前面我们讲了电脑上网的场景。今天我们就来了解一下最常用的手机上网场景。移动网络的发展史?要知道移动上网有2G、3G、4G。这些是什么意思？流行一句话：用2G看txt，用3G看jpg，用4G看avi。2G网络手机本来就是用来打电话的，不是用来上网的，所以2G时代上网不是用IP网，而是电话网，电话网是模拟信号。专业名称是公共交换电话网（PSTN，PublicSwitchedTelephoneNetwork）。手机未连接网线或电话线。它是如何上网的？手机通过发送和接收无线信号进行通信。专业名称为MobileStation，简称MS，需要嵌入SIM卡。手机是客户端，无线信号的服务器是基站子系统（BSS，BaseStationSubsystemBSS）。至于什么是基站，你可以回忆一下，你在爬山的时候见过信号塔吗？我们在城市里的基站比较隐蔽，不容易看到，所以只有在山里才会注意到。正是这个信号塔，让你的手机可以通过无线信号进行通信。但是你要知道，无线通信再无线，最终还是会连接到有线网络上。因此，基站子系统分为两部分，一部分对外提供无线通信，称为基站收发信台（BTS，BaseTransceiverStation），另一部分内部连接有线网络，称为基站控制器（BSC，基站控制器）。基站收发台无线接收到数据后，将数据发送给基站控制器。这部分属于无线部分，统称为无线接入网（RAN，RadioAccessNetwork）。基站控制器通过有线网络连接到提供手机服务的运营商的数据中心。这部分称为核心网络（CN，CoreNetwork）。核心网还没有真正进入互联网。这部分还是主要提供手机业务，是手机业务的有线部分。移动业务交换中心（MSC，MobileServiceSwitchingCenter）最先接收来自基站的数据。它是核心网络的入口，但不会让您直接连接到互联网。因为在你的手机真正可以上网之前，提供手机服务的运营商需要验证它是否是合法的手机接入。不要自己做手机卡，接上就行了。认证中心（AUC，AuthenticationCenter）和设备身份寄存器（EIR，EquipmentIdentityRegister）主要负责安全。另外还要看你是本地号码还是外地号码。这就涉及到计费问题，其他地方的收费还是很贵的。VisitLocationRegister（VLR，VisitLocationRegister）是看你当前在什么地方，HomeLocationRegister（HLR，HomeLocationRegister）是看你的号码属于哪里。当你的手机卡是合法的、有钱的时候，你就可以上网了。这时候就需要一个网关来连接核心网和真正的互联网。网关移动交换中心（GMSC，GatewayMobileSwitchingCenter）就是这样做的，然后才是真正的互联网。2G时代，还是电话网PSTN。数据中心中的这些模块统称为网络子系统（NSS，NetworkandSwitchingSubsystem）。因此，2G时代的互联网接入如图所示。总结一下，核心有以下几点：手机通过无线信号连接到基站；当收到基站的请求时，一是判断你是否合法，二是判断你有没有本地号码，有没有钱，同时通过网关接入电话网络。2.5G网络后来从2G到2.5G，即在原有电路交换的基础上，增加了分组交换业务，支持Packet转发，从而支持IP网络。在上述网络的基础上，无线前端接入基站，后端接入核心网。在后向组件中，有一个额外的包控制单元（PCU，PacketControlUnit）提供包交换通道。在核心网中，有一个面向前方的接待员（SGSN，ServiceGPRSSupportedNode）和一个向后连接到IP网络的网关GPRS支持节点（GGSN，GatewayGPRSSupportedNode）。3G网络进入3G时代，最主要的原因是无线通信技术的进步，大大增加了无线带宽。以W-CDMA为例，理论上最大下行速率为2M，所以基站发生了变化。朝外的是NodeB，朝内连接核心网的是无线网络控制器（RNC，RadioNetworkController）。核心网络和连接的IP网络没有变化。4G网络??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????或者说，“4G网络”的基站是eNodeB，包含了原来的NodeB和RNC的功能，下行速度正在向100M级别迈进。此外，核心网实现了控制平面和数据平面的分离。怎么理解呢？在以前的核心网中，有一个接待员MSC或SGSN。你会发现它负责检查是否合法和转发数据。即控制平面和数据平面合二为一，灵活性比较差。因为控制面主要是指令，多为小包，往往对时效性要求很高；数据平面主要是流量，多为大包，往往需要吞吐量。于是就有了如下结构：HSS是一个数据库，用来存储用户订阅信息。事实上，这是您的号码所属的地方和一些身份验证信息。MME是核心控制网元，是控制平面的核心。当手机通过eNodeB连接时，MME会根据HSS信息判断你是否合法。如果允许连接，MME不负责具体的数据流量，但是MME会在数据平面上选择SGW和PGW，然后告诉eNodeB，我允许你连接，你可以连接它们。所以手机直接通过eNodeB连接到SGW，连接到核心网。SGW相当于数据面的接待员，通过PGW接入IP网络。PGW是出口网关。在出口网关上，有一个组件PCRF，称为PolicyandChargingControlUnit，用于控制上网策略和流量计费。4G网络协议分析我们来仔细看看4G网络协议，真的很复杂。让我们放大几个关键组件。控制平面协议虚线部分为控制平面的协议。当手机要上网时，首先要连接到eNodeB，通过S1-MME接口请求MME对手机进行鉴权和授权。S1-MME协议栈如下图所示。UE是您的手机。eNodeB仍然是双面的。前端连接无线网络，后端连接核心网，控制面连接MME。eNodeB和MME之间的连接是一个普通的IP网络，但是在IP层之上，既不是TCP也不是UDP，而是SCTP。这也是传输层的协议，也是面向连接的，但是更适合移动网络。它继承了TCP比较完善的拥塞控制，改进了TCP的一些缺点。SCTP的第一个特点是多宿主。一台机器可以有多个网卡，但是对于一个TCP连接，虽然服务器可以监听0.0.0.0，也就是可以接受来自任何网卡的连接，但是一旦建立连接，就建立了一个四元组。还选了网卡。SCTP引入了association的概念，将多个接口、多条路径放在一个association中。当检测到路径故障时，协议会通过另一条路径发送通信数据。应用程序甚至不必知道发生了故障，可以恢复，从而提供更高的可用性和可靠性。SCTP的第二个特点是将一个union拆分为多个流。联邦中的所有流都是独立的，但与该联邦相关。每个流都有一个流编号，它被编码成一个SCTP数据包，并通过关联在网络上发送。在TCP机制中，由于强制顺序，如果前一个没有到达，后一个就得等待，多个SCTP流不会互相阻塞。SCTP的第三个特点是四次握手，防止SYN攻击。在TCP中，它是三次握手。服务器收到客户端的SYN后，返回一个SYN-ACK之前，建立一个数据结构，记录状态，等待客户端发送ACK的ACK。当恶意客户端使用虚假源地址伪造大量SYN包时，服务器需要分配大量资源，最终耗尽资源，无法处理新的请求。SCTP通过四次握手引入Cookie的概念，可以有效的防止这种攻击。在SCTP中，客户端使用INIT消息发起连接。服务器以包含cookie的INIT-ACK消息进行响应。然后客户端响应COOKIE-ECHO消息，其中包含服务器发送的Cookie。这时，服务器为这个连接分配资源，并通过向客户端发送COOKIE-ACK消息来响应。SCTP的第四个特征是帧消息。TCP是面向流的，即发送的数据没有开始和结束，也没有明显的边界。这对于发送数据是没有问题的，但是对于发送消息类型的数据就不是很方便了。客户端有可能写入10个字节，然后写入20个字节。服务端可能先读取25字节再读取5字节，而不是先读出10字节的消息再读取20字节的消息，这就需要业务层组合成一条消息。SCTP借鉴了UDP的机制，在数据传输中提供了消息组帧功能。当一侧写入套接字时，可以保证对等方将读取相同大小的数据。SCTP的第五个特点是断线是三次挥手。在TCP中，断开是四次挥手，让另一端处于半关闭状态。SCTP选择放弃这个状态。当一端关闭自己的套接字时，对端的两端都需要关闭，并且任何一端都不允许以后进行数据移动。当MME通过鉴权，批准手机上网后，需要在数据平面建立数据通道。建立路径的过程仍然是控制平面的事情，所以使用控制平面的协议GTP-C。搭建的数据通路分为两段，实际上是两条隧道。一段是从eNodeB到SGW。这条数据路径由MME通过S1-MME协议告知eNodeB它是隧道的一端，并通过S11告知SGW它是隧道的另一端。第二端是从SGW到PGW。SGW通过S11协议知道自己是一端，并通过S5协议主动告诉PGW自己是隧道的另一端。GTP-C协议是基于UDP的，是UDP“城会玩”的一个例子。如果我们查看GTP标头，我们可以看到其中有一个隧道ID和一个序列号。通过序列号，在没有TCP的情况下，GTP-C可以自行实现可靠性，为每条输出的信令消息分配一个顺序递增的序列号，以保证信令消息的有序传递，并便于检测重复数据包。为每个传出的信令消息启动一个定时器，如果在定时器到期之前没有收到响应消息，则执行重传。数据平面协议当两个隧道连通并连接在一起时，PGW会为手机分配一个IP地址。这个IP地址就是隧道内部的IP地址，可以类比IPsec协议中的IP地址。该IP地址由移动电话运营商管理。然后，手机可以使用这个IP地址连接到eNodeB，从eNodeB走S1-U协议，走第一条隧道到SGW，从SGW走S8协议，走第二条隧道到PGW，然后通过PGW连接到互联网。数据平面上的协议全部通过GTP-U，如图：手机发送的每个数据包都经过GTP-U隧道协议封装，格式如下：与IPsec协议很相似，分为passengerBearer协议。其中passengerprotocol为手机发送的数据包，IP为手机IP，tunnelprotocol包含隧道ID。不同的手机上网时会建立不同的隧道，所以需要隧道ID来识别。承载协议的IP地址为SGW和PGW的IP地址。手机上网流程?接下来我们看一下手机开机后的上网流程。此过程称为附加。可见移动网络还是很复杂的。因为这个过程需要建立很多隧道，需要分配很多隧道ID，所以我画了一个图来详细说明这个过程。手机开机后，寻找附近的基站eNodeB，找到后向eNodeB发送AttachRequest，说“我在这里，我要上网”。eNodeB向MME发送请求“有手机要上线”。MME请求手机，先鉴权，再鉴权，还要问HSS看有没有钱，去哪里上网。MME通过手机的认证后，开始分配隧道，首先告诉SGW自己要创建会话（CreateSession）。这里，会给SGW分配一个tunnelIDt1，请求SGW给自己分配一个tunnelID。SGW转而请求PGW建立会话，为PGW的控制平面分配一个隧道IDt2，为PGW的数据平面分配一个隧道IDt3，请求PGW为自己的控制平面和数据分配一个隧道ID飞机。PGW回复SGW说“sessioncreatedsuccessful”，使用自己的controlplanetunnelIDt2，回复中携带分配给SGWcontrolplane的tunnelIDt4和controlplane的tunnelIDt5，至此直接隧道构建SGW和PGW之间完成。双方在互相请求时，必须带上对方分配给自己的隧道ID，以标记本手机的请求。接下来，SGW回复MME“sessioncreatedsuccessfully”，并使用自己的tunnelIDt1接入MME。回复中包含MME分配的隧道IDt6和SGW分配给eNodeB的隧道IDt7。MME发现后续隧道建立成功后，告诉eNodeB，“后续隧道已经建立，SGW分配给你的隧道ID为t7，你可以开始连接了，但是你还需要分配一个SGW的隧道ID。”》。eNodeB告诉MME给SGW分配一个隧道ID为t8。MME将eNodeB分配给SGW的隧道IDt8通知给SGW，这样之前的隧道也建立了。??????这样，手机可以通过建立的隧道成功上网。远程上网的问题接下来我们考虑远程上网的问题。为什么要分SGW和PGW？一个GW不行吗？SGW是你们当地运营商的设备，而PGW是你运营商的设备。如果你在巴塞罗那，下飞机打开手机，你会发现巴塞罗那的eNodeB。使用MME查看国内运营商的HSS，看看你是否是合法的，还有钱，如果允许上网，你的手机和巴萨的SGW建立隧道，然后巴萨的SGW和国内运营商的PGW建立隧道，然后通过国内运营商的PG上网W。这样一来，决定你能否上网的就是国内运营商的HSS了。控制你上网策略的是国内运营商的PCRF。分配给手机的IP地址也由国内运营商的PGW负责。业务统计。由于运营商算在PGW里面，所以你上网的流量都可以通过国内运营商，但是巴塞罗那运营商也需要和国内运营商进行流量结算。由于你的上网策略在PCRF由国内运营商控制，你仍然无法访问Facebook。总结移动网络的发展从2G到3G，再到4G，逐渐从以打电话为主向上网为主转变；请记住4G网络的结构，包括eNodeB、MME、SGW、PGW等，分为控制面协议和数据面协议。大家可以对比一下结构，试着说出手机上网的过程；即使你用国外的运营商上网，也必须是国内运营商控制的，所以你不能上脸书。
