Telecommunication Signaling Protocol

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1 Telecommunication Signaling Protocol
Chapter 5 電信網路信令協定 Telecommunication Signaling Protocol

2 課程目標 我們從日常所使用的有線電話－－公眾電話交換網路（PSTN）開始，瞭解電信網路是如何建立通話通道，與如何傳送控制信號。
在電信系統中，專門用於傳送控制信號的系統稱為信令系統（signaling system），而最常見的信令系統為第七號信令系統（Signaling System Number 7，SS7），它提供電話交換機間控制信號傳送的管道，是電信公司能夠提供像建立電話這樣許多服務的基礎。 這個章節將會對SS7網路的元件、架構、協定與運作的方式做詳細的說明。

3 章節目錄 公眾電話交換網路簡介 第七號信令系統 第七號信令系統元件與鏈結 第七號信令系統的訊息 個人通訊服務網路的信令協定
公眾電話交換網路與個人通訊服務網路的互動 結語 作業

4 Section 5.1 公眾電話交換網路簡介 PSTN Overview

5 PSTN 簡介 PSTN：為提供基本的電話服務所建立的通訊網路。
採用專屬的線路通道傳送語音資料，被稱為是電路式交換（circuit-switched）的方式。 固定載送64kbps的語音資料量給對方，因此在PSTN上可享有良好的通話品質。 然而除了傳送語音外，還需要傳送控制信號（signal）到中間各個交換機，以控制它們來建立通話連結。

6 圖 5‑1 電話信號的傳播 我們拿起電話（off hook）時，會先聽到撥號音（dial tone），接著按下並送出電話號碼（dial digits），在等待對方接電話時會有嘟嘟聲（ring-back tone）。 這就是交換機間互送信令後產生的結果。

7 信令系統（signaling system）
電話網路上專門負責信號傳送與運作的系統，就是所謂的信令系統。 共同通道信令（Common Channel Signaling，CCS）是指一種信令系統。 使用數位設備來傳送語音與信令。 信令資訊是放在獨立的時槽（timeslot）中，或者是獨立的通道中傳送。 信令自成一個獨立的系統，也不會受到必須與語音搶線路的限制，運作上更有彈性。 例如SS7。

8 圖 5‑2 CCS示意圖

9 Section 5.2 第七號信令系統 Signaling System Number 7， SS7

10 SS7 的介紹 (1/2) 1970年中期，CCITT設計了一套數位化信令系統，稱為第六號信令系統（Signaling System Number 6，SS6）。 以專屬的數據通訊網路來傳送信令。 在1980年又發表了SS7。 做為智慧型網路（Intelligent Network，IN）的骨幹，發展需要存取資料庫的新服務，提供像是0800免付費電話（toll-free calling）的功能。 之後SS7才開始提供電話建立的功能，再進而提供更廣泛的加值服務。 例如：顯示發話端號碼（Caller Line Identification Present，CLIP）、號碼可攜性（number portability）等加值服務。

11 SS7 的介紹 (2/2) SS7的特點 以分封交換網路（packet-switched network）來傳送以訊息為基礎（message-based）的信令。 採用協定堆疊的架構。 採用的很有彈性且非常可靠的網路拓樸（network topology）來建設SS7網路。 為了配合各國需求，SS7有各種版本 。如ANSI與Bellcore的SS7就與ITU的SS7不盡相同。 各國PSTN與PCS網路大都採用SS7。 以 ITU 的版本做為互通的方式。

12 圖 5‑3 各個SS7網路間互連的方式

13 SS7 協定堆疊 SS7協定包括以下數個協定： MTP，Message Transfer Part 訊息轉送部
ISUP，ISDN User Part 整體服務數位網路用戶部 SCCP，Signaling Connection Control Part 信號連接控制部 TCAP，Transaction Capability Application Part 信息交易應用部 MAP，Mobile Application Part 行動電話應用部 OMAP，Operation Maintenance Administration Part 營運維護管理部 基本上，底下MTP三層是提供信號傳送的功能，ISUP負責電話的建立與終止，其餘圖上的各個協定都是屬於像是查詢資料庫這樣，與電話的建立終止無關的協定。

14 圖 5‑4 SS7 協定堆疊

15 MTP (1/2) MTP是SS7協定堆疊中最下面的三個層級，稱為MTP1、MTP2與MPT3。
MTP1提供兩個相鄰節點間傳送信號的承載實體（bearer）的設定，定義電氣與功能特性，例如傳輸速率（bit rate）等。 MPT3,2,1 分別對應到OSI中的最下面三層：network layer、data link layer、以及physical layer。

16 MTP (2/2) MTP2藉由MTP1建立的載送實體，建立相鄰兩個元件間的鏈結（link）以傳送訊息，功能包括錯誤的偵錯與更正。
每一筆資料稱為一個信號單元（signal unit）。 MTP3負責將訊息轉送到下一個節點。 每一筆資料稱為訊息信號單元（Message Signal Unit，MSU） MTP3會分辨傳送的訊息是否是自己的訊號。若是自己的訊號則送往上層。如果不是，則依據訊息中的目的地位址，查出應該對應到那一條對外的信令鏈結（signaling link），將其轉送到適當的元件。

17 ISUP ISUP都被拿是建立電話通話語音線路時的交換機間控制的信令。
與電話線路相關的信令（circuit-related signaling） ISUP 訊息是在各個交換機間相互傳遞的訊息，用來建立通話（call setup）或結束通話（teardown）。 在電信系統中，建立電話的速度非常重要，因此ISUP的訊號比其他協定有更強烈時間控制上的需求。 在5.4節有更詳細的說明。 ISUP是為服務ISDN應用而發展出來的。

18 SCCP SCCP的目標是達成有效率的路由工作，幫忙轉送與電話線路無關的資訊。
與電話線路無關的信令（non-circuit-related signaling）。 其他服務所用到的信令，例如要詢問資料庫進行電話號碼的轉換、PCS網路上手機的註冊與取消註冊，或查詢用戶資料與網路管理。 使用MTP3只能在同一個營運網路下互傳資料，對於需要在兩個網路實體間傳送的訊息，需要SCCP提供在MTP之上的定址方式。 SCCP位於OSI第3、4層

19 GTT（Global Title Translation）
具有SCCP功能的交換機可以提供資訊的轉換，找出下一站的網路節點，最終傳送訊號給對方，這種定址方式稱為全域標題翻譯GTT）。 例如在PSTN上的電話撥出一個手機號碼，原先處理這通電話的交換機沒有足夠的能力可以找出手機的所在地，所以要利用GTT的功能以相關的資訊（即手機電話號碼）去找出負責此手機的資料庫，查詢資料庫以找出正確的目的地位置。

20 TCAP TCAP提供兩端節點之最上層應用間，在訊息交易（transaction）與操作程序（procedure）上的管理。

21 MAP MAP是TCAP上層的應用層，處理與行動電話相關的應用服務。 例如IS-41與 GSM MAP都是屬於這層中的應用協定。

22 OMAP OMAP是TCAP上層的應用層，負責網管的功能。

23 Section 5.3 第七號信令系統元件與鏈結 Components and Links of SS7

24 SS7網路 為了傳送SS7的信號，專門處理SS7信號的網路實體，就形成所謂的SS7網路
SS7網路上的節點被稱為信令點（signaling point，SP）。每一個SS7的節點都會分配到一個在自己網路內是獨一無貳的號碼，稱為點碼（point code）。 每個節點對外以數條信令鏈結與相鄰的節點連結。這些鏈結的編號稱為信令鏈結碼（Signaling Link Code，SLC）。

25 SS7網路的節點 (1/2) 服務交換點（Service Switching Point，SSP）
SSP的角色就像是交換機，例如可以是tandem或end office，負責電話的建立與終止，連接起用戶間的trunk，也負責收集與產生計費的資料。 SSP有與SS7網路溝通的機制，會把在語音線路上的控制信號轉換成SS7信令訊息，透過SS7網路送到其他元件處理。

26 SS7網路的節點 (2/2) 信號轉送點（Signal Transfer Point，STP）
STP是一種特殊的交換機，專門轉送SS7信號，像是一個路由器（router）。 為了系統可靠度的需求，STP都是成對出現，稱為STP pair。 服務控制點（Service Control Point，SCP） SCP連接提供服務的軟體與資料庫，以提供更多的功能。

27 0800 免付費電話的範例 SSP接到一通撥打免付費電話號碼的信號時，SSP必須將電話號碼取出，轉成SS7的訊息以詢問真正的電話號碼。
SSP將詢問資料庫的訊息交給STP，由STP繞送到處理此資料庫的SCP上。 SCP從資料庫找到真正的目的地（另一個普通的電話），便將目的地位址送回SSP，這時才真正去建立電話連線。

28 典型的 SS7 網路的連結 兩個SSP間傳送信令的路徑不可以直接相連，一定要透過STP pair。
2組STP pairs間，都是以full connected方式連接，以確保SS7網路的強韌性（robustness）。 多出的鏈結雖能用於分擔負載，但決不會超過45%的負荷，以確保單一鏈結可在無壅塞的情況下完成工作。

29 圖 5‑5 SS7 網路上的節點與連結

30 典型電信網路 (1/2) 圖5-6是典型電信網路使用SS7的方式， 分成語音傳輸與控制兩個部份。 下半部語音傳輸的部份
電話電路經由許多SSP連結起來。 這些SSP分為Class 5的交換機與Class 4的交換機。 Class 4的交換機只與交換機相連。 Class 5的交換機則可直接連到用戶端。

31 典型電信網路 (2/2) 上半部控制部份是一個SS7網路。
負責一般通話控制的SS7 ISUP信令，僅會透過SS7網路中的STP pair，在發話端交換機與受話端交換機之間傳送，並控制SSP的運作建立起語音的trunk。 當通話需要查詢SCP時，就會用到INAP這一個SS7應用層的協定，達成IN的服務。 如果需要電腦播放聲音的功能，SCP此時就會要求智慧型周邊設備（Intelligent Peripheral，IP）播放語音給SSP再傳送到用戶電話上，或是同時偵測發話端的按鍵，並將按鍵結果回傳給SCP，用來決定該項服務的進行。 由於IP是受到SCP控制而處理語音的元件，因此被放在下半部語音傳輸的部份。

32 圖 5‑6 典型的電信網路

33 Section 5.4 第七號信令系統的訊息 SS7 Messages

34 信號單元 在SS7網路上傳送的封包稱為信號單元（signal unit，SU），可分成三大類：
在MTP2用於網管的LSSU（Link Status Signal Unit） LSSU用於兩個相鄰節點間載送鏈結狀況的資訊。 在MTP2用於網管的訊息FISU（Fill-In Signal Unit） FISU用於測試對方是否有依序收到自己傳送的訊息，也可檢查傳送中是否發生位元錯誤。 會往上層MTP3送的MSU（Message Signal Unit） MSU多了一個彈性的空間封裝來自上層通訊協定的資料。

35 圖 5‑7 MTP信號

36 圖 5‑8 包含SCCP訊息的MSU（ITU）

37 圖 5‑9 MTP3 層的信號，ANSI 與 ITU-T MSU 的比較

38 ISUP 訊息 (1/2) 若MSU中SI=5，就是ISUP的訊息。 常見的ISUP訊息：
IAM（Initial Address Message）是用於嘗試與對方建立起通話線路的訊息。 ACM（Address Complete）表示到對方的路徑可以導通，送回振鈴（alert），表示可以真正把trunk接起來。 ANM（Answer Message）表示受話端已接起電話。 REL（Release）表示要結束電話連線。 ISUP 訊息是在各個交換機間相互傳遞的訊息，用來建立通話（call setup）或結束通話（teardown）。

39 ISUP 訊息 (2/2) 常見的ISUP訊息： RLC（Release Complete）表示trunk已進入閒置（idle）狀態。
COT（Continuity Message）表示trunk測試成功或失敗的訊息。 EXM（Exit Message）只用於與另一個網路間互動。當收到對方網路送來的IAM時，回應EXM讓對方安心。避免因跨網路運作的延遲造成計時器逾期使建立通話的過程中斷。 SUS（Suspend Message）表示暫時地終止通話，而非真正的結束。

40 圖 5‑10 電話建立通話的過程

41 圖 5‑11 結束通話的過程

42 Section 5.5 個人通訊服務網路的信令協定 Signaling Protocol of PCS Network

43 PCS 的信令系統 PCS的信令系統在網路各個元件間（如MS、BSC、MSC、VLR與HLR之間）傳遞。
例如手機位置追蹤，查詢HLR或VLR等資料庫的任務。 GSM核心網路各個元件間的溝通，便是在SS7網路上，再加上自有的GSM MAP，負責行動管理與電話管理等工作。 AMPS、IS-136、IS-95後端的核心網路為SS7網路與其上的IS-41。

44 Section 5.6 公眾電話交換網路與個人通訊服務網路的互動 Interworking between PSTN and PCS Network

45 PCS 與 PSTN 的連接方式 右側的PCS網路擁有自己的SS7網路 互通電話的範例 HLR會與SCP相連。
STP做為繞送訊息的路由器角色，通常STP會直接架在SSP上。 在PCS網路上的SSP負責電話線路建立，就是MSC。 互通電話的範例 PSTN打電話給PCS手機 PCS手機打電話給一般PSTN有線電話

46 圖 5‑12 PCS 與 PSTN 連結方式

47 圖 5‑13 PSTN 用戶電話給 PCS Network 用戶

48 圖 5‑14 PCS Network用戶電話給 PSTN 用戶

49 Section 5.7 結語 Summary

50 Summary SS7是大多數電信業者在核心網路上所採用的信令系統。透過各個SS7網路間的互動，使得電話公司間，不管是PCS業者、PSTN業者的用戶，都可以與對方相通。 SS7對於行動電話系統扮演非常重要的角色。行動電話系統的核心網路，必須與PSTN互動，必須提供HLR、VLR等資料庫查詢手機位置的功能，必須控制交遞的進行。

51 Homework Problems