网络交换子系统

GSM系统的组件

网络交换子系统又称GSM 核心网，是GSM系统的一个组件，它为基站网络上的移动电话漫游实现电话交换和移动性管理功能。

移动交换中心（MSC）

描述

移动交换中心（Mobile Switching Center，简称：MSC）是GSM/CDMA的主要业务交付节点（Service Delivery Node），负责语音呼叫和短信，以及其它业务（例如电话会议、传真，以及电路交换数据）的路由。

MSC建立（set up）和拆除（release）端到端连接，在呼叫过程中，处理可移动性（mobility）和切换（hand-over）需求，并处理计费和实时预付费账户监视。

在GSM移动电话系统中，与早期的模拟业务（analogue services）相比，传真和数据信息被直接以数字编码后的形式发送给MSC。仅仅是在MSC，它被重新编码为一个“模拟”（analogue）信号（尽管实际上这将几乎完全意味着声音在一个64-kbps的时隙中被数字编码为PCM信号，在美国被称为一个DS0）。

在不同的上下文中，MSC存在各种不同的叫法，这也反映了它们在网络中的复杂角色。尽管所有这些术语都可以是指同一台MSC，但是在不同的时候做的是不同的事情。

网关移动交换中心（GMSC）

网关MSC（Gateway MSC，简称：GMSC）是这样一个MSC：它确定被叫签约用户目前正位于哪个拜访（visited）MSC。它也与PSTN进行接口。所有的移动到移动呼叫，以及PSTN到移动呼叫，都被通过一个GMSC路由。这个术语仅在一个呼叫的上下文中有效，因为任何一个MSC都可能同时提供网关功能和拜访MSC功能。然而，一些制造商会设计专用的大容量MSC，不负责与任何BSS连接。这些MSC对于它们所处理的大部分呼叫来说都是GMSC。

拜访移动交换中心（VMSC）

拜访MSC（Visited MSC，简称：VMSC）是客户当前正在位于的MSC。与该MSC相关联的VLR将拥有该签约用户的数据。

锚附移动交换中心

锚附MSC（anchor MSC）是发起切换的MSC。

目标移动交换中心

目标MSC（target MSC）是将要切换到的MSC。

移动交换中心服务器（MSCS）

一个移动交换中心服务器（Mobile Switching Center Server，简称MSCS）是从3GPP第4发行版开始的，对MSC概念进行的重设计中的一部分。MSCS是MSC的一个软交换变种（soft-switch variant），它为漫游到它所服务的区域的移动电话提供电路交换的主叫（calling）移动性管理和GSM业务。MSCS功能使得控制（信令）和用户平面能够分离（网元中的集合信道被成为媒体网关/MG），从而保证了网络中的网元的更好的布置。

MSS和MGW多媒体网关（Media Gateway）使得通过使用IP、ATMAAL2以及TDM进行交换的跨连接（cross-connect）交换呼叫成为可能。更多信息可以在3GPP TS 23.205中可以被找到。

连接到MSC的其它GSM核心网网元

MSC连接到如下的网元：

实现的动作

MSC实现的动作（procedures implemented）包括：

归属位置寄存器（HLR）

归属位置寄存器（Home Location Register，简称：HLR）是一个中心数据库，包含被授权使用GSM核心网的各个移动电话签约用户的详细信息。每个公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，简称：PLMN）中都可以有多个逻辑的或物理的HLR，但是一个IMSI/MSISDN配对，在同一时间只能被关联到一个逻辑HLR（可能横跨多个物理节点）上。

HLR存储移动电话运营商所发行的每个SIM卡的详细信息。每个SIM都有一个唯一的识别码，称为“IMSI”，它是每条HLR记录的主键。

另一个关联到SIM的重要数据项就是MSISDN，它是移动电话发起和接收呼叫所使用的电话号码。主MSISDN是用于发起和接收语音呼叫和短信的号码，但是一个SIM有可能拥有第二个MSISDN和它关联，用于传真和数据呼叫。每个MSISDN也是HLR记录的一个主键。只要一个签约用户还是该移动电话运营商的一个用户，就会有HLR数据存储。

HLR中的一条IMSI记录存储的其它数据的例子：

HLR直接接收并处理来自GSM网络中的网元的MAP事务和消息，例如当一个移动电话来回漫游的时候，收到“位置更新”（location update）消息。

连接到HLR的其它GSM核心网网元

HLR与如下的网元相连：

实现的动作

HLR的主要功能是管理SIM和电话经常到处移动这个事实。HLR实现了如下动作来处理它们（procedures implemented）：

鉴权中心（AuC）

描述

鉴权中心（Authentication Center，简称：AuC）是一个对各个对GSM核心网的连接的尝试（通常是在电话开机的时候进行）的SIM卡进行鉴权的功能。一旦鉴权成功，HLR就被允许管理该SIM以及上面描述的服务。一个密钥（encryption key）也被生成，它将随后被用于加密所有的移动电话和GSM核心网之间的无线通信（语音、短信，等等）。

如果鉴权失败，则对于那个SIM卡和它所尝试的移动电话运营商来说，没有任何业务是可用的。在下面的EIR一节描述了另一个的附加的对该移动电话的序列号进行的身份识别的形式，但是这与AuC处理无关。

在AuC之中和之外的安全性的正确实现，是运营商避免SIM克隆的一个关键部分。

AuC不直接参与鉴权过程，而是生成被称为“三元组”（tiplets）的数据，供MSC在这个过程中使用。该处理的安全性依赖于AuC和SIM之间的共享密钥（shared secret），称为“Ki”。Ki在制造SIM卡的时候被秘密地烧制在其中，同时被安全地复制到AuC中。这个Ki从不会被在AuC和SIM之间传输，但是会被关联到IMSI来产生一个挑战/响应（challenge/response）用于身份识别，以及一个被称为“Kc”的密钥（encryption key）来在空中通信上使用（air communications）。

连接到AuC的其它GSM核心网网元

AuC连接到如下的网元：

实现的动作

AuC为每个IMSI存储如下的数据：

当MSC向AuC询问一个特定IMSI的新的一个三元组集合的时候，AuC首先生成一个被称为“RAND”的随机数。这个RAND随后被关联到Ki来生成如下两个数字：

号码（RAND, SRES, Kc）形成一个三元组，被发回给MSC。当一个特定的IMSI请求接入GSM核心网时，MSC将三元组的RAND部分发送给SIM。该SIM将这个号码，以及Ki（烧制在SIM中的）送入适当的A3算法，而SRES被算出并发回给MSC。如果SRES匹配在三元组中的SRES（如果是一个合法的SIM的话，就应该匹配），则该移动电话就被允许附着（attach），并继续使用GSM业务。

在成功鉴权之后，MSC向基站控制器（Base Station Controller，简称：BSC）发送密钥Kc，这样所有的通信都可以被加密和解密。当然，移动电话可以通过将鉴权期间所提供的相同的RAND和Ki一同送入A8算法，来自己生成Kc。

AuC通常和HLR一起布置，尽管这不是必须的。尽管这个过程对于大部分的日常使用来说是安全的，但它不保证不被突破。因此一个新的安全性措施被为3G电话而设计。

A3算法被用于加密GSM蜂窝通信。实践中，A3和A8算法基本上被一起实现（称为A3/A8，参见COMP128）。按照3GPP TS 43.020（在Rel-4之前是03.20）中的定义，一个A3/A8算法被在SIM和GSM网络AuC中被实现。它被用于对客户进行鉴权，并生成一个密钥，来加密语音和数据流量。尽管有现成的实现A3和A8算法的例子，但它们的开发被认为是各个独立的GSM网络运营商的事情。

拜访位置寄存器（VLR）

描述

拜访位置寄存器（Visitor Location Register，简称：VLR）是一个数据库，用于存储漫游到一个MSC所提供服务的范围的签约用户的数据。网络中的每个主要基站都严格地仅由一个VLR来提供服务（在MSC池的情况下，一个BTS可能由多个MSC提供服务），因此一个签约用户不会同时出现在超过1个VLR上。

存储在VLR中的数据要么接收自HLR，要么从MS（移动台，英文：Mobile Station）采集。实践中，由于性能原因，大部分供应商将VLR与VMSC集成在一起，即使没有这么做，VLR也被通过适当的接口，紧密地与MSC联系在一起。不论何时，一旦MSC发现它的网络中出现了一个新的MS，除了在VLR中创建一条新的记录之外，它还更新该移动签约用户的HLR，将该MS的新位置告知它。如果VLR数据被损坏，可能会导致短信和呼叫业务的严重问题。存储的数据包括：

连接到VLR的其它网元

VLR连接到如下网元：

实现的操作

VLR的主要功能是：

设备身份寄存器（EIR）

主条目：中央设备标识寄存器

设备身份寄存器（Equipment Identity Register，简称：EIR）是一个数据库，存储关于移动设备的身份相关的信息，以防止来自被盗的、未授权的或有缺陷的移动台的呼叫。一些EIR同时有能力对手机请求尝试记录日志，并将其保存在一个日志文件中。EIR通常和HLR集成在一起。EIR保留一个要被本网络禁止或监视移动电话列表（由IMEI来区分）。这个被设计为允许对被盗电话的追踪。理论上，关于所有被盗移动电话的所有数据都应当通过一个中心EIR被分发到全世界所有的EIR。但是，很明显，在一些国家没有运营这项业务。EIR数据不必要实时更新，也就意味着此功能不必像HLR功能达到那么高的分布式程度。

其它支撑功能

计费中心（BC）

计费中心（Billing Center，简称：BC）负责处理由VLR和HLR生成收费单（toll tickets），并为每个签约用户生成一个账单。它也负责为漫游签约用户生成账单数据。

短信中心（SMSC）

主条目：短信中心

短信中心（Short Message Service Center，简称：SMSC）支持短信的发送和接收。

多媒体消息中心（MMSC）

多媒体消息中心（Multimedia Messaging Service Center，简称：MMSC）支持向（或从）能够使用多媒体消息（MMS）的手机发送（或接收）多媒体数据（例如，图片、音频、视屏，以及其它组合）。

语音信箱系统（VMS）

语音信箱系统（VoiceMail System）记录并存储语音留言。

合法监听功能

主条目：合法监听

根据美国法律，也被照搬到许多其它国家，尤其是欧洲，所有的电信设备都必须提供设施用于对被选中的用户的呼叫进行监听。必须有一定程度的支撑，以便它能被建立在任何不同的网元中。按照相关的美国法律，“合法监听”的概念也被称为“通信协助执法法”（Communications Assistance for Law Enforcement Act，简称：CALEA）。基本上，合法监听的实现和电话会议的实现类似。当A和B在相互谈话时，C可以进入这个通话，并静默地收听。

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