GPRS隧道协议

GPRS隧道协议（GPRS Tunnelling Protocol，简称：GTP）是一组基于IP的通信协议，用于在GSM、UMTS和LTE网络中承载GPRS（通用分组无线业务，General Packet Radio Service）。

GTP协议目前有3个版本：version 2使用于LTE核心网；version 1使用于GSM和UMTS网络，也应用于LTE网络中以传输用户面数据；version 0是早期版本，被1999年标准化的version 1替代。

## GTP协议的用途

### GSM和UMTS网络

#### GPRS核心网

GTP是GPRS核心网中使用的主要协议。它使得GSM或UMTS网络的终端能够在网络中移动位置，同时能持续的通过同一个GGSN连接到因特网。为了实现这一功能，GTP协议总是将用户面数据从用户位置所属的SGSN传输到它开户信息所对应的GGSN。

GPRS核心网使用三种 GTP协议。

- GTP-U用于为每个PDP上下文提供一个或多个隧道，用以传输用户数据
- GTP-C用于控制目的，包括：
- PDP上下文的建立和删除
- GSN可及性验证
- 位置更新。例如，当签约用户从一个SGSN移动到另一个SGSN
- GTP'用于从各个GSN传送计费数据到计费网关功能（CGF，Charging Gateway Function）。

GGSN和SGSN（合称为“GSN”）在UDP端口2123上监听GTP-C消息，在端口2152上监听GTP-U消息。GTP协议通信可以通过GPRS漫游交换（GPRS Roaming Exchange）发生在不同运营商之间。

计费网关功能（CGF，英文：Charging Gateway Function）在TCP/UDP端口3386上监听发送自GSN的GTP'消息。核心网发送计费信息到CGF，计费信息至少包含PDP上下文激活次数以及终端用户传送的数据量。与GTP-C和GTP-U不同，GTP'协议承载的报文通常只在单个运营商网络内部使用，因此并不那么标准化。运营商可以做特殊的配置，使用特别的编码，甚至使用完全不同的系统来完成计费。

#### UMTS的核心网和接入网之间（Iu-PS接口）

GPRS核心网和UMTS接入网之间的Iu-PS接口上，用户面也使用GTP-U协议。然而在控制面上并不使用GTP-C，而是用RANAP协议。GTP-U的隧道在Iu-PS接口上也是以RANAP协议管理的。

### LTE网络

LTE网络中的GTP协议功能与GSM/UMTS网络中基本相同。在控制面上LTE网络使用GTPv2-C，用户面上使用GTP-U，计费相关功能使用GTP'。

在S1接口（eNodeB和SGW之间）上，用户面使用GTP-U协议。在接入网X2接口（两个eNodeB之间）上，用户面也使用GTP-U协议，控制面使用X2AP。

## 协议特性

所有的GTP变种都有一些共有的特性。消息的结构都是相同的，GTP消息头在UDP/TCP头之后。

### 消息头

#### GTP版本1

GTPv1消息头包含如下的字段：

+｜0-2｜3｜4｜5｜6｜7｜8-15｜16-23｜24-31

0｜版本号（Version）｜协议类型（Protocol type）｜保留（Reserved）｜扩展消息头标志位（Extension Header Flag）｜序列号标志位（Sequence Number Flag）｜N-PDU号标志位（Number Flag）｜消息类型（Message Type）｜总长度（Total length）

32｜TEID

64｜序列号（Sequence number）｜N-PDU号（number）｜下一扩展消息头类型（Next extension header type）

版本（Version）:长度为3位，对于GTPv1来说，这个值始终是“1”。

协议类型（PT，全称：Protocol Type）:长度为1位，取值为1表示GTP，0表示GTP'。

保留（Reserved）:长度为1位，保留字段（必须为0）。

扩展消息头标志位（E，全称：Extension header flag）:长度为1位，标记是否存在一个可选的扩展消息头字段。

序列号标志位（S，全称：Sequence number flag）:长度为1位，标记是否存在一个可选的序列号字段。

N-PDU号标志位（PN，全称：N-PDU number flag）:长度为1位，标记是否存在一个可选的N-PDU号字段。

消息类型（Message Type）:长度为8位，指示GTP消息的类型。关于消息类型的定义，请参考3GPP TS 29.060第7.1节。

总长度（Total Length）:长度为16位，指示消息体长度，单位为字节，不包括GTP头前8字节的必选字段。

隧道端点标识（TEID，全称：Tunnel endpoint identifier）:长度为32位（4个八位元组），用于区分GTP隧道中的不同连接。

序列号（Sequence number）:可选字段，长度为16位。当E、S或PN位中的任意一个取值为1时，这个字段存在。仅当S位为1时，这个字段必须被解析。

N-PDU号（N-PDU number）:可选字段，长度为8位。当E、S或PN位中的任意一个取值为1时，这个字段存在。仅当PN位为1时，这个字段必须被解析。

下一扩展消息头类型（Next extension header type）:可选字段，长度为8位。当E、S或PN位中的任意一个取值为1时，这个字段存在。仅当E位为1时，这个字段必须被解析。

下一扩展消息头如下：

+｜Bits 0-7｜8-23｜24-31

0｜总长度（Total length）｜内容（Contents）

...｜...

...｜内容（Contents）｜下一扩展消息头（Next extension header）

长度（Length）:长度为8位。这个字段指出本扩展消息头的长度，包括长度（这个字段本身）、内容和下一扩展消息头字段，以4个八位元组为单位，因此扩展消息头的长度必须是4的倍数。

内容（Contents）:扩展消息头内容。

下一扩展消息头（Next extension header）:长度为8位。它指出下一扩展消息头的类型，取值为0表示不存在下一个扩展消息头。通过该字段可以实现多个扩展消息头的串联。

#### GTP版本2

它也被称为“进化版GTP”（evolved-GTP）或“eGTP”。GTPv2-C消息头包含如下的字段：

+｜Bit 0-2｜3｜4｜5-7｜8-15｜16-23｜24-31

0｜版本号（Version）｜捎带消息标志位（Piggybacking flag，简称P）｜TEID标志位（T）｜剩余（Spare）｜消息类型（Message Type）｜总长度（Total length）

32｜TEID（只有在T=1时才出现）

64（有TEID）/32（无TEID）｜序列号（Sequence number）｜剩余（Spare）

注意：不存在GTPv2-U协议。在LTE中的GTP-U仍使用GTPv1-U。

版本号：长度为3位，对于GTPv2来说，这个值始终是“2”。

捎带消息标志位（Piggybacking flag）:如果被置为1，则在这条消息后面会有另外一条带有完整消息头的GTP消息。协议里具体规定了每种消息可以携带的消息类型。

TEID标志位（TEID flag）:如果被置为1，则TEID字段存在。只有Echo Request和Echo Response消息不携带TEID字段。

总长度（Total length）:包括消息头和消息体的消息总长度（除去必选字段所在的前4个八位元组）。

### 连接机制

除了共同的消息结构之外，GTP协议还有一个共同的机制来验证两个节点之间的连接。这种机制依靠以下两种消息实现：

- Echo Request
- Echo Response

每隔60秒，一个网元可以向每个有活跃连接的对端发送一个Echo Request，来确认连接有效。如果对端不回复Echo Response，则它可以被视为宕机，而该活跃连接将被删除。

各种 GTP协议除了上述2个消息之外，没有共通的消息类型。也就是说，GTP-C，GTP-U和GTP'基本上是3种独立的协议。

### GTP-C - GTP控制面

GTP-C协议是GTP标准的“控制”部分。当一个签约用户请求一个PDP上下文，SGSN将发送一个“创建PDP上下文请求”（Create PDP Context Request）的消息给GGSN，给出该签约用户的请求的明细。该GGSN将发送一个“创建PDP上下文响应”（Create PDP Context Response）消息，这个消息会要么给出被激活的PDP上下文内容，要么指出一个失败，及该失败的原因。版本1和版本2的GTP-C消息使用UDP端口2123。

在LTE核心网中，GTPv2-C协议负责在S1、S5/S8等接口上创建、维持和删除隧道。它被用于控制面路径管理（control plane path management）、隧道管理（tunnel management）和移动性管理（mobility management）。它也控制转发位置变更消息、SRNS上下文、并在LTE的网间切换中创建转发隧道。

### GTP-U - GTP用户数据隧道

GTP-U是一个比较简单的基于IP的隧道协议，它允许在各个端点集之间建立多个隧道。UMTS网络中，每个签约用户拥有至少一个隧道。每一个激活的PDP上下文拥有至少一个隧道，当隧道多于1个时，多出来的隧道为特定的服务提供特定的端到端QoS。

每个隧道由一个GTP-U消息中的TEID（隧道端点标识符，Tunnel Endpoint Identifier）标识。TEID应当是一个动态分配的随机数。如果这个随机数能达到密码级水平，则可以抵御一定程度的攻击。即使这样，3GPP标准仍然要求所有的GTP流量，包括用户数据，都应当在安全私有网络中被发送，不能直接连接到因特网。GTP-U使用UDP端口2152。

在LTE核心网中，使用GTPv1-U协议在GTP隧道上跨S1、S5/S8等接口上交换用户数据。UE所收发的IP包被打包在GTPv1-U的包中，并在P-GW和eNodeB之间的各段隧道中传输。LTE网络的X2接口，即eNodeB之间的接口上，用户面协议使用的也是GTPv1-U。

### GTP' - 计费传输

GTP'协议被用于向CGF（计费网关功能，Charging Gateway Function）传输计费数据。GTP'使用TCP/UDP端口3386。

### 协议栈

应用层协议IP（用户）

GTP UDP IP 二层（例如, WAN or以太网）

GTP-U协议栈

GTP协议需要被承载在UDP协议上。早期版本GTPv0也允许TCP传输。

GTPv0是最早的GTP协议，控制面和用户面使用相同的端口。

GTPv1于1999年在3GPP TS 29060版本3.3.0中被标准化。它实际上是两个协议，一个用于控制面（被称为“GTP-C”），而另一个则用于用户数据隧道（被称为“GTP-U”）。

GTP-U在UMTS网络中也被用于从RNC往SGSN（即Iu-PS接口上）传送用户数据。然而，此时控制面使用的是RANAP协议而不是GTP-C。

## GTP的历史版本

GTP的原始版本（版本0）与3G/LTE核心网中使用中的版本1和版本2有显著的不同：

- 隧道标识符（TEID）是非随机的。
- 除了IP协议，也支持传输X.25协议的数据。
- 所有的功能都使用固定的3386端口（不像在GTPv1中仅仅用于计费）。
- 除了UDP以外，也可以使用TCP协议作为传输层。
- 与签约用户相关的字段，例如QoS，相对较少。

版本0中的非随机TEID在有安全性问题：当一个攻击者对任一漫游合作伙伴网络有访问权限时，或可以找到其它一些方式来远程地向GPRS骨干网发送消息包的时候，就可以干扰网络运行。版本0现在几乎已完全被版本1所替代。即使这样，新版本的标准仍声明，GSN必须支持更旧的版本。但幸运的是，可以用简单的IP访问列表来禁止v0使用的3386端口，从而封锁版本0。

## GTP标准化

GTP原本是在ETSI（European Telecommunications Standards Institute）的GSM标准09.60中被标准化的。随着UMTS标准的创建，它被移动到3GPP。到2005年，3GPP将其做为3GPP标准29.060来维护。GTP'使用相同的消息格式，但是它的使用独立的标准32.295，并且定义了它所传输的计费数据的标准化格式。

TS 29.060的后续版本取消了对GTPv1和v0互联的支持，因此如果网络中有GSN只支持v0的话，使用v1协议的其他网元也不会降到v0去配合。

GTPv2（用于EPC，即LTE核心网）在2008年进入起草阶段，并在同年12月发布。使用GTPv1的“版本不支持”机制，GTPv2支持到GTPv1的降级运行，但不提供到GTPv0的降级运行。

## 参见

- 代理移动IPv6（Proxy Mobile IPv6）
- 移动IP（Mobile IP）

## 外部链接

- 3GPP官方网站
- GPRS隧道协议版本2（GTPv2）或进化版GTP（eGTP）的免费和开源的实现
- GTP问答