NB-IoT: kako radi? Dio 3: SCEF – jedinstveno pristupno mjesto uslugama operatera

U članku „NB-IoT: kako to funkcionira? Dio 2“, govoreći o arhitekturi paketske jezgre mreže NB-IoT, spomenuli smo pojavu novog čvora SCEF. Objašnjavamo u trećem dijelu što je to i zašto je to potrebno?

Prilikom kreiranja M2M usluge, programeri aplikacija se suočavaju s sljedećim pitanjima:

• kako identificirati uređaje;
• koji algoritam koristiti za provjeru i potvrdu autentičnosti;
• koji transportni protokol odabrati za interakciju s uređajima;
• kako sigurno isporučiti podatke uređajima;
• kako organizirati i postaviti pravila razmjene podataka s njima;
• kako kontrolirati i u stvarnom vremenu dobiti informacije o njihovom stanju;
• kako istodobno isporučiti podatke grupi svojih uređaja;
• kako istodobno poslati podatke s jednog uređaja na više klijenata;
• kako dobiti ujednačen pristup dodatnim uslugama operatera za upravljanje svojim uređajem.

Za rješavanje tih problema često se moraju kreirati vlasnička tehnička „teška” rješenja, što dovodi do povećanja troškova rada i vremena isporuke usluga. Tu dolazi novi čvor SCEF na pomoć.

Prema definiciji 3GPP, SCEF (funkcija izlaganja usluga) je potpuno nova komponenta arhitekture 3GPP, čija je funkcija sigurno izlaganje usluga i mogućnosti koje pružaju mrežni sučelja 3GPP putem API-ja.

Običnim riječima, SCEF je posrednik između mreže i aplikacijskog poslužitelja (application server — AS), jedinstveno mjesto pristupa uslugama operatera za upravljanje svojim M2M uređajem u mreži NB-IoT putem intuitivnog standardiziranog API sučelja.

SCEF sakriva složenost mreže operatera, omogućavajući programerima aplikacija da se apstrahiraju od složenih, specifičnih mehanizama interakcije s uređajima.

Transformacijom mrežnih protokola u poznato sučelje API za programere aplikacija, SCEF olakšava stvaranje novih usluga i smanjuje vrijeme isporuke. Također, novi čvor uključuje funkcije identifikacije/autentifikacije mobilnih uređaja, određivanje pravila razmjene podataka između uređaja i AS, oslobađajući programere aplikacija od potrebe za implementacijom tih funkcija na svojoj strani, prebacujući te funkcije na operatera.

SCEF pokriva sučelja potrebna za autentifikaciju i autorizaciju aplikacijskih poslužitelja, održavanje mobilnosti UE, prijenos podataka i aktivaciju uređaja, pristup dodatnim uslugama i mogućnostima mreže operatera.

Prema AS-u ide jedinstveno sučelje T8, API sučelje (HTTP/JSON), standardizirano od strane 3GPP. Sva sučelja, osim T8, rade na osnovi DIAMETER protokola (sl. 1).

T6a – sučelje između SCEF-a i MME-a. Koristi se za procedure upravljanja mobilnošću/sesijskom upravljanju, prijenos non-IP podataka, provizioniranje događaja praćenja i primanje izvještaja o njima.

S6t – sučelje između SCEF-a i HSS-a. Potrebno za autentifikaciju pretplatnika, autorizaciju aplikacijskih poslužitelja, dobivanje poveznice external ID i IMSI/MSISDN, provizioniranje događaja praćenja i primanje izvještaja o njima.

S6m/T4 – sučelja od SCEF-a do HSS-a i SMS-C (u 3GPP-u definiran čvor MTC-IWF, koji se koristi za aktivaciju uređaja i prijenos SMS-a u NB-IoT mrežama. Međutim, u svim implementacijama funkcionalnost ovog čvora integrirana je u SCEF, tako da za pojednostavljenje sheme nećemo ga razmatrati odvojeno). Koriste se za dobivanje informacija o rutama za slanje SMS-a i interakciju sa SMS centrom.

T8 – API sučelje interakcije SCEF-a s aplikacijskim poslužiteljima. Kroz ovo sučelje prenose se kako naredbe za upravljanje, tako i promet.

*zapravo ima više sučelja, ovdje su navedena samo najosnovnija. Potpuni popis prikazan je u 3GPP 23.682 (4.3.2 Popis referentnih točaka).

U nastavku su navedene ključne funkcije i usluge SCEF-a:

• vezanje identifikatora SIM kartice (IMSI) s external ID;
• prijenos non-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD);
• grupne operacije korištenjem external group ID;
• podrška za način prijenosa podataka s potvrdom;
• buffering MO (Mobile Originated) i MT (Mobile Terminated) podataka;
• autentifikacija i autorizacija uređaja i aplikacijskih poslužitelja;
• istovremena upotreba podataka jednog UE od strane više AS-a;
• podrška za posebne funkcije kontrole stanja UE (MONTE – Monitoring Events);
• aktivacija uređaja;
• osiguranje roaminga non-IP podataka.

Osnovni princip interakcije AS i SCEF temelji se na shemi tzv. pretplata. Kada je potrebno dobiti pristup nekoj usluzi SCEF-a za određeni UE, server aplikacija mora kreirati pretplatu slanjem komande na određeni API tražene usluge i u odgovoru dobiti jedinstveni identifikator. Nakon toga, sve daljnje radnje i komunikacije s UE u okviru te usluge će se odvijati koristeći taj identifikator.

Vanjski ID: univerzalni identifikator uređaja

Jedna od najvažnijih promjena u shemi interakcije AS s uređajima prilikom rada putem SCEF-a je pojava univerzalnog identifikatora. Sada, umjesto telefonskog broja (MSISDN) ili IP adrese, kao što je bilo u klasičnoj 2G/3G/LTE mreži, identifikator uređaja za server aplikacija postaje "vanjski ID". Definiran je standardom u formatu poznatom razvijateljima aplikacija "@".

Razvijateljima više nije potrebno implementirati algoritme autentifikacije uređaja, mreža preuzima tu funkciju u potpunosti. Vanjski ID je vezan uz IMSI, a razvijatelj može biti siguran da se obraćajući posebnom vanjskom ID-u, komunicira s određenom SIM karticom. Kada se koristi SIM čip, nastaje jedinstvena situacija u kojoj vanjski ID jednoznačno identificira određeni uređaj!

Štoviše, na jedan IMSI može se povezati više vanjskih ID-ova - dolazi do još zanimljivije situacije u kojoj vanjski ID jednoznačno identificira određenu aplikaciju koja se brine za određenu uslugu na određenom uređaju.

Također dolazi do grupnog identifikatora - vanjskog grupnog ID-a, koji uključuje niz pojedinačnih vanjskih ID-ova. Sada jednim zahtjevom SCEF AS može inicirati grupne operacije - slanje podataka ili upravljačkih komandi mnogim uređajima u jedinstvenoj logičkoj grupi.

Iz razloga što za razvijatelje AS prelazak na novi identifikator uređaja ne može biti trenutan, SCEF je ostavio mogućnost komunikacije AS s UE putem standardnog broja - MSISDN.

Prijenos non-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD)

U NB-IoT, u okviru optimizacije mehanizama prijenosa malih količina podataka, pored postojećih tipova PDN kao što su IPv4, IPv6 i IPv4v6, uveden je još jedan tip — non-IP. U ovom slučaju uređaju (UE) se ne dodjeljuje IP adresa, a podaci se prenose bez korištenja IP protokola. Promet za takve veze može se usmjeravati na dva načina: klasičnim putem — MME -> SGW -> PGW i dalje kroz PtP tunel do AS (slika 2) ili korištenjem SCEF (slika 3).

Klasični način ne donosi posebne prednosti u odnosu na IP promet, osim smanjenja veličine prenosivih paketa zbog nedostatka IP zaglavlja. Korištenje SCEF-a otvara čitav niz novih mogućnosti i značajno pojednostavljuje procedure interakcije s uređajima.

Pri prijenosu podataka preko SCEF-a pojavljuju se dvije vrlo važne prednosti u odnosu na klasični IP promet:

Dostava MT prometa do uređaja putem vanjskog ID-a.

Da bi se poslao poruka na klasični IP uređaj — AS mora znati njegovu IP adresu. Ovdje nastaje problem: budući da uređaj prilikom registracije obično dobiva „sivu” IP adresu, s poslužiteljem aplikacija koji se nalazi na internetu, komunicira preko NAT čvora, gdje se prevodi siva adresa u bijelu. Veza između sive i bijele IP adrese traje ograničeno vrijeme, ovisno o postavkama NAT-a. U prosjeku za TCP ili UDP — ne više od pet minuta. To znači da ako u narednih 5 minuta ne dođe do razmjene podataka s tim uređajem, veza će se raspasti i uređaj više neće biti dostupan putem te bijele adrese s kojom je inicirana sesija s AS-om. Postoji nekoliko rješenja:

1. Koristiti heartbeat. Jednom uspostavljenom vezom, uređaj mora razmjenjivati pakete s AS-om svakih nekoliko minuta, ne dopuštajući zatvaranje prijenosa na NAT-u. No ovdje ne može biti riječi o bilo kakvoj energetskoj učinkovitosti.

2. Svaki put kada je potrebno provjeriti postojanje paketa za uređaj na AS-u — poslati poruku u uplink.

3. Napraviti privatni APN (VRF), gdje će se poslužitelj aplikacija i uređaji nalaziti u istoj podmreži, i dodijeliti statičke IP adrese uređajima. To će raditi, ali gotovo je neizvedivo kada se radi o parku od tisuća, desetaka tisuća uređaja.

4. Konačno, najprikladnija opcija: koristiti IPv6, jer za njega nije potreban NAT, budući da su IPv6 adrese dostupne iz interneta direktno. Međutim, čak i u ovom slučaju, prilikom ponovne registracije uređaja, on će dobiti novu IPv6 adresu i više neće biti dostupan putem prethodne.

Prema tome, potrebno je poslati neki inicijalizacijski paket s identifikatorom uređaja na server, kako bi se obavijestio novi IP-adres uređaja. Zatim je potrebno čekati potvrđujući paket od AS-a, što također utiče na energetsku efikasnost.

Ove metode dobro rade za 2G/3G/LTE uređaje, gdje se prema uređaju ne postavljaju strogi zahtjevi na autonomnost i, kao posljedica, nema ograničenja po vremenu u eteru i troškovima prometa. Za NB-IoT ove metode nisu prikladne zbog velike potrošnje energije.

SCEF rješava ovaj problem: budući da je jedini identifikator uređaja za AS vanjski ID, AS-u je dovoljno poslati paket podataka na SCEF za konkretni vanjski ID, a SCEF će se pobrinuti za sve ostalo. U slučaju da se uređaj nalazi u načinu uštede energije PSM ili eDRX, podaci će biti baferizirani i isporučeni kada uređaj postane dostupan. Ako je uređaj dostupan za promet, podaci će biti isporučeni odmah. Ovo se također odnosi i na upravljačke komande.

U bilo kojem trenutku AS može opozvati baferiziranu poruku prema UE ili je zamijeniti novom.

Mehanizam baferizacije može se primjenjivati i prilikom prijenosa MO-podataka od UE prema AS-u. Ako SCEF nije mogao odmah isporučiti podatke AS-u, na primjer, ako su radovi na servisiranju na serverima AS-a, ti paketi će biti baferizirani i zajamčeno će biti isporučeni čim AS postane dostupan.

Kao što je ranije napomenuto, pristup određenoj usluzi i UE za AS (a NIDD je usluga), reguliran je pravilima i politikama na strani SCEF-a, što omogućava jedinstvenu mogućnost simultane upotrebe podataka jednog UE od strane više AS-a. Dakle, ako se više AS-a prijavi za jedno UE, nakon što primi podatke od UE, SCEF će ih raspodijeliti svim prijavljenim AS-ima. Ovo je dobro za slučajeve kada kreator skupa specijaliziranih uređaja dijeli podatke između više klijenata. Na primjer, kreiranjem mreže meteoroloških stanica koje rade na NB-IoT, moguće je prodavati podatke s njih nekoliko uslugama istovremeno.

Mehanizam jamčene isporuke poruka

Reliable Data Service — mehanizam jamčene isporuke MO i MT poruka bez korištenja specijaliziranih algoritama na protokolnoj razini, kao što je, primjerice, handshake u TCP-u. Funkcionira uključivanjem posebne oznake u kontrolni dio poruke prilikom razmjene između UE i SCEF-a. Odluku o tome hoće li aktivirati ovaj mehanizam tijekom prijenosa prometa donosi AS.

Ako je mehanizam aktiviran, UE prilikom potrebe za jamčenom isporukom MO prometa uključuje posebnu oznaku u kontrolni dio paketa. Kada SCEF primi takav paket, odgovara UE potvrdom. Ako UE ne primi paket s potvrdom, paket u smjeru SCEF-a će se ponovo poslati. Isto se događa i za MT promet.

Praćenje uređaja (monitoring events - MONTE)

Kao što je ranije rečeno, funkcionalnost SCEF-a, osim ostalog, uključuje funkcije nadzora stanja UE, tzv. praćenje uređaja. Dok su novi identifikatori i mehanizmi prijenosa podataka optimizacije (iako vrlo značajne) već postojećih procedura, MONTE predstavlja potpuno novu funkcionalnost koja nije dostupna u 2G/3G/LTE mrežama. MONTE omogućuje AS-u praćenje takvih parametara uređaja kao što su status povezivanja, dostupnost za komunikaciju, lokacija, status roaminga itd. O svemu svakom detaljnije ćemo govoriti kasnije.

Ako je potrebno aktivirati bilo kakvo događanje praćenja za uređaj ili grupu uređaja, AS se pretplaćuje na odgovarajuću uslugu slanjem naredbe odgovarajućeg API MONTE-u SCEF-u, koja uključuje takve parametre kao što su external Id ili external group ID, identifikator AS-a, tip praćenja, broj izvještaja koje AS želi primiti. Ako je AS autoriziran za izvršenje zahtjeva, SCEF, ovisno o tipu, provizuje događaj na HSS ili MME (slika 4). Kada dođe do događaja, MME ili HSS generiraju izvještaj za SCEF, koji ga šalje AS-u.

Provizioniranje svih događaja, osim 'Number of UEs present in a geographic area', odvija se preko HSS-a. Dva događaja 'Change of IMSI-IMEI Association' i 'Roaming Status' prate se izravno na HSS-u, dok se ostali proviziraju na MME-u.
Događaji mogu biti jednokratni ili periodični, ovisno o njihovom tipu.

Slanje izvještaja o događaju (izvješće) vrši čvor koji prati događaj, izravno na SCEF (slika 5).

Bitna točka: događaji nadzora mogu se primjenjivati i na non-IP uređaje povezane putem SCEF, kao i na IP uređaje koji prenose podatke klasičnim putem preko MME-SGW-PGW.

Pogledajmo detaljnije svaku od događaja nadzora:

Gubitak povezivosti – obavještava AS da UE više nije dostupna ni za data promet, ni za signalnu razmjenu. Događaj nastaje kada istekne "mobile reachability timer" za UE na MME-u. U zahtjevu za ovu vrstu nadzora, AS može navesti svoju vrijednost "Maximum Detection Time" – ako tijekom ovog vremena UE ne pokaže bilo kakvu aktivnost, AS će biti obaviješten da UE nije dostupna, s naznakom razloga. Također, događaj nastaje ako je UE iz nekog razloga prisilno isključena iz mreže.

* Kako bi mreža znala da je uređaj i dalje dostupan, on povremeno inicira postupak ažuriranja – Tracking Area Update (TAU). Učestalost ovog postupka određuje mreža pomoću tajmera T3412 ili (T3412_extended u slučaju PSM), čija se vrijednost uređaju prenosi tijekom postupka Attach ili sljedećeg TAU-a. Mobile reachability timer obično je nekoliko minuta duži od T3412. Ako UE ne izvrši TAU prije isteka "Mobile reachability timer", mreža smatra da je više nedostupna.

Dostupnost UE – pokazuje kada UE postaje dostupna za DL promet ili SMS. To se događa kada UE postane dostupna za pagiranje (za UE u režimu eDRX) ili kada UE pređe u režim ECM-CONNECTED (za UE u režimu PSM ili eDRX), tj. izvršava TAU ili šalje uplink paket.

Izvještavanje o lokaciji – Ova vrsta nadzora omogućuje AS-u da zatraži podatke o lokaciji UE. Može se zatražiti ili trenutna lokacija (Current Location), ili posljednja poznata lokacija (Last Known Location, određuje se prema cell ID-u s kojeg je uređaj učinio TAU ili prenosio promet posljednji put), što je relevantno za uređaje u režimima uštede energije PSM ili eDRX. Za "Current Location" AS može zatražiti ponavljajuće izvještaje, pri čemu će MME obavještavati AS svaki put prilikom promjene lokacije uređaja.

Promjena IMSI-IMEI asocijacije – Aktivacijom ovog događaja, SCEF počinje pratiti promjene povezanosti IMSI (identifikatora SIM kartice) i IMEI (identifikatora uređaja). Kada se dogodi događaj — obavještava AS. Može se koristiti za automatsko ponovno povezivanje vanjskog ID-a s uređajem tijekom planiranih radova na zamjeni ili služiti kao identifikator krađe uređaja.

Status Roaminga – Ova vrsta praćenja koristi se u AS-u kako bi odredila je li UE u domaćoj mreži ili u mreži roaming partnera. Opcionalno se može prenijeti PLMN (javna mobilna mreža) operatera u kojem je uređaj registriran.

Neuspjeh komunikacije — Ova vrsta praćenja informira AS o kvarovima u komunikaciji s uređajem, temeljem razloga prekida veze (release cause code) dobivenih od mreže radiodostupa (protokol S1-AP). Ovaj događaj može pomoći u određivanju zašto je došlo do kvara komunikacije — zbog problema u mreži, na primjer, prilikom preopterećenja eNodeb (Radio resources not available) ili zbog kvara samog uređaja (Radio Connection With UE Lost).

Dostupnost nakon DDN kvara – Ovaj događaj informira AS da je uređaj postao dostupan nakon kvara u komunikaciji. Može se koristiti kada je potrebno prenijeti podatke na uređaj, ali je prethodni pokušaj bio neuspješan, jer UE nije odgovorila na obavijest od mreže (paging), i podaci nisu dostavljeni. Ako je ova vrsta praćenja zatražena za UE, čim uređaj izvrši dolaznu komunikaciju, napravi TAU ili pošalje podatke u uplink, AS će biti obaviješten da je uređaj postao dostupan. Budući da procedura DDN (downlink data notification) radi između MME i S/P-GW, ova vrsta praćenja dostupna je samo za IP uređaje.

Status PDN povezivosti – Informira AS o promjenama statusa uređaja (status PDN povezivosti) — povezivanju (aktivaciji PDN) ili isključivanju (uklanjanje PDN). To se može koristiti u AS-u za iniciranje komunikacije s UE, ili obrnuto, za shvaćanje da komunikacija više nije moguća. Ova vrsta praćenja dostupna je za IP i non-IP uređaje.

Broj UE-ova prisutnih u geografskom području – Ova vrsta praćenja koristi se u AS-u kako bi odredila broj UE-ova u određenoj geografskog području.

Okidanje uređaja (Device triggering)

U 2G/3G mrežama proces registracije u mrežu bio je dvostupanjski: prvo je uređaj registriran u SGSN (postupak attach), a zatim, po potrebi za prijenos podataka, aktivira PDP kontekst – vezu s paketnim prolazom (GGSN). U 3G mrežama ova dva postupka su bila uzastopna, tj. uređaj nije čekao trenutak kada treba prenijeti podatke, već je aktivirao PDP odmah po završetku postupka attach. U LTE-u su ova dva postupka spojena u jedan, tako da je prilikom attach-a uređaj odmah tražio aktivaciju PDN veze (analoga PDP u 2G/3G) putem eNodeB do MME-SGW-PGW.

U NB-IoT definiran je način povezivanja nazvan "attach without PDN", tj. UE se attach-a ne uspostavljajući PDN vezu. U tom slučaju nije dostupno za prijenos prometa i može samo primati ili slati SMS. Kako bi se tom uređaju poslala naredba za aktivaciju PDN i povezivanje s AS-om, razvijena je funkcionalnost "Device triggering".

Pri primanju naredbe za povezivanje takvog UE od AS-a, SCEF putem SMS centra inicira slanje upravljačke SMS poruke na uređaj. Pri primitku SMS-a, uređaj aktivira PDN i povezuje se s AS-om za primanje daljnjih uputa ili prijenos podataka.

Mogući su slučajevi kada na SCEF-u istekne pretplata za uređaj. Da, pretplata ima svoj rok trajanja, koji postavlja operater ili dogovara s AS-om. Nakon isteka, na MME-u će se deaktivirati PDN, a uređaj će postati nedostupan za AS. U tom slučaju pomoći će i funkcionalnost "Device triggering". Pri primanju novih podataka od AS-a, SCEF će provjeriti status povezivanja uređaja i dostaviti podatke putem SMS kanala.

Zaključak

Funkcionalnost SCEF-a, svakako, ne ograničava se na gore opisane usluge i neprestano evoluira i širi se. Trenutno je za SCEF već standardizirano više od deset usluga. Sada smo obuhvatili samo osnovne i tražene funkcije s strane programera; o ostalima ćemo razgovarati u budućim člancima.

Odmah se postavlja pitanje, kako dobiti testni pristup ovom „čudo“-čvorištu za preliminarno testiranje i ispravljanje mogućih slučajeva? Sve je vrlo jednostavno. Svaki programer može poslati zahtjev na iot.info@mts.ru, u kojem je dovoljno navesti svrhu povezivanja, opis mogućeg slučaja i kontakt informacije za komunikaciju.

Do narednog susreta!

Autori:

• viši stručnjak za konvergencije i multimedijske usluge Sergej Novikov sanov,
• stručnjak za konvergencije i multimedijske usluge Aleksej Lapšin aslapsh

Izvor: habr.com