最近公司在做移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和治理工作，借這個(gè)機(jī)會(huì)，好好學(xué)習(xí)了下移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)底層傳輸?shù)墓ぷ髟?#xff0c;并將結(jié)果分享出來(lái)。

• 1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)
• 2 GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
  • 2.1 無(wú)線接入網(wǎng)RAN
  • 2.2 無(wú)線核心網(wǎng)CN
  • 2.3 GTP隧道協(xié)議
• 3. 無(wú)線核心網(wǎng)工作原理
  • 3.1 分組業(yè)務(wù)會(huì)話連接建立
  • 3.2 分組會(huì)話傳輸
  • 3.3 分組會(huì)話結(jié)束
• 4. 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議
  • 4.1 APP節(jié)約用電
  • 4.2 服務(wù)端推送優(yōu)于客戶端輪詢
  • 4.3 面對(duì)多網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)變化的現(xiàn)實(shí)
• 5. 根據(jù)移動(dòng)通信原理解釋常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)疑問(wèn)

1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)

GSM（Global System For Mobile Communications）是第一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，也就是常用的2G移動(dòng)電話系統(tǒng)。其做出的改變是將信令和語(yǔ)音信道都轉(zhuǎn)換成數(shù)字式的。
GPRS（General Packet Radio Service）是第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，在GSM的基礎(chǔ)上，采用分組交換傳輸數(shù)據(jù)的高效率方式，利用“包交換”（Packet-Switched）將數(shù)據(jù)封裝成許多獨(dú)立的封包,再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，效率比GSM高的多，因?yàn)檫@樣做，只有在需要傳輸時(shí)，才會(huì)占用帶寬。GPRS核心網(wǎng)元包括SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node）
UMTS（Universal Mobile Telecommunications System）在GPRS的基礎(chǔ)上，引入了WCDMA空中接口技術(shù)，“空中接口”相對(duì)于有線通信中的線路接口，是基站和移動(dòng)電話之間的無(wú)線傳輸規(guī)范，它定義每個(gè)無(wú)線信道的使用頻率。UMTS被稱為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。同時(shí)，GPRS/UMTS也成為了一個(gè)完整的3G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
LTE（Lang Term Evolution）是目前普遍應(yīng)用的4G通信的主流技術(shù)，原有3G核心網(wǎng)的SGSN和GGSN功能歸并后重新被劃分，生成新的邏輯網(wǎng)元：移動(dòng)管理實(shí)體（MME）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving Gateway）。換言之，3G和4G核心網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)是不同的，演進(jìn)過(guò)程中需要對(duì)SGSN和GGSN的軟硬件進(jìn)行升級(jí)。
綜上所述，GPRS/UMTS起到了承前啟后的作用，其工作原理與機(jī)制也被4G、5G所沿用并優(yōu)化。因此我們?cè)敿?xì)來(lái)看GPRS/UMTS系統(tǒng)。

2 GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，GPRS/UMTS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括兩部分：無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（RAN）和核心網(wǎng)（CN）。如下圖所示：

2.1 無(wú)線接入網(wǎng)RAN

無(wú)線接入網(wǎng)(Radio Access Network)，簡(jiǎn)稱RAN。RAN中包括的設(shè)備包括有：基站(Node B)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)，主要的功能就是控制用戶通過(guò)無(wú)線接入到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。
其中，基站的作用是為了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳遞，而RNC主要用于管理和控制它下面的多個(gè)基站，并決定接入到核心網(wǎng)。

2.2 無(wú)線核心網(wǎng)CN

現(xiàn)階段，3G核心網(wǎng)由電路域（CS域）和分組域（PS域）兩部分組成，分別負(fù)責(zé)傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)和分組域業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)），我們只看PS域。
PS核心網(wǎng)主要由SGSN和GGSN兩部分組成。統(tǒng)稱為GSN，GSN的功能包括：

過(guò)濾和用戶訪問(wèn)控制：通過(guò)數(shù)據(jù)包過(guò)濾功能過(guò)濾出未經(jīng)授權(quán)和未經(jīng)請(qǐng)求的消息，所有這類消息由用戶控制處理。在用戶請(qǐng)求訪問(wèn)外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)之前，可以發(fā)起對(duì)用戶身份的鑒權(quán)流程。

計(jì)費(fèi)：收集必要的話單數(shù)據(jù),以支持按照簽約付費(fèi)或者按照流量付費(fèi)。

中繼：把從一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到路由表指定的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

路由：路由功能按照消息的目的地址決定轉(zhuǎn)發(fā)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn),并選擇傳輸路徑。

地址轉(zhuǎn)換和映射：地址轉(zhuǎn)換是把一個(gè)地址變成不同種類的一個(gè)地址,比如把一個(gè)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址變成一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址,使得該數(shù)據(jù)能在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上路由。地址映射是把一個(gè)地址變成相同種類的另一個(gè)地址,以便在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上路由和中繼。

封裝：封裝是在一個(gè)數(shù)據(jù)單元上增加地址和控制信息,以便在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或者之間的網(wǎng)絡(luò)上路由。去封裝是把地址和控制信息,從數(shù)據(jù)包上去掉,以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)單元。

隧道：隧道功能是在內(nèi)部或之間的網(wǎng)絡(luò)上把封裝后的數(shù)據(jù)從一個(gè)封裝點(diǎn)傳送到另一個(gè)去封裝點(diǎn)。一個(gè)隧道一條雙向點(diǎn)到點(diǎn)的路徑。只有隧道端點(diǎn)能夠識(shí)別。

移動(dòng)性管理：移動(dòng)性管理功能用于在內(nèi)部或之間,跟蹤移動(dòng)臺(tái)當(dāng)前的位置

SGSN

SGSN主要用于為在其地理范圍內(nèi)的移動(dòng)站傳遞數(shù)據(jù)包，相當(dāng)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。它可以進(jìn)行分組路由和轉(zhuǎn)發(fā),移動(dòng)性管理（附著,去附著和位置管理）,邏輯鏈路管理,鑒權(quán)以及計(jì)費(fèi)功能。SGSN的位置寄存器保存著位置信息,比如當(dāng)前的小區(qū)。
SGSN的主要功能包括：
1 完成和GGSN的通信，通過(guò)GTP協(xié)議將用戶數(shù)據(jù)傳遞給GGSN，并將GGSN返回的數(shù)據(jù)傳遞給用戶
2 當(dāng)用戶地理位置發(fā)生變化，執(zhí)行移動(dòng)性管理。

GGSN

GSGN作為整個(gè)GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，位于GPRS網(wǎng)絡(luò)和外部分組交換網(wǎng)絡(luò)（Internet）之間。網(wǎng)關(guān)的作用能將一種協(xié)議格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為另一種格式的數(shù)據(jù)。
GGSN把來(lái)自的SGSN的GPRS數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為適當(dāng)?shù)姆纸M數(shù)據(jù)協(xié)議格式,比如IP，然后再把它們發(fā)送到相應(yīng)的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，比如廣域有線網(wǎng)。反之亦然。

SGSN和GGSN的區(qū)別

所以，GGSN和SGSN的主要區(qū)別就在于，GGSN作為網(wǎng)關(guān)，是在不同的通信網(wǎng)中轉(zhuǎn)換協(xié)議，而SGSN作為路由，只是在使用相同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送、接受以及延遲它的數(shù)據(jù)包。
另外，GGSN能夠?qū)崿F(xiàn)地址的轉(zhuǎn)換，比如把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部地址（PDP地址）轉(zhuǎn)換為一個(gè)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址（IP地址），而SGSN只能實(shí)現(xiàn)PDP地址映射，即根據(jù)一個(gè)地址，映射到相同種類的另一個(gè)地址。可見(jiàn)，我們常說(shuō)的3、4G網(wǎng)絡(luò)的IP地址，其實(shí)就是對(duì)應(yīng)GGSN的出口IP地址。

2.3 GTP隧道協(xié)議

GTP協(xié)議為GPRS/UMTS分組域核心網(wǎng)中的SGSN和GGSN之間的信令和用戶數(shù)據(jù)提供隧道。隧道協(xié)議能夠?qū)⑵渌麉f(xié)議的數(shù)據(jù)幀或包重新封裝然后通過(guò)隧道發(fā)送。新的幀頭提供路由信息，以便在不同網(wǎng)絡(luò)下傳遞被封裝的負(fù)載數(shù)據(jù)
GPRS隧道通過(guò)GTP協(xié)議封裝了含有終結(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)TEID的頭，用于實(shí)現(xiàn)路由以及多路復(fù)用。在核心網(wǎng)內(nèi)部通過(guò)GTP協(xié)議通信，在外部數(shù)據(jù)網(wǎng)側(cè)是TCP協(xié)議或者UDP協(xié)議通信，所以數(shù)據(jù)報(bào)在這兩種網(wǎng)絡(luò)間交互需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)頭進(jìn)行處理（SGSN、GGSN都可以實(shí)現(xiàn)）。進(jìn)入核心網(wǎng)時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行加GTP頭處理，反之，則需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行去GTP頭處理。

3. 無(wú)線核心網(wǎng)工作原理

在GPRS/UMTS分組域核心網(wǎng)中，通過(guò)PDP上下文（Pocket Data Protocol, 分組數(shù)據(jù)協(xié)議）來(lái)管理用戶從移動(dòng)終端到GGSN及外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)路由信息。PDP上下文的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在移動(dòng)終端、SGSN和GGSN中。移動(dòng)用戶需要使用分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，需要先執(zhí)行激活PDP上下文，激活成功后，在移動(dòng)終端、SGSN和GGSN中就增加了一條新的PDP上下文記錄，根據(jù)這條記錄信息，SGSN和GGSN才能正確地路由和轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)。
所以，一個(gè)完整的分組業(yè)務(wù)過(guò)程包括三個(gè)階段：

• 分組域會(huì)話連接建立階段：用戶在移動(dòng)終端一側(cè)發(fā)起激活PDP上下文的請(qǐng)求，GPRS/UMTS接受用戶的請(qǐng)求并建立新的PDP上下文。PDP上下文包含了映射和路由信息，用于在移動(dòng)臺(tái)和GGSN之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；
• 分組域會(huì)話階段：用戶得到PDP上下文建立成功的確認(rèn)后，開(kāi)始使用外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（簡(jiǎn)單說(shuō)，開(kāi)始使用互聯(lián)網(wǎng)Internet服務(wù)）。GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)之間透明地路由并轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，同時(shí)，提供數(shù)據(jù)封裝功能（GTP），保證在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)與路由的正確性。
• 分組域會(huì)話結(jié)束連接階段：當(dāng)用戶不再需要使用上述數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，GGSN釋放PDP地址。

3.1 分組業(yè)務(wù)會(huì)話連接建立

如下圖所示，移動(dòng)終端發(fā)送PDP激活請(qǐng)求消息給SGSN，SGSN驗(yàn)證PDP類型，根據(jù)地址轉(zhuǎn)發(fā)到GGSN。GGSN在PDP上下文表中加入一條新的記錄，這條新的記錄允許GGSN在SGSN和互聯(lián)網(wǎng)之間正確地路由通信。
GGSN返回一條響應(yīng)消息給SGSN，SGSN更新自己的PDP上下文表，可以在GGSN和移動(dòng)終端之間正確的路由通信。并發(fā)送響應(yīng)告知移動(dòng)終端建連成功。

3.2 分組會(huì)話傳輸

當(dāng)PDP上下文成功建立后，該用戶就可以通過(guò)GPRS/UMTS網(wǎng)絡(luò)，在移動(dòng)終端使用分組數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的各種應(yīng)用程序，如HTTP、FTP、郵件和流媒體業(yè)務(wù)。

3.3 分組會(huì)話結(jié)束

當(dāng)用戶不再使用業(yè)務(wù)時(shí)，移動(dòng)終端發(fā)送去激活消息給SGSN。SGSN發(fā)送刪除PDP上下文請(qǐng)求給GGSN，GGSN刪除PDP上下文，并返回消息給SGSN。SGSN將去激活響應(yīng)消息再返回給移動(dòng)終端。

4. 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦詫?duì)我們的性能策略提出了新的、獨(dú)特的要求。應(yīng)用層協(xié)議雖然相同，但物理傳輸層的差別卻有很多限制，如果對(duì)這些限制估計(jì)不足，就會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度慢、延遲時(shí)間搖擺不定，最終導(dǎo)致用戶體驗(yàn)大打折扣。
底層的無(wú)線傳輸優(yōu)化必須依賴于運(yùn)營(yíng)商，作為應(yīng)用程序提供方，參考《Web性能權(quán)威指南》，我們可以做的事情包括：

4.1 APP節(jié)約用電

手機(jī)無(wú)線電模塊的耗電量?jī)H次于設(shè)備的屏幕，全功率打開(kāi)無(wú)線電模塊只消幾小時(shí)就可耗盡電量。我們應(yīng)該盡最大可能在無(wú)線電開(kāi)啟時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，而盡量把喚醒無(wú)線電以傳輸數(shù)據(jù)的次數(shù)減到最少。
這里提供給開(kāi)發(fā)和測(cè)試一款開(kāi)源工具，可以用于測(cè)試和評(píng)估應(yīng)用程序的耗電量：Application Resource Optimizer（ARO，應(yīng)用資源優(yōu)化器）工具包。

ARO包含兩個(gè)組件：收集器和分析器。其中，收集器是一個(gè)后臺(tái)Android應(yīng)用（可以在手機(jī)或模擬器中運(yùn)行），用于捕獲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組、無(wú)線模塊活動(dòng)息及其他與手機(jī)的交互行為。要想記錄用電情況，可以打開(kāi)收集器，點(diǎn)擊記錄，使用應(yīng)用，然后將記錄結(jié)果復(fù)制到系統(tǒng)中。
得到記錄結(jié)果后，可以通過(guò)分析器打開(kāi)它，從而得知無(wú)線電狀態(tài)、電量消耗、應(yīng)用的通信模式等信息。另外，分析器有一個(gè)很不錯(cuò)的功能，即針對(duì)常見(jiàn)的性能陷阱提供建議，比如沒(méi)有壓縮、重復(fù)傳輸數(shù)據(jù)，等等。

4.2 服務(wù)端推送優(yōu)于客戶端輪詢

輪詢?cè)谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)中代價(jià)極高，少用，盡可能使用推送和通知，且要控制推送頻率。一般來(lái)說(shuō)，推送比輪詢效果更好。但頻率過(guò)高的推送與輪詢也不相上下。
對(duì)推送而言，原生應(yīng)用可以訪問(wèn)平臺(tái)專有的推送服務(wù)，因此應(yīng)該盡可能使用。對(duì)Web應(yīng)用來(lái)說(shuō)，可以使用SSE（Server Sent Events，服務(wù)器發(fā)送事件）和WebSocket以降低延時(shí)間和協(xié)議消耗，盡可能不使用輪詢和更耗資源的XHR技術(shù)。

4.3 面對(duì)多網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)變化的現(xiàn)實(shí)

即便用戶手里拿著最新的手機(jī)，也需要不斷在4G、3G，甚至2G網(wǎng)絡(luò)之間切換。我們的應(yīng)用必須接受這些接口變化，作出相應(yīng)調(diào)整：

• 不要緩存或試圖猜測(cè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；
• 調(diào)度請(qǐng)求、監(jiān)聽(tīng)并診斷錯(cuò)誤；
• 瞬態(tài)錯(cuò)誤總會(huì)發(fā)生，不可忽視，可以采取重試策略；
• 監(jiān)聽(tīng)連接狀態(tài)，以便采用最佳請(qǐng)求方式；
• 對(duì)重試請(qǐng)求采用補(bǔ)償算法，不要永遠(yuǎn)循環(huán)；
• 離線時(shí)，盡可能記錄并在將來(lái)發(fā)送請(qǐng)求；
• 利用H5的AppCache和localStorage實(shí)現(xiàn)離線應(yīng)用。

5. 根據(jù)移動(dòng)通信原理解釋常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)疑問(wèn)

了解了移動(dòng)數(shù)據(jù)核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)和工作原理后，對(duì)我們分析用戶常見(jiàn)的一些網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象和問(wèn)題幫助很多，比如說(shuō)：
場(chǎng)景一：在同一個(gè)地區(qū)，使用同一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的同一個(gè)基站的用戶出口IP是否相同？
不相同，正如我們上面說(shuō)的，基站的作用其實(shí)僅僅是無(wú)線數(shù)據(jù)的傳遞（只涉及到物理層和數(shù)據(jù)鏈路層），而真正決定用戶出口IP的是GGSN（GGSN將無(wú)線地址轉(zhuǎn)換成IP地址）。而每個(gè)地區(qū)運(yùn)營(yíng)商的GGSN，使用的不只一個(gè)IP地址，而是一個(gè)IP地址池。
所以同地區(qū)運(yùn)營(yíng)商的用戶，IP地址不同，但會(huì)處于一個(gè)網(wǎng)段中。同時(shí)，每個(gè)用戶的IP在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)變換（GGSN會(huì)從地址池中更新IP）
場(chǎng)景二：為什么手機(jī)漫游到外省后上網(wǎng)卻顯示歸屬地 IP？
比如用戶是上海聯(lián)通的，來(lái)到南京，顯示的仍是上海聯(lián)通的IP。
漫游用戶接入互聯(lián)網(wǎng)的方案有兩種：1. 歸屬地接入方式，2. 漫游地接入方式。蘋果手機(jī)默認(rèn)使用歸屬地接入方式。
歸屬地接入方式就是無(wú)論用戶漫游還是在本地，最終都是通過(guò)歸屬地的GGSN連接到互聯(lián)網(wǎng)的。歸屬地接入方式的好處就是各省之間的計(jì)費(fèi)話單對(duì)賬方便，缺點(diǎn)就是增加了時(shí)延。
漫游地接入方式顧名思義就是直接使用漫游地運(yùn)營(yíng)商的GGSN/P-GW接入Internet，此時(shí)用戶所使用的公網(wǎng)IP地址就是漫游地的IP地址。漫游地接入方式的優(yōu)點(diǎn)就是省去了數(shù)據(jù)可能要繞大半個(gè)中國(guó)甚至大半個(gè)地球的麻煩，有利于降低時(shí)延，節(jié)省長(zhǎng)途鏈路資源等等。
場(chǎng)景三：漫游手機(jī)用戶的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題應(yīng)該如何排查？
漫游手機(jī)用戶的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題肯定是由于漫游地運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)造成的。而如果采用歸屬地接入方式的話，網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題有可能是歸屬地運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)造成，也有可能是由漫游地的SSGN無(wú)線核心網(wǎng)造成的。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的移动数据通信网络工作原理（SGSNGGSN）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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