message, per
abilitarne o meno l’accesso al SMSC TIM, in
ottica antifrode. In regime di Number Portability
è infatti necessario verificare che alla numerazione MSISDN originante corrisponda effettivamente un cliente TIM Italia.
• Verifica dello stato di portabilità del destinatario
dello Short Message, mediante accesso ai
database di portabilità presenti su HLR e transito TIM, per inviare lo SM all’Operatore presso
il quale “risiede” il cliente.
Prima della migrazione del servizio Short
Message sulla piattaforma SMS over IP, lo screening sull’originante (SMS-MO) veniva effettuato
interrogando i database FNR (Flexible Number
Routing) presenti sui nodi TR/STP. L’introduzione
della piattaforma SMS over IP, con il relativo off
load del carico di SMS dai nodi di transito, ha portato a spostare nel SMSC tale controllo mediante
la verifica dell’IMSI dell’utente “mittente”, veicolato
nel messaggio SM-MO.
Per quanto riguarda la verifica dello stato di
portabilità del destinatario dello Short Message, le
verifiche sulle numerazioni “nominalmente” TIM
(numerazione 33X) o OLO (numerazione 3YZ) sono
implementate, rispettivamente negli HLR e nei nodi
di transito, mediante i database FNR.
4.1.3 Interlavoro SS7 - IP
Per trasportare la segnalazione su IP tra SGw
diversi, la piattaforma esegue funzionalità di interlavoro tra SS7 ed IP. Per lo scenario SMS over IP,
TIM Italia ha scelto di utilizzare il protocollo di
adattamento M2PA su SCTP che struttura il SGw
come illustrato nella figura 6. M2PA [12] è un protocollo peer to peer che adatta il trasporto dei
messaggi di segnalazione MTP3 realizzando un link
di segnalazione su rete IP in maniera del tutto trasparente al livello MTP3. Infatti, M2PA fornisce
verso MTP3 le stesse primitive di MTP2 e utilizza
l’associazione SCTP come se fosse un link virtuale
di trasporto. I servizi offerti da M2PA e le relative
funzionalità previste per il supporto delle funzionalità di MTP2 sono:
• supporto delle primitive di interfaccia tra MTP2
e MTP3;
• Mapping dei link SS7 in associazioni SCTP;
• Gestione delle associazioni SCTP;
• Fornitura dei servizi richiesti da MTP3 in rete IP.
51
Questa scelta è stata dettata
dalla volontà di riutilizzare il più
possibile le logiche consolidate di
MTP3, ovvero le procedure ben
note per la pianificazione e l’esercizio della rete, e dalla rapida
maturità raggiunta dal protocollo
M2PA, grazie alla sua semplicità.
Struttura fisica SGw
Struttura logica
SGw
Backup RSP
GTT
SCCP
Primary RSP
MTP3 / MTP3b Mgmt
MTP3 / MTP3b Routing
Shared High Speed DMA Memory
4.2 Il nodo Signalling Gateway
GTT
GTT
GTT
Le funzionalità precedenteMTP3/SCCP
MTP3/SCCP
Forwarding
mente esposte si concretizzano in
Forwarding
SCCP
MTP3/SCCP
una architettura di nodo basata su
MTP3/SCCP
Filtering
MTP3/MTP3b
Filtering
piattaforma Cisco 7513 su cui
M2PA
viene inserita una versione dediM2PA
VIP
VIP
VIP
cata del sistema operativo IOS.
SCTP
SCTP
MTP2
L’architettura interna del nodo in
IP
rete TIM Italia è composta da:
IP
IP
• processore centrale (RSP16)
che realizza tutte le funzioni di
MTP1 Ethernet
Ethernet PA
Ethernet PA
MTP2
gestione, supervisione e sincroEthernet PA
Ethernet PA
SS7 P.A.
nizzazione delle schede periferiche;
• schede periferiche (VIP6-80),
c h e u n a v olta spe c ia lizza te
SS7 Data Flow
Sigtran Data Flow
OSS Data Flow
mediante hardware dedicato
per la gestione dell’interfaccia
OSS = Operations Support System
DMA = Direct Memory Access
IP o TDM (Port Adapter IP o
GTT = Global Title Translation
SS7), eseguono le funzioni di
IP = Internet Protocol
SS7 = Signalling System 7
RSP = Route Switch Processor
i n te rc o n n e ssione ve rso re ti
VIP = Versatile Interface Processor
M2PA = MTP2 Per to peer Adaptation layer
MTP3 = Message Transfer Part
esterne e, oppotunamente configurate, possono eseguire funzionalità di instradamento e
switching al fine di alleggerire il FIGURA 6› Architettura distribuita del SGw.
carico sul processore centrale.
I SGw sono configurati impostando la ridondanza hardware
interna: ogni nodo è infatti così configurato:
guono i processi fino a livello SCCP (incluse anche
• doppia alimentazione in corrente continua assile operazioni di Global Title Traslation) scaricando il
curando la disponibilità energetica all’apparato;
carico elaborativo del processore centrale, che
• due processori centrali con una ridondanza
eseguirà il calcolo e la distribuzione delle tabelle di
impostata di tipo caldo (Hot Standby);
routing solo in caso di cambiamenti di stato del
• schede periferiche con doppia interfaccia IP;
nodo; infine, vengono dedicate anche delle schede
• schede periferiche con doppia interfaccia SS7
per l’interfacciamento a livello IP con i sistemi OSS
in modo da avere la completa ridondanza di
di gestione (per esempio l’invio dei dati statistici o
segnalatori.
la ricezione dei comandi di configurazione da
Nella prima fase di introduzione in rete, la piatremoto).
taforma ITP era dotata di una architettura centralizCon tale architettura il nodo avrà una maggiore
zata in cui tutte le funzioni venivano svolte dall’ucapacità che potrà essere incrementata aggiunnità centrale, limitando così le capacità dell’intero
gendo ulteriori schede periferiche. Inoltre, sebbene
sistema. L’evoluzione tecnologica del nodo ha pornon illustrati in figura 6 per semplicità, tale architettato ad una architettura interna distribuita, spotura risulta flessibile per l’implementazione di altri
stando le funzionalità di routing presso le schede
protocolli SIGTRAN in ottica evolutiva.
periferiche dotate di capacità di switching. Ciò ha
4.3 Il trasporto IP mediante UNIGATE
permesso di rendere modulabile la capacità del
nodo dotandolo di maggiore flessibilità per ulteriori
Il backbone IP di TIM (UNIGATE) fornisce il serampliamenti.
vizio di trasporto geografico tra le piattaforme SGw
Per implementare tale architettura è stata atticon garanzie di protezione rispetto al guasto di
vata la funzionalità (off load) che permette di abilicollegamento o di nodo e di priorità nel trattatare il routing SCCP/MTP3 e M2PA/SCTP nelle
mento dei messaggi di segnalazione al fine di assischede periferiche. Come illustrato in figura 6, le
curare un ritardo end to end contenuto ed adatto ai
schede VIP vengono specializzate per l’interfacciamessaggi di segnalazione.
mento con la rete SS7 e con la rete IP ed ese-
52
Il servizio
SHORT MESSAGE
TR/STP/
GW OLO
MSC
SGw
HLR
SGw
SMSC
SM-MO
SRI (MSISDN TIM)
Il servizio Short Message si
compone delle seguenti procedure (figura A):
• SM Mobile Originated (SMMO): procedura di invio da
parte del terminale di uno
SM verso il Service Centre
(SMSC). Nel terminale è
impostato un numero virtuale di riferimento utilizzato dalla rete per instradare lo SM verso il SMSC;
• Send Routing Information
(SRI): procedura di richiesta
da parte del SMSC all’HLR
delle informazioni necessarie ad individuare il MSC
Visited presso il quale è
registrato il destinatario
dello SM;
• SM Mobile Terminated (SMMT) : procedura di invio
dello SM al MSC visited
presso il quale è registrato
il destinatario dello SM;
• SM waiting Data Set procedure (SM-DS): procedura
iniziata dal SMSC per registrare il proprio indirizzo
nella waiting list quando la
procedura SM-MT non sia
andata a buon fine (per
esempio, utente non raggiungibile);
• Alert: procedure iniziata dal
HLR per avvertire il SMSC
nel caso in cui il destinatario sia tornato raggiungibile.
SRI
(MSISDN
non TIM)
IP Network
SM-MT
SMDS
ALERT
Global Title
Translation
GW
HLR
MSC
MSISDN
Reinstradamento verso
HLR destinanatario
=
=
=
=
GateWay
Home Location Register
Mobile Switching Centre
Mobile Station International
ISDN Number
=
MT Mobile Terminated
OLO = Other Licensed Operator
IMSI screening
SMDS = Short Message waiting Data Set
procedure
= Short Message Mobile Originated
= Short Message Service Centre
= Send Routing Information
= Signalling Transfer Point
= nodo di TRansito
SMMO
SMSC
SRI
STP
TR
FIGURA A› Procedure MAP per lo SM.
L’introduzione in rete della
MNP
(Mobile
N um be r
Portability) permette ad un
cliente di cambiare Operatore
mobile senza modificare il proprio numero MSISDN (Mobile
Station International ISDN
Number). Tale funzionalità è
supportata dalla rete TIM Italia
mediante la funzionalità FNR
(Flexible Number Routing)
consistente in un database
che mantiene lo stato di MNP
dell’utente.
Nella figura A sono illustrate
Tali prestazioni sono ottenute mediante la realizzazione di un backbone secondo l’architettura
Differentiated Services, che permette di fornire
classi di servizio diverse nelle prestazioni. In UNIGATE sono fornite quattro classi di servizio:
• Real Time per i servizi voce che garantisce
priorità di trattamento assoluta al fine di ridurre
il jitter;
• Dati Plus per i servizi dati con qualità;
• Controllo per la segnalazione (ad esempio
OSPF) tra i nodi IP;
• Best Effort per i restanti servizi.
Per il trasporto del traffico di segnalazione viene
utilizzata la classe Dati Plus che garantisce perdite
l e p ro c e d u re S M t r a i n o d i
interessati e sono messe in
evidenza (bullet rossi) le funzioni di instradamento GTT
(Global Title Translation) eseguite dal SGw al fine di tradurre l’indirizzo in formato
numero MSISDN, associato al
nodo di rete destinatario della
procedura, in un indirizzo di
re t e ( P o i n t C o d e ) . I n o l t re ,
sono evidenziate anche le
o p e r a z i o n i ( b u l l e t v e rd i e
gialli) dovute alla MNP.
contenute e un ritardo limitato ma senza garanzie
sulla variabilità dello stesso.
La robustezza ai guasti è garantita dal backbone IP attraverso un’architettura (figura 7) con
due piani di rete paralleli che utilizzano collegamenti geografici diversi e con una struttura di sito
ridondata con due nodi, ognuno su un piano
diverso della rete. Inoltre la piattaforma SGw usufruisce del servizio di accesso ridondato al backbone IP mediante la funzionalità Cisco HSRP (Hot
Standby Routing Protocol). Infatti, ogni SGw è collegato attraverso l’infrastruttura LAN del sito di
UNIGATE a due router. Ogni router esegue funzioni
di default gateway, ovvero esegue il routing IP, per
53
parte delle interfacce del SGw come primario e per la restante parte come
secondario. In tale modo è garantita la
robustezza al fault di nodo di accesso di
UNIGATE.
Inoltre, mediante il processo OSPF e
la architettura a due piani, UNIGATE
garantisce la ridondanza del percorso tra
i siti, necessaria per sfruttare a pieno la
funzionalità di multihoming sul nodo
SGw, fornendo così un meccanismo di
reazione a guasti della componente IP di
trasporto.
5. Evoluzione architettura rete SMS
over IP
Regione
segnalazione
PoP UNIGATE
6509
SMSC
PoP
FE
SMSoIP
GSR
STM-1
GE
SGw
HLR
75xx
UNIGATE
PoP
SMSoIP
SGw
MSC/VLR
Gruppi HSRP
GSR
HLR
HSRP
MSC
PoP
SGw
SMSoIP
VLR
=
=
=
=
=
=
=
=
Gigabit Switch Router
Hot Standby Routing Protocol
Point of Presence
Signalling Gateway
Short Message Service over IP
Visited Location Register
L’evoluzione degli SMSC verso il trasporto della segnalazione su IP mediante
l’adozione dei protocolli SIGTRAN (in FIGURA 7› Architettura interconnessione con backbone IP.
particolare nella piattaforma TIM, il protocollo SUA [12], che trasporta i messaggi
TCAP su IP) ha portato ad integrare nella
nuova generazione di tali apparati, nodi SGw della
due nuovi SMSC IP in sostituzione delle piatstessa tipologia e taglia di quelli ad oggi presenti in
taforme esistenti di tipo SS7.
campo. La contemporanea introduzione di interfacce SIGTRAN (in particolare con protocollo
6. Soluzione a livello internazionale
M3UA che trasporta messaggi SCCP su IP) su altre
piattaforme di servizio ha determinato la scelta di
Un ulteriore esempio significativo di utilizzo
sviluppare un’architettura (figura 8), composta da
delle tecniche di trasporto della segnalazione SS7
due livelli di SGw:
• un primo livello realizzato dai sei SGw
già presenti, che costituiscono il
nucleo della rete per l’interconnessione verso le piattaforme SS7;
Service
• un secondo livello di SGw condivisi
SMSC
Platform
tra le diverse piattaforme di servizio
SUA
M3UA
evolute, che esegue funzionalità di
Livello 2:
adattamento ed interlavoro dei proto- Sigtran protocol
interworking
colli SUA/M3UA, supportati dalle piat- Routing
taforme di servizio, con il protocollo
- GTT
Linkset
M2PA per la comunicazione peer to
UNIGATE
M2PA
peer con i SGw del primo livello.
Dato che la funzionalità di GTT (Global
Livello 1:
Title Traslation) contribuisce in maniera
- SS7
interconnection
sostanziale al carico dei SGw, la soluzione
- Routing
proposta permette di diversificare la confi- GTT
gurazione di tale funzionalità ripartendola
SS7
SS7
SS7
sui due livelli in modo da garantire un utilizzo efficiente in base alle risorse disponiPiattaforme SS7 (HLR, MSC, SMSC, TR)
bili nei SGw.
MSC/VLR
TR
HLR
Alcuni dei principali benefici introdotti
sono:
GTT = Global Title Translation
• facilità di introduzione delle piattaforme
di servizio su IP poiché gli impatti di
configurazione sono concentrati solo su
SGw del secondo livello;
SUA = SCCP User Adaptation layer
• introduzione di licenze SUA/M3UA per
eseguire la protocol adaptation solo
su SGw di secondo livello, limitando
così gli investimenti.
Oggi questa architettura si è concre- FIGURA 8› Architettura evoluta a due livelli.
tizzata in rete TIM con l’introduzione di
54
su backbone IP, è tuttora in fase di realizzazione
nell’ambito dei progetti per la fornitura di servizi
VAS TIM alle consociate estere.
Il progetto generale ha avuto come obiettivo
principale “esportare” in modo rapido, affidabile,
ed a basso impatto economico (modalità
“Plug&Play”), taluni servizi VAS, come “LoSai di
TIM”, “Chiama ora” (si veda il riquadro di approfondimento omonimo), servizi MMS/WAP, Voice Mail,
Unified Messaging.
A tale scopo il progetto prevede di condividere
le piattaforme di servizio (TGDS, SMSC, IVR,
MMSC, …) già esistenti in rete TIM Italia, così da
ridurre gli investimenti e i tempi dovuti ad un’implementazione dei servizi nelle reti delle consociate.
L’accesso alle piattaforme di servizio TIM da parte
dei clienti delle consociate è realizzato mediante
una rete internazionale trasportando il contenuto
informativo e di segnalazione previsto da ciascun
servizio.
Di seguito la descrizione è focalizzata ai servizi:
LoSai di TIM e Chiama Ora. Tali servizi sono realizzati con logiche basate su SMS ed interazione con
servizi supplementari SS7 (ovvero ISUP/MAP), pertanto si prestano bene ad essere implementati con
tecniche di trasporto IP-based in ambito “core
internazionale”, riutilizzando l’esperienza positiva
dell’implementazione SMS over IP in ambito nazionale TIM Italia.
Nella scelta del trasporto IP rispetto al TDM
classico, sono risultati determinanti i vantaggi derivanti da una maggiore flessibilità di trasporto per i
volumi di traffico in gioco e dalla realizzazione di
una architettura internazionale formata da:
• una rete di SGw in grado di garantire l’interla-
I servizi:
Losai di TIM,
Chiama Ora
Questi servizi consentono
all’Operatore mobile di notificare ai propri clienti (SMS “Lo
Sai di TIM”) le chiamate ricevute in stato di non raggiungibilità (terminale spento o fuori
copertura), e al cliente chiamante (SMS “Chiama Ora”) lo
stato di raggiungibilità dell’utenza chiamata.
I servizi si compongono di due
fasi:
• Fase ISUP: durante l’instaurazione della chiamata
voro tra livelli SS7 ed IP ed una comunicazione
trasparente per i livelli applicativi SS7 coinvolti
(ISUP, MAP);
• un’infrastruttura IP-based (basata su Backbone
IP internazionale) condivisa da vari servizi (servizi dati GPRS/UMTS in roaming) tra diversi
operatori esteri.
Come nel caso della rete SMS over IP nazionale, l’interlavoro è ottenuto con l’adattamento tra
gli stack protocollari SS7 e IP sulle interfacce dei
SGw di TIM Italia e della Consociata, mediante lo
stack SIGTRAN:
• MAP/TCAP sui livelli SCCP / MTP3 / M2PA /
SCTP/IP;
• ISUP sui livelli MTP3/M2PA/SCTP/IP.
L’architettura prevede (figura 9) l’installazione in
ogni rete delle consociate di almeno un SGw in
grado, in fase di invio, di “imbustare” i messaggi di
segnalazione ed inviarli alla destinazione corretta
attraverso la rete IP e, in fase di ricezione, di
“aprire” i pacchetti IP per ottenere i messaggi di
segnalazione, eseguendo l’instradamento verso la
destinazione.
L’interconnessione via IP tra sistemi SS7 remoti
appartenenti ai diversi operatori esteri, ha richiesto
di affrontare e risolvere alcune criticità:
• rispetto dei vincoli (ritardo, perdita di pacchetti
e disponibilità di servizio) stringenti del traffico
di segnalazione SS7 (paragrafo 3.2);
• coerenza e divisione degli spazi di indirizzamento SS7 (MTP3), in particolare con traduzione nazionale-internazionale degli indirizzi;
• ridondanze nell’instradamento dei messaggi per
garantire un’opportuna robustezza.
Il progetto è attualmente in fase di realizza-
verso un cliente con terminale spento o fuori copertura, la chiamata viene rediretta, solo in segnalazione (ISUP) e pertanto
senza impegno di circuiti
fonici, verso una piattaforma (TGDS) che implementa la logica del servizio
di notifica. Inoltre, la chiamata viene deviata in fonia
verso una macchina in
grado di riprodurre un
annuncio che avverte il
cliente chiamante della
possibilità, tramite opportuna selezione di toni
DTMF, di essere notificato
(SMS “Chiama Ora”) sullo
stato di raggiungibilità del
chiamato. Tale opzione
viene raccolta dalla piattaforma TGDS che provvede poi a rilasciare opportunamente la chiamata.
• Fase MAP (SMS): la piattaforma TGDS prepara ed
invia al cliente chiamato
non raggiungibile lo Short
Message “Lo Sai …” contenente i dati relativi ai chiamanti. Non appena il chiamato si ripresenterà alla
rete, gli verrà consegnato
lo Short Message contenente la lista dei tentativi di
chiamata durante la sua
assenza
dalla
rete.
Dopodiché il TGDS, ricevuto un riscontro positivo
circa la consegna dello
Short Message “Lo Sai …”
al chiamato, può inviare lo
Short Message “Chiama
Ora …” ai chiamanti che ne
abbiano fatto richiesta,
indicando così nel corpo
del messaggio la raggiungibilità del cliente cercato.
55
zione, e pertanto resta aperto a
possibili evoluzioni legate sia alla
tecnologia offerta dai maggiori
costruttori sia all’integrazione di
ulteriori nuovi servizi/piattaforme,
in linea con l’approccio di tipo
“Plug&Play”.
Consociata B
SMSC
Service
Platform
TIM Italia
7. Scenari evolutivi
SGw
ITZ
Rete SS7oIP
Internazionale
UN
IG
AT
E
HLR
SGw
ITZ
MSC/VLR
Backbone IP
Internazionale
Come già citato nel paragrafo
3.3, i costruttori stanno perseguendo la via di rendere i nodi di
commutazione delle Core Network
SGw
ITZ
degli Operatori mobili sempre più
di tipo IP, secondo gli standard di
riferimento definiti nell’ente 3GPP.
MSC/VLR
HLR
Infatti, nelle roadmap dei costruttori è previsto il supporto di interConsociata A
facce IP per il trasporto della
segnalazione di apparati GSM
(MSC, HLR, TR) e UMTS (MSC
Server, MGw per un’architettura
split). Sebbene esuli dal focus del
presente articolo, ovviamente è FIGURA 9› Architettura rete di segnalazione su IP internazionale.
previsto anche il trasporto della
voce su rete IP in Core Network.
Nel contempo, il successo del progetto della
Nel lungo termine, è altresì prevedibile la realizzarete SMS over IP e la conseguente esperienza
zione di una struttura di rete non gerarchica in cui tutti
maturata in TIM Italia, fanno sì che ci siano le coni nodi (MSC e HLR) siano interconnessi tra di loro
dizioni per riapplicare in scenari di rete evolutivi la
attraverso una rete IP, al fine di ridurre la necessità di
soluzione di trasporto della segnalazione su IP,
nodi aggregatori di tipo TR/STP/SGw. I vari passaggi
dove ciò risulti conveniente e opportuno.
dell’evoluzione sono riportati nella figura 10.
In particolare, dalle analisi di evoluzione del
In questi scenari di rete, si prevede di utilizzare l’arsegmento di Core Network, sono emersi due poschitettura protocollare M3UA/SCTP, per il trasporto del
sibili scenari evoluti di rete nel medio termine:
protocollo SCCP, in alternativa alla pila protocollare
• il completamento, in ambito GSM, del processo
tradizionale MTP, come definito nello standard 3GPP.
di migrazione della segnalazione su IP, realizzando il trasporto anche della parte di
mobilità del protocollo MAP;
• la disponibilità di MSC in archiHLR
HLR
SCP
HLR
SCP
SCP
tettura split, composta da MSC
Server e MGw, con la globalità
della segnalazione gestita da
TR
TR
TR
TR
IP
MSC Server trasportata via IP.
IP
Network
SS7/TDM
SS7/TDM
Nella rete GSM è possibile preveNetwork
Network
Network
dere uno scenario in cui gli MSC e
TR
TR
TR
TR
SGw
gli HLR siano dotati di schede IP
atte a trasportare la segnalazione.
MSC/VLR
Nel medio termine, al fine di distribuire gli investimenti nel tempo e per
MSC/VLR MSC/VLR
MSC/VLR
MSC/VLR
MSC/VLR
motivi di migrazione della rete, è prevedibile uno scenario in cui tutti gli
MAP/TCAP/SCCP/M3UA/SCTP
CAP o INAP/TCAP/SCCP/M3UA/SCTP
HLR e alcuni nodi di rete siano forniti
di interfacce IP. In questo scenario
INAP = Inteligent Network Application Part
alcuni nodi (MSC o TR) potrebbero
essere selezionati per eseguire funSCCP = Signalling Connection Control Part
= Stream Control Transmission Protocol
SCTP
zionalità di SGw per aggregare il
TCAP = Transaction Capability Application layer
traffico dei segnalatori tradizionali
SS7 provenienti dai nodi non forniti
di interfacce IP e trasportare il traf- FIGURA 10› Scenari evolutivi della rete GSM.
fico verso i nodi HLR via IP.
56
Nell’evoluzione della Core Network
UMTS, l’introduzione dell’architettura
split o layered nel dominio CS (Circuit
HLR
Switched) permette la separazione tra
nodi appartenenti al piano di controllo
PLMN/
PLMN/
MSC Server
MSC Server
PSTN
PSTN
(MSC Server) e nodi appartenenti al
piano di utente (MGw) e la realizzazione
MGw
IP
MGw
SGw
di una struttura di rete in cui l’MSC
SGw
Network
Server diviene un nodo IP (figura 11),
RNC
MGw
mentre la rete di accesso radio (RAN)
MGw
RNC
ATM
SGw
ATM
SGw
continua a basarsi su un trasporto di tipo
ATM. In questo contesto, il MGw, oltre ad
RNC
RNC
eseguire le funzionalità legate al trattaISUP/MTP3
Centro
di
Centro di
BICC/M3UA/SCTP
mento dei flussi nel piano di utente, tercommutazione
H.248/M3UA/SCTP
commutazione
mina lato accesso il trasporto ATM e lato
MAP/TCAP/SCCP/M3UA/SCTP
RANAP/SCCP/M3UA/SCTP
CN utilizza il trasporto IP.
RANAP/SCCP/MTP3b/SAAL/AAL5/ATM
In questa scenario è previsto l’utilizzo
ATM = Asynchronous Transfer Mode
PLMN = Public Land Mobile Network
di interfacce IP presso:
BCC = Bearer INdependent Call Control RNC = Radio Network Controller
SAAL = Signalling ATM Adaptation Layer
• MSC Server per trasportare tutte le
componenti di segnalazione:
MGw = Media Gateway
- RANAP per la gestione dei canali
TCAP = Transaction Capability Application Part
=
MTP3
Message
Transfer
Part
3
verso l’utente, composti da una
parte radio e da un parte di rete
fissa tra RNC e MGw;
FIGURA 11› Architettura CN UMTS e trasporto segnalazione.
- H.248 per il controllo del MGw;
- BICC per il set-up e la gestione
della chiamata tra MSC Server
altresì opportuno citare che la piattaforma IMS (IP
diversi;
Multimedia Subsystem), identificata in maniera
- MAP per la gestione della mobilità.
concorde nell’industria come la piattaforma per
• MGw per trasportare la RANAP su IP verso il
l’integrazione dei servizi mobili e fissi, prevede il
MSC Server. In questo caso è necessario introtrasporto della segnalazione SIP nativamente su IP.
durre anche la funzionalità di SGw per eseguire
All’interno di questo percorso evolutivo, TIM
l’interlavoro tra il trasporto ATM tra RNC e MGw
Italia si è posizionata all’avanguardia nella realizzae quello IP tra MGw e MSC Server;
zione di soluzioni tecnologiche innovative che le
• presso MGw per trasportare il protocollo H.248
permetteranno di precorrere i tempi.
tra MGw ed MSC Server;
• presso HLR (come già previsto in rete GSM) per
— BIBLIOGRAFIA
il trasporto del traffico MAP.
[1]
8. Conclusioni
In questo articolo si è descritta l’evoluzione
della piattaforma di segnalazione della rete TIM
verso un’architettura scalabile e ottimizzata basata
su IP in risposta alla crescita del traffico SMS verificatosi negli ultimi anni. Ciò ha permesso di beneficiare, in termini economici, della condivisione
delle risorse di un backbone che trasporta le varie
tipologie di servizi evoluti di un Operatore mobile.
La piattaforma evoluta è stata realizzata, in primis, per il trasporto del traffico del servizio Short
Message a livello nazionale. Inoltre, è in fase di sviluppo a livello internazionale una soluzione similare
per la fornitura di servizi VAS, sviluppati presso piattaforme di TIM, ai clienti delle consociate estere. Il
percorso di evoluzione tracciato prevede l’utilizzo del
trasporto IP anche per altre componenti di segnalazione, a tal riguardo sono stati descritti gli scenari di
rete di medio termine per la rete GSM/UMTS.
Questo percorso è coerente ed allineato con la
tendenza, tracciata dagli enti di standardizzazione
3GPP ed IETF, all’integrazione delle reti e dei servizi di telecomunicazione verso IP. In tale ottica è
3GPP TS 29.002 (2002-12) “Mobile Application Part
(MAP) specification”
[2] ITU-T Reccomendation Q.703 “SS7 Message Transfer
Part - Signalling Link”
[3] ITU-T Reccomendation Q.704 “SS7 Message Transfer
Part - Signalling Network function and message”
[4] Fratianni et al., “Il BackBone IP per i servizi telefonici”,
Notiziario Tecnico N.1 2004
[5] IETF RFC 2960, “Stream Transmission Control Protocol”
[6] 3GPP TS 29.202 “SS7 Signalling Transport in Core
Network”
[7] 3GPP TS 29.232 “Media Gateway Controller (MGC) Media Gateway (MGW) interface”
[8] ITU-T Reccomendation Series Q.1900 “Bearer
Independent Call Control”
[9] ITU-T Reccomendation Q.711 “Functional description of
the SCCP Signalling Connection Control Part
[10] IETF RFC 3332 “MTP3 User Adaptation Layer (M3UA)”
[11] IETF Internet Draft, “MTP2 peer-to-peer Adaptation Layer (M2PA)”
[12] IETF Internet Draft, “SS7 SCCP-User Adaptation Layer (SUA)”
57
—
ABBREVIAZIONI
3GPP
ATM
BICC
CAP
CN
CS
DMA
DPC
ETSI
FNR
GRX
GSR
GTT
HLR
HSRP
IETF
IMS
INAP
ISUP
ITU
M2PA
M3UA
MAP
MGw
MNP
MO
MSC
MSISDN
MSU
MT
MTP
OLO
OPC
OSPF
OSS
PLMN
PoP
PSTN
RAN
RANAP
RNC
RSP
SAAL
SCCP
SCP
SCTP
SEP
SGw
SIGTRAN
SIP
SM
58
3rd Generation Partnership Project
Asynchronous Transfer Mode
Bearer Independent Call Control
Camel Application Part
Core Network
Circuit Switched
Direct Memory Access
Destination Point Code
European Telecomunications Standards Institute
Flexible Number Routing
GPRS Roaming eXchange
Gigabit Switch Router
Global Title Translation
Hot Standby Routing Protocol
Internet Engineering Task Force
IP Multimedia Subsystem
Inteligent Network Application Part
ISDN User Part
International Telecomunications Union
MTP2 Peer-to-peer Adaptation layer
MTP3 User Adaptation layer
Mobile Application Part
Media Gateway
Mobile Number Portability
Mobile Originated
Mobile Station International ISDN number
Message Signalling Unit
Mobile Terminated
Message Transfer Part
Other Licensed Operators
Originating Point Code
Open Shortest Path First
Operations Support System
Public Land Mobile Network
Point of Presence
Public Switched Telephone Network
Radio Access Network
RAN Application Part
Radio Network Controller
Route Switch Processor
Signalling ATM Adaptation Layer
Signalling Connection Control Part
Service Control Point
Stream Control Transmission Protocol
Signalling End Point
Signalling Gateway
SIGnalling TRANsport
Session Initiation Protocol
Short Message
SMDS
SMMO
SMSC
SMSoIP
SRI
SS7
STP
SUA
TCAP
TDM
TR
VIP
VLR
Short Message waiting Data Set procedure
Short Message Mobile Originated
Short Message Service Centre
Short Message Service over IP
Send Routing Information
Signalling System n.7
Signalling Transfer Point
SCCP User Adaptation layer
Transaction Capability Application Part
Time Division Multiplex
nodo di TRansito
Versatile Interface Processor
Visited Location Register
Giovanni Ciccolella si è laureato in
Ingegneria Elettronica, Telecomunicazioni,
all’Università di Roma “La Sapienza”, nel 1999.
Dopo una breve esperienza lavorativa sulle
specifiche nel campo aeronautico, nel 2000
entra in TIM, nell’area di Commutazione,
tecnologie ed industrializzazione di Core Network.
Quì si occupa di sistemi di segnalazione, modello
di traffico, e progetti relativi alla segnalazione su IP,
anche in ambito internazionale. Segue le attività di
settore inerenti l’introduzione di release software e di nuovi sistemi di
centrale curando la definizione delle relative specifiche e documenti di
progetto. Collabora infine ai corsi di formazione specialistica per il
personale TIM su tecnologie di Core Network.
Marco De Luca si è laureato con lode in
Ingegneria delle Telecomunicazioni all’Università
di Roma “La Sapienza”. Nel 2000 entra in
CSELT (oggi TILAB) dove si occupa di
evoluzione dell’architettura e dei protocolli dei
sistemi di rete fissa verso le reti Next Generation
Networks. Dal 2002 opera nell’area di Mobile
Co r e Ne t wo r k d e d ic a n d o s i a ll’ e v o l uz i one
dell’architettura dei sistemi GSM/GPRS/UMTS.
Dal 2003 è il referente delle attività, nell’ambito
dei progetti di consulenza per TIM, relative all’evoluzione della rete di
s e g n a la zio n e ve r s o I P. Da l 2 0 0 4 s i o c c u p a , in o l tre, di
dimensionamento e di servizi dell’architettura IMS, partecipando alla
realizzazione del servizio TurboCall.
Sandro Perlini si è laureato nel 1998 in
Ingegneria Elettronica all’Università di Firenze. Ha
conseguito un Master in Telecomunicazioni
presso il Centro IFOA di Reggio Emilia. Ha
lavorato in Spazio ZeroUno nello sviluppo e nella
progettazione di sistemi per Telecommunication
Management Network per Pirelli Cable. Dal
1999 al 2001 ha lavorato per TILAB alla
qualificazione ed evoluzione delle piattaforme di
commutazione della rete mobile GSM e GPRS.
Dal 2001 é in TIM, dove si occupa dell’ingegnerizzazione della Core
Network GSM e dell’evoluzione per la futura integrazione delle reti
2G/3G. Ha coordinato i progetti per l’introduzione in rete TIM della
segnalazione su IP.

Evoluzione della piattaforma di segnalazione verso

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