文章中“”，在談到NB-IoT網路分組核心的架構時，我們提到了新的SCEF節點的出現。 我們在第三部分解釋它是什麼以及為什麼需要它？
在創建M2M服務時，應用程式開發人員面臨以下問題：
- 如何識別設備；
- 使用什麼驗證和認證演算法；
- 選擇哪種傳輸協定與設備互動；
- 如何可靠地將資料傳送到設備；
- 如何組織和建立與他們交換資料的規則；
- 如何在線監控和獲取有關其狀況的信息；
- 如何同時將資料傳送到一組設備；
- 如何同時從一台設備向多個客戶端發送資料；
- 如何統一存取其他運營商服務來管理您的設備。
為了解決這些問題，有必要創建專有的技術「重型」解決方案，這會導致勞動力成本增加和服務上市時間增加。 這就是新的 SCEF 節點可以發揮作用的地方。
根據3GPP的定義，SCEF（服務能力暴露功能）是3GPP架構中的全新元件，其功能是透過API安全地暴露3GPP網路介面所提供的服務和能力。
簡而言之，SCEF 是網路和應用伺服器 (AS) 之間的中介，是存取營運商服務的單一窗口，用於透過直覺、標準化的 API 介面管理 NB-IoT 網路中的 M2M 裝置。
SCEF 隱藏了運營商網路的複雜性，允許應用程式開發人員抽像出複雜的、特定於設備的機制來與設備互動。
透過將網路協定轉換為應用程式開發人員熟悉的 API，SCEF API 有助於創建新服務並縮短上市時間。 新節點還包括識別/驗證行動裝置的功能，定義設備和AS之間的資料交換規則，消除應用程式開發人員自己實現這些功能的需要，將這些功能轉移到營運商的肩上。
SCEF 涵蓋了應用伺服器的身份驗證和授權、維護 UE 移動性、資料傳輸和設備觸發、存取附加服務和運營商網路功能所需的介面。
對於 AS，有一個 T8 接口，即 3GPP 標準化的 API (HTTP/JSON)。 所有介面（T8 除外）均基於 DIAMETER 協定運作（圖 1）。
T6a——SCEF和MME之間的介面。 用於行動/會話管理程式、非 IP 資料傳輸、監控事件的提供以及接收有關事件的報告。
S6t – SCEF 和 HSS 之間的介面。 需要進行訂戶身份驗證、應用程式伺服器授權、取得外部 ID 和 IMSI/MSISDN 的組合、設定監控事件並接收有關事件的報告。
S6m/T4 – 從SCEF 到HSS 和SMS-C 的介面（3GPP 定義了MTC-IWF 節點，用於NB-IoT 網路中的裝置觸發和SMS 傳輸。但是，在所有實作中，該節點的功能都整合到SCEF，所以為了簡化電路，我們不再單獨考慮）。 用於獲取發送簡訊以及與簡訊中心互動的路由資訊。
T8 – SCEF 與應用程式伺服器互動的 API 介面。 控制命令和流量都透過該介面傳輸。
*其實介面還有很多，這裡只列出最基本的介面。 3GPP 23.682（4.3.2 參考點列表）中給出了完整的列表。
SCEF的主要功能和服務如下：
- 將 SIM 卡識別碼 (IMSI) 連結到外部 ID；
- 非 IP 流量傳輸（Non-IP Data Delivery，NIDD）；
- 使用外部群組ID進行群組操作；
- 支援帶確認的資料傳輸模式；
- 緩衝 MO（移動啟動）和 MT（移動終止）資料；
- 設備和應用伺服器的認證和授權；
- 多個 AS 同時使用來自一個 UE 的資料；
- 支援特殊的UE狀態監控功能（MONTE – 監控事件）；
- 設備觸發；
- 提供非IP數據漫遊。
AS和SCEF之間交互作用的基本原理是基於所謂的方案。 訂閱。 如果特定 UE 需要存取任何 SCEF 服務，則應用程式伺服器需要透過向所請求服務的特定 API 發送命令來建立訂閱，並接收唯一識別碼作為回應。 此後，在該服務的框架內所有進一步的動作以及與UE的通訊都將使用該標識符進行。
外部ID：通用設備識別符
當透過 SCEF 工作時，AS 和裝置之間的互動方案中最重要的變化之一是通用識別碼的出現。 現在，應用伺服器的裝置識別碼不再是傳統 2G/3G/LTE 網路中的電話號碼 (MSISDN) 或 IP 位址，而是變成「外部 ID」。 它是由標準以應用程式開發人員熟悉的格式定義的“ @ 」
開發者不再需要實現設備認證演算法；網路完全接管了這個功能。 外部 ID 與 IMSI 綁定，開發人員可以確保在存取特定外部 ID 時，它與特定 SIM 卡進行互動。 當使用 SIM 晶片時，當外部 ID 唯一標識特定設備時，您將獲得完全唯一的情況！
此外，多個外部 ID 可以連結到一個 IMSI - 當外部 ID 唯一標識負責特定裝置上的特定服務的特定應用程式時，會出現更有趣的情況。
也會出現群組識別碼 - 外部群組 ID，其中包括一組單獨的外部 ID。 現在，透過向 SCEF 發出一個請求，AS 可以啟動群組操作 - 向聯合在單一邏輯群組中的多個裝置發送資料或控制命令。
由於對於 AS 開發人員來說，無法瞬時過渡到新的裝置標識符，因此 SCEF 留下了透過標準號碼 - MSISDN 與 UE 進行 AS 通訊的可能性。
非 IP 流量的傳輸（非 IP 資料傳輸，NIDD）
在NB-IoT中，作為小量資料傳輸機制最佳化的一部分，除了已經存在的PDN類型，如IPv4、IPv6和IPv4v6之外，還出現了另一種類型—非IP。 在這種情況下，設備（UE）沒有被指派IP位址且資料在不使用IP協定的情況下被傳輸。 此類連接的流量可以透過兩種方式路由：經典 - MME -> SGW -> PGW，然後透過 PtP 隧道到達 AS（圖 2）或使用 SCEF（圖 3）。
與 IP 流量相比，經典方法沒有提供任何特殊優勢，除了由於缺少 IP 標頭而減小了傳輸資料包的大小之外。 SCEF 的使用開啟了許多新的可能性，並顯著簡化了與裝置互動的過程。
透過 SCEF 傳輸資料時，與傳統 IP 流量相比，出現兩個非常重要的優勢：
透過外部 ID 將 MT 流量傳送到設備
為了向經典IP設備發送訊息，AS必須知道其IP位址。 這裡出現了一個問題：由於設備在註冊時通常會收到一個「灰色」IP位址，因此它透過NAT節點與位於互聯網上的應用伺服器進行通信，在NAT節點中灰色位址被轉換為白色。 灰色和白色 IP 位址的組合會持續有限的時間，這取決於 NAT 設定。 平均而言，對於 TCP 或 UDP - 不超過五分鐘。 也就是說，如果 5 分鐘內沒有與該裝置進行資料交換，則連線將斷開，且該裝置將無法再透過發起與 AS 的會話的白色位址進行存取。 有幾種解決方案：
1.使用心跳。 建立連線後，裝置必須每隔幾分鐘與 AS 交換資料包，從而防止 NAT 轉換關閉。 但這裡不能談任何能源效率。
2. 如有必要，每次檢查 AS 上設備的包的可用性 - 向上行鏈路發送訊息。
3. 建立私人 APN (VRF)，其中應用程式伺服器和裝置將位於相同子網路中，並為裝置指派靜態 IP 位址。 它會起作用，但當我們談論由數千、數萬台設備組成的艦隊時，這幾乎是不可能的。
4. 最後，最適合的選項：使用 IPv6；它不需要 NAT，因為 IPv6 位址可以直接從 Internet 存取。 然而，即使在這種情況下，當裝置重新註冊時，它將收到一個新的 IPv6 位址，並且將無法再使用先前的位址進行存取。
因此，有必要向伺服器發送一些帶有設備識別碼的初始化資料包，以便報告設備的新IP位址。 然後等待AS發來的確認包，這也影響能效。
這些方法非常適用於 2G/3G/LTE 設備，這些設備對自主性沒有嚴格的要求，因此對通話時間和流量沒有限制。 這些方法由於能耗較高，不適合 NB-IoT。
SCEF解決了這個問題：由於AS的唯一裝置識別碼是外部ID，因此AS只需向SCEF發送針對特定外部ID的資料包，其餘的則由SCEF處理。 如果設備處於 PSM 或 eDRX 省電模式，資料將在設備可用時進行緩衝和傳送。 如果設備可用於流量，資料將立即傳送。 對於管理團隊也是如此。
在任何時候，AS都可以向UE召回緩衝的訊息或用新訊息取代它。
當從UE向AS發送MO資料時，也可以使用緩衝機制。 如果 SCEF 無法立即將資料傳送到 AS，例如，如果 AS 伺服器正在進行維護工作，則這些資料包將被緩衝並保證在 AS 可用時立即傳送。
如上所述，AS 對特定服務和 UE 的存取（NIDD 是一項服務）由 SCEF 側的規則和策略進行管理，這允許多個 AS 同時使用來自一個 UE 的資料的獨特可能性。 那些。 如果多個AS訂閱了一個UE，那麼SCEF收到來自UE的資料後，會將其傳送給所有訂閱的AS。 這非常適合一組專用設備的創建者在多個客戶端之間共享資料的情況。 例如，透過建立在 NB-IoT 上運行的氣象站網絡，您可以同時將氣象站的資料出售給許多服務。
保證訊息傳遞機制
可靠資料服務是一種保證 MO 和 MT 訊息傳送的機制，無需在協定層級使用專門的演算法，例如 TCP 中的握手。 它的工作原理是在 UE 和 SCEF 之間交換訊息時在訊息的服務部分中包含一個特殊標誌。 傳輸流量時是否啟動此機制由AS決定。
如果該機制被激活，則當UE需要保證MO流量的傳送時，UE在資料包的開銷部分中包含特殊標誌。 當收到這樣的分組時，SCEF用確認來回應UE。 如果UE沒有收到確認分組，則會重新傳送發送至SCEF的分組。 MT 流量也會發生同樣的情況。
設備監控（監控事件 - MONTE）
如上所述，SCEF功能尤其包括用於監視UE的狀態的功能，即所謂的。 設備監控。 如果新的識別碼和資料傳輸機制是對現有程式的最佳化（儘管非常認真），那麼 MONTE 就是 2G/3G/LTE 網路中不可用的全新功能。 MONTE允許AS監控設備參數，例如連線狀態、通訊可用性、位置、漫遊狀態等。 稍後我們將更詳細地討論每一個。
如果需要啟動某個裝置或一組裝置的任何監控事件，AS透過向SCEF發送對應的API MONTE指令來訂閱對應的服務，該指令包括外部Id或外部群組ID、AS識別碼、監控等參數AS 希望接收的報告類型、數量。 如果 AS 被授權執行請求，SCEF 將根據類型將事件提供給 HSS 或 MME（圖 4）。 當事件發生時，MME或HSS產生報告給SCEF，SCEF將其傳送給AS。
除「某個地理區域中存在的 UE 數量」之外的所有事件的配置均透過 HSS 進行。 「IMSI-IMEI 關聯的更改」和「漫遊狀態」兩個事件直接在 HSS 上跟踪，其餘事件將由 HSS 在 MME 上配置。
事件可以是一次性的，也可以是週期性的，並由其類型決定。
發送有關事件的報告（報告）是由追蹤事件的節點直接向 SCEF 執行的（圖 5）。
很重要的一點： 監控事件既可以應用於透過SCEF連接的非IP設備，也可以應用於透過MME-SGW-PGW以經典方式傳輸資料的IP設備。
讓我們仔細看看每個監控事件：
失去連接 — 通知 AS UE 不再可用於資料流量或訊號。 當 MME 上 UE 的「移動可達性計時器」到期時，此事件發生。 在這種類型的監視請求中，AS 可以指示其「最大偵測時間」值 - 如果在此期間 UE 沒有顯示任何活動，則 AS 將被通知 UE 不可用，並指示原因。 如果 UE 因任何原因被網路強制移除，也會發生該事件。
* 為了讓網路知道設備仍然可用，它會定期啟動更新過程 - 追蹤區域更新 (TAU)。 此過程的頻率由網路使用定時器 T3412 或（在 PSM 的情況下為 T3412_extended）來設置，其值在 Attach 過程或下一個 TAU 期間傳輸到裝置。 行動可達性計時器通常比 T3412 長幾分鐘。 如果UE在「移動可達性定時器」逾時之前尚未進行TAU，則網路認為其不再可達。
UE可達性 – 指示 UE 何時可用於 DL 流量或 SMS。 當 UE 變成可用於尋呼（對於處於 eDRX 模式的 UE）或當 UE 進入 ECM-CONNECTED 模式（對於處於 PSM 或 eDRX 模式的 UE）時，即發生這種情況。 進行 TAU 或發送上行資料包。
位置報告 – 這種類型的監視事件允許AS查詢UE的位置。 可以請求目前位置（Current Location）或最後已知位置（由裝置上次進行 TAU 或傳輸流量的小區 ID 決定），這與處於 PSM 或 eDRX 省電模式的裝置相關。 對於“目前位置”，AS可以要求重複回复，每次裝置位置變更時MME都會通知AS。
IMSI-IMEI關聯變更 – 當事件啟動時，SCEF開始監控IMSI（SIM卡識別碼）和IMEI（裝置識別碼）組合的變更。 當事件發生時，通知AS。 可用於在計劃的更換工作期間自動將外部 ID 重新綁定到設備，或用作設備被盜的識別碼。
漫遊狀態 – AS 使用這種類型的監視來確定 UE 是在歸屬網路中還是在漫遊夥伴的網路中。 可選地，可以發送設備註冊的運營商的PLMN（公共陸地移動網絡）。
通訊失敗 — 此類監控根據從無線接取網路（S1-AP 協定）接收的連線遺失原因（釋放原因代碼），向 AS 通知與裝置通訊失敗的情況。 此事件可以幫助確定通訊失敗的原因 - 由於網路問題，例如，當 eNodeb 過載（無線電資源不可用）或由於設備本身故障（與 UE 的無線電連接丟失）。
DDN 故障後的可用性 – 該事件通知 AS 該設備在通訊失敗後變得可用。 當需要向設備傳輸數據，但先前的嘗試沒有成功，因為 UE 沒有響應來自網路的通知（尋呼）且數據沒有傳遞時可以使用。 如果 UE 已要求這種類型的監視，則一旦設備進行傳入通訊、進行 TAU 或向上行鏈路發送數據，AS 將被通知該設備已變得可用。 由於DDN（下行鏈路資料通知）過程在MME和S/P-GW之間運作，因此這種類型的監視僅適用於IP設備。
PDN 連線狀態 – 當設備狀態變更（PDN 連線狀態）時通知 AS - 連線（PDN 啟動）或斷線（PDN 刪除）。 AS 可以使用它來發起與 UE 的通信，反之亦然，以了解不再可能進行通信。 這種類型的監控適用於 IP 和非 IP 設備。
某個地理區域中存在的 UE 數量 – AS 使用這種類型的監視來確定特定地理區域中的 UE 數量。
設備觸發)
在 2G/3G 網路中，網路中的註冊過程分為兩個階段：首先，裝置向 SGSN 註冊（附著過程），然後，如有必要，它會啟動 PDP 上下文 - 與分組閘道 (GGSN) 的連接來傳輸數據。 在3G網路中，這兩個過程依次發生，即設備沒有等待需要傳輸資料的時刻，而是在連接過程完成後立即啟動PDP。 在LTE中，這兩個過程合而為一，即在附著時，設備立即請求透過eNodeB到MME-SGW-PGW啟動PDN連接（類似於2G/3G中的PDP）。
NB-IoT將連接方式定義為“attach without PDN”，即UE在不建立PDN連接的情況下進行附著。 此時無法傳輸流量，只能接收或發送簡訊。 為了向此類設備發送命令以啟動 PDN 並連接到 AS，開發了「設備觸發」功能。
當從AS接收到連接此類UE的命令時，SCEF發起透過SMS中心向設備發送控制SMS。 當接收到 SMS 時，裝置會啟動 PDN 並連接到 AS 以接收進一步的指令或傳輸資料。
有時您的 SCEF 設備訂閱可能會過期。 是的，訂閱有自己的生命週期，由運營商設定或與AS商定。 到期後，PDN 將在 MME 上停用，並且設備將變成對 AS 不可用。 在這種情況下，「設備觸發」功能也會有所幫助。 當收到來自AS的新資料時，SCEF將找出裝置連線狀態並透過SMS通道傳送資料。
結論
當然，SCEF的功能不僅限於上述服務，而且還在不斷發展和擴展。 目前，SCEF 已經標準化了十多項服務。 現在我們只涉及了開發人員需要的主要功能；其餘的我們將在以後的文章中討論。
問題立即出現：如何獲得對這個“奇蹟”節點的測試訪問，以對可能的情況進行初步測試和調試？ 一切都很簡單。 任何開發者都可以向 [電子郵件保護]，其中足以表明連接的目的、可能情況的描述以及通信的聯絡資訊。
直到我們再次見面！
作者：
- 融合解決方案與多媒體服務部高級專家謝爾蓋·諾維科夫 ,
- 融合解決方案與多媒體服務部門專家 Alexey Lapshin
來源： www.habr.com