V članku "«, Ko smo govorili o arhitekturi paketnega jedra omrežja NB-IoT, smo omenili pojav novega vozlišča SCEF. V tretjem delu pojasnjujemo, kaj je to in zakaj je potrebno?
Pri ustvarjanju storitve M2M se razvijalci aplikacij srečujejo z naslednjimi vprašanji:
- kako prepoznati naprave;
- kakšen algoritem preverjanja in avtentikacije uporabiti;
- kateri transportni protokol izbrati za interakcijo z napravami;
- kako zanesljivo dostaviti podatke napravam;
- kako organizirati in vzpostaviti pravila za izmenjavo podatkov z njimi;
- kako spremljati in pridobivati informacije o svojem stanju na spletu;
- kako istočasno dostaviti podatke skupini svojih naprav;
- kako hkrati pošiljati podatke iz ene naprave več odjemalcem;
- kako do poenotenega dostopa do dodatnih storitev operaterja za upravljanje vaše naprave.
Za njihovo rešitev je potrebno ustvariti lastniške tehnično »težke« rešitve, kar vodi do povečanih stroškov dela in storitev, ki so na voljo na trgu. Tu na pomoč priskoči novo vozlišče SCEF.
Kot določa 3GPP, je SCEF (funkcija izpostavljenosti zmogljivosti storitve) popolnoma nova komponenta arhitekture 3GPP, katere funkcija je varno izpostaviti storitve in zmogljivosti, ki jih zagotavljajo omrežni vmesniki 3GPP prek API-jev.
Preprosto povedano, SCEF je posrednik med omrežjem in aplikacijskim strežnikom (AS), eno samo okno za dostop do storitev operaterja za upravljanje vaše naprave M2M v omrežju NB-IoT prek intuitivnega, standardiziranega vmesnika API.
SCEF skrije kompleksnost omrežja operaterja in omogoča razvijalcem aplikacij, da abstrahirajo zapletene mehanizme, specifične za napravo, za interakcijo z napravami.
S preoblikovanjem omrežnih protokolov v poznan API za razvijalce aplikacij SCEF API olajša ustvarjanje novih storitev in skrajša čas do trženja. Novo vozlišče vključuje tudi funkcije za identifikacijo/preverjanje pristnosti mobilnih naprav, definiranje pravil za izmenjavo podatkov med napravo in AS, odpravo potrebe, da bi razvijalci aplikacij izvajali te funkcije na svoji strani, te funkcije pa preložijo na ramena operaterja.
SCEF pokriva vmesnike, potrebne za avtentikacijo in avtorizacijo aplikacijskih strežnikov, vzdrževanje mobilnosti UE, prenos podatkov in proženje naprav, dostop do dodatnih storitev in zmogljivosti omrežja operaterja.
Proti AS obstaja en sam vmesnik T8, API (HTTP/JSON), standardiziran s 3GPP. Vsi vmesniki, razen T8, delujejo po protokolu DIAMETER (slika 1).
T6a – vmesnik med SCEF in MME. Uporablja se za postopke upravljanja mobilnosti/seje, prenos podatkov, ki niso IP, zagotavljanje spremljanja dogodkov in prejemanje poročil o njih.
S6t – vmesnik med SCEF in HSS. Potreben za avtentikacijo naročnika, avtorizacijo aplikacijskih strežnikov, pridobitev kombinacije zunanjega ID-ja in IMSI/MSISDN, zagotavljanje spremljanja dogodkov in prejemanje poročil o njih.
S6m/T4 – vmesniki od SCEF do HSS in SMS-C (3GPP definira vozlišče MTC-IWF, ki se uporablja za proženje naprave in prenos SMS v omrežjih NB-IoT. Vendar pa je v vseh izvedbah funkcionalnost tega vozlišča integrirana v SCEF, zato ga zaradi poenostavitve vezja ne bomo obravnavali ločeno). Uporablja se za pridobivanje informacij o usmerjanju za pošiljanje SMS in interakcijo s centrom za SMS.
T8 – API vmesnik za SCEF interakcijo z aplikacijskimi strežniki. Preko tega vmesnika se prenašajo krmilni ukazi in promet.
*v resnici obstaja več vmesnikov, tukaj so navedeni samo najosnovnejši. Celoten seznam je podan v 3GPP 23.682 (4.3.2 Seznam referenčnih točk).
Spodaj so ključne funkcije in storitve SCEF:
- povezovanje identifikatorja kartice SIM (IMSI) z zunanjim ID-jem;
- prenos ne-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD);
- skupinske operacije z ID-jem zunanje skupine;
- podpora načinu prenosa podatkov s potrditvijo;
- medpomnjenje MO (Mobile Originated) in MT (Mobile Terminated) podatkov;
- avtentikacija in avtorizacija naprav in aplikacijskih strežnikov;
- hkratna uporaba podatkov iz ene UE s strani več AS;
- podpora posebnim funkcijam spremljanja stanja UE (MONTE – Monitoring Events);
- proženje naprave;
- zagotavljanje ne-IP podatkovnega gostovanja.
Osnovno načelo interakcije med AS in SCEF temelji na tako imenovani shemi. naročnine. Če je treba pridobiti dostop do katere koli storitve SCEF za določeno UE, mora aplikacijski strežnik ustvariti naročnino tako, da pošlje ukaz posebnemu API-ju zahtevane storitve in v odgovor prejeti edinstven identifikator. Po tem bodo vsa nadaljnja dejanja in komunikacije z UE v okviru te storitve potekala z uporabo tega identifikatorja.
Zunanji ID: univerzalni identifikator naprave
Ena najpomembnejših sprememb v shemi interakcije med AS in napravami pri delu prek SCEF je pojav univerzalnega identifikatorja. Namesto telefonske številke (MSISDN) ali naslova IP, kot je veljalo v klasičnem omrežju 2G/3G/LTE, sedaj identifikator naprave za aplikacijski strežnik postane »zunanji ID«. Definiran je s standardom v formatu “@”, ki ga poznajo razvijalci aplikacij.
Razvijalcem ni več treba implementirati algoritmov za preverjanje pristnosti naprave, to funkcijo popolnoma prevzame omrežje. Zunanji ID je vezan na IMSI in razvijalec je lahko prepričan, da pri dostopu do določenega zunanjega ID-ja komunicira z določeno kartico SIM. Pri uporabi SIM čipa dobite popolnoma edinstveno situacijo, ko zunanji ID enolično identificira določeno napravo!
Poleg tega je več zunanjih ID-jev mogoče povezati z enim IMSI - še bolj zanimiva situacija nastane, ko zunanji ID enolično identificira določeno aplikacijo, odgovorno za določeno storitev na določeni napravi.
Pojavi se tudi identifikator skupine - ID zunanje skupine, ki vključuje nabor posameznih zunanjih ID-jev. Zdaj lahko AS z eno zahtevo SCEF sproži skupinske operacije – pošilja podatke ali nadzorne ukaze več napravam, združenim v eno samo logično skupino.
Ker za razvijalce AS prehod na nov identifikator naprave ne more biti takojšen, je SCEF pustil možnost komunikacije AS z UE prek standardne številke - MSISDN.
Prenos ne-IP prometa (Non-IP Data Delivery, NIDD)
V NB-IoT se je v okviru optimizacije mehanizmov za prenos majhnih količin podatkov poleg že obstoječih tipov PDN, kot so IPv4, IPv6 in IPv4v6, pojavil še en tip - non-IP. V tem primeru napravi (UE) ni dodeljen naslov IP in podatki se prenašajo brez uporabe protokola IP. Promet za tovrstne povezave se lahko usmerja na dva načina: klasično - MME -> SGW -> PGW in nato skozi tunel PtP do AS (slika 2) ali z uporabo SCEF (slika 3).
Klasična metoda ne ponuja posebnih prednosti pred IP prometom, razen zmanjšanja velikosti posredovanih paketov zaradi odsotnosti IP glav. Uporaba SCEF odpira številne nove možnosti in bistveno poenostavlja postopke interakcije z napravami.
Pri prenosu podatkov prek SCEF se pred klasičnim IP prometom pokažeta dve zelo pomembni prednosti:
Dostava MT prometa v napravo preko zunanjega ID-ja
Za pošiljanje sporočila na klasično IP napravo mora AS poznati njen IP naslov. Tu nastane težava: ker naprava ob registraciji običajno prejme “siv” naslov IP, komunicira z aplikacijskim strežnikom, ki se nahaja na internetu, preko vozlišča NAT, kjer se sivi naslov prevede v belo. Kombinacija sivih in belih naslovov IP traja omejen čas, odvisno od nastavitev NAT. V povprečju za TCP ali UDP - ne več kot pet minut. To pomeni, da če v 5 minutah s to napravo ni izmenjave podatkov, bo povezava prekinjena in naprava ne bo več dostopna na belem naslovu, s katerim je bila sprožena seja z AS. Obstaja več rešitev:
1. Uporabite srčni utrip. Ko je povezava vzpostavljena, mora naprava vsakih nekaj minut izmenjati pakete z AS in s tem preprečiti zaprtje prevodov NAT. A o kakršni koli energetski učinkovitosti tukaj ne more biti govora.
2. Vsakič, če je potrebno, preverite razpoložljivost paketov za napravo na AS - pošljite sporočilo na povezavo navzgor.
3. Ustvarite zasebni APN (VRF), kjer bodo aplikacijski strežnik in naprave v istem podomrežju, in napravam dodelite statične naslove IP. Delovalo bo, a skoraj nemogoče, ko govorimo o floti tisočev, desettisočih naprav.
4. Končno najprimernejša možnost: uporaba IPv6, ki ne zahteva NAT, saj so naslovi IPv6 neposredno dostopni iz interneta. Toda tudi v tem primeru bo naprava ob ponovni registraciji prejela nov naslov IPv6 in ne bo več dostopna s prejšnjim.
V skladu s tem je treba strežniku poslati nekaj inicializacijskih paketov z identifikatorjem naprave, da sporoči nov naslov IP naprave. Nato počakajte na potrditveni paket od AS, ki prav tako vpliva na energetsko učinkovitost.
Ti načini dobro delujejo pri napravah 2G/3G/LTE, kjer naprava nima strogih zahtev glede avtonomije in posledično ni omejitev glede časa in prometa. Te metode niso primerne za NB-IoT zaradi visoke porabe energije.
SCEF rešuje to težavo: ker je edini identifikator naprave za AS zunanji ID, mora AS samo poslati podatkovni paket SCEF za določen zunanji ID, SCEF pa poskrbi za ostalo. Če je naprava v načinu varčevanja z energijo PSM ali eDRX, bodo podatki shranjeni v medpomnilnik in dostavljeni, ko bo naprava na voljo. Če je naprava na voljo za promet, bodo podatki dostavljeni takoj. Enako velja za vodstvene ekipe.
AS lahko kadar koli odpokliče medpomnjeno sporočilo v UE ali ga zamenja z novim.
Mehanizem medpomnilnika se lahko uporablja tudi pri prenosu podatkov MO iz UE v AS. Če SCEF ni mogel takoj dostaviti podatkov v AS, če na primer na strežnikih AS potekajo vzdrževalna dela, bodo ti paketi shranjeni v medpomnilniku in bodo zajamčeno dostavljeni takoj, ko bo AS na voljo.
Kot je navedeno zgoraj, je dostop do določene storitve in UE za AS (in NIDD je storitev) urejen s pravili in politikami na strani SCEF, kar omogoča edinstveno možnost hkratne uporabe podatkov iz ene UE s strani več AS. Tisti. če je na en UE naročenih več AS, potem jih SCEF po prejemu podatkov od UE pošlje vsem naročenim AS. To je zelo primerno za primere, ko ustvarjalec flote specializiranih naprav deli podatke med več odjemalci. Na primer, z ustvarjanjem omrežja vremenskih postaj, ki delujejo na NB-IoT, lahko podatke iz njih prodajate več storitvam hkrati.
Zajamčen mehanizem dostave sporočil
Reliable Data Service je mehanizem za zajamčeno dostavo sporočil MO in MT brez uporabe specializiranih algoritmov na ravni protokola, kot je na primer rokovanje v TCP. Deluje tako, da vključi posebno zastavico v storitveni del sporočila, ko se izmenjujeta med UE in SCEF. O tem, ali bo aktiviran ta mehanizem pri prenosu prometa, odloča AS.
Če je mehanizem aktiviran, UE vključi posebno zastavico v nadzemni del paketa, ko zahteva zajamčeno dostavo prometa MO. Po prejemu takega paketa SCEF odgovori UE s potrditvijo. Če UE ne prejme potrditvenega paketa, bo paket proti SCEF ponovno poslan. Enako se zgodi za MT promet.
Nadzor naprav (spremljanje dogodkov - MONTE)
Kot že omenjeno, funkcionalnost SCEF med drugim vključuje funkcije za spremljanje stanja UE, t.i. spremljanje naprave. In če so novi identifikatorji in mehanizmi prenosa podatkov optimizacije (čeprav zelo resne) obstoječih postopkov, potem je MONTE popolnoma nova funkcionalnost, ki je ni na voljo v 2G/3G/LTE omrežjih. MONTE omogoča AS spremljanje parametrov naprave, kot so stanje povezave, razpoložljivost komunikacije, lokacija, stanje gostovanja itd. O vsakem bomo podrobneje govorili malo kasneje.
Če je treba aktivirati katerikoli nadzorni dogodek za napravo ali skupino naprav, se AS naroči na ustrezno storitev tako, da SCEF pošlje ustrezen ukaz API MONTE, ki vključuje parametre, kot so zunanji ID ali ID zunanje skupine, identifikator AS, nadzor vrsto, število poročil, ki jih AS želi prejeti. Če je AS pooblaščen za izvedbo zahteve, SCEF, odvisno od vrste, zagotovi dogodek HSS ali MME (slika 4). Ko pride do dogodka, MME ali HSS ustvari poročilo za SCEF, ki ga pošlje AS.
Zagotavljanje vseh dogodkov, z izjemo »Število UE, prisotnih na geografskem območju«, poteka prek HSS. Dva dogodka »Sprememba povezave IMSI-IMEI« in »Status gostovanja« se spremljata neposredno na HSS, ostale bo zagotovil HSS na MME.
Dogodki so lahko enkratni ali občasni in so določeni glede na vrsto.
Pošiljanje poročila o dogodku (reporting) izvede vozlišče, ki sledi dogodku neposredno v SCEF (slika 5).
Pomembna točka: Dogodke spremljanja je mogoče uporabiti tako za naprave, ki niso IP, povezane prek SCEF, kot za naprave IP, ki prenašajo podatke na klasičen način prek MME-SGW-PGW.
Oglejmo si podrobneje vsakega od dogodkov spremljanja:
Izguba povezljivosti — obvesti AS, da UE ni več na voljo niti za podatkovni promet niti za signalizacijo. Dogodek se zgodi, ko na MME poteče »časovnik mobilne dosegljivosti« za UE. V zahtevi za to vrsto nadzora lahko AS navede svojo vrednost »Maximum Detection Time« – če v tem času UE ne pokaže nobene aktivnosti, bo AS obveščen, da UE ni na voljo, z navedbo razloga. Dogodek se zgodi tudi, če je omrežje iz kakršnega koli razloga prisilno odstranilo UE.
* Da bi omrežje vedelo, da je naprava še vedno na voljo, občasno sproži postopek posodobitve - Tracking Area Update (TAU). Pogostost tega postopka nastavi omrežje s časovnikom T3412 ali (T3412_extended v primeru PSM), katerega vrednost se napravi med postopkom priklopa ali naslednjim TAU. Časovnik mobilne dosegljivosti je običajno nekaj minut daljši od T3412. Če UE ni naredila TAU pred iztekom »Časovnika mobilne dosegljivosti«, omrežje meni, da ni več dosegljivo.
UE dosegljivost – Označuje, kdaj postane UE na voljo za promet DL ali SMS. To se zgodi, ko UE postane na voljo za ostranjevanje (za UE v načinu eDRX) ali ko UE vstopi v način ECM-CONNECTED (za UE v načinu PSM ali eDRX), tj. naredi TAU ali pošlje paket navzgornje povezave.
Poročanje o lokaciji – Ta vrsta spremljanja dogodkov omogoča AS, da poizveduje o lokaciji UE. Zahteva se lahko bodisi trenutna lokacija (Trenutna lokacija) bodisi zadnja znana lokacija (Določeno z ID-jem celice, iz katere je naprava zadnjič naredila TAU ali poslala promet), kar je pomembno za naprave v načinih varčevanja z energijo PSM ali eDRX. Za »Trenutna lokacija« lahko AS zahteva ponavljajoče se odgovore, pri čemer MME obvesti AS vsakič, ko se lokacija naprave spremeni.
Sprememba povezave IMSI-IMEI – Ko je ta dogodek aktiviran, SCEF začne spremljati spremembe v kombinaciji IMSI (identifikator kartice SIM) in IMEI (identifikator naprave). Ko pride do dogodka, obvesti AS. Uporablja se lahko za samodejno ponovno povezovanje zunanjega ID-ja z napravo med načrtovanimi zamenjavami ali služi kot identifikator za krajo naprave.
Stanje gostovanja – to vrsto nadzora uporablja AS, da ugotovi, ali je UE v domačem omrežju ali v omrežju gostujočega partnerja. Po želji se lahko posreduje PLMN (javno kopensko mobilno omrežje) operaterja, pri katerem je naprava registrirana.
Okvara komunikacije — Ta vrsta nadzora obvešča AS o napakah v komunikaciji z napravo na podlagi razlogov za prekinitev povezave (koda vzroka za sprostitev), prejetih iz radijskega dostopovnega omrežja (protokol S1-AP). Ta dogodek lahko pomaga ugotoviti, zakaj komunikacija ni uspela – zaradi težav v omrežju, na primer, ko je eNodeb preobremenjen (Radijski viri niso na voljo) ali zaradi okvare same naprave (Radijska povezava z izgubljenim UE).
Razpoložljivost po napaki DDN – ta dogodek obvesti AS, da je naprava postala dosegljiva po izpadu komunikacije. Lahko se uporablja, ko je treba prenesti podatke v napravo, vendar prejšnji poskus ni bil uspešen, ker se UE ni odzval na obvestilo iz omrežja (paging) in podatki niso bili dostavljeni. Če je bila ta vrsta nadzora zahtevana za UE, bo AS obveščen takoj, ko naprava izvede dohodno komunikacijo, naredi TAU ali pošlje podatke v navzgornjo povezavo, da je naprava na voljo. Ker postopek DDN (downlink data notification) deluje med MME in S/P-GW, je ta vrsta nadzora na voljo samo za naprave IP.
Stanje povezljivosti PDN – obvesti AS, ko se stanje naprave spremeni (stanje povezljivosti PDN) - povezava (aktivacija PDN) ali prekinitev povezave (izbris PDN). To lahko AS uporabi za začetek komunikacije z UE ali obratno, da razume, da komunikacija ni več mogoča. Ta vrsta nadzora je na voljo za naprave IP in naprave brez IP.
Število UE, prisotnih na geografskem območju – To vrsto spremljanja AS uporablja za določanje števila UE na določenem geografskem območju.
Sprožitev naprave)
V omrežjih 2G/3G je bil postopek registracije v omrežju dvostopenjski: najprej se je naprava prijavila na SGSN (attach procedure), nato pa je po potrebi aktivirala PDP kontekst - povezavo s paketnim prehodom (GGSN). za prenos podatkov. V omrežjih 3G sta se ta dva postopka zgodila zaporedno, tj. naprava ni čakala na trenutek, ko je bilo treba prenesti podatke, ampak je aktivirala PDP takoj po končanem postopku priklopa. V LTE sta bila ta dva postopka združena v enega, in sicer je naprava ob priklopu takoj zahtevala aktivacijo PDN povezave (analogno PDP v 2G/3G) preko eNodeB na MME-SGW-PGW.
NB-IoT opredeljuje način povezave kot »pripenjanje brez PDN«, kar pomeni, da se UE priklopi brez vzpostavitve povezave PDN. V tem primeru ni na voljo za prenos prometa in lahko samo sprejema ali pošilja SMS. Za pošiljanje ukaza taki napravi za aktiviranje PDN in povezavo z AS je bila razvita funkcionalnost »Sprožitev naprave«.
Ob prejemu ukaza za povezavo takega UE od AS SCEF sproži pošiljanje krmilnega SMS-a napravi preko SMS centra. Ob prejemu SMS-a naprava aktivira PDN in se poveže z AS za prejemanje nadaljnjih navodil ali prenos podatkov.
Včasih lahko naročnina vaše naprave na SCEF poteče. Da, naročnina ima svojo življenjsko dobo, ki jo določi operater ali se dogovori z AS. Po poteku bo PDN deaktiviran na MME in naprava bo postala nedosegljiva AS. V tem primeru vam bo pomagala tudi funkcija »Sprožitev naprave«. Ob prejemu novih podatkov od AS bo SCEF ugotovil stanje povezave naprave in dostavil podatke preko SMS kanala.
Zaključek
Funkcionalnost SCEF seveda ni omejena na zgoraj opisane storitve in se nenehno razvija in širi. Trenutno je za SCEF standardiziranih že več kot ducat storitev. Zdaj smo se dotaknili le glavnih funkcij, ki jih razvijalci povprašujejo, o ostalih bomo govorili v prihodnjih člankih.
Takoj se pojavi vprašanje: kako pridobiti testni dostop do tega "čudežnega" vozlišča za predhodno testiranje in odpravljanje napak v možnih primerih? Vse je zelo preprosto. Vsak razvijalec lahko pošlje zahtevo na [e-pošta zaščitena], v katerem je dovolj navesti namen povezave, opis morebitnega primera in kontaktne podatke za komunikacijo.
Se vidiva spet!
Avtorji:
- višji strokovnjak oddelka za konvergentne rešitve in multimedijske storitve Sergej Novikov ,
- Alexey Lapshin, strokovnjak oddelka za konvergentne rešitve in multimedijske storitve
Vir: www.habr.com