演进分组核心网中的Diameter协议
【作者】李岳梦（李岳梦1978~女硕士助理工程师主要研究方向为AAA在未来异构网络中的应用）。
赵绍刚 （1中国移动通信集团设计院有限公司交换所，北京市100080 2中国移动通信集团公司网络部北京市100032）
摘要
LTE（长期演进）和EPC（演进分组核心网）可以很好地满足下一代移动通信网络的各种需求。通过在上行、下行提供高速低延时数据传输，从而可以为运营商提供高性能的移动宽带业务。通过Diameter更加灵活、可靠的AAA（认证、鉴权、计费）功能，EPC 可以充分实现与GSM（全球移动通信系统）、WCDMA/HSPA（宽带码分多址/高速分组接入）、TD-SCDMA（时分同步码分多址）、CDMA（码分多址）技术甚至WLAN（无线局域网）等技术的互操作。文章重点介绍了EPC中Diameter协议的主要功能、消息格式以及EPC中基于Diameter协议的主要接口。关键词 EPC（演进分组核心网）；Diameter协议；LTE（长期演进）；AAA（认证、鉴权、计费)
0 引言
随着移动通信的不断发展，人们对因特网业务需求的不断增长，移动通信宽带化使移动通信技术和因特网需求的完美融合成为现实。根据预测机构统计数据显示，截至2014年将有80%的用户会成为移动宽带用户，这些用户将通过HSPA（高速分组接入）和LTE（长期演进）技术来获得移动宽带的无线接入服务。
LTE（FDD/TDD LTE）是继HSPA后非常重要的移动无线接入技术，它是在3GPP Release8中引入的。LTE在物理层采用了OFDM（正交频分复用）技术和先进的MIMO（多输入多输出）天线处理技术，可以为系统提供更高的分集增益和复用增益，很好地解决了无线接入技术的带宽限制问题。为了适应无线接入技术的演进，3GPP还定义了基于IP的扁平化核心网架构，即EPC（演进分组核心网）。LTE与EPC一起构成了3GPP的SAE（系统架构演进）。
EPC是全IP的端到端架构，可以灵活地支持各种不同的移动无线接入网。EPC不仅可以支持3GPP的无线接入网，如GSM（全球移动通信系统）、WCDMA（宽带码分多址）TD-SCDMA（时分同步码分多址）、LTE，此外还可以支持3GPP2的CDMA（码分多址）及其演进技术，甚至还可以支持非信任的非3GPP技术，如WLAN技术等。LTE系统包括eNodeB，eNodeB之间通过基于IP的X2接口相连，通过基于IP的S1接口与EPC相连。
1 演进的分组核心网EPC
如图1（略）所示，EPC是传统核心网的继续演进，实现了控制面功能和用户面功能的分离。
从图1中可以清楚地看到EPC包括三个核心功能实体，即SGW（服务网关）、MME（移动性管理实体）和PDN GW（分组数据网络网关）、PCRF（策略和计费规则功能）、HSS。
a）SGW：从功能角度来看，服务GW是分组数据与E-UTRAN（演进通用陆地无线接入网络）的终止点。当终端在E-UTRAN中的eNodeb之间进行移动时，服务GW将作为本地移动性锚点，这意味着分组将通过该点来实现E-UTRAN内移动性以及与其他3GPP技术（例如2G/GSM与3G/UMTS之间）的移动性。
b）MME：MME对E-UTRAN而言实现控制面功能。它负责鉴权和移动设备的关键管理，以及处于空闲模式的终端的跟踪寻呼过程。MME鉴权承载的激活/去激活包括SGW和分组数据网网关的选择。MME负责与用户和会话管理相关的所有控制面功能。MME通过S6a接口与HSS（归属用户服务器）相连，HSS存储用户签约信息。MME与HSS的S6a接口就基于Diameter协议。
c）PDN GW：PDN GW是E-UTRAN接入的永久IP附着点。PDN GW对移动终端的来去数据流执行IP策略和增强计费。通过不同的APN（接入点名称),移动终端就可以同时实现与多个PDN的连接。与服务GW类似，PDN网关是分组数据与分组数据网的终结点。它是与外部分组数据网进行会话的锚点，PDN GW还支持增强策略功能以及分组过滤功能，并支持演进的计费功能，例如对每个URL（统一资源定位符）的计费等。
d）PCRF（策略和计费规则功能）:是EPC架构中重要部分，被称为PCC（策略和计费控制）。PCC概念的引入是为了实现基于流的计费，包括在线额度控制以及策略控制，还包括对业务认证的支持和QoS管理。
e）HSS：是用于存储用户相关信息的服务器。技术上，HSS是HLR（归属位置寄存器）的演进，HLR是GSM节点。HSS包含在处理媒体会话时所需的用户相关签约数据。这些数据包括位置信息、安全信息（包括鉴权和授权信息）、用户业务属性信息（包括用户的签约业务信息），以及分配给用户的S-CSCF（服务呼叫会话控制功能）。当一个HSS需要处理的用户数过多时，网络中就需要部署多个HSS，但是与一个特定用户相关的数据必须存在一个HSS中。只有一个HSS的网络不需要SLF（签约定位功能）。如果网络有多个HSS，那么就需要一个SLF功能。HSS是一个简单的数据库，它用于将用户地址映射到HSS。节点查询SLF时，输入用户地址，会查到包含该用户信息的HSS。HSS和SLF都使用具有Diameter应用的Diameter协议。
EPC是一个全IP系统，基于传统的MAP/SS7（移动应用部分/7号信令）的鉴权认证方式已被基于Diameter协议的S6a接口所代替。换句话说，HSS通过Diameter协议来连接核心网，而非以前GSM、WCDMA、TD-SCDMA所使用的SS7。策略控制和计费的网络信令也基于Diameter协议。这就意味着架构中所有接口都是IP接口中的协议。
2 EPC中的Diameter协议
Diameter协议是用于AAA（鉴权、认证和计费）目的的基本协议和一组应用。基本协议提供可靠传输、消息传送和差错处理的基本机制。它必须与Diameter应用结合一起使用。Diameter应用使用基本协议业务来支持特定的网络接入类型。 这些应用包括:
a）NASREQ应用：为拨号接入用户提供AAA业务，即代替原来的Radius协议。
b）移动IPv4应用：支持RFC3141和RFC2977所规范的移动IP网络AAA业务。
c）EAP（扩展的鉴权协议）应用：支持RFC4072所规范的EAP。
d）信用控制应用：支持由RFC4006规范的计费。
e）3GPP应用。
f）IMS（IP多媒体子系统）支持的AAA功能。
g）WLAN（无线局域网）相关的扩展功能。
Diameter基本协议定义了Diameter节点以及状态机的基本和标准行为，并提供了扩展的消息机制，从而可以在不同的Diameter节点之间交换信息。Diameter应用在基本协议状态机上增加了特定应用行为以提供新的AAA能力。
Diameter基本协议网络包括以下Diameter节点，每个节点都是实现Diameter协议的主机进程：
a）Diameter客户端（Client）：该设备位于网络的边缘并执行接入控制功能，如NAS（网络接入服务器）或者FA（外部代理）都是Diameter实例。
b）Diameter代理（Agent）：该Diameter节点提供中继、代理、重定向或者翻译等功能。
c）Diameter服务器（Server）：负责处理特定范围的鉴权、认证和计费请求。Diameter服务器除了支持基本协议外，还必须支持Diameter应用。
3 Diameter基本协议提供的功能
Diameter基本协议提供以下基本功能: a)AVP(属性值对)的传送。b）能力协商。c）差错通知。d）通过其他新命令和AVP的扩展性。e）应用所需的基本业务，如用户会话或计费的处理。
基本协议定义了基本Diameter消息格式，数据是作为AVP集合通过Diameter消息来传送的。AVP包括多个域：一个AVP码、长度标志和数据。一些AVP由Diameter基本协议使用，而其它AVP是用于Diameter应用。
3GPP标准在IMS和EPS网络中定义了支持AAA功能的各种接口。在EPC架构中，HSS存储用户及其签约信息。访问用户的任何相关属性都需要查询HSS，如用户的位置信息、会议业务权限等。这些消息以命令集的形式定义，由不同的参考点标识，如S6a、Cx/Dx、Sh、Rf/Ro、Gq、Wx，所以在与用户相关的接口Cx、Sh上，很可能会看到访问和更新用户属性的请求。在Rf/Ro计费接口上，会看到关于计费、信用额度控制等方面的请求。
除了定义了这些消息集，3GPP还要求必须使用SCTP（流控传输协议）来实现可靠传输，并使用IPSec/TLS（IP安全协议/传输层安全协议）方法来保证敏感信息的安全性。
4 Diameter消息格式
Diameter消息被称为命令。Diameter内容包括一个Diameter头和一些AVP。Diameter头包括一个唯一标识命令的的命令码以及后面消息的目的。实际的数据由包含在消息中的AVP来承载。Diameter基本协议定义了一组命令和AVP，但是Diameter应用可以定义新命令和新AVP。基本协议定义了一组可以重用的基本AVP格式，当定义新AVP时均采用面向对象方式。在应用中，不但可以定义新AVP，还可以定义新命令，所以Diameter具有很好的可扩展性，进而可以很好地适用3GPP的各种需求。Diameter消息的格式如图2所示。
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应用ID用于标识该Diameter消息用于哪个Diameter应用。逐跳标识符用于将请求和响应相匹配。端到端标识符用于检测复制消息。每个AVP使用一个唯一的AVP码来标识。如果AVP是特定制造商的，那么制造商ID用于唯一标识该AVP。关于Diameter头和基本AVP格式的详细内容可以参阅RFC3588。
5 EPC中基于Diameter的接口：
EPC中使用Diameter协议的接口如下：
- S6a接口：该接口位于MME和HSS之间，可以实现用户相关数据的传输，用于实现用户接入演进系统时的鉴权、认证功能。该接口在TS23.401中进行了规范。
- S6b接口：该参考点位于PDN网关和3GPP AAA服务器之间，用于实现与移动性相关的鉴权。该参考点可以用于获取移动性相关参数。在不支持动态PCC（策略计费控制）规则时，该接口还可以用于为UE的非3GPP接入提供静态QoS属性。
- Gx接口：该接口提供从PCRF（策略计费规则功能）到PDN GW中PCEF（策略计费增强功能）策略和计费规则的传输。 Gxa接口：提供从PCRF到信任的非3GPP接入网策略信息（QoS）的传输。
- Gxc：接口提供从PCRF到服务网关的策略信息（QoS）传输。
- S9接口：在归属PCRF和拜访PCRF之间传输策略和计费控制信息，支持本地出口功能。在所有其他漫游场景中，S9可以提供动态QoS控制策略。
- SWa接口：该接口连接非信任、非3GPP接入网与3GPP AAA服务器，用于传输鉴权、认证和计费相关安全信息。
- STa接口：连接信任的非3GPP接入网与3GPP AAA服务器，用于传输鉴权认证和计费相关安全信息。
- SWd接口：该接口用于连接3GPP AAA代理和3GPP AAA服务器。
- SWm接口：该参考点位于3GPP AAA服务器和ePDG之间，用于传输AAA信令。该参考点还包括IPv6 NAS-AAA接口功能。
- SWx接口：该接口位于3GPP AAA服务器和HSS之间，用于传输鉴权、签约及与PDN连接相关的数据。
6 结束语
LTE/EPC可以很好地满足下一代移动通信网络的各种需求。通过在上行、下行提供高速低延时数据传输，从而可以为运营商提供高性能的移动宽带业务。LTE架构可以简化运营商的部署和运营，通过Diameter协议实现更加灵活、可靠的AAA功能，EPC可以充分实现与GSM、WCDMA/HSPA、TD-SCDMA、CDMA技术甚至WLAN等技术的互操作。所以Diameter协议将成为EPC网络实现AAA业务最关键的协议，在决定运营商的部署运营方面起着十分重要的作用。
参考文献
1 3GPP TS 23.401: General Packet Radio Service GPRS enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network E-UTRAN access S .
2 3GPP TS 23.402: Architecture enhancements for non-3GPP accesses S .
3 3GPP TS 29.230: Diameter applications; 3GPP specific codes and identifiers S .
4 3GPP TS 29.272: Evolved Packet System EPS ; Mobility Management Entity MME and Serving GPRS Support Node SGSN related interfaces based on Diameter protocol S.
5 3GPP TS 29.273: Evolved Packet System EPS ; 3GPP EPS AAA interfaces S .
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