卫星通信 / 5G 协议栈笔记真实网络不是一条 OSI 七层从头到尾而是分段承载 逐段封装 隧道套叠 多协议栈共存 跨层优化。OSI 是地图实际网络是城市地图有用但城市不会完全按地图长。这不是乱是不同层各封各的。同一个端到端消息在不同接口换不同的“车”空口 UuNR 协议栈 N3 用户面GTP-U / UDP / 外层 IP N2 控制面NGAP / SCTP / 外层 IP N6纯内层 IP 卫星回传再套卫星链路帧关键概念概念 含义用户面 传 UE 的上网数据如视频、网页控制面 传信令如注册、会话建立、切换空口 Uu UE ↔ gNB 之间的无线接口N3 gNB ↔ UPF用户面隧道N2 gNB ↔ AMF控制面信令N6 UPF ↔ 数据网/互联网回传段 接入网节点gNB/CU到核心网之间的传输网络内层 IP UE 的端到端 IP服务器看到的就是它外层 IP gNB/UPF/AMF 之间的承载 IP用于隧道和回传约定以下封装顺序均按“从内到外”描述。第一部分数据怎么走、怎么封用户面端到端流转与逐层封装1.1 UE 内部生成端到端 IP 包App - TCP/UDP - 内层 IPUE 的 IP端到端这个内层 IP 是 UE 到服务器真正端到端的 IP服务器看到的就是它。1.2 空口 UuUE → gNBUE 把内层 IP 包交给 NR 空口协议栈内层 IP - SDAP - PDCP - RLC - MAC - PHY封装后PHY | MAC | RLC | PDCP | SDAP | 内层IP | TCP/UDP | App逐层功能· SDAP把 IP 包映射到 QoS flow。每个 QoS flow 对应一个 QoS 等级决定调度优先级、丢包率、时延预算。· PDCP加密、完整性保护、头压缩ROHC、序号维护、重排序。头压缩能把 TCP/IP 头从 40 字节压到几字节省空口带宽。· RLC分段/重组、ARQ 重传、按需可靠或非可靠传输。TM/UM/AM 三种模式。· MAC调度、HARQ、多路复用、随机接入。决定谁在哪个时频资源上发。· PHY调制、编码、天线映射、射频。根据信道质量自适应调整调制编码方案。透明转发卫星只做射频中继不解析这些协议。再生卫星上的 gNB 会终结空口协议栈。1.3 gNB解空口得到内层 IP 包gNB 从下往上逐层解PHY - MAC - RLC - PDCP - SDAP - 内层 IP 包· PHY 解调、解码恢复 MAC PDU· MAC 解复用、HARQ 合并恢复 RLC PDU· RLC 重组恢复 PDCP PDU· PDCP 解密、解头压缩恢复 SDAP SDU· SDAP 根据 QoS flow 标识拿到内层 IP 包。gNB 不路由这个内层 IP 到互联网而是根据 QoS flow 把它送进 N3 隧道。1.4 N3 接口gNB → UPFN3 上封装为内层 IP - GTP-U - UDP - 外层 IPgNB 到 UPF 的承载 IP - L2/L1抓包看到外层IP | UDP | GTP-U | 内层IP | TCP/UDP | App逐层说明· 内层 IPUE 的端到端 IP 包源地址是 UE目的地址是服务器。· GTP-UGPRS 隧道协议用户面。头部含 TEID隧道端点标识标识这条隧道属于哪个 UE、哪个 PDU 会话、哪个 QoS flow。还有消息类型、长度等字段。· UDPGTP-U 跑在 UDP 上端口号 2152。用 UDP 是因为用户面要快不追求可靠可靠交给 TCP/应用。· 外层 IPgNB 和 UPF 的传输 IP 地址用于在回传网中路由。· L2/L1以太网、OTN、微波、卫星等物理承载。关键点· GTP-U 上面是内层 IP不是 TCP/UDP。· TCP/UDP 是内层 IP 的载荷。· 外层 IP 是 gNB/UPF 的传输 IP不是 UE 的 IP。· 如果 N3 走卫星回传外层 IP 包还会被卫星 Modem 再封装成卫星链路帧如 DVB-S2X、GSE、CCSDS 或私有帧。1.5 UPF解 N3 隧道UPF 从下往上解L2/L1 - 外层IP - UDP - GTP-U - 内层 IP 包· 根据 UDP 端口 2152 识别 GTP-U· 根据 TEID 找到对应隧道· 解出内层 IP 包。然后 UPF 在 N6 接口把它路由到数据网。1.6 N6 接口UPF → 数据网/服务器N6 上就是内层 IP | TCP/UDP | App外加 L2/L1比如以太网、VLAN 等。没有 GTP-U。1.7 用户面端到端完整简图UE: App - TCP/UDP - 内层IP - SDAP - PDCP - RLC - MAC - PHY gNB: PHY - MAC - RLC - PDCP - SDAP - 内层IP - GTP-U - UDP - 外层IP - L2/L1 UPF: L2/L1 - 外层IP - UDP - GTP-U - 内层IP - N6 - 内层IP - 服务器控制面端到端流转与逐层封装2.1 UE 内部生成 NAS 消息NAS 消息NAS 是 UE 和 AMF 之间的信令gNB 不终结它只转发。NAS 消息包括注册请求、鉴权响应、安全模式完成、PDU 会话建立请求等。2.2 空口 UuUE → gNBNAS 被 RRC 承载NAS - RRC - PDCP - RLC - MAC - PHY封装后PHY | MAC | RLC | PDCP | RRC | NAS逐层说明· NASUE 与 AMF 之间的信令。gNB 不解析内容只当透明容器。· RRC无线资源控制。gNB 终结 RRC。RRC 消息含 RRC 建立请求、RRC 重配、测量报告、切换命令等。NAS 消息被装在 RRC 消息里通过 SRB信令无线承载传输。· PDCP加密、完整性保护。控制面比用户面多一个完整性保护防止信令被篡改。· RLC通常用 AM 模式保证可靠有序。· MAC/PHY同用户面。注意· 空口控制面没有 IP、SCTP、NGAP、GTP-U。· RRC 终结在 gNB。· NAS 对 gNB 是透明容器。2.3 gNB解空口取出 NASgNB 从下往上解PHY - MAC - RLC - PDCP - RRC - 取出 NAS· PHY 解调、解码· MAC 解复用、HARQ· RLC 重组· PDCP 解密、完整性校验· RRC 解析消息发现里面装的是 NASgNB 不处理 NAS 内容。gNB 生成 NGAP 消息把 NAS 放进去。2.4 N2 接口gNB → AMFN2 上封装为NAS - NGAP - SCTP - 外层 IPgNB 到 AMF 的承载 IP - L2/L1抓包看到外层IP | SCTP | NGAP | NAS逐层说明· NASUE 与 AMF 之间的信令对 gNB 透明。· NGAPgNB 与 AMF 之间的控制面协议。含 UE 上下文管理、PDU 会话资源建立、切换请求、寻呼、NAS 传输等。NGAP 消息里带 RAN UE NGAP ID 和 AMF UE NGAP ID用来标识哪个 UE。· SCTP流控制传输协议。提供可靠、有序、多流、多宿主传输。端口号 38412。一个 SCTP 偶联可承载多个 UE 的 NGAP 消息。· 外层 IPgNB 和 AMF 的传输 IP。· L2/L1物理承载。关键点· SCTP 上面是 NGAP不是“就出去了”。· NGAP 里面装 NAS。· NGAP 终结在 AMFNAS 也终结在 AMF。· 如果 N2 走卫星回传外层 IP 包同样会被卫星链路层再封装。2.5 AMF解 N2取出 NASAMF 从下往上解L2/L1 - 外层IP - SCTP - NGAP - NAS· 根据 SCTP 端口识别 NGAP· 根据 NGAP 里的 UE ID 找到对应 UE 上下文· 取出 NAS 消息交给 NAS 层处理。AMF 可能继续找 AUSF、UDM、SMF走服务化接口 SBIHTTP/2 - TCP/TLS - IP - L2/L1如果 AMF 要建立用户面会找 SMFSMF 再通过 N4 通知 UPFPFCP - UDP - 外层IP - L2/L1N4 用于建立前面说的 N3 GTP-U 隧道。PFCP 里带 F-SEID标识 UPF 侧的 GTP-U 隧道端点。2.6 响应反向AMF 回 NAS 消息时NAS - NGAP - SCTP - 外层IP - L2/L1 - gNB - RRC - PDCP - RLC - MAC - PHY - UEUE 最终收到 NAS。2.7 控制面端到端完整简图UE: NAS - RRC - PDCP - RLC - MAC - PHY gNB: PHY - MAC - RLC - PDCP - RRC - 取出 NAS - NGAP - SCTP - 外层IP - L2/L1 AMF: L2/L1 - 外层IP - SCTP - NGAP - NAS各接口封装速查表接口 路径 封装顺序从内到外Uu 用户面 UE ↔ gNB App → TCP/UDP → 内层IP → SDAP → PDCP → RLC → MAC → PHYUu 控制面 UE ↔ gNB NAS → RRC → PDCP → RLC → MAC → PHYN3 用户面 gNB ↔ UPF 内层IP → GTP-U → UDP → 外层IP → L2/L1N6 UPF ↔ DN 内层IP → L2/L1N2 控制面 gNB ↔ AMF NAS → NGAP → SCTP → 外层IP → L2/L1N4 SMF ↔ UPF PFCP → UDP → 外层IP → L2/L1SBI AMF/SMF/UDM 等 HTTP/2 → TCP/TLS → IP → L2/L1卫星回传 承载 N2/N3 上述外层IP包再套 DVB-S2X/GSE/CCSDS/私有帧 → 射频抓包速记· Uu 空口NR MAC/RLC/PDCP/SDAP或 RRC/NAS没有 GTP-U。· N3IP | UDP | GTP-U | IP | TCP/UDP | App· N2IP | SCTP | NGAP | NAS· N6IP | TCP/UDP | App· 卫星回传外面再多一层卫星链路帧。第二部分为什么长成这样无线介质决定了空口必须有专用 L2以太网面向有线局域网· 低误码、相对稳定· 无集中调度· 无蜂窝级移动性· 无 HARQ、功率控制、自适应调制编码· 无运营商需要的鉴权、计费、QoS、切换。蜂窝空口则面临· 频谱稀缺必须集中调度· 信道变化大需要 HARQ/ARQ、链路自适应· UE 会移动需要切换· 需要加密、头压缩、QoS 映射· 运营商要控制接入和计费。因此空口不能直接用以太网而是用SDAP / PDCP / RLC / MAC / PHY这是对 OSI L2 的细化。用户面的 IP 包仍然存在只是被 NR L2 承载控制面的 NAS/RRC 不是 IP。移动性决定了用户面需要 GTP-U 隧道UE 会从 gNB1 移动到 gNB2但 UE 的 IP 地址要保持不变。运营商设一个用户面锚点 UPFgNB 把 UE 的 IP 包用 GTP-U 隧道拉到 UPF。N3 上因此出现外层IP | UDP | GTP-U | 内层IP | TCP/UDP | App· 内层 IPUE 的端到端 IP不变· 外层 IPgNB 到 UPF 的承载 IP· GTP-U移动性隧道协议。GTP-U 里的 TEID 标识隧道端点。一个 TEID 对应一个承载 / QoS flow / PDU 会话用于区分不同 UE、不同会话、不同 QoS并支持计费、策略控制、合法监听。用户面需要 GTP-U 的目的把 UE 的 IP 包透明地隧道到 UPF 锚点支持移动性、QoS、计费、策略、合法监听和转发。控制面与用户面分离决定了信令不用 GTP-U控制面传的是信令终点是 AMF不是互联网。它不需要保持 UE 的 IP 地址也不需要把用户 IP 包搬到锚点。控制面路径NAS - NGAP - SCTP - 外层IP· NASUE 和 AMF 之间的信令gNB 只透明转发· NGAPgNB 和 AMF 之间的控制面协议· SCTP可靠、有序、多流、多宿主适合信令· IPgNB 到 AMF 的承载。一个 SCTP 偶联可承载多个 UE 的 NGAP 消息用 RAN UE NGAP ID / AMF UE NGAP ID 区分。不需要每个 UE 建一条 GTP-U 隧道。控制面不用 GTP-U 的原因信令终点是 AMF不需要用户面锚点和 TEID用 NGAP/SCTP 可靠承载并按 UE ID 复用即可。控制面并非没有承载NAS over NGAP over SCTP over IP 本身就是封装/承载只是不叫 GTP-U。全 IP 化导致“IP 套 IP”核心网、回传网、卫星回传现在基本都是 IP 网。隧道也跑在 IP 上用户数据本身又是 IP于是出现IP | UDP | GTP-U | IP | TCP | HTTPNG 接口用 IP 的根本原因是核心网全 IP 化和承载网复用不是因为 NG 直接连互联网。互联网在更后面的 N6。IP 化的好处同一张物理网复用 N2、N3、N4、SBI、OAM 等流量能路由、能冗余、能 VPN、能云化多厂商设备容易互通物理层可以是以太网、OTN、DWDM、微波、卫星。运营商设计动机8.1 计费GTP-U 的 TEID 和 QoS flow 让运营商能· 知道哪个 UE 用了多少流量· 知道用的是哪个 PDU 会话· 知道是什么 QoS 等级· 生成计费话单CDR。如果用户面只是纯 IP 转发没有隧道标识运营商很难区分和计费。8.2 策略控制运营商要限速、区分业务优先级、对某些应用免流、对企业专网做隔离。这些需要 PCF 下发策略、SMF 控制、UPF 执行以及 GTP-U 隧道和 QoS flow 标识。8.3 合法监听GTP-U 隧道和 TEID 让监听设备能定位哪个 UE、哪个会话、哪类业务。8.4 漫游与移动性UE 漫游时用户面可能回到归属地 UPF。GTP-U 隧道让漫游架构能灵活锚定。UE 移动时IP 地址不变靠 UPF 锚点和 GTP-U 隧道实现。8.5 接入控制与 OAM运营商要控制谁可以接入、接入后能用什么业务、用什么 QoS。这些由 RRC、NAS、NGAP、GTP-U 共同完成。基站还需要时间同步、配置下发、性能统计、告警、软件升级这些是基站自己的运维流量也走回传段但占比很小。标准分工导致多协议栈共存· 3GPP 管移动接入和核心网· IETF 管 IP/TCP/SCTP· ETSI DVB、CCSDS 管卫星链路。各管一段拼起来就复杂。第三部分与 OSI / TCP/IP / 以太网的关系与 OSI 七层的关系OSI 是参考模型不是强制标准。实际协议栈符合分层思想但不严格等于七层。用户面空口L1 PHY L2 MAC / RLC / PDCP / SDAP 等子层 L3 内层 IP L4 TCP/UDP L7 应用控制面空口L1 PHY L2 MAC / RLC / PDCP L3 RRC 高层 NASN3/N2 则是L3 外层 IP L4 UDP/SCTP 隧道/信令协议 内层 IP/NAS结论它符合分层思想但不严格等于 OSI 七层。L2 被拆成多个子层隧道导致多层套叠控制面还有非 IP 高层协议。与 TCP/IP 的关系TCP/IP 最初假设底层链路相对可靠、低误码、无集中调度、无蜂窝移动性。蜂窝空口需要自己的 L2、调度、HARQ、移动性、QoS。TCP/IP 在移动网络里只负责· 端到端寻址· 端到端传输· 应用数据。它不负责无线调度、移动性管理、接入鉴权、计费、QoS 映射。这些由 3GPP 协议栈负责。控制面根本不跑 TCP/IP。UE 刚开机时还没有 IP 地址和承载如果 RRC 跑在 IP 上会形成鸡生蛋死锁。所以 RRC 必须直接跑在无线 L2 上RRC - PDCP - RLC - MAC - PHYIP 是在回传段才出现的不是空口控制面本来就有的。与以太网的关系空口不用以太网因为以太网是为有线局域网设计的。空口需要集中调度、HARQ、功率控制、自适应调制编码、移动性、鉴权、计费、QoS。但“不用以太网”不等于“不用 IP”。用户面 IP 包在只是被 NR L2 承载控制面 NAS/RRC 不是 IP。RRC 与 IP 的相似与区别相似点· 都位于各自栈的第三层L3· 都承上启下IP 承载 TCP/UDP/应用RRC 承载 NAS· 都有标识、状态/上下文、移动性管理、安全机制。本质区别维度 IP RRC域 用户面数据 控制面信令范围 端到端跨互联网 UE ↔ gNB接入网内部功能 寻址、路由、转发 无线资源控制、连接管理、切换寻址 全局 IP 地址 临时无线标识C-RNTI 等承载对象 TCP/UDP/应用 NAS、AS 配置信令终结位置 UE、服务器、UPF 等 gNB依赖关系 RRC 建立承载后IP 才能跑 先于 IP解决“鸡生蛋”关键点· 用户面 L3 IP控制面 L3 RRC。两条栈并列。· RRC 配置 DRBDRB 承载 IP 包RRC 本身不是 IP 的载荷。第四部分卫星通信与回传段回传段回传段 接入网节点gNB/CU到核心网之间的传输网络。英文 backhaul。可以是光纤、以太网、OTN、微波、卫星。RU ──前传 fronthaul── DU ──中传 midhaul── CU ──回传 backhaul── 核心网名称 路径 典型内容前传 fronthaul RU ↔ DU CPRI/eCPRI射频样点或 IQ 数据中传 midhaul DU ↔ CU F1 接口PDCP/RLC 等回传 backhaul CU/gNB ↔ 核心网 N2/N3NGAP/SCTP/IP、GTP-U/UDP/IP回传段上跑的流量类型 占比 说明UE 用户面数据 绝大部分 GTP-U 隧道里的内层 IPUE 控制面信令 少量 NGAP 里的 NASgNB OAM/同步/节点信令 很少 配置、告警、时间同步、NG Setup、Xn回传段主要是给 UE 用的基站自己的流量只是零头。外层是基站的内层是终端的隧道是基站的货物是终端的。常见误解· 回传段不是互联网互联网在 N6UPF 之后· 回传段不是空口空口是 UE 到 gNB回传是 gNB 到核心网· 回传段不是固定有线可以是光纤、微波、卫星· 回传段是逻辑概念不管物理介质是什么只要承担“把接入网流量送回核心网”这个角色就是回传段。卫星通信三种架构架构 gNB 位置 卫星作用 协议栈特点透明转发 地面 射频中继 空口协议不变卫星只做 L1 中继再生转发 卫星上 星上 gNB 空口协议在星上终结再生成 N2/N3卫星回传 地面 承载 gNB 到核心网 N2/N3 外层 IP 走卫星再套卫星链路帧15.1 透明转发UE ──用户链路── 卫星 ──馈电链路── 地面网关 ── gNB ──回传段── 核心网卫星只做射频中继gNB 在地面。协议栈不变。15.2 再生转发UE ──用户链路── 卫星(gNB) ──馈电链路/卫星回传── 地面核心网gNB 在卫星上。卫星到地面核心网这段是回传段跑 N2/N3 的外层 IP再套卫星链路帧。15.3 卫星回传UE ──空口── gNB ──卫星回传── 核心网gNB 在地面但 gNB 到核心网走卫星。N3 的 GTP-U/UDP/外层IP 或 N2 的 NGAP/SCTP/外层IP 会被卫星 Modem 再封装成 DVB-S2X、GSE、CCSDS 等卫星帧。15.4 卫星带来的额外矛盾长时延GEO RTT 约 500 ms 以上TCP 慢启动、重传超时、拥塞控制都会变慢。高误码和深衰落链路层 ARQ 重传与 TCP 重传叠加TCP 把误码丢包误判为拥塞降速。频繁切换和多普勒LEO 卫星几分钟过顶一次切换、波束切换、多普勒补偿都影响链路。于是出现 PEP、TCP 拆分、ROHC、跨层优化使 TCP/IP 和移动/卫星栈看起来更“混”。跨层优化各层本来独立设计但无线/卫星链路特性会互相影响· TCP 拥塞控制会把无线误码丢包误判为拥塞· 链路层 ARQ 重传和 TCP 重传叠加· 长 RTT 让 TCP 慢启动很慢· 切换会导致丢包和乱序。常见跨层优化优化 层次 作用ROHC PDCP 压缩 TCP/IP 头省空口带宽PEP 传输层代理 把一条 TCP 拆成两段分别优化HARQ MAC 快速重传减少误码丢包ARQ RLC 可靠传输减少丢包链路自适应 MAC/PHY 根据信道调整调制编码TCP 拥塞控制优化 传输层 适应长 RTT、高误码QUIC 传输层 减少握手时延支持多流加密与优化存在矛盾PEP 想拆 TCP但 QUIC/TLS 加密后中间设备难插手。第五部分常见误区与总结常见误区澄清空口不用以太网对用以太网不适合无线蜂窝。需要集中调度、HARQ、移动性、QoS、运营商控制。空口不用 IP不准确。用户面 IP 包在只是被 NR L2 承载控制面 NAS/RRC 不是 IP。NG 用 IP 是因为后面是互联网不是。NG 后面是核心网互联网在 N6。用 IP 是因为核心网全 IP 化和承载网复用。控制面为什么不用 GTP-U控制面终点是 AMF传信令不需要用户面锚点和 TEID。用 NGAP/SCTP 可靠承载并按 UE ID 复用即可。用户面为什么需要 GTP-U为了把 UE 的 IP 包透明地隧道到 UPF 锚点支持移动性、QoS、计费、转发。SCTP 上面就出去了不是。N2 上 SCTP 上面是 NGAPNGAP 里面装 NAS。GTP-U 上面是 UDP 再往上 GTP-U顺序是内层 IP → GTP-U → UDP → 外层 IP。抓包看到 IP | UDP | GTP-U | IP | TCP。最终总结记忆主线看接口、看终结点、分内层/外层 IP、分透明/再生/回传。用户面UE 内层 IP 在空口被 SDAP/PDCP/RLC/MAC/PHY 承载在 N3 被 GTP-U/UDP/外层 IP 隧道承载在 N6 变回纯内层 IP。控制面NAS 在空口被 RRC 承载在 N2 被 NGAP/SCTP/外层 IP 承载到 AMF 终结。与 OSI / TCP/IP / 以太网的关系· 跟 OSI 不同OSI 是参考模型实际把 L2 拆成多个子层隧道导致多层套叠控制面有非 IP 高层协议。· 跟 TCP/IP 不同TCP/IP 假设底层可靠、无集中调度、无蜂窝移动性蜂窝空口需要自己的 L2、调度、HARQ、移动性、QoS。· 跟以太网不同以太网为有线局域网设计空口是频谱稀缺、信道变化、移动性、运营商控制的无线链路。隧道原因移动性锚点、用户面分离、QoS/计费/策略/合法监听、全 IP 化、多厂商标准化。运营商设计动机计费、策略控制、合法监听、漫游、移动性、接入控制、同步与 OAM。金句真实网络不是一条 OSI 七层从头到尾而是分段承载 逐段封装 隧道套叠 多协议栈共存 跨层优化。OSI 是地图实际网络是城市地图有用但城市不会完全按地图长。这不是乱是不同层各封各的。