無線網路 – 陳志成

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無線網路 – 陳志成

Syllabus

~~除加簽者外，上課不點名~~
考試時間不調整，分數不調分
分數
1. 四次考試各佔 25%
  - HW1
  - Exam1
  - HW2
  - Exam2
  - HW3
  - Exam3
  - HW4
  - Exam4
2. P + L
  - 3 Lab: 30%
  - Final Project: 70%
3. L + E
  - 3 Lab: 30%
  - Final Exam: 70%
參考書: IP-Based Next-Generation Wireless Networks: Systems, Architectures, and Protocols

Outline

1G - 5G

1G
- Analog + Circuit-switched
2G
- 只能打語音，不能上網
3G
- IP-base
- packet-switched 出現
- 可以上 Internet
- 同時有 circuit 與 packet
- 傳 data
- 種類
  - 3GPP
  - 3GPP2
4G
- Long Term Evolution (LTE)
- 傳 video
5G
- ?
- 1-4G 是 person 2 person（P2P）
- 希望有更多 device 2 device（D2D）應用
- 低 delay, 高 bandwidth
- 手機在高速移動時的連線
- 軟體化、SDN、NFV

Intro

Background

參考計網概–陳志成
分類（以覆蓋範圍來區分）：
- WAN (Wide Area Networks)
  - 覆蓋範圍大
- LAN (Local Area Networks)
  - 覆蓋範圍小
Switched Network
- circuit switching
  - telephone network
  - 尋找鏈路（連線）
  - 要確定有 resource 才會連線
  - Low channel utilization:
    - 建立好連線後，只能有一個人用這個 channel
  - 連線建好後，只會剩下 propagation delay (傳播延遲，物理層的 delay)，不會有其他 delay
  - 好處
    - resource 都是你一個人用的，無 traffic，較穩定
  - 壞處
    - 使用率低（正常通話有 64% 是 idle）
    - bursty traffic (非連續的資料傳遞)
      - 傳資料正常時都是 low usage，會有間斷的突然高峰
- packet switching
  - 切小塊封裝 packet
  - 多人共用連線
  - same destination 不一定走 same route
  - 不一定照順序收到，最後再組合回來就好
  - 可能會掉包
    - 重傳 (TCP) – non-real time，穩定
    - 算了 (UDP) – real time，XNET
  - packet
    - header: 控制（要跳的資訊等等）
    - payload: 資料
  - 好處
    - Greater efficiency for bursty traffic
    - 可以確保 packet 都丟出去，但是這樣可能會有 delay
    - 也可以選擇不要確保都收到 (UDP)，就比較少 delay
    - 可以有 priority （在Header設定）

Evolution of Wireless Networks

Wireless 種類
- 理論上傳得越遠，資料量會低
- Personal Area Networks (PANs)
- Wireless Local Area Networks (WLANs)
- Low-tier wireless systems
- High-tier wireless systems（要執照）
- Public wide-area (high-tier) cellular radio systems <- 這堂課主要要講的
- Mobile satellite systems（衛星電話）
IEEE 802.xx: 區域網路
PANs (Personal Area Networks)
- Short-range low-power radios（短距離使用）
- ex. Bluetooth, ZigBee
- IEEE 802.15
WLANs (Wireless Local Area Networks)
- 頻段可以自己改，但是沒有管制了話，容易跟別人衝到 (License)
- 有些頻段不需要
  - ex. ISM – USA
  - ex. 2.4GHz, 5.7GHz – TW (2.4GHz[微波爐], 5GHz)
    - 以上兩個頻段在台灣不用申請執照也可以用
- IEEE 802.11: 最廣泛使用
- Architecture (兩種)
  - Ad hoc (Independent network)
    - 直連 (Direct communication)
    - One BSS (basic service set)
      - 802.11網路最基本的組件我們稱之為基本服務集(BSS)
    - 軍事戰爭用
  - Infrastructure
    - AP (access point) and stations
    - Distribution System
      - 802.11 收到無線網路資訊(Distribution System)
      - 802.3 打進有線網路(Core network)
      - multiple BSS connected together form an ESS (extended service set)
    - 重疊區：handoff / handover
      - 低於 n% 時，開始搜尋其他基地台
      - 低於 m% 時，轉到其他基地台
      - n > 50 > m
      - (if m == 50) -> 可能會不斷換基地台 (ping-pong效應)
    - cellular network: 分散區的樣式
- Wi-Fi (Wireless Fidelity) Certification
  - Wi-Fi 只是經過 wifi 這個非營利組織認證過的 802.11 的產品
Low-Tier Wireless Systems
- 設計給行人(有移動速度)
- 室外小於 500m，室內小於 30m
- 辦公室 or 住宅的無線通訊
  - Cordless Telephone (無線的電話), Second Generation (CT2)
    - UK 設計
    - circuit-switch voice
  - Digital European Cordless Telecommunications (DECT) <- 台灣使用
    - EU 設計
    - circuit-switch voice & data service
- 如果要佈給大眾，基地台需要佈建的比較密(Provide public services)
  - Personal Access Communications Systems (PACS
    - Telcordia (then, Bellcore) 設計
  - Personal Handyphone System (PHS) <- 台灣使用
    - JP 設計
    - voice + data service
    - 384Kbps channel rate
High-Tier Wireless Network
- 大範圍的 Provide public mobile services，可以支援步行 & 車輛速度
- 由以下兩點組成
  - RAN（無線電接入網絡）：為移動用戶提供接入核心網絡的無線電資源
    - cell 的直徑可以超過 10 km
  - Core Network: 讓 RAN 互連，以及連出到其他網路
- 1G - 5G

Generation

1G

Analog radio(類比，較易衰減) + circuit-switched + networking technologies
三種標準
- Advanced Mobile Phone Systems (AMPS) <- 台灣使用
  - 就算兩家公司都用AMPS，也不一定能互通（Core Network做得不好）
- Total Access Communications Services (TACS) <- 英國使用
- Nordic Mobile Telephone (NMT) <- 北歐使用

2G

Digital + circuit-switched
Core network 出現標準了
除了 circuit-switched voice 之外，還啟用了第一批移動數據和移動互聯網服務
GSM – 歐洲 <- 台灣使用
- RAN (radio-access-network digital) + core network (circuit-switched)
  - 900MHz, 1800MHz(Europe)
  - 800MHz, 1900MHz(United States)
- 服務
  - circuit-switched voice
  - 9.6 Kbps circuit-switched symmetric channel as a data connection to access the Internet
IS-136/IS-95 + IS-41 – 北美
- RAN
  - IS-136 (TDMA)
  - IS-95 (CDMA)
- Core Network
  - IS-41 (circuit-switched)
    - support roaming（漫游）
PDC (Personal Digital Cellular network) – 日本
TDMA(時間排程多工)
CDMA(分碼多重進接 – 編碼不同)
- power control很重要
FDMA(頻率排程) – 參考
以上分法主要目的：讓多人同時傳輸

2.5G

手機支援連上 Internet 時，出現了 GPRS 的協定，將手機的 circuit-switched 轉換成一些 packet-switched
EDGE: 同上

3G

IP based <- 最重要 (Evolutionary rather than revolutionary，演化而非革命)
QoS (quality-of-service) – 參考
3G 有 circuit switch (voice)，也有 packet switch (data)
3GPP (Third-Generation Partnership Project) <- 歐洲人成立
- 容納 GSM
- Wideband-CDMA (WCDMA) – 為了避過 CDMA 的專利
3GPP2 (Third-Generation Partnership Project2) <- 北美人成立
- 容納 IS-41
- cdma2000

Summary

3.5G

3GPP High-Speed Packet Access (HSPA)
- HSPA+
  - MIMO
    - 多個天線
    - multipul input / multipul output
    - 實際：不會直接加疊，會互相干擾
3GPP2 Evolution - Data Optimized (EV-DO)
- 美國
- eHRPD + EPC

4G

WiMAX – 死
LTE（Long Term Evolution）
All IP
LTE-A (LET-Advance)

5G

5G, will be about intelligent networks that can handle billions of connected devices while remaining stable and operational.
SDN (Software Defined Networking) 軟體定義網路
NFV (network function virtualization) 網路功能虛擬化
5 Horizontal Topics:
- (D2D) Device-to-Device Communication
- (MMC) Massive Machine Communications (ex. IoT)
- (MN) Moving Networks (ex. 高鐵)
- (UDN) Ultra-dense Networks (超密集，訊號強，需減少干擾)
- (URC) Ultra-reliable Communications

標準

IMT（International Mobile Telecommunications）: 統一制定標準的組織
- 符合 IMT 標準的，才可以叫 3G
- 第三代行動通訊技術，簡稱3G，規格名稱IMT-2000
- 不管如何實作
- 有些人說符合 IMT-Advance 的就可以叫 4G
  - 100Mbps for high mobility
  - 1Gbps for low mobility
3GPP (www.3gpp.org)
- R4, R5, R6, R7, R8
- 3GPP 這個組織一直在更新 spec
- TSGs (Technical Specification Groups)
  - RAN (Redio Access Network)
  - SA (Service and …)
  - CT (Core Network & Terminals)
  - GERAN (GSM - EDGE)
- Spec
  - TS – Technical Specifications
  - TR – Technical Report (只是 report，幫你了解 TS，主要還是要看 TS)
  - Rn(R4, R5, …): Release
    - Freeze: 在這個時間後，不會再動 Spec
    - 第一個
      - 3G – R4
      - 4G – R8
        
        Evolved Packet System (EPS)
        
        參考
        
        SAE(System Architecture Evolution) (core network)
        
        packet-switched only
        
        AIPN："all-IP" network (只有 packet switched)
        
        LTE (Long Term Evolution) (radio)
        
        同時容納 3GPP2
      - 5G Architecture – R15
        
        Non-Standalone (NSA)
        
        Use 4G EPC as the core network
        
        Standalone (SA)
        
        the first set of 5G standards
        
        Service Based Architecture (SBA)
- Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS)
  - 3GPP 的 multicast 標準
  - unicast：一對一傳播
  - broadcast：一對多（所有人都收到）
  - multicast：一對多（自己決定接收者）
3GPP2
- REV（=revolution）
  - Rev 0, Rev A, Rev B, Rev C
  - 然後死了 QQ
IETF (一個大型開放的國際社區)
- For Internet
  - RFC（Request for Comments）有人提出的標準
  - IP / TCP / UDP

2G

1G Core network 沒標準
2G Core network 出現標準

2G 架構
- PSTN (Public Switched Telephone Network 公用交換電話網路)
  - 2G 的 core network
  - circuit-switched
- SS#7: Signalling System No.7
  - 有線網路
  - circuit-switched 標準
- MAP (Mobile Application Part)
  - wireless 部份的標準
  - 以下是 MAP 的流程
- HLR (Home Location Register，一個中心資料庫)
  - 手機移動時只跟 HLR 報告
- VLR (Visitor location register，一個資料庫)
  - 先透過 VLR 作溝通註冊，VLR 再去跟 HLR 報告
  - 如果是去到不同電信業者的 BS 時，先跟不同電信的 VLR 註冊，再回到原來電信的 HLR
  - or 台北的 VLR 再回到新竹的 HLR
- AuC(Authentication Centre)：認證
- EIR：硬體序號 (IMEI) 註冊，分別不同 Device
- D/G/C/E/B/H/F/I/…: interface
BS
- Base Station
- 1 個 BSC 連到數個 BTS
  - BSC: Base Station Controller
  - BTS: Base Transceiver Station
MSC (Mobile Switching Center)
- 負責管 BS
- MSC 會連回 PSTN
Handoff (換手)
- Mobile-controlled handoff (MCHO)
  - 手機量訊號，自己決定要不要換訊號
  - 手機沒有全盤資訊，不利於全盤規劃
  - 手機只要自己 handle 自己的部分就好了
  - DECT, PACS
  - 優：對網路負擔輕
  - 缺：對網路沒有全盤的了解，可能做錯決定令網路負擔變重 (ex. 這個基地台很 traffic 了)
- Network-controlled handoff (NCHO)
  - 基地台量訊號決定手機要不要換訊號
  - 基地台比較有全盤的視角
  - 基地台需要定時測量每一台機器
  - CT-2 Plus, AMPS
  - 優：基地台對網路了解，容易決定
  - 缺：基地台 loading 重
- Mobile-assisted handoff (MAHO)
  - 手機量完訊號，回報給基地台，由基地台決定要不要 Handoff
  - GSM, IS-95(CDMA)
- Handoff 種類
  - Hard Handoff
    - 把舊的基地台連線切掉，再連線到新的基地台 (Break-before-make)
    - 優 : 系統設計較簡單
    - 缺 : 可能會有空窗期
  - Soft Handoff (Inter-cell)
    - 先連到新的基地台，再切斷舊的基地台
    - 優 : 連線不會斷
    - 缺 : 系統設計較困難、同時連到多個網路會有干擾，網路端也會有問題產生(迴圈)
    - CDMA 之後出來，可同時連上 7 台基地台
    - 下載 (Forward Link)：
      - SDU (Selection and Distribution Unit) 把資料都丟下去，手機利用 L1 的方式，把資料 conbine 起來
      - [我猜] SDU 會 copy 兩份資料兩邊都丟一樣的(因為是由手機測訊號，所以 SDU 不會知道哪邊的訊號比較好丟那個 link)，手機在過度帶(將要做 handoff)所以也不知道哪邊的訊號會比較強，就直接把兩個訊號加疊起來，得到的最終訊號大概就是對的了
    - 上傳 (Reverse Link)：
      - 手機上到 SDU，SDU 用 L2 方式(RLP)把資料 conbine 起來
      - [我猜] 因為手機知道哪個訊號比較好，手機可以總是丟訊號比較好的地方，那可是手機會移動，SDU不知道這時候是從哪個 link 上來，所以用 header 排出 packet order
      - RLP (Radio Link Protocol)
        
        第二層
  - Soft Handoff(Inter-sector)
  - Soft-Softer
Roaming (漫遊)
- 功能：換 Domain
- Home Domain
- Visit Domain
- - Roaming Broker: 跟我簽約的人，就可以跟全世界跟我簽約的人互通

–––––––-2020第一次考試分隔線–––––––-

3G

Network 架構分以下三部分
- Public Land Mobile Network (PLMN)
- Radio Access Networks (RANs)
- Core Network (CN)
可以向下支持 2G 的 RAN
- HLR 被封裝到 HSS
CN
- CS Domain
- PS Domain
- IMS (IP Multimedia Subsystem)
  - packet switch 用來傳語音的 (real-time)
RANs
- (2G)GERAN (GSM/EDGE RAN):
  - circuit-switch
  - BSS(Base Station Subsystem)
    - BTS
    - BSC
- (3G)UTRAN (UMTS Terrestrial RAN):
  - packet-switch
  - RNS (Radio Network Subsystem)
    - Node B (類似 BTS)
    - RNC(Radio Network Controller)(類似 BSC)
User Equipment (UE)
- 2G 時叫 MS (mobile station)
- USIM(3G)：SIM(2G) 卡
- ME：還沒裝 SIM 卡的機器
  - TE 比較類似 protocol 部分（偏軟體）
  - MT 偏硬體
  - TA 偏天線
Identifiers
- IMEI (International Mobile Station Equipment Identity)：
  - 硬體序號 for 手機
- IMSI (International Mobile Subscriber Identity)：SIM card 序號
  - 電信業者拿來收錢的
  - 非必要不拿來傳輸 (有 leak private key 可能)
- TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
  - 用 IMSI 算出一個暫時的 TMSI
  - 4-octet number
  - 用 MSC/VLR or SGSN 算出來
  - P-TMSI: packet-switch 在用的
- IP
  - single or multiple
  - 只有需要時才會被 assign
circuit-switched CN (core network) 內有
- SS#7 是 circuit-switched 的標準
- singaling system no. 7
- 與 2G 不同的地方
  - switching (轉送) vs. call control
    - switch 與 control 分離 (SDN)
      - Scalibility (擴展性) 會變好
      - Reliability (可靠性) 也會變好
    - MSC Server (controller):
      - call control and mobility management
    - CS Media Gateway (CS-MGW)
      - circuit switching
      - media conversion
      - payload processing
      - …
    - control plane – singling message
      - 用來作 call control
    - user/data plane – switching
      - pros:
        
        circuit switching scability.
        
        two plane independent, protocol more easier.
        
        note: In 5G, two plane is for packet switching scability
Packet-Switched CN
- 主要要做三件事情
  - Network access control
    - 控制 ACL
  - Packet routing and transport
  - Mobility management
    - track 位置 (VLR, HLR)
    - initating paging (知道使用者在哪個基地台下)
    - 維護 up-to-date routes
- 流程: IP 從 internet 用 routing 來到 GGSN，GGSN 打 tunnel 到 SGSN，SGSN 再打 tunnel 到 RNC(Radio)
SGSN (Serving GPRS Support Node)
- CN 往手機端連的 GW
- 處理 ACL
- 處理位置
  - report 到 HLR
- Routing
- Paging
  - 參考
GGSN (Gateway GPRS Support Node)
- CN 到 Internet 的 GW
- packet 在 CN 的走法不是 routing table，而是 Tunnel，IP packet 只是用來背資料的
- Tunnel
  - 在 IP packet 外層再封裝一層，保證路徑是你要的，而不是讀 routing table 任意傳送
  - Internet 常見 Tunnel 有三種 (header 差別)
    - IP-in-IP: 在 packet 外面多封裝一層 ip header
    - Minimum encapsulation: 有些 header 不需要重複使用，指封裝需要的
    - Generic routing encapsulation(GRE): 參考
  - 3GPP 都不是，用的是 GTP
  - 因為手機會移動，又要配合 ip protocol，因此會使用 tunnel 來處理 GGSN 到手機部分
- packet route 的中心
  - 所有在 PLMN 的 packet 都會跑到 GGSN
  - 就算是手機給手機，同一個 Base Station，也一定會來到 GGSN 再下來，因為 GGSN 才知道誰在哪裡 => delay 比較長
SGSN 與 GGSN 都有
- IP address
- SGSN Number, GGSN Number
IP Multimedia subsystem(IMS)
- 支援 real time voice / multimedia
- Session Initiation Protocol(SIP)
Information Server
- CS, PS 共用
- HSS(Home Subscriber Server)
  - HLR
  - user subscription DB
- AuC(Authentication Center)
  - 作身分認證
  - 廠商用 AuC 收費
- EIR(Equipment Identity Register)
  - 存 IMEIs(硬體序號)的
3G 四個主要部分
- RAN (Radio 部分)
- RAN-to-CN
- CS CN(Circuit)
  - Iu-CS (3G 時代的)
  - 還是支援很多 MAP(Circuit Switch 標準)
- PS CN(Packet)
  - Iu-PS
- 協定
  - RAN 端
    - GERAN(2G 時代)
      - Abis (BSC 到 BTS)
      - Um (BTS 到 MT)
    - UTRAN(3G 時代)
      - Iub
        
        RNC 到 NodeB 的協定
      - Iur
        
        RNC 與 RNC 溝通
        
        邏輯 Interface
        
        實際上可能先跑到 SGSN 再下來
        
        control plane
      - Uu
        
        NodeB 到 MT(mobile)
  - RAN-to-CN
    - GERAN
      - A or IuCS: Circuit switch
      - G or IuPS: Packet switch
    - UTRAN
      - 確定用 IuCS 與 IuPS
Tunnel
- 3GPP Bearers
  - 將傳輸分成 3 部分
    - 拆開來比較簡單
      - 抽象化
      - 各段有新的技術，其他段不用改
      - 有利於流動性管理(mobility management)
    - Radio access bearer(RAB)
      - Radio bearer (RRC)
        
        Signaling Radio Bearer (虛線)
        
        Traffic Radio Bearer (實線)
      - Iu bearer (RANAP)
        
        Iu Signaling
        
        Control Plane (虛線)
        
        Iu Traffic
        
        Data Plan(User Plane) (實線)
    - CN bearer
Packet Data Protocol
- PDP(Packet Data Protocol)
  - 類似手機端的 IP Protocol
  - 3GPP PS CN Domain 交換 packets
  - PDP Context(內容)
    - 用來幫助送資料的 (header?)
    - PDP address (可以想像成IP address)
      - (以前還有其他，but IP 獨大後，就變成 IP 了)
    - Routing Info.
      - (APN, Access Point Name)
    - QoS Profiles
      - ex. 學生專案、吃到飽…
  - PDP States
    - ACTIVE State
      - 可以讓某些 bearer 保持工作
      - CN Bearer 一定要存在
        
        因為要找User
      - RAB 不一定要存在 (省資源)
      - 用電量大到小 (傳輸>接收>睡眠)
    - INACTIVE State
      - 省資源
      - 不會作 location update => 用 paging
      - SGSN initating paging
  - PDP Transition
    - PDP Context Activation
    - PDP Context Modification
      - 修改 PDP Address、QoS屬性
      - R5 允許 GGSN-initiated PDP Context modify
    - PDP Context Deactivation
- PDU(Packet Data Unit)
  - 類似手機端的 packet
  - 透過 traffic bearer 傳遞
3GPP Packet Switch 步驟
- GPRS Attach (手機到 SGSN) [第一步]
  - 與 SGSN 註冊
  - 提供認證與服務需求(authenticated and authorized)
  - 建立 Mobility Management Context (手機到 SGSN)
  - 建立 signaling connection (手機到 SGSN)
  - 允許使用 SGSN 提供給手機的服務 (ex. 簡訊, paging)
- PDP Context Activation & RAB (RAN 端的 Tunnel) [第二步]
  - 建起來之後，就可以傳收資料
- Register IMS [第三步]
  - (optional，只有在需要傳 Real-time 才需要作)
Packet Routing
- Internet 到 GGSN 用 routing table
- GGSN 之下都用 GTP (Tunnel)
- Host-Specific routes
  - 系統都幫忙維護好到手機的路徑了
  - active PDP context 時才要維護
ID 對照
- 反正最後都是用 GTP 的 Tunnel Endpoint Identifier(TEID) 作辨識
PDP Address
- 跟 DHCP 87% 一樣
- 主要問題在，如何知道分配 Address 的 Server
流程
- GPRS Attach (要連到 SGSN)
  - Call Flow:
  - Attach Request
    - 辨識：用 P-TMSI or IMSI
    - P-TMSI Signature 簽章
    - GPRS Attach 是模仿 IMSI Attach
    - 需要講你是誰，全部做完會收到 Attach Ack
- PDP Context Activation and Modification
  - PDP Address allocation
  - CN Bearer 建立
  - RAB Assignment
  - 三種方法 (前兩種都是作 active)
    - Mobile-Initiated PDP Context Activation and Modification
      - 6、7 是 optional
    - Network-Request PDP Context Activation
      - GGSN 送一個 msg 給 mobile，叫 mobile 做 mobile-initiated PDP context activation
      - GGSN 需要有手機的 static information (ex. IMSI)，才能拿去問 HLR 位置
    - PDP Context-Modification
      - PDP Address 只有 GGSN 可以改
      - QoS 大家都可以改
  - APN (Access Point Name)
    - 特定 Service 的名字 (ex. DHCP)
    - 應該類似 DNS (?)
    - DNS 可以把 APN 轉換成 IP address
PS Domain Protocol Stacks
- (OSI 七層架構就是一種 protocol stack)
- Gn, Gp interface
  - Gn: 相同 PLMN 中，SGSN 與 GGSN / SGSN 與 SGSN 溝通
  - Gp: 不同 PLMN 中，SGSN 與 GGSN 溝通
- GTP (GPRS Tunneling Protocol)
  - GTP-C
    - control plane
    - 處理 GTP-U tunnels, PDP contexts, location, mobility
  - GTP-U
    - user/data plane
    - 建立並處理 GTP tunnels
  - GTP Messages
    - Tunnel Management
    - Location
    - Mobility
    - Path
  - GTP header
    - Version
    - PT(Protocol Type): 3GPP 或 GPRS/GSM
    - E(Extension header flag)
    - …
    - 最重要的是 TEID(Tunnel Endpoint Identifier): 知道 tunnel 要從哪裡打到哪裡
- Iu-PS
  - Tunnel Management
  - Radio Access Bearer
  - Radio Resource
  - Mobility
  - 3GPP Iu-PS interface protocol stack
    - user plane 一樣
    - control plane 不同 (底層用 ATM)
- Gi, Gr, Gc, Gs int
  - Gi: GGSN 與 Internet IP 連接口
  - Gr: SGSN 與 HLR 連接口
  - Gc: GGSN 與 HLR 連接口
    - 上圖主要是請 GSN 做 GGSN 與 HLR 的翻譯
  - Gs: SGSN 與 MSC/VLR
Mobile 到 GGSN
- - 把 MAC、RLC、PDCP 想像成第二層
  - RLC (Radio Link Control)
    - 與 internet 的 LLC 類似(Layer 2.5)
    - error detection
    - 手機可以有多個 RLC connections
  - PDCP (Packet Data Convergence Protocol)
    - Header Compression
      - 壓縮 Header，主要有兩種方法
      - IPHC (IP Header Compression)
      - ROHC (Robust Header Compression)
    - 把更高階的資料(IP…)映射到低階的協定(RLC)
    - 維護資料傳送順序(order)
  - PDP 是跟外面連線用的，GTP-U 是內部連線用的
  - GGSN 中
    - PDP 內的 IP 是 external internet 的 IP
    - GTP-U 是幫忙作 Tunnel 的 header
    - UDP、IP、… 是 GGSN 本身的位置
  - (Non-)Transparent Access
    - TA:
      - GGSN 沒有包含在裡面，只負責把 packet 傳出去
    - N-TA:
      - GGSN 用了 MIPv4 Foreign Agent
- To Internet
  - TA 版本
    - 3GPP Packet Domain Bearer 可以用 [Mobile 到 GGSN] 那張圖取代
    - PSDN 外是用 IP routing，內是用 Tunnel
  - NTA 版本

Mobility Management

Type of Mobility
- Terminal mobility
  - 機器在移動時，不會斷線
  - 最大問題所在
  - 種類
    - discrete
      - 連線斷後，馬上再連上網
    - continuous
      - 移動時，IP 還是可以用，不會斷線
- User mobility
  - 使用者移動時，都可以使用網路
- Service mobility
  - 在不同地方可以使用相同的服務
支援 Mobility 時，盡量可以做到的
- Location management
  - Location Update
    - 改變 attachment points 時
    - 改變 location areas 時 <- 較好
      - 這種方法要找 User 時，再做 paging
      - RAN 與 CN 對 location areas 的定義可以不同
    - 種類
      - Time-based: 一段時間 update 一次
      - Movement-based: 每移動固定數量的 area
      - Distance-based: 跟原來位置差超過固定數量的 area
      - Parameter-based: 自己找參數，參數過標就 update (包含上面的都算)
      - Implicit update: 在送其他 control msg 時，順便 update 一下
      - Probabilistic update: 看機率 (學術上還在研究)
  - Location Discovery (Paging)
    - 送一個或多個 paging msg 到 paging area
    - paging area 與 local area 不用一樣
    - 收到 paging msg 後，手機需要 update 位置
    - paging 需要在短時間內完成
    - 如何建立 area (dynamic, static)
    - 方案
      - blanket
        
        broadcast 到所有，在的人就會回復
      - sequential
        
        一個一個 area 問
      - etc.
  - location update 愈多，paging 越少
- Packet delivery to mobiles
  - 種類
    - Direct
      - 獲取位置，資料傳給本人
      - 壞處，dst 是不會移動的機器，根本不需要每次都問位置
    - Relayed
      - 資料傳給 relay，由 relay 負責送給本人，無須獲取位置
      - 壞處：可能 src 與 dst 都在美國，relay 在台灣、relay 的 loading 會比較重 (多台機器的 relay 是同一台)
    - 整合兩種方法：Integrated Relayed Delivery and Direct Delivery strategies
    - 第一個封包用 relay，之後的都用 direct
- Handoff & Roaming
  - 之前講過了
- Network Access Control (AAA)
  - Authentication 認證
  - Authorization 授權
  - Accounting 計費

–––––––-第二次第三次考試分隔線–––––––-

Roaming
Mobility Management IP
- Issue(問題)
  - 主要解決連線不能斷，不是斷了再連的問題
  - IP 代表 ID 與 Location
  - 移動就不能用了 (socket 會斷掉)
- Mobile IPv4
  - Home Network (HN)
    - HA 給的 IP address 叫 Home address (HoA)
    - 不會動的 Address
    - 是 Internet 中，手機的 dst-ip
    - 有一個 Binding Table
      - 存取 HoA 和 CoA 的對應關係
    - Home Agent
      - 維護 up-to-date location
      - 攔截封包到手機的 home address
      - tunnel packet 到手機的當前位置
  - Foreign Network (FN)
    - 提供 MH CoA (Care-of Address)
    - CoA (Care-of Address)
      - 在 Foreign network 用 CoA 收 IP packet
      - FA CoA (MS用的CoA)
        
        在 Foreign 用的 IP address
        
        類似一個 subnet 的 IP address
        
        可以很多人共用
        
        例：朋友將信寄至郵局(FA)，由郵局再轉交給你。
      - Co-Located CoA (mobile自己拿到的CoA)
        
        Mobile 到 FA 的 address
        
        相當於DHCP
        
        例：朋友將信寄至你目前通訊處(HA)，由你自己收信(靠tunnel)。
    - Foreign Agent (FA)
      - 提供 CoA 和其他必要的配置信息
      - De-tunnels packets
    - Ingress Filtering
      - router 會檢查 IP 是否屬於該 subnet
      - 如果檢查出不是，就不幫你送出去
      - 沒做 Ingress Filtering 就直接送出去
  - - 如果回去是走 Mobile -> Correspondent
      - triangular routing
    - 如果 Mobile -> HA
      - reverse tunnel
  - CH send msg to HoA
    source IP address:S; destination IP address:D
    - CH only send traffic to HA. No need to know CoA of MH.(relayed directly)
      - D: HoA; S: CH
    - HA relay message to MH.
      Use tunneling: ip-in-ip/Minimal Encapsulation?/GRE*
      - D: CoA; S: HA
    - If MH at home network, MH will receive msg when last router send ARP REQUEST.
  - MH sends msg to CH
    depends on if routers have Ingress filtering or not.
    - Routers do not have Ingress filtering
      - triangular routing
        
        D: CH; S: HoA
    - Routers have Ingress filtering
      - issue: source IP, HoA, doesnt belong to the subnet of the FN where the MH is at. -> Routers wont forward the data sent from the MH.
      - 解決: reverse tunnelnig
      - 內部ip
        
        D: CH; S: HoA
      - 外部ip
        
        D: HA; S: CoA
      - 缺點: MH <-> CH路徑拖很長
        
        If CH through HA(HA in the US) to MH(MH in Taiwan), it's long to send msgs back and forth along the way b/w the CH and the MH.
- Agent Discovery
  - 尋找 mobile agent (HA[一定有], FA[不一定有], …)
  - Agent Advertisement message
    - Agent 主動定期 broadcast 說我在這裡
  - Agent Solicitation
    - 自己直接問 agent 在哪
    - 所有 Agent 都會監聽 224.0.0.11，所以如果 mobile 要找 Agent 又沒有聽到 broadcast，就送資訊到 224.0.0.11 (Mobile-Agents Multicast Group address)
  - 使用 ICMP(Internet Control Message Protocol) Router Discovery Message
    - ICMP Router Advertisement Message
      - router 主動 boardcast
    - ICMP Router Solicitation Message
      - 沒聽到 boardcast 就送這個 Solicitation Message 去問 ICMP
    - 利用 Router Advertisement 加入 Extensions，帶 MIPv4 資訊 (mobile IPv4)
  - Mobile IP Agent Advertisement message
    - Mobility Agent Advertisement Extension
      - HA 要講的 msg. 就放在這裡
      - Type：不同 extension 有不同編號
      - Length：知道 extension 有多長
      - Zero or more CoA：由 length 決定
      - Sequence Number：一直增加，讓每次msg.都不一樣，防 replay attack(有心人士重複訊息,安全性問題)
      - Registration Lifetime：可以註冊多久
      - Reserved：保留給將來用的欄位
      - R：強制一定要跟我註冊，不能用Co-located CoA
      - B：正在忙
      - M：沒講就是 IP in IP
    - Prefix-Lengths Extension (optional)
      - 看有沒有換 subnet
      - 一個 agent 可能有數個 IP
      - Prefix Length：代表 Prefix 的長度
      - …:代表數個Prefix Length
  - 找 FA Agent 是找最近的，所以 TTL = 1
- Movement Detection
  - 最好方法，找底層問 (L1, L2)
- Leaving Home Network
  - ARP Cache
    - 存起來，限時間，預設20min
  - ARP (Address Resolution Protocol) in MIPv4
    - Gratuitous ARP (無故 ARP)
      - 要離開 Home Network 時，跟大家說，我要離開了，可以把我的 cache 清掉
      - mobile address 移走後，會告訴其他人，要更新我的 hardware address 到 HA 的 hardware address，以後請送資料到 HA
      - HA 就會 proxy ARP，代表 mobile 回 ARP REQUEST
- 進入(Entering)和留在(Staying)新的 Network
  - 1. 要(acquire)新的 CoA
  - 1. 跟 HA 註冊(register)這個 CoA
    - Location update
    - HA 就會把 packet tunnel 到新的 CoA
  - Registration
    - 目的：MH 拿到一個新的 CoA 要跟 HA 註冊時候用的msg.
    - 過程：MH 拿到 CoA 送 RRQ 給 HA，HA 收到 RRQ 會回覆 RRP，說我收到了
    - RRQ 和 RRP 是 MIPv4 唯二自定的新的 msg.
  - Registration Request (RRQ)
    - UDP -> port 434 (TCP 太複雜)
    - HA 認證所有 RRQ
    - 不只是 UE 拿來做註冊
    - 是應用層(L5)
  - Registration Reply (RRP)
    - UDP 434
    - mobile 認證所有 RRP
- FA CoA vs Co-located CoA
  - FA CoA
    - 必需要和 FA 註冊
    - FA 可以不接受註冊
  - Co-located CoA
    - 可直接和 HA 註冊
    - 'R' flag 可強制和 FA 註冊
- Registration Request (RRQ)
  - directed broadcast 回 Home Network
  - 除了註冊外，還有其他功能
    - 1.Discover HA 的 address
    - 2.如果沒有 HoA，會 discover HoA
    - 3.續期
    - 4.回到home network 會 Deregister (登出) with the HA
    - 回顧：
      - directed broadcast
        
        broadcast in the other subnet. （1~3）
      - limited broadcast
        
        broadcast in the same subnet. (4)
  - - S：Simultaneous bindings
      - (同時binding 多個 CoA，為了同時 tunnel，解決重疊問題)
    - B：Broadcast datagrams
      - (broadcast在原來的subnet)
    - D：Decapsulation by mobile terminal
      - (MH 不想用 FA，叫 HA 直接 tunnel 給 MH)
    - Lifetime：原本由 HA 決定
      - 0 代表 MH 要登出
    - HoA
      - Preconfigured(預先配置)
      - 填 0.0.0.0 代表沒有IP
    - HA
      - Dynamic Home Agent Address Resolution：不知道 HA 的 IP
        
        (MH 傳 RRQ 到 HA 的 subnet-directed broadcast，HA 拒絕，MH 就從拒絕地址得知 IP)
    - Identification
      - Matching RRQ and RRP
      - 有點像 Sequence Number 防 replay attack
    - One or more Extension Fields
      - Mobile-Home 認證 Extension
- Registration Reply (RRP)
  - - Code
      - RRQ的結果
    - Lifetime
      - successful registration：會顯示剩餘秒數
      - zero：代表之前登出已成功
      - Failed registration：若為空，則這代表沒註冊成功
- Returning to the Home Network
  - Broadcast Gratuitous ARP(更新 cache)
  - Deregistration Request
- Mobile-Home Authentication Extension(security再講)
- Fields protected by MIP Mobile-Home Authentication Extension
- Vendor/Organization Specific Extensions to Mobile IP Messages
  - 允許網絡運營商添加特定信息
  - CVSE
    - 如果不認得 CVSE，就把整個 msg. 都不要
  - NVSE
    - 如果不認得 NVSE，只無視 NVSE，其他msg. 繼續處理
- Reverse Tunneling
  - Ingress filtering：之前講過
- Limitations(局限性) of MIPv4
  - MIP的優點
    - IP routing 不變
    - backward compatible(向下兼容)
  - MIP的缺點
    - Triangular routing(Delay 可能很長)
    - HA Relayed Delivery，可能太忙，會crash
    - Potential long handoff delay (RRQ可能要很久，從舊到新)
    - deregistration 不足
      - FA only deregister of FoA(MH) by life time.
- MIPv4 route optimization(優化)
  - Correspondent Node(CN)
    - 可以看成 CH
  - Binding Cache
    - Map HoA to their CoA
  - Binding Update
    - 送 MH 目前的 CoA 給 CH
  - CH 直接用 CoA 會斷線
  - IETF 最後沒採用，因為安全性問題
  - 為什麼要經 HA 來做 Binding Update 而不用 MH 回訊息時直接更新？
    - 安全性問題，從 MH 角度來看，CH 和 HA 做比較安全，若要和 MH 建立驗證則會太多，相對 HA 來得較少和好管理。
    - continuity 問題
      - 若連線期間MH又換至其他網域，原連線(MH<->CH)斷掉(退回 discrete connection)，喪失MIPv4初衷。
  - scalability(量少較好)
- Mobile IPv6
  - 和 MIPv4 不同點
    - address 變長
    - 有 extension header(有安全性)
  - MH 可以直接和 CH 做 Binding Update
  - 沒 FA，只用 Co-located CoA
  - IPv6 的 Neighbor Discovery 可以 detect movement
  - Binding
    - 目的：HoA <–-Map–-> CoA
    - Binding Update(BU) [FN -> HN] (似MIPv4 RRQ)
    - Binding Acknowledgment(BA) [HN -> FN] (似MIPv4 RRP)
    - IPsec (一群security)
  - Packet Delivery (數據傳送)
    - Bi-directional tunneling mode
      - 類似 MIPv4 的 reverse tunneling
    - Route optimization mode (常用)
      - 解決了 MIPv4的問題
        
        security issue(再講)
        
        continuity issue
      - HoA 和 CoA 都帶著，一個放 base header，一個放 extension header
  - Movement Detection
    - 用 IPv6 Neighbor Discovery
    - Router Advertisement
    - 似MIPv4, not standardlized
      - lower layer has better solution, 但不在IETF管理的範圍內
  - Sending Packets Directly to Mobile’s Care-of Address(CH -> MH)
    - 用 MIPv6 routing header format
      - Destination Address: CoA
      - Next Header: routing header
      - Home Address: HoA
    - 當 MH 收到 packet 後，MH -> CH
      - Source Address: HoA
      - Next Header: destination header
      - Home Address: CoA
      - Segments Left
        
        一開始設成 1，對調後就減 1，這樣就回去了
  - Sending Packets While Away From Home(MH -> CH)
    - 用 Destination Options Header
    - CoA 和 HoA 視情況使用
    - replace the source IPv6 address
    - 為什麼分 routing header 和 DOH？
      - 希望 HoA 和 CoA 都帶著，必要時替換，看要取代 src 或 dst
      - RH: swap dst(CH -> MH)
      - DOH: swap src(MH -> CH)
  - Formats of Binding Update and Binding Acknowledgement Messages
    - Mobility Header
      - 其中一種 extension header
      - 傳 BU 和 BA
      - Payload Protocol (= next header)
      - Checksum
        
        parity check(奇偶校驗)
      - Message Data
        
        MIPv6 BU message
        
        sequence number: 防 replay attack
        
        life time: remaining time of binding before expired. 像RRQ
        
        A (Acknowledge)：回 ack
        
        L: 複習IPv6
        
        H (Home Registration)
        
        Mobility Options
        
        一定有 CoA
        
        Alternative Care-of Address option：carry a mobile's CoA
        
        MIPv6 BA message
        
        Status：BA 回BU成功或失敗的訊息
        
        Mobility Options：和 security 有關
Mobility Management in 3GPP Packet Switch Core Networks
- Different Scopes of Mobility
  - 樹狀架構
  - Inter-Node B Handoff
    - 變 Radio Bearers(RB)
  - Inter-RNC Handoff
    - 變 I_u Bearers 和 RB
  - Inter-SGSN Handoff
    - Update the PDP context
    - 建新的 CN Bearers
    - 變 I_u Bearers 和 RB
  - Inter-GGSN Handoff
    - Create a new PDP context
    - 建新的 CN Bearers
    - 變 I_u Bearers 和 RB
- Packet Mobility Management (PMM) Context and States
  - PMM context
    - a set of information
    - track the mobile’s location
  - PMM state
    - How the mobile’s location should be tracked by the network
  - Maintained by SGSN and mobile station
- PMM States
  - PMM-DETACHED State
    - SGSN 沒有連接 MH
  - PMM-CONNECTED State
    - 已連接
    - 有 signaling connection
  - PMM-IDLE State
    - 有些有，有些沒有
    - SGSN 只知道 MH 在 Routing Area 底下(大概位置)
- PDP Context
  - 若從 CONNECTED -> IDLE，可以在 GGSN 和 SGSN 之間繼續保持 ACTIVE state
    - 好處：GGSN 知道 MH 在 SGSN 底下，容易 paging
- PMM state transition machines
  - mobile 和 SGSN 之間的不同
    - SGSN 的 PMM-CONNECTED 有 Serving RNS Relocation
- Synchronization 同步
  - state 不同步時做更正
    - Routing Area Update(RAU)
    - paging
- Location Management for Packet-Switched Services
  - Location Concepts
    - RAN 用
      - Cell Area
      - UTRAN Registration Area(URA)：一群 Cell
    - CN 用
      - Location Area(LA)：一群 Cell (CS services)
        
        1 個 LA 處理 1 MSC/VLR
        
        Location Area Identifier (LAI)
      - Routing Area(RA)：一群 Cell (PS services)
        
        1 個 RA 處理 1 SGSN
        
        Routing Area Identifier (RAI)
    - URA, LA, RA 範圍沒有必要一樣大
  - Location Tracking
    - PMM-IDLE state
      - => RRC IDLE/CONNECTED
      - RRC-CONNECTED in CS domain, 但PMM 在PS domain
    - PMM-CONNECTED state
      - SGSN 知道 MH
      - => RRC-CONNECTED
    - RRC States
      - MH 到 RNS
      - RRC 是 CS 和 PS 共用的
        
        (note) RRC: connection b/w MS and RNC
- Routing Area Update(RAU)
  - 何時執行 RAU
    - 進入新的 RA (movement base)
    - 時間到期 (time base)
    - Network 命令
    - Network Capability changes (例：加密)
  - Intra-SGSN RAU (在移動)SGSN沒變
    - SRNS (serving-Radio Network System)
    - Target SGSN 請 Source RNC 把 Data Forward 給它
    - 1.先在 PMM-CONNECTED state
    - 2.傳 RAU Request 到 Target SGSN
  - Inter-SGSN RAU (在移動)SGSN有變
    - 1.傳 RAU Request 到 Target SGSN
    - 2.Target SGSN 向 source SGSN to 認證 the mobile’s P-TMSI
    - 3-1.認證為 Positive，跳過 4，把 PMM context and PDP context 拿到
    - 3-2.認證為 Negative，做 4，或重新做一次認證
    - 4.做雙箭頭(Security Procedure)
    - 5.剩下的
    - 簡單版：舊的東西把它轉到新的地方，新的連線建起來，舊的連線切掉。
- Serving RNS Relocation(搬遷)
  - Radio Network System(RNS): 包含RNC and Node B
  - 原本(左圖):
    - 舊的沒切掉，用I_ur interface tunnel 到 Target RNC
    - 好處：
      - Reduce handoff lantency.
    - 壞處：
      - Routing path may be too long.
        
        若從SoureceRNC->TargetRNC₁-> TargetRNC₂-> … ->TargetRNC_n, Path變太長
      - Source(Serving)RNC may be bottleneck.
        
        Source(Serving)RNC 多服務不屬於自己服務範圍的user.
      - summary: 占用資源比較多，路徑變長，多個RNC同時服務 1 個 user
  - 超過容忍值後, Serving RNS Relocation(右圖)
  - 什麼時候做？
    - 用演算法去決定
- Hard Handoff
  - 這是 Network 決定 Handoff 的 call flow
  - 由 source RNC initiate(起頭)
  - RNC 可理解成基地台
  - Relocation Request Acknowledge
    - Target RNC to Source RNC Transparent Container
  - RRC Message 1
    - Source RNC -> MH
    - 舊基地台告訊你新基地台的info.
  - RRC Message 2
    - 我已經連上新基地台的info.
- Paging Initiated by Packet-Switched Core Network
  - 由 SGSN initiate
  - 有 Type 1 和 Type 2 Paging
- Service Request Procedure
  - MH 要求 PSCN 傳東西就是 Service Request
  - 在 PMM-IDLE state 會把 signaling connection 建起來
  - 在 PMM-CONNECTED state 會把 resource 保留起來

4G

Outline
- EPS(Evolved Packet System) = LTE(4G的RAN) + EPC(4G的CN)
- Rel-5：3G
- Rel-8：4G
- Rel-15：5G
LTE Objectives
- Compatibility with earlier releases and with other systems
- 和舊的一定要相容
3GPP Architecture (R8)
- 3GPP Evolved Packet System (EPS)
  - Radio Side (LTE)
    - 作品：E-UTRAN
  - Network Side (SAE)
    - 作品：EPC
- PS Only，沒 CS
- VoLTE (voice over LTE)
  - 用 packet 傳 voice
  - 台灣目前4G只服務網路，打電話用CS Fall Back 回到 3G
- 3GPP, non-3GPP(such as wifi) (trusted and nontrusted)
- AIPN (the "all-IP" network)
- Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS)
  - Multicast – 節省頻寬
- Flat architecture
- Network sharing
  - 基地台共構
3GPP SAE Architecture
EPS Architecture
- - 虛線：Control plane
  - 實線：Data plane
  - S-GW 類似 SGSN
  - P-GW 類似 GGSN
- Home Subscriber Server (HSS)
  - A central database about all the network operator’s subscribers
- Policy and Charging Rules Function (PCRF)
  - 做決策：policy and charging
- Mobility Management Entity (MME)
  - 只有在 control plane
- Serving Gateway (S-GW)
  - Interface between E-UTRAN and CN
  - Packet are routed through S-GW for intra E-UTRAN mobility
    - Packet 可以送到 S-GW 就好，不用到 P-GW
- Packet Data Network (PDN) Gateway (P-GW)
  - 類似 GGSN (HA)
  - Policy enforcement
  - PCRF 叫它做就做
- E-UTRAN Architecture
  - 與 UTRAN 的差別
    - eNodeB 可以直接對連，用 X2 interface
    - 沒有 RNC，被 eNodeB，MME，S-GW 取代
- eNodeB
  - RRC 跑到 eNodeB 底下
Comparison between EPS and UMTS
- S-GW 負責 user plane
- MME 負責 control plane
- 兩個 plane 可以分開改善(或加減)
- Summary
  - Flat architecture (latancy 變低)
  - control plane 和 user plane 分開
  - PS only
  - Roaming between 3GPP and non-3GPP
  - Packet 可以送到 S-GW 就好，不用到 P-GW
- Control Plane
  - 第四層(L4)由 TCP/UDP 變成 SCTP (IETF發明的)
  - S1-AP 在應用層(L5)
  - Diameter (IETF 定的 protocol)
    - 做 AAA 的事情
    - Authentication 認證
    - Authorization 授權
    - Accounting 計費
    - RADIUS <- 舊的 protocol
      - cons:
      - scalibility not good
      - not good for accounting
- User Plane
  …

–––––––-第三次第四次考試分隔線–––––––-

5G

feature

D2D (Device-to Device Communication)
- 透過其他機器、人幫忙傳
MTC (Massive Machine Type Communications)
- Machine to machine (有一大堆機器要上網 ex. IoT)
- wireless sensors
  - Low data rate (low power)
  - low cost, low energy
MN (Moving Networks)
- 車載網路 (高速)
- V2X (Vehicle to X[可以是任何東西] communication)
UDN (Ultra Dense Networks)
- macro(30km), micro(2km), pico(200m), fento(10m) cell
- fento cells 傳輸率高，可是很近 => 密集部屬
- 把不同種類都整合起來，達到最有效率使用
- 可能根據不同的行為模式來改變使用種類 (ex. 待在家裡沒有移動、作高鐵時)
URC (Ultra-Reliable)
- availability * reliability

Implement

Network Slicing
NFV
SDN

Security

Intro.

AAA
- 認證（Authentication）
- 授權（Authorization）
- 計費（Accounting）
Integrity
- 完整性、不可竄改
Confidentiality or Privacy
- 保密，只有授權用戶才能理解(ex. encrypted file)
Availability
- 確保合法者都可以連上 (ex. DoS)
Non-repudiation
- 不可抵賴性 (log,做過的事情都有記錄)

Security Attack

Passive
- 不搞破壞
- 竊聽、偷資料等
Active
- 破壞
ex.
- DoS (Denial-of-service)
- Masquerade (假冒)
- Man in the middle
- Replay (雖然我不知道密文解法，但是我可以把他複製重送一次)
- Dictionary (字典檔攻擊)
- 弱密碼、預設帳密
- 後門
- …

Encryption

Encrypt 加密
- plaintext(cleartext)明文 -> ciphertext密文
Decrypt 解密
- ciphertext -> plaintext
種類
- Secret-key (密鑰系統)
  - 共享相同的 key (Symmetric)
  - 比較快
  - DES、AES
  - CBC、ECB、CTR、OCB、CFB、GCM、…
- Public-key (公鑰系統)
  - 公私鑰分開 (Asymmetric)
  - 速度較慢
  - RSA
    - use two large prime numbers be the public key/secret key
  - ECC
  - 缺點：怕man in middle attack改public key

MSG Authentication

integrity & authenticate
確認資料完整性
確認資料真的是誰送出的
- 有 key 的 MAC 才能
- symmetric key 了話只能雙方有，第三方有就不能驗證了
one-way hash
- 無 key: SHA、md5…
- 有 key: HMAC
MSG Auth. code (MAC)

Digital Signature (數位簽章)

驗證是否真的某人送出的資訊
基本上就是 public-key MAC
Download Public 時可能會被 man-in-middle => 簽 CA (可信任第三方)
PKI (public key infrastructure)
- 把 public 放到可信任第三方(CA) 託管
- CA 的 public 預設已經存在你的電腦裡了
- 用 CA 的 public 驗證你下在別人的 public
- X.509: ITU 標準
- CA 互簽

IPsec (IP Security)

一群 protocols
IETF 定義
- IPv4 選用
- IPv6 必用
- AH (Authentication Header)
  - data integrity(主要) and authentication
- ESP (Encapsulating Security Payload)
  - provides confidentiality services
  - integrity & confidentiality(主要) 都可以做
- Operation
  - Transport
  - Tunnel
- SA (Security Association)
  - Security (key) 的互相關聯
  - 一系列資訊由兩個 node 維護
    - 要提供哪些安全服務
    - 如何提供 (實作)
  - SAD (SA Database) 存三個資訊
    - Protocol: AH or ESP
    - Dest. IP address
    - SPI (Security Parameter Index): 用來尋找最終的 SA (同一個 SA、同一個 IP 還是有可能有多個 SA(用不同實作可能有不同 key))
  - Diffie-Hellman (DH) Algo.
- AH (Authentication Header)
  - Header format of AH
  - mac 就是 Auth. Data (integrity & Auth.)
    - Integrity Check Value (ICV)
      - MAC by SA
    - 32bits
    - Computed over (需要保護的範圍)
      - immutable IP header fields (傳輸過程中不會改變的欄位 ex. TTL 就會變)
      - AH header
      - upper level proto. data
  - Sequence Number: 避免 replay attack
  - AH in IPv4 in transport mode
  - AH in IPv6 in transport mode
  - AH in tunnel mode
- ESP (Encapsulation Security Payload)
  - 把原來的 Payload 包起來變成亂碼
  - ESP in IPv4 in transport mode
  - ESP in IPv6 in transport mode
  - Header
    - SPI
    - Sequence Number
  - Trailer
    - Padding
      - 補齊bit
      - 加一些無意義的東西把原始資料隱藏起來
    - Pad Length
    - Next Header

Security in Wireless Networks

Security Provisioning
- 產生和分發 credentials(憑證) to user and network
- In GSM
  - \(K_i\) 為 secret key (在SIM卡內)
- In IS-41
  - A-key 為 secret key (手動Key進去手機)
Authentication and Key Agreement (AKA)
- For GSM
  - Challenges the user (Authentication)
  - and expects a correct response (Key Agreement)
Security in GSM
- 3 Algorithms
  - A3: authentication (認證)
  - A5: stream cipher algorithm (加密演算法)
  - A8: cipher key generation (產生 secret key)
- Weakness
  - 不能認證 network
  - visited system 可能不安全
  - 假設 core network 是安全的
  - 64bit 的 \(K_c\) 可能不安全(不夠長)
  - 沒有 end-to-end encryption
  - 沒有 integrity check
Security in GPRS (2G->3G)
- 沒 integrity
- Confidentiality: GPRS Encryption Algorithm (GEA)
  - MS <–> SGSN
  - uplink 和 downlink 用不同的加密方法
  - - 用到 exclusive or (因為做2次就還原)
    - 比 GSM 快很多
Security in 3GPP
- Network Access Security
  - Authentication and Key Agreement (AKA)
  - - 重點
      - Mutual authentication (相互認證)
        
        Master Key 可分別真假的電信業者
      - 先產生一堆 AV，需要時直接用
    - Authentication Vector (AV)
      - a cipher key (CK)
      - an integrity key (IK)
      - an authentication token (AUTN)
    - Anonymity Key (AK)
      - 隱藏 sequence number (SQN)
  - UMTS Encryption Algorithm (UEA)
    - 比 GEA 多一些 input，更好用一點
  - UMTS Integrity Algorithm (UIA)
    - 做 integrity check
    - 若 IK 一樣 => Master Key 一樣
- Network Domain Security
  - PS 用 IPsec
  - CS 用 MAPsec

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