Signalling System 7

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Das Signalling System #7, zu deutsch Signalisierungssystem Nummer 7, (im weiteren SS7 genannt) ist eine Sammlung von Protokollen und Verfahren für die Signalisierung in Telekommunikationsnetzen.
Es kommt im öffentlichen Telefonnetz, in Zusammenhang mit ISDN, Fest- und Mobilfunknetz und seit etwa 2000 auch verstärkt in VoIP-Netzen zum Einsatz. In VoIP-Netzen wird SS7 nur im Zusammenhang mit Media Gateway Controllern angewendet, es darf jedoch nicht mit dem SCCP (Skinny Client Control Protocol) von Cisco verwechselt werden. Die Protokollsammlung ist auch unter anderen Bezeichnungen wie Signalling System Number 7, Zeichengabesystem Nr. 7, Zentrales Zeichengabesystem Nr. 7, ZZS7, CCITT-Zeichengabesystem Nr. 7, Central Signalling System #7 und C7 bekannt.

Von der ITU-T (früher CCITT) werden unter der Bezeichnung „ITU-T Recommendation Q.xxx“ in den Serien Q.600 und Q.700 detaillierte Vorschläge für die Implementierung nationaler und internationaler Signalisierungsnetze erarbeitet. Die Vorschläge werden von normativen Organisationen wie ETSI (European Telecommunication Standardisation Institute) oder ANSI (American National Standardisation Institute) sowie von IETF (Internet Engineering Task Force) durch RFCs in verbindliche Normen umgesetzt.

SS7 ist heutzutage das gängigste und häufig einzige Signalisierungssystem in nationalen und internationalen Telekommunikationsnetzen. In der Folge dieser Popularität wurden diverse Protokolle des SS7-Stapels für SS7oIP (Signaling System Over Internet Protocol) spezifiziert und entwickelt sowie eingesetzt.

Telekommunikationseinrichtungen wie Vermittlungen oder Gateways arbeiten mit SS7-Protokollstapeln, die an die nationalen Normen oder Vorgaben der einzelnen Dienstanbieter angepasst sind. Wie die meisten ITU-T Empfehlungen sind die Serien Q.600 und Q.700 sehr variabel aufgebaut und erlauben eine Vielzahl von Variationen. Daher gibt es im Gegensatz zum Beispiel von IP keinen einheitlichen SS7-Protokollstapel, sondern spezifische Implementierungen.

Geschichte[Bearbeiten]

SS7 wurde 1975 von AT&T entwickelt, um die zuvor in den USA verwendeten Signalling System #5 und Signalling System #6 zu ersetzen. Bei diesen Versionen fand die Signalisierung noch in-band statt, indem bestimmte Töne zur Kommunikation zwischen den Vermittlungsstellen benutzt wurden. Dies führte zu Missbrauch, dem sogenannten Phreaking. Am Endgerät wurden Steuersignale mit dem Ziel eingeschleust, günstiger tarifiert zu werden.

Die ITU-T standardisierte das SS7 im Jahre 1981, so wie sie auch die Vorgänger SS6 und SS5 akzeptiert hatte. Danach verbreitete sich das SS7 schnell weltweit.

Charakteristika[Bearbeiten]

SS7 ist ein zentrales Zeichengabesystem oder „Common Channel Signalling System“. Ein eigener Kanal in einem Übertragungssystem (üblicherweise ein Multiplexsystem) überträgt die Signalisierungsinformationen für alle Nutzerkanäle (bearer channels) bzw. Sprachkanäle. Diese Signalisierungsinformation kann zum Beispiel Informationen über gerufene oder rufende Nummer, Gebühren, besetzt, Rufnummer unbekannt etc. enthalten.

SS7 ist ein hocheffizientes Protokoll, das, im Vergleich zu anderen Kommunikationsarten, mit vergleichsweise geringen Datenmengen auskommt. So ist in den meisten Fällen eine Datenrate von 64 kbit pro Zeitschlitz ausreichend, um mehrere E1-Verbindungen zu bedienen. Es können mehrere 64-kbit-Zeitschlitze zusammengefasst werden, falls ein Zeitschlitz für die Signalisierung nicht ausreicht. In den USA (ANSI) sind anstelle von E1-Verbindungen T1-Verbindungen im Einsatz. Anstelle von E1-Verbindungen mit 2 Mbit/s sind es dann nur noch 24 × 64 kbit/s, dies entspricht 1544 kbit/s.

In den Mobilkommunikationsnetzen ist der Signalisierungsanteil wegen der Mobilität und der Nutzung von SMS sehr hoch. Es gibt sowohl im Festnetz, vor allem aber im Mobilnetz, Systeme, welche nur Signalisierverbindungen aufweisen, wie zum Beispiel ein SMS Center.

SS7 bietet Verfahren zur schnellstmöglichen Fehlerbehebung und zum Auffinden von alternativen Pfaden. Die Umschaltzeiten im Fehlerfall oder beim Ausfall eines Knotens liegen in der Regel im Bereich von einigen Millisekunden und sind somit den üblichen Verfahren in IP-Netzen wie dem Internet weit überlegen.
Regulationen und Normen fordern oft Verfügbarkeitsraten von 99,9 % (maximale Ausfallzeit 8 Stunden 45 Minuten pro Jahr) oder 99,999 % (maximale Ausfallzeit 316 Sekunden pro Jahr), die von Telefonbetreibern und Herstellern anhand von Langzeittests und Protokollen nachgewiesen werden müssen.

Signalisierungsprotokolle[Bearbeiten]

Die wichtigsten Komponenten von SS7 sind Empfehlungen, die unterschiedliche Teilaspekte des komplexen Kommunikationsmodells beschreiben:

MTP – Message Transfer Parts[Bearbeiten]

MTP oder Message Transfer Part beschreibt, wie Signalisierungsinformationen übertragen werden. Dazu gehören Definitionen der elektrischen oder optischen Schnittstellen, Details, wie einzelne Nachrichten voneinander getrennt werden und wie einzelne Vermittlungen oder besser im Jargon der ITU-T signalling points adressiert werden.

Darstellung von MTP1 bis MTP3
  • MTP Level 1 legt die physikalischen, elektrischen und funktionalen Parameter für eine Zeichengabestrecke fest. Dazu gehören Spezifikationen wie Taktrate, Spannungen, Kodierungsverfahren sowie Abmessung und Form der Steckverbinder. Üblich sind Schnittstellen, die den Empfehlungen V.35 oder G.703 entsprechen. Level 1 stellt die Bitübertragungsschicht für eine Zeichengabestrecke dar, die in einem digitalen Netz üblicherweise aus einem 64-kbit/s-Kanal besteht.
  • MTP Level 2 legt die Verfahren für einen fehlerfreien Austausch von Nachrichten über eine Zeichengabestrecke fest. Dazu gehören Funktionen, um die Nachrichtenverbindung zu aktivieren oder zu beenden, nach Fehlern zu überprüfen und sie gegebenenfalls zu beheben. Die Nachrichten werden durch Flags voneinander getrennt. Level 2 ist im Aufbau der häufig verwendeten Prozedur HDLC ähnlich, allerdings um einige Funktionen erweitert.
  • MTP Level 3 definiert das Zusammenwirken mehrerer einzelner Zeichengabestrecken. Alle Aspekte, die auf logischer Ebene für den Austausch von Nachrichten zwischen zwei signalling points über mehrere Zeichengabestrecken hinweg gemeinsam sind, werden geregelt. Dazu gehört die Weiterleitung ankommender Nachrichten zur gewünschten Zeichengabestrecke. Die Separierung dieser Funktionen in einem eigenen Level 3 dient auch der Verwaltung des Zeichengabenetzes: Zeichengabestrecken können hinzugefügt werden oder im Fehlerfall auf einen Ersatzweg umgeschaltet werden, ohne dass die Konfiguration auf höheren, abstrakteren Ebenen geändert werden muss.
  • E1 LSL- und HSL-Verbindungen E1 LSL wurden seit der Einführung von SS7 eingesetzt. LSL (Low Speed Link) bezeichnet die Verbindungen, in welchen 64-kbit-Zeitschlitze zum Einsatz gelangen. Da pro Linkset lediglich 16 Zeitschlitze geschaltet werden können, ist die Bandbreite entsprechend eingeschränkt. Dies ergibt pro Linkset lediglich eine Bandbreite von 1 Mbit/s. Seit einiger Zeit sind die HSL (High Speed Link) spezifiziert worden. Die HSL erlauben pro Zeitschlitz eine Bandbreite von 2 Mbit/s, was für ein Linkset eine theoretische Bandbreite von 32 Mbit/s ergeben würde. HSL kommen zum Einsatz, wo die Bandbreite mit LSL zu klein ist. Da aber HSL sehr teuer ist, wird HSL nur dann eingesetzt, wenn zum Beispiel SS7oIP, die preisgünstigste Alternative, (noch) nicht machbar ist aufgrund von fehlenden Anschlussmöglichkeiten im Netz.
  • Linkset bezeichnet die Logische Verbindung zwischen zwei Signaling Point Codes (PCs). Linksets werden nur bei E1-Verbindungen, nicht jedoch bei SS7oIP verwendet. Die Beschränkung auf 16 Zeitschlitze pro Linkset ist auf die fehlenden Bit für den SLC in ITU zurückzuführen, da der SLC (Signalling Link Code) nur 4 Bit aufweist. In ANSI Standard stehen für den SLC jedoch 8 Bit zur Verfügung, was dann 256 Zeitschlitze ermöglicht. Wenn zwischen zwei Pointcodes jedoch mehr Zeitschlitze (Bandbreite) zur Verfügung stehen müssen und HSL nicht möglich ist, muss ein zweites Linkset erstellt werden. Damit dies ermöglicht werden kann, wird im Signalling Transfer Point (STP) ein Capability Pointcode eingerichtet, welcher erlaubt, ein weiteres Linkset zu definieren.

User Parts[Bearbeiten]

In den User Parts werden die Funktionen beschrieben, die einem Benutzer zur Verfügung stehen. Diese Funktionen können vom verwendeten Dienst (ISDN, analoges Telefon, Mobilfunk) abhängig sein und werden deshalb getrennt beschrieben. Die wichtigsten User Parts sind:

  • TUP Telephone User Part ist der einfachste User Part, der nur Basisfunktionen beschreibt. Dazu gehören Informationen wie Verbindungsaufbau (anrufen), Verbindungsabbau (auflegen), besetzt oder Rufnummer unbekannt.
  • ISUP ISDN User Part beschreibt die Funktionen, die ISDN-Benutzern zur Verfügung stehen. Dazu gehört als wichtigstes Element die Beschreibung des Dienstes oder bearer capability. ISDN erlaubt, verschiedene Endgeräte wie Telefon, Fax oder Computer an demselben Anschluss zu betreiben. Bei einer Verbindung im ISDN wird immer eine Beschreibung des Dienst-Typs mitgesendet, damit nur das Endgerät antwortet, das den gewünschten Dienst auch unterstützt. Dadurch wird zum Beispiel verhindert, dass ein Fax-Gerät versucht, eine Sprachverbindung anzunehmen, wenn beide Endgeräte ISDN-fähig sind.
  • DUP Data User part ist gedacht, um spezielle Informationen für Datenverbindungen zu übermitteln.

Der meist eingesetzte Part ist heutzutage ISUP. TUP wird in der Regel nicht mehr verwendet.

SCCP – Signalling Connection Control Part[Bearbeiten]

Signalling Connection Control Part ist eine Schicht, die auf MTP Level 3 aufsetzt und eine End-zu-End-Signalisierung im Signalisierungsnetz erlaubt. Im SCCP werden vier Dienstklassen zur Verfügung gestellt:

  • Klasse 0: Verbindungsloser Basisdienst: Längere Nachrichten können geteilt werden. Für die korrekte Zusammensetzung dieser Teile sind dann höhere Schichten verantwortlich
  • Klasse 1: Verbindungsloser Dienst mit Folgenummern: Diese Nummer (SLS-Code) ist 4 oder 8 Bit lang (ITU-T oder ANSI Standard). Zusammengehörige Nachrichten verwenden den gleichen SLS-Code. Werden mehrere Verbindungen (linkset) für eine Nachricht benutzt, so unterscheidet sich die Folgenummer in den niederwertigsten Bits.
  • Klasse 2: Verbindungsorientierter Basisdienst: Die Signalisierungsverbindung muss Auf- und Abgebaut werden.
  • Klasse 3: Verbindungsorientierter Basisdienst mit Flusskontrolle

TCAP – Transaction Capabilities Application Part[Bearbeiten]

TCAP setzt auf SCCP auf und ermöglicht den darüberliegenden Protokollen, wie zum Beispiel INAP, CAP, MAP und OMAP über das SS7-Netzwerk weltweit zu kommunizieren.

INAP – Intelligent Network Application Part[Bearbeiten]

Über INAP werden die Funktionen für intelligente Netze (IN) abgewickelt. Dazu gehören unter anderem Rufnummernmitnahme (LNP Local Number Portability) oder 0800-Nummern, die abhängig vom Standort des Anrufers zur nächstgelegenen Zentrale weitervermittelt werden.

CAP – CAMEL Application Part[Bearbeiten]

CAP wird in Mobilfunknetzen genutzt und dient der Customised Applications for Mobile networks Enhanced Logic (CAMEL).

MAP – Mobile Application Part[Bearbeiten]

MAP dient der Kommunikation zwischen den verschiedenen Bestandteilen des Mobilfunknetzes (unter anderem HLR, VLR, SMSC). Der Standard kann auch zur Kommunikation zwischen Mobilfunknetzen verschiedener Anbieter verwendet werden und ist somit eine der Voraussetzungen für die Roaming-Funktionalität. Mittels Roaming kann sich ein Teilnehmer in Fremdnetze einbuchen (zum Beispiel ausländischen Mobilbetreiber mit Roamingvertrag oder um Notrufe absetzen zu können, auch wenn der Teilnehmer nicht im Versorgungsbereich des eigenen Betreibers ist). Die abrechnungsrelevanten Bestandteile werden durch Transferred Account Procedure (TAP) übertragen.
Short Messages (SMS) werden nebst dem Roaming und der Steuerung der Gesprächsverbindungen auch im MAP übertragen. Weiter werden auch Funktionen zur Feststellung des Gerätetyps und die IMEI im MAP übertragen, damit mobiltelefonspezifische Konfigurationen vom Mobil-Operator auf das Endgerät übertragen werden können.

OMAP – Operations, Maintenance and Administration Part[Bearbeiten]

Die Funktionen für Betrieb, Pflege und Verwaltung umfassen zum Beispiel Softwarepflege, Konfiguration und das Einrichten von Rufnummernblöcken für Telefonteilnehmer.

Schichtenmodell[Bearbeiten]

SS7 ist dem OSI-Schichtenmodell angelehnt. Die Schichten 1–3 werden dabei als MTP (Message Transfer Part, Nachrichtentransferteil) von SS7 bezeichnet:

OSI-Schichten SS7
Schicht 7 – Application INAP CAP MAP OMAP (ISUP) User Parts: TUP, ISUP
Schicht 6 – Presentation
Schicht 5 – Session TCAP
Schicht 4 – Transport SCCP
Schicht 3 – Network MTP Level 3 oder M3UA
Schicht 2 – Data MTP Level 2 oder M2UA
Schicht 1 – Physical MTP Level 1 oder IP

Der Inhalt dieser Nachrichten wird durch die höchstliegende Schicht bestimmt, die anwendungsspezifisch ist. Die darunterliegenden Schichten werden nur als Transportmittel mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften betrachtet. Mit dem nun heute aufkommenden SS7oIP werden in der gebräuchlichsten Form die unteren 3 Schichten, wie im Diagramm ersichtlich, ersetzt. Von den OSI-Schichten wird in der SS7-Literatur üblicherweise nichts erwähnt, da dies zu Verwirrungen Anlass geben kann. Je nach Verwendung der SS7oIP-Technologien werden dann ganze Schichten eingespart und die verwendeten Schichten können nicht mehr ins OSI Modell übertragen werden, da bis 2 Schichten wegfallen oder eingespart werden können. M3UA ist die gebräuchlichste Schicht im SS7oIP. Weitere Möglichkeiten wären zum Beispiel der Ersatz des SCCP durch SUA, wobei als Beispiel eine Schicht eingespart wird.

Signalisierungsnetz[Bearbeiten]

Das Signalisierungsnetz beschreibt die Geräte, die Signalisierungsinformation austauschen und wie sie zusammengeschaltet werden. Die Beschreibungen hierzu sind sehr weit gefasst und auf einer möglichst abstrakten Ebene angesiedelt, um den Betreibern von Telefonnetzen möglichst viel Freiraum für die Gestaltung zu lassen.

Eine weitere wichtige Funktion des Signalisierungsnetzes ist das Routing. Hier wird beschrieben, wie einzelne Signalisierungsnachrichten von einem Gerät zum nächsten weitergeleitet werden und wie der optimale Pfad in einem größeren Verbund gefunden wird.

Signalling Network Components[Bearbeiten]

  • Signalling Points
SPs sind die einzelnen Geräte, die SS7-Informationen austauschen. Bis auf den STP interagieren alle SPs mit Komponenten außerhalb des SS7-Netzes:
  • STPs (Signalling Transfer Points) sind Einrichtungen, die in komplexeren Netzen Nachrichten zwischen SSPs vermitteln und können als „SS7-Router“ bezeichnet werden.
  • SSPs (Service Switching Points), Orts- oder Fernvermittlungen und Gateways in andere Netze (Voice over IP) oder zu anderen Betreibern im Inland oder Ausland.
  • SCPs (Service Control Points) sind die Einrichtungen im SS7-Netz, die Funktionen des Intelligenten Netzes (IN) abarbeiten.
  • SGs (Signaling Gateways) sind Gateways, die anstelle von Voice nur Signalisierung von E1-Verbindungen auf SS7oIP umwandeln können.
  • IPs (Intelligent Peripheral) sind zum SSP oder SCP verbundene Komponenten die zusätzliche Ressourcen für einen Anruf zur Verfügung stellen. Meistens handelt es sich dabei um Sprachansagen die bei einem Anruf abgespielt werden und mit der man auch interagieren kann (per Tasten oder Stimme).
  • Signalling Links
Beschreiben die logischen Verbindungen mit Redundanz und Bündelung von Leitungen, um die Verfügbarkeit bzw. die Leistung zu erhöhen. Die ITU-T definiert verschiedene Verbindungstypen:
  • A-Link (Access Link) wird zum Beispiel von SSPs (Service Switching Points) verwendet, die an einen STP gekoppelt sind.
  • B-Link (Bridged Link) verbindet zwei STPs (Signalling Transfer Points) miteinander.
  • C-Link (Cross Link) verbindet zwei Signalling Points im Tandem-Betrieb. In der Regel werden Telefonvermittlungen als Paar betrieben (Mated Pair) um eine höhere Ausfallsicherheit zu erreichen. Dieses Paar erscheint logisch als eine einzige Telefonvermittlung.
  • D-Link (Diagonal Link) verbindet einen STP (Signalling Transfer Point) mit einem weiteren STP einer anderen Vermittlungsebene (zum Beispiel mit einem Knoten der nationalen Fernebene).
  • E-Link (Extended Link) verbindet einen SSP (Service Switching Point) mit einem zusätzlichen STP derselben Vermittlungsebene. Dies geschieht hauptsächlich aus Redundanzgründen.
  • F-Link (Fully Associated Link) verbindet zwei SSPs (Service Switching Points), die keine weiteren Funktionen wie „Intelligentes Netz“ (IN) oder Routing benötigen.
  • Signalling Modes
Im SS7 werden nur zwei Modi (Betriebsarten) unterschieden:
  • Associated Mode
  • Quasi Associated Mode

Signalling Points[Bearbeiten]

Typisches SS7 Signalisierungsnetz
  • Originating Point
Das ist der „Absender“, bzw. der Signalling Point von wo aus eine SS7-Nachricht initialisiert wird.
  • Destination Point
Das Ziel einer SS7-Nachricht bzw. der Signalling Point, wo die SS7-Nachricht eintrifft.

Weblinks[Bearbeiten]