ネットワークスイッチングサブシステム

ネットワーク スイッチング サブシステム ( NSS ) (またはGSM コア ネットワーク) は、基地局のネットワーク上でローミングする携帯電話の発信およびモビリティ管理機能を実行するGSMシステムのコンポーネントです。これは携帯電話事業者によって所有および展開され、モバイル デバイスが相互に通信したり、より広範な公衆交換電話網(PSTN) 内の電話と通信したりできるようにします。アーキテクチャには、電話が 1 か所に固定されていないために必要となる特定の機能が含まれています。

NSS はもともと、音声通話、 SMS、回線交換データ通話などの従来のGSM サービスに使用される回線交換コア ネットワークで構成されていました。オーバーレイ アーキテクチャで拡張され、 GPRS コア ネットワークと呼ばれるパケット交換データ サービスを提供できるようになりました。これにより、携帯電話からWAP、MMS、インターネットなどのサービスにアクセスできるようになりました。

モバイル スイッチング センター( MSC) は、GSM/CDMA の主要なサービス配信ノードであり、音声通話と SMS のルーティング、およびその他のサービス (電話会議、FAX、回線交換データなど) を担当します。

MSC は、エンドツーエンドの接続を設定および解放し、通話中のモビリティとハンドオーバーの要件を処理し、課金とリアルタイムのプリペイド アカウントの監視を担当します。

GSM 携帯電話システムでは、以前のアナログ サービスとは異なり、ファックスとデータ情報はデジタルでエンコードされて直接 MSC に送信されます。これは MSC でのみ「アナログ」信号に再エンコードされます (ただし、実際には、サウンドはアメリカでDS0と呼ばれる 64 kbit/s タイムスロットでパルス コード変調(PCM) 信号としてデジタルでエンコードされることになります)。

MSC には、ネットワークにおける複雑な役割を反映して、さまざまなコンテキストでさまざまな名前が付けられています。ただし、これらの用語はすべて同じ MSC を指している可能性がありますが、異なるタイミングで異なることを行っています。

ゲートウェイMSC (G-MSC) は、通話中の加入者が現在どの「訪問先 MSC」(V-MSC) にいるかを判断する MSC です。また、PSTN とのインターフェイスも行います。すべてのモバイルからモバイルへの通話と PSTN からモバイルへの通話は、G-MSC を介してルーティングされます。この用語は、1 つの通話のコンテキストでのみ有効です。これは、どの MSC もゲートウェイ機能と訪問先 MSC 機能の両方を提供できるためです。ただし、一部のメーカーは、ベース ステーション サブシステム(BSS) が接続されていない専用の高容量 MSC を設計しています。これらの MSC は、処理する通話の多くでゲートウェイ MSC として機能します。

訪問先 MSC ( V-MSC) は、顧客が現在いる MSC です。この MSC に関連付けられたビジター ロケーション レジスタ (VLR) には、加入者のデータが格納されます。

アンカーMSCは、ハンドオーバーが開始されたMSC です。ターゲット MSCは、ハンドオーバーが行われる MSC です。モバイル スイッチング センター サーバーは、3GPP リリース 4から再設計された MSC コンセプトの一部です。

モバイルスイッチング センター サーバーは、モバイル スイッチング センターのソフト スイッチ バリアント (そのため、モバイル ソフト スイッチ (MSS) と呼ばれることもあります) であり、サービス提供エリア内でローミングする携帯電話に回線交換通話モビリティ管理と GSM サービスを提供します。この機能により、(シグナリング) とユーザー プレーン (メディア ゲートウェイ/MG と呼ばれるネットワーク要素内のベアラ) 間の分割制御が可能になり、ネットワーク内でのネットワーク要素の配置が改善されます。

MSS とメディア ゲートウェイ(MGW) により、IP、ATM AAL2、およびTDM を使用して交換された回線交換コールを相互接続できるようになります。詳細については、3GPP TS 23.205 を参照してください。

ここで使用されている回線交換(CS)という用語は、従来の通信システムに由来しています。ただし、最新の MSS および MGW デバイスは、主に汎用インターネットテクノロジを使用して、次世代の通信ネットワークを形成します。MSS ソフトウェアは、汎用コンピューターまたはクラウド環境の仮想マシンで実行できます。

MSC は次の要素に接続します。

• SIMおよびモバイル サービス ISDN番号 (MSISDN、つまり電話番号)に関するデータを取得するためのホーム ロケーション レジスタ (HLR) 。
• 2Gおよび2.5G携帯電話との無線通信を処理する基地局サブシステム (BSS ) 。
• 3G携帯電話との無線通信を処理する UMTS 地上無線アクセス ネットワーク (UTRAN ) 。
• ビジター ロケーション レジスタ (VLR) は、加入者がホーム ネットワークの外にいるときに加入者情報を提供します。
• 引き継ぎなどの手続きについては、その他の MSC を参照してください。

MSC のタスクには以下が含まれます。

• VLR からの情報に基づいて、加入者^{[ broken anank ]が到着するとすぐ}に通話を配信します。
• 発信通話を他のモバイル加入者または PSTN に接続します。
• 加入者からショート メッセージ サービス センター(SMSC) へ SMS を配信し、その逆も行います。
• BSC から BSC への引き継ぎの手配。
• この MSC から別の MSC へのハンドオーバーを実行します。
• 電話会議や通話保留などの補助サービスをサポートします。
• 請求情報を生成しています。

ホームロケーション レジスタ(HLR) は、GSM コア ネットワークの使用を許可されている各携帯電話加入者の詳細を含む中央データベースです。公衆陸上移動網(PLMN) ごとに複数の論理 HLR と物理 HLR が存在する可能性がありますが、1 つの国際移動加入者 ID (IMSI)/MSISDN ペアは、一度に 1 つの論理 HLR (複数の物理ノードにまたがる場合があります) にのみ関連付けることができます。

HLR には、携帯電話事業者が発行したすべてのSIM カードの詳細が保存されます。各 SIM には、各 HLR レコードの主キーとなる IMSI と呼ばれる一意の識別子があります。

SIM に関連付けられたもう 1 つの重要なデータ項目は MSISDN です。これは、携帯電話が通話の発信と受信に使用する電話番号です。プライマリ MSISDN は音声通話と SMS の発信と受信に使用する番号ですが、SIM にはファックスやデータ通話用に他のセカンダリ MSISDN を関連付けることもできます。各 MSISDN は HLR レコードの一意のキーでもあります。HLR データは、加入者が携帯電話事業者に加入している限り保存されます。

IMSI レコードに対して HLR に保存されるその他のデータの例は次のとおりです。

• 加入者が要求した、または提供された GSM サービス。
• 加入者がパケット サービスにアクセスできるようにするための一般パケット無線サービス(GPRS) 設定。
• 加入者の現在の場所 (VLR およびサービス提供 GPRS サポート ノード/SGSN)。
• 関連付けられている各 MSISDN に適用可能な通話転送設定。

HLR は、携帯電話が移動する際に受信される位置更新メッセージなど、GSM ネットワーク内の要素からのMAPトランザクションとメッセージを直接受信して処理するシステムです。

HLR は次の要素に接続します。

• 着信を処理するG-MSC
• 携帯電話からのネットワーク接続要求を処理するVLR
• 受信SMSを処理するSMSC
• 携帯電話にメッセージが届いていることを通知するボイスメールシステム
• 認証、暗号化、データ交換のための AuC (トリプレット)

HLR の主な機能は、SIM と電話機が頻繁に移動するという事実を管理することです。これに対処するために、次の手順が実装されています。

• LAC で識別される「ロケーション エリア」と呼ばれる管理エリアで加入者の位置を更新することにより、加入者のモビリティを管理します。ユーザーが 1 つの LA から別の LA に移動するアクションの後には、HLR がロケーション エリア更新手順を実行します。
• 加入者が最初に VLR または SGSN にローミングしたときに、加入者データを VLR または SGSN に送信します。
• 着信通話またはテキスト メッセージの配信を可能にするために、G-MSC または SMSC と加入者の現在の VLR の間を仲介します^{[ broken anan ]}。
• 加入者が以前の VLR から移動した場合に、加入者データを以前の VLR から削除します。
• すべての SRI 関連クエリを担当します (つまり、SRI を呼び出す場合、HLR は sack SRI または SRI 応答を返す必要があります)。

認証センター( AuC) は、 GSMコア ネットワークに接続しようとする各SIM カードを認証する機能です(通常は電話機の電源がオンのとき)。認証が成功すると、HLR は SIM と上記のサービスを管理できるようになります。暗号化キーも生成され、その後、携帯電話と GSM コア ネットワーク間のすべてのワイヤレス通信 (音声、SMS など) を暗号化するために使用されます。

認証に失敗した場合、その特定の SIM カードと携帯電話事業者の組み合わせではサービスを利用できません。以下の EIR セクションで説明されているように、携帯電話のシリアル番号に対して追加の識別チェックが実行されますが、これは AuC 処理とは関係ありません。

AuC 内および AuC 周辺のセキュリティを適切に実装することは、 SIM の複製を回避するためのオペレータ戦略の重要な部分です。

AuC は認証プロセスに直接関与しませんが、代わりにMSC が手順中に使用するトリプレットと呼ばれるデータを生成します。プロセスのセキュリティは、AuC と SIM 間の共有秘密( K _iと呼ばれる) に依存します。K _{i は}製造時に SIM に安全に焼き付けられ、AuC にも安全に複製されます。このK _{i は}AuCと SIM 間で送信されることはありませんが、IMSI と組み合わせて識別用のチャレンジ/レスポンスと無線通信で使用する K _cと呼ばれる暗号化キーを生成します。

AuC は次の要素に接続します。

• 以前のデータが使用された後、IMSI の新しい 3 要素データのバッチを要求する MSC。これにより、特定のモバイルに対して同じキーとチャレンジ応答が 2 回使用されないことが保証されます。

AuC は各 IMSI について次のデータを保存します。

• K _i​
• アルゴリズム ID (標準アルゴリズムは A3 または A8 と呼ばれますが、オペレータは独自のアルゴリズムを選択することもできます)。

MSC が AuC に特定の IMSI の新しい 3 桁セットを要求すると、 AuC は最初にRANDと呼ばれる乱数を生成します。次に、このRANDがK _iと組み合わされて、次の 2 つの数値が生成されます。

• KiとRAND がA3アルゴリズムに入力され、符号付き応答 (SRES) が計算されます_。
• K _iとRAND がA8 アルゴリズムに入力され、K _cと呼ばれるセッション キーが計算されます。

数字 ( RAND、 SRES、K _c ) は、MSC に送り返される 3 つ組を形成します。特定の IMSI が GSM コア ネットワークへのアクセスを要求すると、MSC は3 つ組のRAND部分を SIM に送信します。次に、SIM はこの数字とK _i (SIM に書き込まれている) を必要に応じて A3 アルゴリズムに送り、SRES を計算して MSC に送り返します。この SRES が 3 つ組の SRES と一致する場合 (有効な SIM であれば一致するはずです)、モバイルは接続して GSM サービスに進むことができます。

認証が成功すると、MSC は暗号化キーK _{c を}基地局コントローラ(BSC)に送信し、すべての通信を暗号化および復号化できるようにします。もちろん、携帯電話は、認証中に提供された同じ RAND とK _{i を}A8 アルゴリズムに 入力することで、 K _{c自体を生成することもできます。}

AuC は通常 HLR と一緒に配置されますが、これは必須ではありません。この手順はほとんどの日常的な使用では安全ですが、ハッキングを完全に防ぐことはできません。そのため、3G 携帯電話用に新しい一連のセキュリティ メソッドが設計されました。

実際には、A3 アルゴリズムと A8 アルゴリズムは一般に一緒に実装されます (A3/A8 として知られています。COMP128を参照)。A3/A8 アルゴリズムは、加入者識別モジュール (SIM) カードと GSM ネットワーク認証センターに実装されています。これは、3GPP TS 43.020 (リリース 4 より前の 03.20) で定義されているように、顧客を認証し、音声およびデータ トラフィックを暗号化するためのキーを生成するために使用されます。A3 および A8 アルゴリズムの開発は、個々の GSM ネットワーク オペレータの問題と見なされていますが、実装例は利用可能です。グローバル システム フォー モバイル コミュニケーション (GSM) セルラー通信を暗号化するには、A5 アルゴリズムが使用されます。^[1]

ビジターロケーション レジスタ (VLR) は、サービス提供先のモバイル スイッチング センター (MSC) の管轄区域内に移動したMS (モバイル ステーション) のデータベースです。ネットワーク内の各メインベース トランシーバー ステーションは、正確に 1 つの VLR によってサービスされます (プール内の MSC の場合は、1 つのBTS が複数の MSC によってサービスされることがあります)。したがって、加入者は一度に複数の VLR に存在することはできません。

VLR に保存されるデータは、ホーム ロケーション レジスタ (HLR) から受信されるか、MS から収集されます。実際には、パフォーマンス上の理由から、ほとんどのベンダーは VLR を V-MSC に直接統合します。これが行われていない場合は、VLR は独自のインターフェイスを介して MSC と非常に緊密にリンクされます。MSC は、ネットワーク内で新しい MS を検出すると、VLR に新しいレコードを作成するだけでなく、モバイル加入者の HLR を更新して、その MS の新しい場所を通知します。VLR データが破損すると、テキスト メッセージングや通話サービスに重大な問題が発生する可能性があります。

保存されるデータには以下が含まれます:

• IMSI（加入者の識別番号）。
• 認証データ。
• MSISDN (加入者の電話番号)。
• 加入者がアクセスを許可されている GSM サービス。
• アクセスポイント（GPRS）に加入しました。
• 加入者の HLR アドレス。
• SCP アドレス (プリペイド加入者用)。

VLR の主な機能は次のとおりです。

• 加入者が VLR によってカバーされる特定のエリアに到着したことを HLR に通知します。
• 通話が行われていないときに、加入者が VLR エリア (位置エリア) 内のどこにいるかを追跡します。
• 加入者が使用できるサービスを許可または禁止します。
• 着信処理中にローミング番号を割り当てます。
• 加入者が VLR エリア内にいる間に非アクティブになった場合に加入者レコードを消去します。VLR は、一定時間非アクティブになった加入者のデータを削除し、HLR に通知します (たとえば、電話機の電源がオフになって放置された場合や、加入者が長期間サービスエリア外のエリアに移動した場合など)。
• HLR の指示に従って、加入者が明示的に別の加入者に移動したときに加入者レコードを削除します。

EIR は、スイッチング機器 (MSC、SGSN、MME ) から送信されるモバイル デバイスのIMEI (checkIMEI)をチェックするリアルタイム要求を処理するシステムです。応答には、チェックの結果が含まれます。

• ホワイトリストに登録済み – デバイスはネットワークに登録できます。
• ブラックリストに登録 – デバイスはネットワークに登録できません。
• グレーリスト – デバイスは一時的にネットワークに登録することが許可されます。
• 「不明な機器」というエラーが返される場合もあります。

スイッチング機器は、EIR 応答を使用して、デバイスがネットワークに登録または再登録できるようにするかどうかを決定する必要があります。スイッチング機器の「グレーリスト」応答および「不明な機器」応答に対する応答は標準で明確に説明されていないため、ほとんどの場合は使用されません。

ほとんどの場合、EIR は IMEI ブラックリスト機能を使用します。これには、ネットワークから締め出す必要のあるデバイスの IMEI が含まれています。通常、これらは盗難または紛失したデバイスです。モバイル オペレータが EIR 機能を使用して独自にデバイスをブロックすることはほとんどありません。通常、ブロックは、国内のすべての携帯電話オペレータに義務付ける法律が国内にできたときに開始されます。したがって、ネットワーク スイッチング サブシステム (コア ネットワーク) の基本コンポーネントの配信には、すべての CheckIMEI に対する「ホワイトリスト」応答と、「ブラックリスト」応答が返される IMEI ブラックリストへの入力機能を含む基本機能を備えた EIR が既に存在していることがよくあります。

携帯電話ネットワークへのデバイスの登録をブロックするための法的枠組みが国内で導入されると、通信規制当局は通常、すべての通信事業者の EIR と統合され、CheckIMEI 要求を処理する際に使用する必要がある実際の識別子のリストを通信事業者に送信する中央 EIR ( CEIR ) システムを導入します。その際、従来の EIR には存在しない、EIR システムに対する新しい要件が多数発生する可能性があります。

• リストを CEIR と同期します。CEIR システムは標準で記述されていないため、プロトコルと交換モードは国によって異なる場合があります。
• 追加のリストのサポート - IMEI ホワイト リスト、IMEI グレー リスト、割り当てられたTACのリストなど。
• リストでは IMEI だけでなく、バ​​インディング (IMEI-IMSI、IMEI-MSISDN、IMEI- IMSI - MSISDN)もサポートされます。
• リスト適用のカスタマイズされたロジックをサポートします。
• 個別のシナリオでアイテムをリストに自動的に追加します。
• 別々のシナリオで加入者にSMS通知を送信します。
• IMSI-MSISDN バンドルを受信するための課金システムとの統合。
• 加入者のプロファイル（デバイス変更履歴）を蓄積します。
• すべての CheckIMEI リクエストの処理の長期保存。

個々のケースでは、他の機能が必要になる場合があります。たとえば、カザフスタンでは、デバイスの登録と加入者へのバインドが義務付けられています。ただし、加入者が新しいデバイスを使用してネットワークに現れた場合、ネットワーク操作は完全にはブロックされず、加入者はデバイスを登録できます。これを行うには、特定のサービス番号への通話、特定のサービス番号への SMS の送信を除くすべてのサービスをブロックし、すべてのインターネット トラフィックを特定のランディング ページにリダイレクトします。これは、EIR が複数の MNO システム (HLR、PCRF、SMSCなど) にコマンドを送信できるという事実によって実現されます。

個別の EIR システム (複雑なソリューションの一部ではない) の最も一般的なサプライヤーは、BroadForward、Mahindra Comviva、Mavenir、Nokia、Eastwind などの企業です。

GSM コア ネットワークには、他の多くの機能が多かれ少なかれ直接接続されています。

課金センターは、 VLR および HLR によって生成された通行料金チケットを処理し、各加入者に対する請求書を発行する役割を担います。また、ローミング加入者の課金データを生成する役割も担います。

マルチメディア メッセージング サービスセンターは、MMS-Bluetooth への (または MMS-Bluetooth からの) マルチメディア メッセージ (画像、音声、ビデオ、およびそれらの組み合わせなど) の送信をサポートします。

ボイスメールシステムはボイスメールを録音して保存します。

米国の法律は、ヨーロッパを中心に多くの国にも模倣されていますが、すべての通信機器は、特定のユーザーの通話を監視する機能を備えていなければなりません。さまざまな要素のいずれにも、これに対する何らかのレベルのサポートが組み込まれている必要があります。合法的な傍受の概念は、関連する米国の法律に従って、 CALEAとしても知られています。一般的に、合法的な傍受の実装は、電話会議の実装に似ています。A と B が互いに話している間に、C は通話に参加して静かに聞くことができます。

• GSM コア ネットワーク。
• 基地局サブシステム
• COMP128
• 4GLET

• 4GLET - GSM および UMTS の標準化団体
• UMTS ネットワーク: プロトコル、用語、実装 - Gunnar Heine 著の PDF 電子書籍