📘 AI時代系列(4)：AI 驅動的電信網路規劃與設計 🌐
25/100 第三週：📌 核心網與數據承載
25. Diameter、SIP、GTP 協定解析 —— 三大協定支撐核心通信
________________________________________
🎯 單元導讀
在 4G/5G 網路的核心通信中，有三個協定至關重要：
• Diameter：負責認證、授權、計費（AAA）。
• SIP（Session Initiation Protocol）：負責語音/多媒體會話控制。
• GTP（GPRS Tunneling Protocol）：負責數據承載與轉送。
這三大協定分別支撐 控制面、語音服務與用戶面數據，是核心網運作的基石。
________________________________________
🧠 一、Diameter 協定
• 用途：認證（Authentication）、授權（Authorization）、計費（Accounting）。
• 運作層級：應用層協定，基於 TCP/SCTP 傳輸。
• 應用場景：
o 用戶接入網路時的認證（與 HSS/AUSF 交互）。
o 資源授權，確保使用者有足夠資源。
o 計費與流量管理（與 PCRF/PCF 互動）。
• 特色：是 RADIUS 的後繼者，更適合高吞吐量與多服務的行動網路。
________________________________________
🧠 二、SIP 協定
• 用途：建立、修改、釋放語音與多媒體會話。
• 運作層級：應用層協定，基於請求/回應模型（類似 HTTP）。
• 運作流程：
o INVITE：發起通話。
o TRYING / RINGING：對方響鈴。
o 200 OK：接聽。
o ACK：會話建立完成。
• 應用場景：
o VoLTE（4G IMS 架構下的語音服務）。
o VoNR（5G IMS + 5GC 語音服務）。
o VoWiFi（Wi-Fi 語音）。
________________________________________
🧠 三、GTP 協定
• 全名：GPRS Tunneling Protocol。
• 用途：在核心網中承載與轉送用戶數據。
• 運作層級：隧道協定，承載在 IP/UDP 上。
• 種類：
o GTP-C（Control Plane）：控制承載建立/修改/刪除（SGW/PGW，SMF/UPF）。
o GTP-U（User Plane）：實際承載用戶數據。
• 應用場景：
o 4G EPC 中，eNodeB → SGW/PGW 的數據隧道。
o 5G 5GC 中，gNodeB → UPF 的數據隧道。
________________________________________
🔁 四、ASCII 協定定位
控制面 (Control Plane) ── Diameter ──► 認證 / 授權 / 計費
語音會話 (IMS Service) ── SIP ───────► 建立 / 修改 / 釋放通話
用戶面 (User Plane) ──── GTP ───────► 數據承載 / 隧道轉送
這張示意圖點出了行動網路三大關鍵協定在不同平面的角色：控制面 (Control Plane) 主要依靠 Diameter，負責使用者的認證、授權與計費；語音與多媒體會話 (IMS Service) 透過 SIP 進行建立、修改與釋放，確保通話能順利進行；而 用戶面 (User Plane) 則由 GTP 負責資料承載與隧道轉送，將實際的數據流量送往網際網路。
👉 總結來說，Diameter 管理「誰能上網」、SIP 決定「怎麼講話」、GTP 負責「資料怎麼走」，三者共同構成了 4G/5G 網路服務的完整基礎。
________________________________________
🧪 五、應用場景
1. 用戶上網：UE 連網時 → Diameter 認證 → GTP 建立隧道 → 成功上網。
2. VoLTE/VoNR 通話：UE 發起 SIP INVITE → IMS 處理 → GTP 提供語音數據承載。
3. 計費管理：用戶購買 10GB 流量 → Diameter 與 PCRF 控制流量 → GTP-U 傳送封包。
________________________________________
⚙️ 六、AI 在協定運作中的角色
• 協定分析：AI 自動檢測 Diameter/SIP/GTP 的異常流量。
• 智慧防禦：AI 偵測 SIP 攻擊（如 SIP flooding）、GTP 攻擊，並自動防護。
• 效能優化：AI 預測流量高峰，自動擴展 GTP 隧道資源。
• 自動排錯：AI 分析協定訊息，協助工程師快速找出掉線或掉話原因。
________________________________________
💭 七、問題與思考
1. 如果沒有 Diameter，行動網路的「認證與計費」會發生什麼問題？
• 認證中斷：用戶在接入網路時需要與核心網的 HSS/AAA 溝通，若無 Diameter，無法完成身份驗證，導致 UE 無法正常註冊。
• 計費失效：計費資訊（如流量、時長、服務類型）無法正確回傳到計費系統，電信商無法收費或控管使用。
• 漫遊與互通受阻：Diameter 是 4G/5G 的標準化信令協定，若缺失，跨網、跨國漫遊的驗證與結算都會出現問題。
👉 結論：沒有 Diameter，就沒有可靠的「身份驗證、授權與計費 (AAA)」，整個商業化運作會陷入癱瘓。
________________________________________
2. SIP 與 HTTP 類似，為什麼特別適合語音服務？
• 文字型協定：和 HTTP 一樣可讀性高、靈活，容易擴展。
• 會話導向：SIP 專為「建立、修改、釋放」即時會話設計，正好符合語音/視訊通話需求。
• 多媒體支援：能與 SDP（Session Description Protocol）結合，協商語音編碼、頻寬、端口，確保通話品質。
• 即時性需求：和 HTTP 單次請求-回應不同，SIP 能維持會話狀態，處理呼叫保持、轉接、群呼等。
👉 結論：SIP 是 IP 語音（VoIP、VoLTE、VoNR）的「通話控制核心」，比 HTTP 更能支援即時多媒體。
________________________________________
3. 在大規模 IoT 網路下，GTP-U 隧道數量激增會帶來什麼挑戰？
• 隧道管理負荷：每個 IoT 裝置可能需要一條 GTP-U 隧道，大量裝置同時上線會讓核心網 (SGW/PGW 或 UPF) 負擔過重。
• 記憶體與表項壓力：路由表、隧道表需維護上百萬甚至上億筆，硬體資源需求大幅提升。
• 延遲與可靠性：過多隧道會增加查表與維護成本，影響傳輸效率，可能導致延遲上升。
• 信令風暴：大量隧道建立/釋放會造成控制面過載。
👉 結論：IoT 帶來的海量 GTP-U 隧道挑戰，正推動 5G 5GC 導入 分散式 UPF、切片化與 AI 智慧管理。
________________________________________
✅ 八、小結與啟示
• Diameter：核心網的 AAA（認證、授權、計費）。
• SIP：語音與多媒體會話的控制核心。
• GTP：數據承載隧道，支撐上網與語音數據流量。
• 三大協定互補：信令、會話、數據三者缺一不可。
• 就像城市運作需要「身分證（Diameter）、電話總機（SIP）、交通道路（GTP）」，這三大協定共同支撐 4G/5G 的核心通信。
