vEPC - Функциональные характеристики

Виртуальный сетевой элемент vEPC (Virtual Evolved Packet Core) представляет собой программную реализацию компонентов опорной сети пакетной передачи данных, объединяющую функции MME (Mobility Management Entity) и SGSN (Serving GPRS Support Node) в едином процессе.

Область применения

Программное обеспечение предназначено для использования в следующих сценариях:

Развертывание в тестовых и лабораторных средах
Отработка сетевых взаимодействий при отсутствии физического оборудования
Обучение и повышение квалификации специалистов в области сетевых технологий
Прототипирование новых сервисов и функций сети
Интеграционное тестирование смежного телекоммуникационного оборудования

Место в сетевой инфраструктуре

В архитектуре сетей мобильной связи vEPC выполняет функции уровня управления (Control Plane):

MME отвечает за управление мобильностью и установление сессий в сетях LTE
SGSN выполняет аналогичные функции в сетях 2G/3G, а также обеспечивает взаимодействие между поколениями сетей

Объединение этих функций в одном программном продукте позволяет создавать компактные стенды, моделирующие работу ядра сети без необходимости развертывания распределенной инфраструктуры.

Ключевые особенности

Основными особенностями данной реализации являются:

Монолитная архитектура с разделением функций по потокам выполнения
Поддержка нативных протоколов (GTP-C, S1AP, NAS)
Управление через интерактивную консоль с цветной индикацией
Возможность изменения конфигурации в реальном времени
Хранение и отображение контекстов абонентов
Модульная структура, допускающая поэтапное наращивание функциональности

1. Общие функциональные характеристики

1.1 Назначение

Виртуальный сетевой элемент vEPC обеспечивает выполнение следующих основных функций:

Реализация функций MME (Mobility Management Entity)
Реализация функций SGSN (Serving GPRS Support Node)
Обработка сигнального трафика протоколов GTP-C и S1AP
Управление контекстами абонентов (PDP-контексты, UE-контексты)
Конфигурирование параметров работы в реальном времени
Ведение журнала событий

1.2 Архитектура программного обеспечения

Программная реализация основана на многопоточной архитектуре с разделением функций по отдельным потокам выполнения:

Основные потоки:

Поток MME — выполнение функций Mobility Management Entity
Поток SGSN — выполнение функций Serving GPRS Support Node
Поток GTP-сервера — обработка сообщений протокола GTP-C
Поток S1AP-сервера — обработка сообщений протокола S1AP
Поток консоли управления — обработка команд оператора

Общие структуры данных:

Хранилище конфигурационных параметров (защищено мьютексом)
Хранилище PDP-контекстов (защищено мьютексом)
Хранилище UE-контекстов (защищено мьютексом)
Журнал событий (защищен мьютексом)

1.3 Режимы работы

Программное обеспечение функционирует в следующих режимах:

Режим ожидания:

Потоки MME и SGSN ожидают входящих сообщений
Сетевые серверы прослушивают заданные порты
Консоль управления готова к приему команд

Режим обработки сигнального трафика:

Прием и разбор входящих сообщений протоколов
Формирование и отправка ответов
Обновление контекстов абонентов

Режим конфигурирования:

Изменение параметров работы в реальном времени
Перезапуск потоков без остановки основного процесса

2. Поддерживаемые протоколы и интерфейсы

2.1 Протокол GTP-C (GPRS Tunneling Protocol Control Plane)

Текущая реализация (базовая):

Прослушивание UDP-порта (по умолчанию 2123)
Прием дейтаграмм
Логирование факта получения сообщения

Планируемая реализация (этап 1):

Парсинг заголовка GTPv1-C (version, type, length, TEID, sequence)
Обработка Echo Request с формированием Echo Response
Обработка Create PDP Context Request с формированием ответа
Извлечение информационных элементов (IMSI, APN, PDP type, GGSN IP)
Сохранение PDP-контекстов с привязкой к TEID

2.2 Протокол S1AP (S1 Application Protocol)

Текущая реализация (базовая):

Прослушивание SCTP-порта (по умолчанию 36412)
Ожидание входящих соединений
Логирование состояния работы сервера

Планируемая реализация (этап 2):

Полноценная работа с SCTP-сокетами
Парсинг S1AP-сообщений (Initial UE Message, код процедуры 12)
Извлечение NAS PDU из S1AP-сообщений
Формирование и отправка Authentication Request (NAS type 0x52)
Прием Authentication Response
Сохранение UE-контекстов (IMSI, GUTI, параметры безопасности)

2.3 Протокол NAS (Non-Access Stratum)

Реализация протокола NAS осуществляется в рамках обработки S1AP-сообщений. Поддерживаются следующие функции:

Инкапсуляция NAS PDU в S1AP-сообщения
Формирование запросов аутентификации
Обработка ответов аутентификации

2.4 Интерфейс S6a (Diameter)

Планируемая реализация (этап 5):

Поддержка протокола Diameter для взаимодействия с HSS

Реализация процедур обновления местоположения (Update Location)

Обработка запросов аутентификационной информации (Authentication Information)

Получение профилей абонентов из HSS

Поддержка команд Diameter (CER/CEA, ULR/ULA, AIR/AIA)

3. Функции управления и конфигурирования

3.1 Консоль управления

Программное обеспечение предоставляет интерактивную консоль управления с поддержкой следующих команд:

Команды мониторинга состояния:

status — отображение текущего состояния компонентов
logs — вывод журнала событий
state — отображение сохраненных контекстов (PDP и UE)
show — отображение текущей конфигурации

Команды управления:

set <key> <value> — изменение параметра конфигурации в реальном времени
restart — перезапуск всех рабочих потоков
stop — остановка программы

3.2 Параметры конфигурации

Программное обеспечение поддерживает следующие параметры настройки:

Параметры сети:

mcc — Mobile Country Code (код страны)
mnc — Mobile Network Code (код оператора)
gtp-c-port — порт для GTP-C протокола (UDP)
s1ap-port — порт для S1AP протокола (SCTP)
sgsn-ip — IP-адрес для SGSN
mme-ip — IP-адрес для MME

3.3 Загрузка конфигурации из файлов

При запуске программа автоматически загружает конфигурацию из следующих файлов:

../vmme.conf — конфигурация MME
../vsgsn.conf — конфигурация SGSN

Формат файлов конфигурации:

Строки, начинающиеся с символа '#', игнорируются
Параметры задаются в формате ключ=значение
Пробельные символы в начале и конце строк игнорируются

4. Функции ведения журнала

4.1 Консольный вывод

Программное обеспечение поддерживает цветовую дифференциацию сообщений в консоли:

MME — зеленый цвет, жирное начертание
SGSN — синий цвет
GTP — желтый цвет
S1AP — красный цвет
MAIN — белый цвет, жирное начертание

4.2 Файл журнала

Все события дублируются в файл журнала, расположенный по пути logs/vepc.log относительно рабочей директории. Формат записи в файле:

text

[YYYY-MM-DD HH:MM:SS] [MME] Сообщение

[YYYY-MM-DD HH:MM:SS] [SGSN] Сообщение

[YYYY-MM-DD HH:MM:SS] [GTP] Сообщение

[YYYY-MM-DD HH:MM:SS] [S1AP] Сообщение

[YYYY-MM-DD HH:MM:SS] [MAIN] Сообщение

4.3 Структура журнала в оперативной памяти

Программа хранит ограниченную историю событий в оперативной памяти с возможностью просмотра по команде logs. Каждая запись журнала содержит:

Временную метку (time_t)
Идентификатор узла (node)
Текст сообщения (msg)

5. Управление состоянием

5.1 PDP-контексты (SGSN)

Хранилище PDP-контекстов предназначено для отслеживания активных сессий передачи данных. В текущей реализации структура контекста включает:

TEID (Tunnel Endpoint Identifier) — идентификатор туннеля
IMSI (International Mobile Subscriber Identity) — международный идентификатор абонента

Планируемое расширение (этап 1):

APN (Access Point Name) — имя точки доступа
GGSN IP — IP-адрес шлюза
PDP type — тип протокола передачи данных

5.2 UE-контексты (MME)

Хранилище UE-контекстов предназначено для отслеживания состояния абонентских устройств. В текущей реализации структура контекста включает:

IMSI — международный идентификатор абонента
GUTI (Globally Unique Temporary Identifier) — глобальный временный идентификатор

Планируемое расширение (этап 2):

Флаг аутентификации (authenticated flag)
Контекст безопасности (security context)
Ключи шифрования

5.3 Планируемые функции сохранения состояния

На этапе 3 развития проекта планируется реализация следующих функций:

Сериализация PDP-контекстов в JSON-формат
Сериализация UE-контекстов в JSON-формат
Сохранение состояния в файл при остановке или перезапуске
Загрузка состояния из файла при запуске (опционально)

6. Планируемые функциональные расширения

6.1 Этап 1 — Развитие GTP-C

Полноценный парсинг GTPv1-C сообщений
Обработка Echo Request с формированием Echo Response
Обработка Create PDP Context Request с формированием ответа
Извлечение и сохранение полной информации о PDP-контекстах

6.2 Этап 2 — Развитие S1AP и NAS

Полноценная работа с SCTP-соединениями
Парсинг S1AP-сообщений
Реализация процедуры аутентификации
Сохранение полной информации о UE-контекстах

6.3 Этап 3 — Сохранение состояния

Сериализация контекстов в JSON
Загрузка и сохранение состояния между перезапусками

6.4 Этап 4 — Графический интерфейс

Улучшенный консольный интерфейс с табличным представлением
Графический интерфейс на базе Qt
Окно просмотра логов с фильтрацией
Таблицы контекстов с возможностью редактирования
Элементы управления конфигурацией

6.5 Этап 5 — Расширение функциональности

Поддержка GTP-U для туннелирования пользовательских данных
Интерфейс S11 для взаимодействия с SGW
Поддержка процедур хэндовера (интерфейсы S3/S16 между SGSN и MME)

Приложение А. Структуры данных состояния

А.1 Структура PDP-контекста

Текущая реализация:

text

std::map<uint32_t, std::string> pdpContexts; // TEID → IMSI

А.2 Структура UE-контекста

Текущая реализация:

text

std::map<std::string, std::string> ueContexts; // IMSI → GUTI