网络交换子系统

**網絡交換子系統**（Network Switching Subsystem，簡稱：NSS）又稱 **GSM 核心網**（GSM Core Network），是 GSM 系統的一個組件，它為基站網絡上的行動電話漫遊（mobile phones roaming）實現電話交換（call switching）和移動性管理（mobility management）功能。它為行動電話運營商（mobile phone operators）所擁有並部署，允許行動裝置與各個其它的電話，在更為廣泛的公共交換電話網（PSTN）中進行通信。該架構包含一些因為電話並非固定在一處，因而必須具有的特定的特性和功能。

NSS 原本由電路交換（circuit-switched）核心網（Core Network）組成，被用於傳統 GSM 業務，例如語音呼叫（voice calls）、簡訊，以及電路交換數據（circuit switched data）呼叫。它已經被擴展，由一個更外層的架構所覆蓋，以便提供分組交換數據業務（packet-switched data services），被稱為 GPRS 核心網。這允許行動電話可以訪問諸如 WAP、MMS 和網際網路這樣的服務。

## 移動交換中心（MSC）

### 描述

**移動交換中心**（Mobile Switching Center，簡稱：MSC）是 GSM/CDMA 的主要業務交付節點（Service Delivery Node），負責語音呼叫和簡訊，以及其它業務（例如電話會議、傳真，以及電路交換數據）的路由。

MSC 建立（set up）和拆除（release）**端到端連接**，在呼叫過程中，處理可移動性（mobility）和切換（hand-over）需求，並處理計費和實時預付費帳戶監視。

在 GSM 行動電話系統中，與早期的模擬業務（analogue services）相比，傳真和數據信息被直接以數字編碼後的形式發送給 MSC。僅僅是在 MSC，它被重新編碼為一個「模擬」（analogue）信號（儘管實際上這將幾乎完全意味著聲音在一個 64-kbps 的時隙中被數字編碼為脈衝編碼調製信號，在美國被稱為一個零號數字信令）。

在不同的上下文中，MSC 存在各種不同的叫法，這也反映了它們在網絡中的複雜角色。儘管所有這些術語都可以是指同一台 MSC，但是在不同的時候做的是不同的事情。

#### 網關移動交換中心

網關 MSC（Gateway MSC，簡稱：GMSC）是這樣一個 MSC：它確定被叫簽約用戶目前正位於哪個拜訪（visited）MSC。它也與公共交換電話網（PSTN）進行接口。所有的行動裝置對行動裝置呼叫，以及 PSTN 對行動裝置呼叫，都被通過一個 GMSC 路由。這個術語僅在一個呼叫的上下文中有效，因為任何一個 MSC 都可能同時提供網關功能和拜訪 MSC 功能。然而，一些製造商會設計專用的大容量 MSC，不負責與任何基站子系統（BSS）連接。這些 MSC 對於它們所處理的大部分呼叫來說都是 GMSC。

#### 拜訪移動交換中心

拜訪 MSC（Visited MSC，簡稱：VMSC）是客戶當前正在位於的 MSC。與該 MSC 相關聯的 VLR 將擁有該簽約用戶的數據。

#### 錨附移動交換中心

錨附 MSC（anchor MSC）是發起切換的 MSC。

#### 目標移動交換中心

目標 MSC（target MSC）是將要切換到的 MSC。

#### 移動交換中心伺服器

一個移動交換中心伺服器（Mobile Switching Center Server，簡稱 MSCS）是從 3GPP 第 4 发行版開始的，對 MSC 概念進行的重設計中的一部分。MSCS 是 MSC 的一個軟交換變種（soft-switch variant），它為漫遊到它所服務的區域的行動電話提供電路交換的主叫（calling）移動性管理和 GSM 業務。MSCS 功能使得控制（信令）和用戶平面能夠分離（網元中的集合信道被成為媒體網關 /MG），從而保證了網絡中的網元的更好的布置。

MSS 和 MGW 多媒體網關（Media Gateway）使得通過使用網際協議、ATM AAL2 以及 TDM 進行交換的跨連接（cross-connect）交換呼叫成為可能。更多信息可以在 3GPP TS 23.205 中可以被找到。

### 連接到 MSC 的其它 GSM 核心網網元

MSC 連接到如下的網元：

* 歸屬位置暫存器（Home Location Register，簡稱：HLR），用於獲取關於該 SIM 卡和 MSISDN（即電話號碼）的數據。
* 基站子系統（Base Station Subsystem，簡稱：BSS），處理與 2G 和 2.5G 行動電話之間的無線電通信。
* UMTS 陸地無線電接入網（UMTS Terrestrial Radio Access Network，簡稱：UTRAN），處理與 3G 行動電話的無線電通信。
* 拜訪位置暫存器（Visitor Location Register，簡稱：VLR），當簽約用戶用戶位於其歸屬網絡之外時，提供簽約用戶的信息。
* 其它 MSC 動作（procedures），例如切換。

### 實現的動作

MSC 實現的動作（procedures implemented）包括：

* 根據來自 VLR 的信息，當呼叫到達時，將其投送給簽約用戶
* 將出向呼叫（outgoing calls）連接到其它的移動簽約用戶或 PSTN
* 將來自簽約用戶的簡訊投送到簡訊中心，反之亦然。
* 安排從一個 BSC 到另一個 BSC 的切換。
* 實現從一個 MSC 到另一個 MSC 的切換。
* 支持補充業務（supplementary services），例如電話會議和呼叫保持。
* 生成計費信息。

## 歸屬位置暫存器（HLR）

歸屬位置暫存器（Home Location Register，簡稱：HLR）是一個中心資料庫，包含被授權使用 GSM 核心網的各個行動電話簽約用戶的詳細信息。每個公共陸地行動網路（Public Land Mobile Network，簡稱：PLMN）中都可以有多個邏輯的或物理的 HLR，但是一個 IMSI/MSISDN 配對，在同一時間只能被關聯到一個邏輯 HLR（可能橫跨多個物理節點）上。

HLR 存儲行動電話運營商所發行的每個 SIM 卡的詳細信息。每個 SIM 都有一個唯一的識別碼，稱為「國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identity，簡稱：IMSI）」，它是每條 HLR 記錄的主鍵。

另一個關聯到 SIM 的重要數據項就是移動台國際用戶識別碼（Mobile Subscriber ISDN Number，簡稱：MSISDN），它是行動電話發起和接收呼叫所使用的電話號碼。主 MSISDN 是用於發起和接收語音呼叫和簡訊的號碼，但是一個 SIM 有可能擁有第二個 MSISDN 和它關聯，用於傳真和數據呼叫。每個 MSISDN 也是 HLR 記錄的一個主鍵。只要一個簽約用戶還是該行動電話運營商的一個用戶，就會有 HLR 數據存儲。

HLR 中的一條 IMSI 記錄存儲的其它數據的例子：

* 該簽約用戶已經請求或已經被授予的 GSM 業務。
* GPRS 設置，以允許該簽約用戶接入分組服務（packet services）。
* 簽約用戶的當前位置（VLR 和 SGSN）。
* 對於每個被關聯的 MSISDN 的可用的呼叫轉移（call divert，也稱「call forwarding」）設置。

HLR 直接接收並處理來自 GSM 網絡中的網元的 MAP 事務和消息，例如當一個行動電話來回漫遊的時候，收到「位置更新」（location update）消息。

### 連接到 HLR 的其它 GSM 核心網網元

HLR 與如下的網元相連：

* GMSC，用於處理入向呼叫（incoming calls）。
* 拜訪位置暫存器，用於處理來自行動電話的請求，以附著（attach）到網絡上。
* SMSC，用於處理入向簡訊。
* 語音信箱系統，用於項行動電話發送一個通知，告知有一個消息正在等待中。
* 鑒權中心，用於鑒權、加密和交換數據（三元組）。

### 實現的動作

HLR 的主要功能是管理 SIM 和電話經常到處移動這個事實。HLR 實現了如下動作來處理它們（procedures implemented）：

* 通過在被稱為「位置區域」（location areas，簡稱：LA）管理區域中更新簽約用戶的由一個 LAC 來標識的位置，來管理他們的可移動性。一個用戶從一個 LA 移動到另一個的動作，被 HLR 以一個位置區域更新過程（Location area update procedure）來跟蹤。
* 當一個簽約用戶首次漫遊到某地的時候，向那裡的 VLR 或 SGSN 發送簽約用戶數據。
* 在 GMSC 或 SMSC 與簽約用戶的當前 VLR 之間充當消息中間人（broker）的角色，允許投送入向呼叫或文本消息。
* 當一個簽約用戶從之前的 VLR 上漫遊離開時，把他的數據刪除。
* 負責所有與 SRI 相關的查詢（即，對於調用 SRI，HLR 應當給出 sak SRI 或 SRI 應答）

## 鑒權中心（AuC）

### 描述

**鑒權中心**（Authentication Center，簡稱：AuC）是一個對各個對 GSM 核心網的連接的嘗試（通常是在電話開機的時候進行）的 SIM 卡進行鑒權的功能。一旦鑒權成功，HLR 就被允許管理該 SIM 以及上面描述的服務。一個密鑰（encryption key）也被生成，它將隨後被用於加密所有的行動電話和 GSM 核心網之間的無線通信（語音、簡訊，等等）。 

如果鑒權失敗，則對於那個 SIM 卡和它所嘗試的行動電話運營商來說，沒有任何業務是可用的。在下面的 EIR 一節描述了另一個的附加的對該行動電話的序列號進行的身份識別的形式，但是這與 AuC 處理無關。 

在 AuC 之中和之外的安全性的正確實現，是運營商避免 SIM 克隆的一個關鍵部分。 

AuC 不直接參與鑒權過程，而是生成被稱為「三元組」（tiplets）的數據，供 MSC 在這個過程中使用。該處理的安全性依賴於 AuC 和 SIM 之間的共享密鑰（shared secret），稱為「Ki」。Ki 在製造 SIM 卡的時候被秘密地燒制在其中，同時被安全地複製到 AuC 中。這個 Ki 從不會被在 AuC 和 SIM 之間傳輸，但是會被關聯到 IMSI 來產生一個挑戰 / 響應（challenge/response）用於身份識別，以及一個被稱為「Kc」的密鑰（encryption key）來在空中通信上使用（air communications）。

### 連接到 AuC 的其它 GSM 核心網網元

AuC 連接到如下的網元：

* MSC，用於在之前數據已經被使用過後，為一個 IMSI 請求新的一批三元組數據（triplet data）。這樣確保相同的密鑰和挑戰應答對於一個特定的行動電話不會被使用兩次。

### 實現的動作

AuC 為每個 IMSI 存儲如下的數據：

* Ki
* 算法 ID（標準的算法被稱為 A3 或 A8，但是運營商可能會使用一個私有的算法）。

當 MSC 向 AuC 詢問一個特定 IMSI 的新的一個三元組集合的時候，AuC 首先生成一個被稱為「RAND」的隨機數。這個 RAND 隨後被關聯到 Ki 來生成如下兩個數字：

* Ki 和 RAND 被送入 A3 算法，而「簽名響應」（signed response，SRES）被算出。
* Ki 和 RAND 被送入 A8 算法，而被稱為 Kc 的會話密鑰被算出。

號碼（RAND, SRES, Kc）形成一個三元組，被發回給 MSC。當一個特定的 IMSI 請求接入 GSM 核心網時，MSC 將三元組的 RAND 部分發送給 SIM。該 SIM 將這個號碼，以及 Ki（燒制在 SIM 中的）送入適當的 A3 算法，而 SRES 被算出並發回給 MSC。如果 SRES 匹配在三元組中的 SRES（如果是一個合法的 SIM 的話，就應該匹配），則該行動電話就被允許附著（attach），並繼續使用 GSM 業務。 

在成功鑒權之後，MSC 向基站控制器（Base Station Controller，簡稱：BSC）發送密鑰 Kc，這樣所有的通信都可以被加密和解密。當然，行動電話可以通過將鑒權期間所提供的相同的 RAND 和 Ki 一同送入 A8 算法，來自己生成 Kc。 

AuC 通常和 HLR 一起布置，儘管這不是必須的。儘管這個過程對於大部分的日常使用來說是安全的，但它不保證不被突破。因此一個新的安全性措施被為 3G 電話而設計。 

A3 算法被用於加密 GSM 蜂窩通信。實踐中，A3 和 A8 算法基本上被一起實現（稱為 A3/A8，參見 COMP128）。按照 3GPP TS 43.020（在 Rel-4 之前是 03.20）中的定義，一個 A3/A8 算法被在 SIM 和 GSM 網絡 AuC 中被實現。它被用於對客戶進行鑒權，並生成一個密鑰，來加密語音和數據流量。儘管有現成的實現 A3 和 A8 算法的例子，但它們的開發被認為是各個獨立的 GSM 網絡運營商的事情。

## 拜訪位置暫存器（VLR）

### 描述

**拜訪位置暫存器**（Visitor Location Register，簡稱：VLR）是一個資料庫，用於存儲漫遊到一個 MSC 所提供服務的範圍的簽約用戶的數據。網絡中的每個主要基站都嚴格地僅由一個 VLR 來提供服務（在 MSC 池的情況下，一個 BTS 可能由多個 MSC 提供服務），因此一個簽約用戶不會同時出現在超過 1 個 VLR 上。 

存儲在 VLR 中的數據要麼接收自 HLR，要麼從 MS（移動台，英文：Mobile Station）採集。實踐中，由於性能原因，大部分供應商將 VLR 與 VMSC 集成在一起，即使沒有這麼做，VLR 也被通過適當的接口，緊密地與 MSC 聯繫在一起。不論何時，一旦 MSC 發現它的網絡中出現了一個新的 MS，除了在 VLR 中創建一條新的記錄之外，它還更新該移動簽約用戶的 HLR，將該 MS 的新位置告知它。如果 VLR 數據被損壞，可能會導致簡訊和呼叫業務的嚴重問題。存儲的數據包括：

* IMSI
* 鑒權數據
* MSISDN（手機號）
* 該用戶被允許訪問的 GSM 業務
* 簽約的接入點（GPRS）
* 該簽約用戶的 HLR 地址

### 連接到 VLR 的其它網元

VLR 連接到如下網元：

* VMSC，為它的操作傳遞數據；例如：鑒權，或呼叫建立。
* HLR，為附著到它的服務區域的行動電話請求數據。
* 其它 VLR，當該行動電話漫遊到新的 VLR 區域時，用於傳輸它們的臨時數據。例如：臨時移動簽約用戶識別碼（TMSI，英文：Temporary Mobile Subscriber Identity）

### 實現的操作

VLR 的主要功能是：

* 通知 HLR，一個簽約用戶已經抵達該 VLR 所覆蓋的特定區域
* 當沒有呼叫正在進行時，在該 VLR 區域（位置區域）內追蹤該簽約用戶。
* 允許或不允許簽約用戶可能使用的業務。
* 當處理入向呼叫時，分配漫遊號碼。
* 當一個簽約用戶在處於該 VLR 區域內期間狀態變為不活躍（inactive）時，清除該簽約用戶的記錄。當超過一定時間都一直不活躍時，VLR 刪除該簽約用戶的數據，並通知 HLR（例如，當該電話被關機並棄置不用，或當該簽約用戶被移動到一個沒有信號覆蓋的區域超過很長時間）。
* 當一個簽約用戶明確地移動到其它 VLR 時，遵照 HLR 的要求，刪除該簽約用戶的記錄。

## 設備身份暫存器（EIR）

**設備身份暫存器**（Equipment Identity Register，簡稱：EIR）是一個資料庫，存儲關於行動裝置的身份相關的訊息，以防止來自被盜的、未授權的或有缺陷的移動台的呼叫。一些 EIR 同時有能力對手機請求嘗試記錄日誌，並將其保存在一個日誌文件中。EIR 通常和 HLR 集成在一起。EIR 保留一個要被本網絡禁止或監視行動電話列表（由 IMEI 來區分）。這個被設計為允許對被盜電話的追蹤。理論上，關於所有被盜行動電話的所有數據都應當通過一個中心 EIR 被分發到全世界所有的 EIR。但是，很明顯，在一些國家沒有運營這項業務。EIR 數據不必要實時更新，也就意味著此功能不必像 HLR 功能達到那麼高的分布式程度。

## 其它支撐功能

### 計費中心（BC）

計費中心（Billing Center，簡稱：BC）負責處理由 VLR 和 HLR 生成收費單（toll tickets），並為每個簽約用戶生成一個帳單。它也負責為漫遊簽約用戶生成帳單數據。

### 簡訊中心（SMSC）

簡訊中心（Short Message Service Center，簡稱：SMSC）支持簡訊的發送和接收。

### 多媒體消息中心（MMSC）

多媒體消息中心（Multimedia Messaging Service Center，簡稱：MMSC）支持向（或從）能夠使用多媒體消息（MMS）的手機發送（或接收）多媒體數據（例如，圖片、音頻、視屏，以及其它組合）。

### 語音信箱系統（VMS）

語音信箱系統（VoiceMail System）記錄並存儲語音留言。

### 合法監聽功能

根據美國法律，也被照搬到許多其它國家，尤其是歐洲，所有的電信設備都必須提供設施用於對被選中的用戶的呼叫進行監聽。必須有一定程度的支撐，以便它能被建立在任何不同的網元中。按照相關的美國法律，「合法監聽」的概念也被稱為「通信協助執法法」（Communications Assistance for Law Enforcement Act，簡稱：CALEA）。基本上，合法監聽的實現和電話會議的實現類似。當 A 和 B 在相互談話時，C 可以進入這個通話，並靜默地收聽。

## 參見

* 關於 GSM 核心網的剩餘部分，參看 GPRS 核心網
* 基站子系統
* COMP128
* 3GPP

## 參考

## 外部連結

* 3GPP （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） - GSM 和 UMTS 的標準主體