【5G 接口协议】GTP-U协议介绍

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。

博客内容主要围绕：
       5G/6G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
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       Rust语言讲解

文章目录

GTP-U协议介绍
- 一、GTP-U协议栈介绍
- - 1.1 数据传输协议栈
  - 1.2 信令传输协议栈
- 二、GTP-U Header介绍
- - 2.1 固定部分
  - 2.2 扩展字段
- 三、扩展头介绍
- - 3.1 NR相关的扩展头介绍
- 四、控制相关的信令
- - 4.1 路径管理消息
  - 4.2 隧道管理消息
参考

GTP-U协议介绍

一、GTP-U协议栈介绍

1.1 数据传输协议栈

在这里插入图片描述

T-PDU（Transport PDU）：用户数据包，如IP数据报，是指终端与外部包数据网络中的网络实体之间发送的用户数据包。
G-PUD（GTP encapsulated user Plane Data Unit）：用户数据包（T-PDU）加上GTP-U报头，在GTP网络节点之间发送的数据包。

用户数据包（T-PDU）封装上GTP-U包头之后，通过UDP/IP发送出去。

1.2 信令传输协议栈

在这里插入图片描述

IE：Information Element

使用传输GTP-U路径和隧道管理相关的消息，不同的消息类型具有不同的数据结构，将这些不同的数据结构统称为IE。

NOTE：在实现的时候，需要注意GTP-U具有熟知目标端口号2152。

二、GTP-U Header介绍

在这里插入图片描述
GTP-U的头由两部分组成，第一部分是固定部分，长度为8 bytes；第二部分是扩展部分，根据第一部分相关flag的值，确实是否存在或者有效。下面先介绍固定部分的参数含义。

2.1 固定部分

固定部分的长度为8 bytes，如下图所示部分：
在这里插入图片描述
其中，

Version field：指示GTP-U协议版本，目前固定是1；
Protocol Type（PT）：用于区分GTP和GTP’ 协议，对于GTP协议来说设置为1，GTP’ 协议设置为0；
Extension Header flag（E）：指示Next Extension Header Type字段是否有效；
Sequence number flag（S）：指示Sequence Number字段是否有效；
N-PDU Number flag（PN）：指示N-PDU Number字段是否有效；
Message Type：指示GTP-U消息的类型，支持的消息类型如下；
Length：指示GTP-U消息的长度，单位是byte，长度不包括固定字段（即前8 bytes）。如果存在扩展字段，则应该计算到Length中；
Tunnel Endpoint Identifier（TEID）：唯一标识一个GTP隧道的端点。此值由接收端分配，通过控制平面消息传输给发送端。发送端在发送消息时携带接收端的TEID，标识此消息是发送给那个接收端。通常情况下不应该为0，但是为了后向兼容，如果接收端通知TEID为0，发送端也要视为正常情况处理。对于Echo Request/Response、Supported Extension Headers notification、Error Indication消息，需要将TEID设置为0；

2.2 扩展字段

GTP-U有3个扩展字段，
在这里插入图片描述
其含义如下：

Sequence Number：因为UDP不支持按序传输，为了支持按序传输，需要通过该字段为每个G-PDU消息增加序号；
N-PDU Number：该字段用于SGSN间路由区域更新过程和一些系统间切换过程（例如，2G和3G无线接入网络之间）。该字段用于协调MS和SGSN之间的公认通信模式的数据传输。该字段的确切含义取决于具体场景（例如，对于GSM/GPRS到GSM/GPRS，SNDCP N-PDU号在这个字段中）；
Next Extension Header Type：指示此字段后面的扩展头类型，支持的扩展类型值如下所示；

NOTE：如果E、S、PN中的任意一个字段有效（置为1），则上述扩展字段都会出现，但只有有效字段对应的扩展字段的值才有意义。例如E=1，S=0，PN=0，则Sequence Number、N-PDU Number和Next Extension Header Type都存在，但是只有Next Extension Header Type的值有意义。

三、扩展头介绍

扩展头的消息结构如下：
在这里插入图片描述

Extension Header Length：指示特定扩展头的长度，其长度是4的倍数，即以4字节为单位；
Extension Header Content：由具体的扩展头类型确定；
Next Extension Header Type：指示此字段后面的扩展头类型，如果没有此值应该为0；

3.1 NR相关的扩展头介绍

扩展头	含义
UDP Port	在Error Indication消息中指示发送此错误消息的端口号
PDCP PDU Number	在NR中用于基于Xn和N3切换中的数据转发
Long PDCP PDU Number	在NR中用于基于Xn和N3切换中的数据转发，对应于PDCP SN长度为18bit
NR RAN Container	这个扩展头可以在G-PDU中通过NG-RAN中的X2-U、Xn-U和F1-U用户平面接口传输，对于EN-DC来说，可以在E-UTRAN中传输。带有这个扩展头的G-PDU消息可以在没有T-PDU的情况下发送
PDU Session Container	这个扩展头可以在N3和N9用户平面接口，即NG-RAN和UPF之间或两个UPF之间传输

四、控制相关的信令

GTP-U隧道用于在给定的一对GTP-U隧道端点之间携带封装的T-PDU和信令消息。GTP头中的TEID指示一个特定的T-PDU属于哪个隧道。通过这种方式，可以在一对隧道端点之间通过GTP-U复用和解复用数据包。TEID的值会在GTP-C创建PDP上下文和RAB分配过程中进行协商。

GTP-U信令消息分为路径管理消息和隧道管理消息。

4.1 路径管理消息

Echo Request/Echo Response：GTP-U端可能会在路径上向另一端发送一个Echo请求，以确定另一端是否还活着(参见“路径失败”一节)。可以为使用中的每个路径发送Echo请求消息。如果至少有一个PDP上下文、EPS Bearer上下文、PDU Session上下文、MBMS UE上下文或MBMS Bearer上下文使用了到另一端GTP-U的路径，则认为该路径已被使用。发送Echo请求消息的时间和频率取决于具体的实现，但在每个路径上发送Echo请求的频率不应超过60秒；
Supported Extension Headers Notification：此消息表示指定IP地址上的GTP实体可以支持的扩展头列表。只有在GTP实体需要强制支持某个扩展头，但GTP实体尚未升级以支持该扩展头的情况下，才会发送此消息。发送此消息的GTP端点被标记为不支持某些扩展头。对端GTP实体可能会重试使用该节点的所有扩展标头，以尝试验证它已经升级；

4.2 隧道管理消息

Error Indication：当接收端发生错误的时候，向发送端发送错误原因，并指示哪个接收端发送的错误；
End Marker：表示给定隧道的有效载荷流结束，即在该隧道的End Marker消息之后到达的G-PDU可能会被静默丢弃。如果接收到带有TEID且没有上下文的End Marker消息，则接收方将忽略此消息；
Tunnel Status：隧道状态信息是可选的。一个GTP-U实体如果支持该消息，可以向对端GTP-U实体发送一条或多条隧道状态消息，提供发送方GTP-U实体中与对应GTP-U隧道相关的状态信息；