U članku „“, Govoreći o arhitekturi paketne jezgre NB-IoT mreže, spomenuli smo pojavu novog SCEF čvora. U trećem dijelu objašnjavamo što je to i zašto je potrebno?
Prilikom izrade M2M usluge, programeri aplikacija suočavaju se sa sljedećim pitanjima:
- kako prepoznati uređaje;
- koji algoritam za provjeru i autentifikaciju koristiti;
- koji transportni protokol odabrati za interakciju s uređajima;
- kako pouzdano dostaviti podatke uređajima;
- kako organizirati i uspostaviti pravila za razmjenu podataka s njima;
- kako pratiti i dobiti informacije o svom stanju na internetu;
- kako istovremeno isporučiti podatke skupini svojih uređaja;
- kako istovremeno slati podatke s jednog uređaja na više klijenata;
- kako dobiti objedinjeni pristup dodatnim uslugama operatera za upravljanje vašim uređajem.
Za njihovo rješavanje potrebno je kreirati vlasnička tehnički “teška” rješenja, što dovodi do povećanja troškova rada i vremena do dolaska na tržište usluga. Ovdje u pomoć dolazi novi SCEF čvor.
Prema definiciji 3GPP-a, SCEF (funkcija izlaganja mogućnosti usluge) potpuno je nova komponenta 3GPP arhitekture čija je funkcija sigurno izlaganje usluga i mogućnosti koje pružaju 3GPP mrežna sučelja putem API-ja.
Jednostavnim riječima, SCEF je posrednik između mreže i aplikacijskog poslužitelja (AS), jedinstveni prozor za pristup uslugama operatera za upravljanje vašim M2M uređajem u NB-IoT mreži putem intuitivnog, standardiziranog API sučelja.
SCEF skriva složenost operaterove mreže, dopuštajući programerima aplikacija da apstrahiraju složene mehanizme specifične za uređaj za interakciju s uređajima.
Transformacijom mrežnih protokola u poznati API za programere aplikacija, SCEF API olakšava stvaranje novih usluga i skraćuje vrijeme izlaska na tržište. Novi čvor također uključuje funkcije za identifikaciju/autentifikaciju mobilnih uređaja, definiranje pravila za razmjenu podataka između uređaja i AS-a, uklanjanje potrebe da programeri aplikacija implementiraju te funkcije na svojoj strani, prebacujući te funkcije na ramena operatera.
SCEF pokriva sučelja potrebna za autentifikaciju i autorizaciju aplikacijskih poslužitelja, održavanje UE mobilnosti, prijenos podataka i okidanje uređaja, pristup dodatnim uslugama i mrežnim mogućnostima operatera.
Prema AS-u postoji jedno T8 sučelje, API (HTTP/JSON) standardiziran od strane 3GPP-a. Sva sučelja, osim T8, rade na temelju DIAMETER protokola (slika 1).
T6a – sučelje između SCEF i MME. Koristi se za postupke upravljanja mobilnosti/sesije, prijenos ne-IP podataka, pružanje nadzornih događaja i primanje izvješća o njima.
S6t – sučelje između SCEF i HSS. Potreban za autentifikaciju pretplatnika, autorizaciju aplikacijskih poslužitelja, dobivanje kombinacije vanjskog ID-a i IMSI/MSISDN-a, pružanje nadzornih događaja i primanje izvješća o njima.
S6m/T4 – sučelja od SCEF do HSS i SMS-C (3GPP definira MTC-IWF čvor, koji se koristi za pokretanje uređaja i prijenos SMS-a u NB-IoT mrežama. Međutim, u svim implementacijama funkcionalnost ovog čvora integrirana je u SCEF, pa ga zbog pojednostavljenja kruga nećemo razmatrati zasebno). Koristi se za dobivanje informacija o usmjeravanju za slanje SMS-a i interakciju sa SMS centrom.
T8 – API sučelje za SCEF interakciju s aplikacijskim poslužiteljima. Kroz ovo sučelje prenose se i kontrolne naredbe i promet.
*u stvarnosti postoji više sučelja; ovdje su navedena samo najosnovnija. Potpuni popis dan je u 3GPP 23.682 (4.3.2 Popis referentnih točaka).
Ispod su ključne funkcije i usluge SCEF-a:
- povezivanje identifikatora SIM kartice (IMSI) s vanjskim ID-om;
- prijenos ne-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD);
- grupne operacije korištenjem vanjskog grupnog ID-a;
- podrška za način prijenosa podataka s potvrdom;
- spremanje u međuspremnik MO (Mobile Originated) i MT (Mobile Terminated) podataka;
- autentifikacija i autorizacija uređaja i aplikacijskih poslužitelja;
- istodobna upotreba podataka iz jednog UE-a od strane nekoliko AS-ova;
- podrška za posebne funkcije praćenja stanja UE (MONTE – Monitoring Events);
- okidanje uređaja;
- pružanje ne-IP podatkovnog roaminga.
Osnovni princip interakcije između AS i SCEF temelji se na shemi tzv. pretplate. Ako je potrebno dobiti pristup bilo kojoj SCEF usluzi za određeni UE, aplikacijski poslužitelj treba kreirati pretplatu slanjem naredbe specifičnom API-ju tražene usluge i primiti jedinstveni identifikator kao odgovor. Nakon čega će se sve daljnje radnje i komunikacije s UE unutar ove usluge odvijati pomoću ovog identifikatora.
Vanjski ID: Univerzalni identifikator uređaja
Jedna od najvažnijih promjena u shemi interakcije između AS-a i uređaja pri radu kroz SCEF je pojava univerzalnog identifikatora. Sada umjesto telefonskog broja (MSISDN) ili IP adrese, kao što je bio slučaj u klasičnoj 2G/3G/LTE mreži, identifikator uređaja za aplikacijski poslužitelj postaje “vanjski ID”. Definiran je standardom u formatu poznatom programerima aplikacija “ @ "
Programeri više ne moraju implementirati algoritme za autentifikaciju uređaja; mreža u potpunosti preuzima ovu funkciju. Vanjski ID vezan je uz IMSI, a programer može biti siguran da prilikom pristupa određenom vanjskom ID-u komunicira s određenom SIM karticom. Kada koristite SIM čip, dobivate potpuno jedinstvenu situaciju kada vanjski ID jedinstveno identificira određeni uređaj!
Štoviše, nekoliko vanjskih ID-ova može se povezati s jednim IMSI - još zanimljivija situacija nastaje kada vanjski ID jedinstveno identificira određenu aplikaciju odgovornu za određenu uslugu na određenom uređaju.
Također se pojavljuje identifikator grupe - ID vanjske grupe, koji uključuje skup pojedinačnih vanjskih ID-ova. Sada, s jednim zahtjevom SCEF-u, AS može pokrenuti grupne operacije - slanje podataka ili kontrolnih naredbi na više uređaja ujedinjenih u jednu logičku grupu.
S obzirom na to da za programere AS-a prijelaz na novi identifikator uređaja ne može biti trenutan, SCEF je ostavio mogućnost komunikacije AS-a s UE putem standardnog broja - MSISDN.
Prijenos ne-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD)
U NB-IoT, u sklopu optimizacije mehanizama za prijenos malih količina podataka, uz već postojeće tipove PDN-a, kao što su IPv4, IPv6 i IPv4v6, pojavio se još jedan tip - non-IP. U tom slučaju uređaju (UE) nije dodijeljena IP adresa i podaci se prenose bez korištenja IP protokola. Promet za takve veze može se usmjeravati na dva načina: klasično - MME -> SGW -> PGW i zatim kroz PtP tunel do AS (Slika 2) ili korištenjem SCEF (Slika 3).
Klasična metoda ne nudi nikakve posebne prednosti u odnosu na IP promet, osim smanjenja veličine odaslanih paketa zbog nepostojanja IP zaglavlja. Korištenje SCEF-a otvara niz novih mogućnosti i značajno pojednostavljuje postupke interakcije s uređajima.
Kod prijenosa podataka putem SCEF-a pojavljuju se dvije vrlo važne prednosti u odnosu na klasični IP promet:
Isporuka MT prometa na uređaj putem vanjskog ID-a
Da bi poslao poruku klasičnom IP uređaju, AS mora znati njegovu IP adresu. Ovdje nastaje problem: budući da uređaj prilikom registracije obično dobije “sivu” IP adresu, on s aplikacijskim poslužiteljem koji se nalazi na internetu komunicira preko NAT čvora, gdje se siva adresa prevodi u bijelu. Kombinacija sive i bijele IP adrese traje ograničeno vrijeme, ovisno o NAT postavkama. U prosjeku, za TCP ili UDP - ne više od pet minuta. Odnosno, ako nema razmjene podataka s ovim uređajem unutar 5 minuta, veza će se prekinuti i uređaj više neće biti dostupan na bijeloj adresi s kojom je pokrenuta sesija s AS-om. Postoji nekoliko rješenja:
1. Koristite otkucaje srca. Nakon što je veza uspostavljena, uređaj mora razmjenjivati pakete s AS-om svakih nekoliko minuta, čime se sprječava zatvaranje NAT prijevoda. No, ni o kakvoj energetskoj učinkovitosti tu ne može biti govora.
2. Svaki put po potrebi provjerite dostupnost paketa za uređaj na AS-u – pošaljite poruku na uplink.
3. Napravite privatni APN (VRF), gdje će aplikacijski poslužitelj i uređaji biti na istoj podmreži, i dodijelite statičke IP adrese uređajima. Radit će, ali gotovo nemoguće kada govorimo o floti od tisuća, desetaka tisuća uređaja.
4. Konačno, najprikladnija opcija: korištenje IPv6, ne zahtijeva NAT, budući da su IPv6 adrese izravno dostupne s Interneta. Međutim, čak i u tom slučaju, kada se uređaj ponovno registrira, dobit će novu IPv6 adresu i više neće biti dostupan s prethodnom.
Sukladno tome, potrebno je poslužitelju poslati neki inicijalizacijski paket s identifikatorom uređaja kako bi se prijavila nova IP adresa uređaja. Zatim pričekajte paket potvrde od AS-a, što također utječe na energetsku učinkovitost.
Ove metode dobro funkcioniraju za 2G/3G/LTE uređaje, gdje uređaj nema stroge zahtjeve za autonomijom i, kao rezultat toga, nema ograničenja u vremenu emitiranja i prometu. Ove metode nisu prikladne za NB-IoT zbog velike potrošnje energije.
SCEF rješava ovaj problem: budući da je jedini identifikator uređaja za AS vanjski ID, AS samo treba poslati paket podataka SCEF-u za određeni vanjski ID, a SCEF se brine za ostalo. U slučaju da je uređaj u PSM ili eDRX načinu rada za uštedu energije, podaci će se spremiti u međuspremnik i isporučiti kada uređaj postane dostupan. Ako je uređaj prometno dostupan, podaci će biti isporučeni odmah. Isto vrijedi i za upravljačke timove.
U bilo kojem trenutku, AS može opozvati poruku u međuspremniku UE-u ili je zamijeniti novom.
Mehanizam međuspremnika također se može koristiti pri prijenosu MO podataka od UE do AS. Ako SCEF nije mogao odmah isporučiti podatke AS-u, na primjer ako je u tijeku rad na održavanju AS-ovih poslužitelja, ti će paketi biti u međuspremniku i zajamčeno će biti isporučeni čim AS postane dostupan.
Kao što je gore navedeno, pristup određenoj usluzi i UE-u za AS (a NIDD je usluga) reguliran je pravilima i politikama na strani SCEF-a, što dopušta jedinstvenu mogućnost istovremene upotrebe podataka iz jednog UE-a od strane nekoliko AS-ova. Oni. ako je nekoliko AS-ova pretplaćeno na jedan UE, tada će nakon primitka podataka od UE-a SCEF to poslati svim pretplaćenim AS-ovima. Ovo je vrlo prikladno za slučajeve kada kreator flote specijaliziranih uređaja dijeli podatke između nekoliko klijenata. Na primjer, stvaranjem mreže meteoroloških stanica koje rade na NB-IoT-u, možete prodavati podatke s njih mnogim uslugama istovremeno.
Zajamčeni mehanizam isporuke poruka
Reliable Data Service je mehanizam za zajamčenu dostavu MO i MT poruka bez upotrebe specijaliziranih algoritama na razini protokola, kao što je, na primjer, rukovanje u TCP-u. Djeluje tako da uključuje posebnu zastavu u uslužnom dijelu poruke kada se razmjenjuje između UE i SCEF. Hoće li aktivirati ovaj mehanizam prilikom prijenosa prometa odlučuje AS.
Ako je mehanizam aktiviran, UE uključuje posebnu oznaku u nadzemnom dijelu paketa kada zahtijeva zajamčenu isporuku MO prometa. Po primitku takvog paketa, SCEF odgovara UE-u potvrdom prijema. Ako UE ne primi paket potvrde, paket prema SCEF-u bit će ponovno poslan. Ista stvar se događa za MT promet.
Nadzor uređaja (praćenje događaja - MONTE)
Kao što je gore navedeno, SCEF funkcionalnost između ostalog uključuje i funkcije za praćenje stanja NG-a, tzv. nadzor uređaja. I ako su novi identifikatori i mehanizmi prijenosa podataka optimizacije (iako vrlo ozbiljne) postojećih procedura, onda je MONTE potpuno nova funkcionalnost koja nije dostupna u 2G/3G/LTE mrežama. MONTE omogućuje AS-u praćenje parametara uređaja kao što su status veze, dostupnost komunikacije, lokacija, status roaminga itd. Razgovarat ćemo o svakom detaljnije malo kasnije.
Ako je potrebno aktivirati bilo koji događaj nadzora za uređaj ili grupu uređaja, AS se pretplaćuje na odgovarajuću uslugu slanjem odgovarajuće API MONTE naredbe SCEF-u, koja uključuje parametre kao što su vanjski ID ili ID vanjske grupe, AS identifikator, nadzor vrsta, broj izvješća koje AS želi primiti. Ako je AS ovlašten za izvršenje zahtjeva, SCEF će, ovisno o vrsti, proslijediti događaj HSS-u ili MME-u (slika 4). Kada se dogodi događaj, MME ili HSS generira izvješće SCEF-u, koji ga šalje AS-u.
Pružanje svih događaja, s izuzetkom "Broja UE-ova prisutnih u zemljopisnom području", događa se putem HSS-a. Dva događaja “Promjena povezanosti IMSI-IMEI” i “Status roaminga” prate se izravno na HSS-u, ostatak će osigurati HSS na MME-u.
Događaji mogu biti jednokratni ili periodični, a određeni su svojom vrstom.
Slanje izvješća o događaju (izvještavanje) vrši čvor koji prati događaj izravno SCEF-u (slika 5).
Važna točka: Događaji nadzora mogu se primijeniti kako na ne-IP uređaje spojene putem SCEF-a tako i na IP uređaje koji prenose podatke na klasičan način putem MME-SGW-PGW.
Pogledajmo pobliže svaki od događaja praćenja:
Gubitak povezanosti — obavještava AS da UE više nije dostupan niti za podatkovni promet niti za signalizaciju. Događaj se događa kada na MME-u istekne "mjerač vremena dostupnosti mobilne mreže" za UE. U zahtjevu za ovu vrstu nadzora, AS može naznačiti svoju vrijednost "Maksimalno vrijeme otkrivanja" - ako tijekom tog vremena UE ne pokaže nikakvu aktivnost, AS će biti obaviješten da je UE nedostupan, s naznakom razloga. Događaj se također događa ako je mreža iz bilo kojeg razloga prisilno uklonila UE.
* Kako bi mreža znala da je uređaj još uvijek dostupan, povremeno pokreće postupak ažuriranja - Tracking Area Update (TAU). Učestalost ovog postupka postavlja mreža pomoću mjerača vremena T3412 ili (T3412_extended u slučaju PSM-a), čija se vrijednost prenosi uređaju tijekom postupka pripajanja ili sljedećeg TAU-a. Mjerač vremena dostupnosti na mobilnom uređaju obično je nekoliko minuta duži od T3412. Ako UE nije izradio TAU prije isteka "Timera dostupnosti mobilne mreže", mreža ga smatra nedostupnim.
dostupnost UE – Označava kada UE postane dostupan za DL promet ili SMS. To se događa kada UE postane dostupan za pozivanje (za UE u eDRX načinu) ili kada UE uđe u ECM-CONNECTED način (za UE u PSM ili eDRX načinu), tj. napravi TAU ili pošalje uplink paket.
Izvještavanje o lokaciji – Ova vrsta događaja praćenja omogućuje AS-u da postavi upit o lokaciji UE-a. Može se zatražiti trenutna lokacija (Trenutna lokacija) ili posljednja poznata lokacija (određena ID-om ćelije s koje je uređaj napravio TAU ili zadnji put poslao promet), što je relevantno za uređaje u PSM ili eDRX načinima rada za uštedu energije. Za "Trenutnu lokaciju" AS može zahtijevati ponovljene odgovore, pri čemu MME obavještava AS svaki put kada se promijeni lokacija uređaja.
Promjena povezanosti IMSI-IMEI – Kada se ovaj događaj aktivira, SCEF počinje pratiti promjene u kombinaciji IMSI (identifikator SIM kartice) i IMEI (identifikator uređaja). Kada se dogodi događaj, obavještava AS. Može se koristiti za automatsko ponovno povezivanje vanjskog ID-a s uređajem tijekom zakazane zamjene ili poslužiti kao identifikator za krađu uređaja.
Status roaminga – ovu vrstu nadzora koristi AS kako bi utvrdio nalazi li se UE u matičnoj mreži ili u mreži partnera u roamingu. Po želji se može prenijeti PLMN (Public Land Mobile Network) operatera kod kojeg je uređaj registriran.
Neuspjeh u komunikaciji — Ova vrsta nadzora obavještava AS o kvarovima u komunikaciji s uređajem, na temelju razloga gubitka veze (kod uzroka otpuštanja) primljenih od radijske pristupne mreže (S1-AP protokol). Ovaj događaj može pomoći u određivanju zašto komunikacija nije uspjela - zbog problema na mreži, na primjer, kada je eNodeb preopterećen (Radio resursi nisu dostupni) ili zbog kvara na samom uređaju (Radio Connection With UE Lost).
Dostupnost nakon kvara DDN-a – ovaj događaj obavještava AS da je uređaj postao dostupan nakon prekida komunikacije. Može se koristiti kada postoji potreba za prijenosom podataka na uređaj, ali prethodni pokušaj nije bio uspješan jer UE nije odgovorio na obavijest s mreže (paging) i podaci nisu isporučeni. Ako je ova vrsta nadzora zatražena za UE, tada čim uređaj uspostavi dolaznu komunikaciju, napravi TAU ili pošalje podatke na uzlaznu vezu, AS će biti obaviješten da je uređaj postao dostupan. Budući da postupak DDN (downlink data notification) radi između MME i S/P-GW, ova vrsta nadzora dostupna je samo za IP uređaje.
PDN status povezivanja – obavještava AS kada se status uređaja promijeni (status povezivanja PDN-a) - povezivanje (aktivacija PDN-a) ili prekid veze (brisanje PDN-a). AS to može koristiti za pokretanje komunikacije s UE-om ili obrnuto, kako bi shvatio da komunikacija više nije moguća. Ova vrsta nadzora dostupna je za IP i ne-IP uređaje.
Broj UE-ova prisutnih u zemljopisnom području – Ovu vrstu nadzora AS koristi za utvrđivanje broja UE-ova na određenom zemljopisnom području.
Okidanje uređaja)
U 2G/3G mrežama postupak registracije u mreži bio je dvofazni: prvo se uređaj registrirao na SGSN (attach procedure), zatim po potrebi aktivirao PDP kontekst - vezu s paketnim pristupnikom (GGSN) za prijenos podataka. U 3G mrežama ova dva postupka odvijala su se uzastopno, tj. uređaj nije čekao trenutak kada treba prenijeti podatke, već je aktivirao PDP odmah nakon završetka postupka pripajanja. U LTE-u su ove dvije procedure spojene u jednu, odnosno prilikom spajanja uređaj je odmah tražio aktivaciju PDN veze (analogno PDP-u u 2G/3G) preko eNodeB-a na MME-SGW-PGW.
NB-IoT definira metodu povezivanja kao "pripajanje bez PDN-a", to jest, UE se pripaja bez uspostavljanja PDN veze. U tom slučaju nije dostupan za prijenos prometa, a može samo primati ili slati SMS. Kako bi se takvom uređaju poslala naredba za aktiviranje PDN-a i povezivanje s AS-om, razvijena je funkcionalnost “Okidanje uređaja”.
Kada primi naredbu za povezivanje takvog UE-a od AS-a, SCEF inicira slanje kontrolnog SMS-a uređaju putem SMS centra. Kada primi SMS, uređaj aktivira PDN i povezuje se s AS-om za primanje daljnjih uputa ili prijenos podataka.
Ponekad može doći do isteka pretplate vašeg uređaja na SCEF. Da, pretplata ima svoj životni vijek, koji postavlja operater ili u dogovoru s AS-om. Nakon isteka, PDN će biti deaktiviran na MME-u i uređaj će postati nedostupan AS-u. U ovom slučaju, funkcija "Okidanje uređaja" također će pomoći. Kada primi nove podatke od AS-a, SCEF će saznati status veze uređaja i dostaviti podatke putem SMS kanala.
Zaključak
Funkcionalnost SCEF-a, naravno, nije ograničena na gore opisane usluge i neprestano se razvija i proširuje. Trenutačno je više od desetak usluga već standardizirano za SCEF. Sada smo se dotakli samo glavnih funkcija koje programeri traže; o ostalima ćemo govoriti u narednim člancima.
Odmah se postavlja pitanje: kako dobiti testni pristup ovom "čudesnom" čvoru za preliminarno testiranje i otklanjanje pogrešaka mogućih slučajeva? Sve je vrlo jednostavno. Svaki programer može podnijeti zahtjev na [e-pošta zaštićena], u kojem je dovoljno navesti svrhu povezivanja, opis mogućeg slučaja i kontakt podatke za komunikaciju.
Do sljedećeg puta!
Autori:
- viši stručnjak odjela za konvergentna rješenja i multimedijske usluge Sergej Novikov ,
- stručnjak odjela za konvergentna rješenja i multimedijske usluge Alexey Lapshin
Izvor: www.habr.com