Mở đầu chương 2 Chương này giới thiệu tổng quan về kiến trúc và truy nhập vô tuyến của công nghệ LTE, các phần tử và chức năng của các phần tử đó trong mạng. Qua đó hiểu được các hoạt động của công nghệ LTE. Kiến trúc mạng của công nghệ LTE khá đơn giản so với các công nghệ trước đó của 3GPP.2 Kiến trúc mạng Hình 2.1 mô tả kiến trúc và các phần tử mạng 4G LTE/ SAE trong đó chỉ có phần truy nhập vô tuyến E-UTRAN, các nút logic và kết nối trên hình vẽ thể hiện cấu hình kiến trúc hệ thống cơ sở.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng 4G LTE/SAE chỉ cho E-UTRAN của LTE E-UTRAN: Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network: Mạng truy nhập vô tuyến UMTS phát triển, EPC: Evolved Packet Core: Lõi gói phát triển, MME: Mobility Management Entity: Thực thể quản lý di động, SAE: System Architecture Evolution: Phát triển kiến trúc hệ thống, PCRF: Policy and Charging Rules Function: chức năng các quy tắc tính cước và chính sách, HSS: Home Subsscriber Server: Server thuê bao nhà, S-GW: SVTH: Nguyễn Thị Nguyệt – Lớp: CCVT05A 12 Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE Serving Gateway: Cổng phục vụ, P-GW: Packet Data Network Gateway: Cổng mạng số liệu gói SAE-GW: SAE Gateway: Cổng SAE. IMS: IP Multimedia Subbsystem: Phân hệ đa phương tiên IP NAS: Non Access Stratum: tầng không truy nhập.
AS: Access Stratum: tầng truy nhập. RRC: Radio Resource Control: điều khiển tài nguyên vô tuyến, UP: User Plane: mặt phẳng người sử dụng Hình 2.1 cho thấy kiến trúc bao gồm bốn phần chính: (1) thiết bị người sử dụng (UE- User Equipment), (2) mạng truy nhập vô truyến UMTS phat triển (E-UTRAN), (3) mạng lõi phát triển (EPC) và (4)miền các dịch vụ. Các miền kiến trúc mức cao có chức năng giống như các chức năng hiện có trong các hệ thống 3GPP. Phát triển kiến trúc mới chủ yếu tập trung lên mạng truy nhập vô tuyến và mạng lõi: E-UTRAN và EPC.
Các miền UE và dịch vụ không đổi vầ mặt kiến trúc. UE, E-UTRAN và EPC cùng nhau thể hiện lớp kết nối giao thức Internet (IP). Phần này cũng còn được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS: Evolved Packet System), chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP. Tất cả các dịch vụ đều được cung cấp trên đỉnh IP, các công nghệ IP cũng là các công nghệ ngự trị trong truyền tải, tại đây tất cả đều được thiết kế để hoạt động trên đỉnh của truyền tải IP.
Cổng SAE GW bao gồm hai cổng: (1) cổng phục vụ (Serving Gteway) và cổng mạng số liệu gói (P-GW) được định nghĩa để xử lý mặt phẳng người sử dụng (UP) trong EPC. Cũng có thể thực hiện chúng chung như là một SAE-GW, nhưng chúng cũng có thể hoạt động tách biệt và nối với nhau qua một giao diện chuẩn.1 Thiết bị người dùng (UE) UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc. Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong 2G và 3G hoặc máy tính sách tay….UE cũng có chứa các modun nhận dạng thuê bao toàn cầu ( USIM ). Nó là một modun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE).
USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu (UICC). USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến. SVTH: Nguyễn Thị Nguyệt – Lớp: CCVT05A 13 Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần. Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng.
Có lẽ quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại. eNodeB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố dịnh của hệ thống. Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng, mỗi eNB thường nằm gần các anten vô tuyến hiện tại của chúng. Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa hai lớp là UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC.
Trong vai trò này các EPC thực hiện mã hóa / giải mãi các dữ liệu IP, và cũng có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi lặp đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP. ENodeB cũng chịu tránh nhiệm về các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP), và cũng chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm soát việc sử dụng giao diện vô tuyến, bao gồm: Phân bố tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập trình lưu lượng theo yêu cầu QoS và liên tục giám soát tình hình sử dụng tài nguyên. Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động (MME). Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi UE, điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME, khi một UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu trách nhiệm về việc định tuyến khi đề nghị các MME mà trước đây đã phục vụ cho UE, hoặc lựa chọ một MME mới nếu một tuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tin định tuyến vắng mặt.
SVTH: Nguyễn Thị Nguyệt – Lớp: CCVT05A 14 Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE Hình 2.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính Hình 2.2 cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này. Trong tất cả, các kết nối eNB có thể là trong mối quan hệ một chiều hoặc nhiều chiều, các eNB có thể phục vụ đồng thời nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một eNB trong cùng một thời điểm, các eNB sẽ cần kết nối tới các eNB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện. Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB, từ một viễn cảnh eNB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW. Tuy nhiên mỗi UE sẽ được phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại thời điểm và eNB phải duy trì theo dõi các liên kết này.
Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB.3 Lõi gói phát triển EPC 2.1 Thực thể quản lý tính di động MME Thực thể quản lý tính di động (MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC. Thông thường MME sẽ là một máy chủ ở vị trí an toàn tại các cơ sở của nhà điều hành, nó hoạt động trong các mặt phẳng điều khiển (CP), và không tham gia vào con đường của UP dữ liệu. SVTH: Nguyễn Thị Nguyệt – Lớp: CCVT05A 15 Tìm hiểu vấn đề an ninh trong công nghệ LTE Ngoài giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thể hiện trong hình 2.1, MME còn có một kết nối logic trực tiếp với UE, và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển chính giữa UE và mạng. Các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống: o Xác thực và bảo mật: Khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ khởi tạo sự xác thực, bằng cách thực hiện những điều sau: Nó tìm ra danh tính thường trú của UE, hoặc từ các mạng truy nhập trước đó hoặc chính bản thân UE, yêu cầu từ bộ phục vụ thuê bao thường trú (HSS) trong mạng chủ của UE các điều khiển chứng thực có chứa các mệnh lệnh chứng thực – trả lời các cặp tham số, gửi các thử thách với UE và so sánh các trả lời nhận được từ UE vào một trong những cái đã nhận từ mạng chủ.
Chức năng này là cần thiết để đảm bảo các yêu cầu bảo vệ với UE. Các MME có thể lặp lại chức năng xác thực khi cần thiết hoặc theo chu kỳ, các chức năng này dùng để bảo vệ các thông tin liên lạc khởi việc nghe trộm và từ sự thay đổi của bên thứ ba tương ứng trái phép. Để bảo vệ sự riêng tư của UE, MME cũng phân bổ cho mỗi UE một mã tạm thời gọi là mã nhận dạng tạm thời duy nhất toàn cầu (GUTI), do đó cần phải gửi mã nhận dạng thường trú UE-mã nhận dạng thuê bao di động quốc tế (IMIS) qua giao diện vô tuyến được giảm thiểu. o Quản lý tính di động: MME theo dõi vị trí của tất cả các UE trong khu vực của mình khi một UE đăng ký vào mạng lần đầu tiên, MME sẽ tạo ra một lối vào cho UE và tín hiệu với vị trí tới HSS trong mạng chủ của UE.
MME yêu cầu tài nguyên thích hợp được thiết lập trong eNodeB, cũng như trong các S-GW mà nó lựa chọn cho UE, các MME sau đó tiếp tục theo dõi vị trí của UE hoặc là dựa trên mức độ của eNB, nếu UE vẫn kết nối, tức là truyền thông đang hoạt động hoặc ở mức độ khu vực theo dõi (TA). MME điều khiển các thiết lập và giải phóng nguồn tài nguyên dựa trên những thay đổi chế độ hoạt động của UE. MME cũng tham gia vào việc điều khiển tín hiệu chuyển giao của UE trong chế độ hoạt động giũa các eNB, S-GW hoặc MME. MME tham gia vào mọi thay đổi của eNB vì không có phần tử điều khiển mạng vô tuyến riêng biệt nên nó đã ẩn hầu hết các sự kiện này.