Etats RRC – ECM – EMM

Dans un article précédent, Protocole RRC, j’avais conclu par « Le protocole RRC a pour but est de transférer les informations de signalisation entre l’UE et la station de base » (Le protocole S1AP permet ensuite d’acheminer la signalisation au MME), ce qui avait déjà été présenté via cette figure lors de l’article Protocole NAS et AS :

asnas4G

En s’appuyant sur l’article Protocole NAS et AS, j’avais décrit les procédures EMM, ECM et ESM dans l’article EMM, EPS Mobility Management. Il est temps maintenant de conclure cette série d’article et notamment finalisons l’étude de cette figure :

emm_1

Les états EMM et ECM ont été étudiés plus en détail dans l’article ECM, EPS Connexion Management.

Jusqu’à présent, j’avais occulté le protocole RRC alors que ce dernier porte la signalisation NAS. Mais, l’état RRC du mobile évolue de manière duale avec l’état ECM

La figure suivante montre les états de transition entre l’EMM et l’ECM/RRC. Comme on peut le constater, l’état ECM et RRC sont identiques.

Figure 2. EMM State Transition

Cette figure est expliquée dans l’article ECM EPS Connection Management, mais revenons sur les différents états :

Etat A : EMM Deregisterd, ECM/RRC Idle – L’UE vient de s’allumer pour la première fois après avoir souscrit l’abonnement ou allumé après avoir été éteint plusieurs jours. Aucun context UE n’existe sur le réseau LTE

Etat BEMM Deregisterd, ECM/RRC Idle – L’UE s’allume après avoir été éteint pendant un court laps de temps (timer non connu à la rédaction de cet article) ou l’ECM est coupé suite à une perte de la connexion radio

Etat CEMM Registerd, ECM/RRC Connected – L’UE est enregistré sur le réseau LTE et utilise des services. La mobilité est géré par un handover (cellule à cellule pour ne pas couper le trafic)

Etat DEMM Registerd, ECM/RRC Idle – L’UE est enregistré sur le réseau LTE mais n’utilise aucun service. La mobilité est géré par une procédure de reselection de cellule lorsque le mobile passe d’un TAU à un autre.

Quand l’UE s’est attaché au réseau (cf article EMM – Initial Attach), il passe à l’état EMM-Registered et construit le bearer par défaut. Ce bearer est composé de trois partis (cf article BEARER EPS) :

  • DRB : Data Radio Bearer
  • S1 Bearer
  • S5 Bearer

Ces 3 bearers sont établis et restent activés dans l’état C, ECM/RRC Connected – EMM Registered quand l’utilisateur accède à un service et donc des données doivent être échangées.

Mais, dans l’état D, EMM Registerd, ECM/RRC Idle, ou il n’y a plus de trafic utilisateur, seul le bearer S5 est établi et reste actif.

Etat_EMM_ECM

ECM – EPS Connection Management

La connexion ECM (EPS Connection Management) a pour but de mettre en oeuvre des ressources physique (SRB – Signaling Radio Bearer) et des ressources réseaux (S1 bearer) entre l’UE et le MME : La ressource physique génère des supports radios entre l’UE et l’eNb alors que les ressources réseaux génèrent des supports (bearer) entre l’eNb et le MME. Cela permet donc de créer une connexion entre l’UE et le MME (connexion NAS) comme le rappelle la figure ci-dessous (extrait article)

asnas4G

Les procédures de gestion de connexions sont réalisés lors des procédures suivantes :

  • Procédure d’accès aléatoire
  • Procédure d’enregistrement LTE
  • Procédure d’établissement de connexion pour le plan usage
  • Procédure de libération de connexion

L’état de l’ECM permet aussi de déterminer si l’UE est localisé à l’eNb près ou sur un zone nommée Tracking Area. Pour cela, l’ECM décrit l’existence ou non d’une connexion NAS, c’est à dire une connexion entre l’UE et l’EMM selon l’un des deux états suivants :

  • ECM-Idle
  • ECM-Connected.

I) Les états ECM

ECM_idle : L’UE est dans l’état ECM_idle lorsqu’aucune connexion de signalisation NAS existent entre l’UE et le MME, c’est à dire pas de connexion sur l’interface S1_MME. Dans l’état ECM_idle, l’UE est localisé sur une Tracking Area.

Lorsque l’UE est dans l’état ECM_idle, sa mobilité est gouvernée par  la procédure de sélection/resélection de cellules comme indiquée dans la norme 3GPP TS36.304. Dans ce cas, l’UE peut toujours être enregistré et localisé au niveau du MME (donc l’UE est EMM_ENREGISTERED) mais la connexion de signalisation est perdue (ECM_idle).

ECM_Connected : Dans cet état, une connexion NAS est établie entre l’UE et le MME. L’UE est localisé au niveau de l’eNb.

Ainsi, quand l’UE doit transmettre des paquets, l’UE envoie au MME un Service Request pour passer dans l’état ECM_Connected.

II) Les états ECM et EMM

A priori les états ECM et EMM sont indépendants l’un de l’autre, par exemple la transition de l’état EMM-REGISTERED vers EMM-DEREGISTERED peut se réaliser quelque soit l’état ECM de l’UE ou du MME. Cela signifie que l’UE peut faire une demande de détachement dans le mode ECM_idle ou ECM_Connected.

Lorsque l’UE libère la signalisation, ce dernier va dans l’état ECM_idle, mais il reste dans l’état EMM_REGISTERED.

Cependant, certaines transitions nécessitent un état particulier de l’ECM. A titre d’exemple, la transition EMM-Deregistered vers l’EMM-registered se réalise soit pendant la demande d’enregistrement (LTE Attach) soit au cours de la procédure TAU. Dans ce cas, l’UE passe simultanément dans l’état ECM-Connected State..

En combinant maintenant l’état EMM de l’UE, on peut différencier trois premiers cas  :

  • EMM-REGISTERED et ECM_idle

L’UE est localisé dans un zone TA, l’UE étant enregistré possède l’identifiant S-TMSI mais n’a plus de connexion avec le réseau, dans ce cas, l’UE

1 – Peut réaliser une mise à jour de sa localisation.

1-1) Le TAU est déclenché lorsque le TA mesuré par le téléphone est différent du précédent TA ou déclenché périodiquement à la fin du timer T3412.

 1-2) Cela permet de maintenir l’enregistrement de l’UE et d’être toujours localisé par l’EPC (notamment en cas de paging). L’UE envoie ainsi une notification à l’EPC pour l’informer de sa présence.

2 – Est à l’écoute de Paging

  • EMM-DEREGISTERED et ECM_idle

L’UE n’est pas localisé par le réseau, et doit s’attacher avec l’identifiant IMSI.

  • EMM-REGISTERED et ECM_Connected

L’UE est localisé à la cellule près, il y a des échanges de signalisation entre l’UE et le MME et des échanges de données entre l’UE et le SGW.

Sur la figure suivante, on présente les états de transitions entre les états ECM et EMM.

ECM_EMM

EMM Procédure – Initial Attach

Au cours de l’article précédent, nous nous étions intéressés aux états EMM de l’UE et du MME. Nous avons notamment vu que le protocole EMM réalise les fonctions suivantes : L’attachement et le détachement, l’authentification, la mise à jour de la localisation de l’UE et la mise en place d’une connexion sécurisée entre l’UE et le MME pour échanger de la signalisation NAS.

La procédure d’attachement (enregistrement) est initiée par le téléphone afin que ce dernier puisse accéder au réseau 4G, mais de surcroît la procédure d’attachement est couplé avec la création de contexte pour établir un support (bearer) par défaut . En effet, contrairement à l’UMTS, la procédure d’enregistrement permet d’établir un bearer DATA (sur le plan usager), nommé default bearer.

Cette procédure est donc la première procédure établie par l’UE (ayant un abonnement 4G) lorsque l’utilisateur allume son téléphone. Cependant, sur cette première phase, plusieurs scénarios peuvent se produire :

  • L’UE était déjà attaché sur le réseau et sur la même TA
  • L’UE était déjà attaché sur le réseau mais sur une autre TA
  • L’UE s’attache pour la première fois au réseau

Comment un téléphone s’identifie t’il auprès du réseau cellulaire? La réponse est assez simple, l’UE doit envoyer son identifiant IMSI ou GUTI, tout dépend du scénario ci-dessus. Nous allons illustrer ces scénarios sur une première présentation simplifiée de l’attachement initiale.

Nous verrons prochainement le call flow détaillé sur la procédure d’enregistrement après avoir étudié le protocole RRC. Cela sera donc étudié dans un autre article. Dans cet article nous nous concentrons sur les procédures EMM.

I) Initial Attach – Attachement Initale

L’enregistrement initial est déclenché  à l’allumage de l’UE. Suite à cette procédure, l’UE est enregistré sur un ensemble de zones de TA, zones indiquées par le MME dans le message EMM Attach Accept.

Comme la procédure d’enregistrement initie également une connexion sur le plan usager, l’UE peut recevoir et transmettre des sessions. C’est au cours de cette phase que l’UE obtient une adresse IP (soit IPv4 avec un NAT au niveau du PGW, soit IPv6). Le context bearer est sauvegardé au niveau du PGW. Cela signifie qu’il n’y a plus de bearer entre le SGW et le PGW (ni sur le plan usager, ni sur le plan contrôle), seul le contexte est sauvegardé au niveau du PGW. Si un appel arrive pour l’UE, le PGW contacte le MME pour positionner l’UE et construit le bearer sans avoir besoin d’authentifier à nouveau l’UE. Le réseau réduit ainsi la latence pour l’utilisateur.

Au cours de la procédure d’enregistrement, l’UE indique dans le message NAS Attach Request (transmis à l’eNb) les informations suivantes :

  • Identifiant temporaire GUTI s’il existe ou l’IMSI sinon
  • Le dernier TA visité s’il existe

Ces informations permettent donc de définir quel scénario d’attachement va être réalisé.

Cas 1 : L’UE fait une demande d’attachement avec son IMSI.

Dans la suite, l’UE possède un GUTI (attribué par un MME lors de son dernier attachement). A partir du GUTI, on connait l’adresse du précédent MME (GUMMEI). La procédure est la suivante : Le MME sur lequel l’UE fait sa demande d’attachement (qui peut être le même que celui sur lequel il était attaché) va demander à l’ancien MME de lui transférer le contexte de l’UE via le message IDENTIFICATION REQUEST. L’ancien MME répond par IDENTIFICATION RESPONSE

Cas 2 : Le contexte de l’UE n’est plus sauvegardé dans le précédent MME

Le précédent MME n’ayant pas le contexte répond par un message d’erreur. Le nouveau MME va alors demander à l’UE de lui fournir l’IMSI comme identifiant (EMM Identity Request)

Cas 3 : Le contexte de l’UE est sauvegardé

Le précédent MME envoie le contexte au MME. Le contexte contient l’IMSI de l’UE et les clés K_asme, ainsi que les clés de chiffrement et d’intégrité NAS. Un message de vérification des clés (Clé d’intégrité NAS et de chiffrement) s’effectue entre le MME et l’UE par l’envoi du message EMM SECURITY MODE.

Ainsi, pour  le cas 1 et le cas 2, l’identification via l’IMSI permet de lancer une procédure d’authentification : le MME demande au HSS de fournir un numéro aléatoire RAND, le sceau d’identification du mobile et un sceau d’identification du réseau et une clé Kasme. Une fois authentifié, il est nécessaire d’activer la sécurité de la signalisation en dérivant de la clé Kasme trois clés, CK_nas, IK_nas et K_eNb.

Pour le cas 3, le MME récupère le contexte.

Une fois la mise en sécurité effectuée, le MME récupère le profil de l’utilisateur du HSS  (APN, QoS de l’utilisateur et AMBR) et le HSS sauvegarde l’adresse du MME qui gère l’UE

La création du bearer par défaut s’effectue ensuite.

EMM Initial Attach

Lorsque le MME a récolté ces dernières informations, il sélectionne le SGW et déclenche la création de contexte au niveau du SGW, lequel demande la création de contexte vers le PGW. Le PGW peut valider ou refuser la création du contexte en fonction de la réponse du PCRF.

II) Call Flow simplifié

Nous allons présenter un call flow simplifié permettant à un UE de s’enregistrer sur le réseau de son opérateur. Rappelons avant tout l’architecture du réseau afin de présenter les différentes interfaces existantes entre les équipements.

introduction-to-mobile-core-network

Le call Flow est extrait d’une formation EFORT, lequel détaille dans ce document le rôle du HSS. DIAMETER est un protocole sur lequel s’appuie le coeur de réseau pour permettre :

  • l’authentification des UE
  • l’autorisation de l’accès au réseau et aux  services
  • la taxation des services.

Lorsque l’UE s’allume, voici l’échange de trames entre l’UE et le réseau permettant l’enregistrement de l’UE au niveau du réseau.

L’ attachement au réseau EPS correspond à :

  • L’authentification de l’UE
  • Rappatriement du profil souscrit par le client au niveau du  MME qui gère l’UE
  • La création d’un default bearer permanent correspondant à une connectivité permanente IP.

EMM call flow

Lorsque l’UE s’allume, il procède dans un premier temps à la recherche d’information sur la cellule dans laquelle il est situé (synchronisation et récupération des informations de la cellule, le tout étant émis périodiquement par le eNb). Une fois cette étape passé :

1. L’UE fait la demande d’enregistrement en émettant  la requête Attach a destination du MME. Le protocole de signalisation d’accès appelé EMM (EPS Mobility Management Protocol est porté par DIAMETER (Signalisation réseau).

2. Le MME envoie un message DIAMETER AIR (Authentication Information Request) au HSS  sur l’interface S6a. C’est par ce message que le MME demande au HSS de fournir un vecteur d’authentification de l’UE. L’UE étant défini par son identifiant IMSI, cet identifiant est transmis dans la requête DIAMETER. Le HSS fait une requête dans sa base de données afin de trouver la clé K correspondant à l’IMSI. Il tire ensuite un numéro aléatoire RAND et calcule le sceau du mobile RES, le sceau du réseau AUTN et la clé Kasme à partir de laquelle le MME va construire une clé de chiffrement NAS (CKnas), une clé d’intégrité NAS (IKnas) et une clé de chiffrement pour l’eNb (KeNb). Par conséquent, le HSS renvoie au MME par le message AIA (Authentication Information Answer) les paramètres suivants : RAND, RES, AUTN et Kasme (3GPP TS 35.206).

3. Le MME envoie à l’UE un requete d’authentification. Cette requête est émise par le protocole EMM. Via le message EMM Authentification Request, le MME transmet le nombre aléatoire RAND et le sceau d’authentifcation du réseau AUTN à l’UE. Ces deux paramètres sont transférées vers la carte USIM, laquelle calcule le résultat XRES (obtenu à partir du rand et de sa clé privé), vérifie le sceau d’authentification du réseau, et calcule la clé Kasme.

Si la valeur calculée par l’UE est identique au sceau AUTN, alors l’UE considère le réseau comme le réseau de confiance.

L’UE retourne sa réponse XRES au MME afin que celui-ci vérifie le résultat d’authentification RES obtenu par le HSS avec le résultat XRES calculé par l’UE. Si les résultats sont identiques, cela signifie que les clés privées sont les mêmes et par conséquent la double authentification est validée (AKA).

4. L’abonné (la carte USIM) est authentifiée, mais pas le terminal. Le MME demande à l’UE de lui fournir son IMEI.

5. A partir de la réponse obtenue, le MME interroge l’EIR pour savoir si le terminal fait ou ne fait pas partie de la liste des équipements interdits (black list). L’interface DIAMETER S13 est utilisée entre le MME et l’EIR.

 

 

6. Si l’UE et l’USIM sont authentifiés, le MME délivre une requête Update Location Request (adresse MME sous forme de hostname, IMSI) au HSS via l’inteface S6. Sur cette même interface, le HSS acquitte la mise à jour de localisation par une réponse Update Location Answer au MME qui contient les données de souscription EPS de l ’UE incluant la liste de tous les APNs que l’UE est en droit d’accéder, une indication sur l’APN par défaut, et les paramètres de QoS associés à chaque APN. Si le HSS rejette la procédure de mise à jour de localisation, alors le MME rejette la demande d’attachement de l’UE.

7. Le MME établit le premier default bearer pour l ’UE.

8. Le MME retourne à l’UE une réponse EMM Attach Accept informant l’UE qu’il est accepté par le réseau. Cette réponse permet à l’UE de connaître l’APN qui a été activé et l‘adresse IP du PGW assignée à l’UE pour cet APN

NB : Les étapes 2 et 3 correspondent à l’authentification EPS, nommée EPS AKA. Cela consiste (en attente d’un article décrivant la procédure complète) :

  1. authentifier l’UE de la part du réseau
  2. authentifier le réseau de la part de l’UE (pour garantir que le réseau est bien celui de son opérateur et non un réseau tiers malveillant)
  3. créer un contexte de sécurité pour le calcul de clé de chiffrement.

EMM – EPS Mobility Management

Les réseaux mobiles doivent être perçus comme une extension du réseau fixe : Les difficultés des réseaux cellulaires vis-à-vis des réseaux classiques sont d’une part la gestion de la mobilité et d’autre part, pallier à l’affaiblissement dynamique des liens radios.

Afin de conserver le fonctionnement du réseau Ethernet de type résidentiel, l’idée de l’EMM est de gérer la mobilité des utilisateurs pour rendre cette mobilité transparente au niveau du cœur réseau.

Protocole EMM

Le protocole EMM gère la mobilité de chaque UE, l’EMM permet :

  1. L’Enregistrement de l’abonné sur le réseau – Attach
  2. La mise à jour de sa localisation – Tracking area update TAU

Il y a 3 types de procédures pour l’EMM :

  • Les procédures communes permettant :
    • l’authentification des UE (mécanismes AKA)
    • la réallocation d’identifiant NAS – GUTI
  • Les procédures spécifiques pour la demande d’attachement ou de détachement au réseau, ainsi que la mise à jour de sa localisation
  • Les procédures de gestion de session, autrement dit des procédures de signalisation ou de connexion NAS sécurisée

emm

Les procédures spécifiques sont déclenchées par l’UE , les procédures communes sont déclenchées par le MME alors que les procédures de gestion de session peuvent être soit à l’origine de l’UE (MO) soit du MME (MT).

Les états EMM pour l’UE et pour le MME

Comme nous l’avons vu dans l’article précédent, il y a 2 états d’enregistrement pour l’EMM:

emm_1

Pour passer de l’état EMM-Deregistered vers L’EMM-Registered, le mobile doit faire une demande d’attachement (ATTACH), et inversement la demande de détachement (DETACH) permet de passer de l’EMM Registered vers l’EMM Deregistered.

Etudions maintenant le contenu de ces états :

EMM-Registered :

Dans cet état, le MME connait la localisation du mobile soit au niveau de l’eNB soit au niveau de la zone de TA (Tracking Area). Dans cet état, le mobile effectue des Mises à jour de sa localisation (TAU : Tracking Area Update), il répond au Paging, et il effectue des procédures de requête de service (Service Request) pour transmettre des données en Uplink.

EMM-Deregistered :

Dans cet état, le MME ne possède pas d’information de localisation du mobile, ce qui n’empèche pas au MME de conserver actif des contextes de l’UE afin d’éviter de refaire la procédure d’authentifacation (AKA) lors de l’attachement. Lors des procédures de TAU et/ou d’attachement, l’UE passe dans l’état EMM-Registered.

Pour l’UE

  1. EMM_DEREGISTERED : L’UE n’a aucun contexte EMM avec le MME, il est détaché du réseau ou non localisé. Il sort de ce contexte lorsqu’une procédure d’enregistrement est effectuée
  2. EMM_REGISTERED : L’UE est connecté au réseau et partage un contexte EMM avec le MME

emm_UE

Pour le MME

emm_MME

Protocoles NAS et Protocoles AS

Je vous propose de commencer l’année 2015 par une description fonctionnelle du réseau cellulaire 3G/4G, en reprenant le concept des strates nommées strates d’accès et strates de non accès. Les strates représentent les procédures d’échanges d’information à la fois des informations de signalisations et des informations usagers (payload ou données utiles) entre l’UE et le cœur réseau

AS : Acces Stratum

La strate d’accès fait références aux protocoles relatifs à l’accès radio qui permettent de gérer l’échange d’information (pour rappel signalisation et données) entre l’UE et coeur réseau de l’opérateur. L’AS fait référence aux couches basses de la pile protocolaire OSI.

NAS : Non Acces Stratum

Le NAS (strate de non accès) représente un ensemble de protocoles qui s’établit entre l’UE et le réseau coeur. Le NAS permet l’échange d’information de contrôle ou de données quelque soit l’accès radio. Le NAS s’appuie donc sur l’AS pour transporter ses données.

On peut donc, dans le cadre du réseau 3G, représenter schématiquement les strates d’accès comme suit (figure 1) :

asnas

Figure 1 : Représentation schématique NAS/AS

Les rôles de la Strate d’Accès

Les principales fonctions liées au réseau d’accès (UTRAN Universal Terrestrial Radio Access Network) sont les suivantes

  • ŸGestion des ressources radio
  • ŸHandover
  • ŸChiffrement/Compression

Les rôles de la Non Strate d’Accès

La couche NAS a deux rôles essentiels (figure 2):

  • Gestion des sessions (et des appels pour la 3G)
  • Gestion de la mobilité.

Pour la 3G : La gestion des sessions se découpent en deux sous-couches  :

  • la sous couche de gestion des appels téléphoniques nommées Call Control –CC– uniquement pour le réseau 3G (puisque le réseau 4G n’est qu’un réseau IP). Cette sous-couche ne concerne que la gestion des appels en commutation de circuits, c’est à dire l’établissement, le maintien et la libération des appels du domaine circuit
  • la sous couche de gestion des sessions pour l’établissement et le relâchement des sessions (donc du domaine paquet).

La mobilité pour la NAS est la gestion de l’authentification, de mise à jour de la localisation et de l’attachement au réseau. Il s’agit du protocole MM : Mobility Management pour la commutation de circuit et GMM GPRS Mobility Management pour la partie commutation de paquets.

asnas3G

Figure 2: Représentation couches AS/NAS 3G

Pour le LTE, les protocoles se nomment (figure 3):

  • ESM : EPS Session Management
  • EMM : EPS Mobility Management.

asnas4G

Figure 3: Représentation couches AS/NAS 4G

Les rôles de la Strate d’Accès

La strate d’accès regroupe donc les couches basses : RRC, PDCP, RLC, MAC et Phy. Les messages NAS, entre l’UE et le Nb ou eNb sont encapsulé dans les messages RRC.

Nous verrons le rôle de ces couches dans un autre article.