Система общеканальной сигнализации №7 (ОКС7) – это российское название международно-стандартизированной системы SS-7 (Signaling System 7), или CCS7 (Common Channel Signaling 7).

Американский оператор AT&T разрабатывал системы сигнализации серии SS с 60-х годов 20 века. Системы SS-1 – SS-5 были аналоговыми системами, где сигнализация передавалась посредством частотных импульсов внутри полосы пропускания телефонного канала (внутриполосная система). Это было очень неэффективно, такая сигнализация для своей работы требовала много ресурсов соединительных линий между станциями, время соединения из-за этого было длительным и надёжность работы была низкая.

Цифровая система сигнализации ОКС-6 была разработана американским телефонным оператором AT&T в начале 1970-х годов для цифровых АТС с программным управлением. Она позволяла создать наложенную сеть сигнализации, где сигнальные сообщения передавались не по телефонным каналам, а по выделенным линиям (цифровым трактам). По сути, это была сеть передачи данных, по которой можно передавать сложные сигнальные сообщения, гораздо более информативные, чем внутриполосные частотные сигналы, которые информировали только о занятии линии, об установлении и завершении соединения, о номере вызываемого абонента и т. п. Ей был присущ ряд недостатков, поэтому Международным Союзом Электросвязи МСЭ (ITU — International Telecommunication Union) была поставлена задача разработка системы сигнализации №7, которая была принята в качестве международного стандарта в конце 70-х годов.

Хотя протоколы ОКС7 начали разрабатываться более 40 лет назад, они до сих пор остаются актуальными, несмотря на бурное развитие IP-протоколов. Используется даже технология передачи сообщений и команд ОКС7 по IP-сети (SS7 over IP), хотя IP-сети появились гораздо позже.

ОКС7 осуществляет не только сигнализацию в сетях связи, но также выполняет другие функции, например, доставку SMS, а также она выполняет управляет предоставлением т.н. «интеллектуальных услуг» в телекоммуникационных сетях. Другой вопрос, что актуальность таких услуг в последнее годы и даже десятилетия, в связи с развитием услуг Интернета, сильно уменьшилась (если не сошла на «нет»), однако, этот функционал в сети ОКС7 все ещё присутствует.

ОКС7 является основной системой сигнализации в мобильных сетях 2-го и 3-го поколений (2G/3G). Начиная с 4G и выше для речевых соединений используются также и другие системы сигнализации на базе IP-протоколов, такие как Diameter, SIP, Н.248, HTTP/2, и другие.

Тем не менее, даже сейчас инфраструктура ОКС7 растёт по 3 – 4 % в год в связи с тем, что растут трафик SMS и использование роуминга в сетях 2G/3G, увеличивается число мобильных виртуальных операторов MVNO, а также всё больше используется перенос мобильных номеров между операторами.

Как развивались системы сигнализации

Сигнализация была необходима в сетях связи с самого начала их развития. На фото представлена самая первая «версия» системы сигнализации, использовавшаяся на ручных телефонных коммутаторах более 100 лет назад.

Абонент А, который хотел вызвать абонента Б, поднимал трубку своего телефонного аппарата и крутил специальную ручку, от которой на телефонной станции звонил звонок около провода с номером вызывающего абонента А. Телефонистка поднимала трубку и спрашивала, какой номер нужен абоненту А. Тот говорил номер абонента Б, и телефонистка втыкала штекер провода от абонента А в гнездо абонента Б. После этого начинался их разговор. После окончания разговора, когда один из абонентов клал трубку, телефонистка вынимала штекер из гнезда (кстати, штекер, разработанный в то время для ручных телефонных станций, до сих пор используется для подключения, например, электрогитар к усилителям). То есть, сигнализацию тогда выполняли живые люди, а именно – девушки, причем незамужние. Это не шутка, таково было условие приёма на работу в качестве телефонистки.

Затем на телефонах появились наборные диски с цифрами, под действием которых автоматические телефонные станции (АТС) осуществляли соединения абонентов станции и соединения между самими станциями.

Далее, в 60-70-х годах 20 века появились цифровые телефонные станции и кнопочные телефонные аппараты. При нажатии кнопок на передней панели телефонного аппарата в абонентскую линию передавались импульсы из нескольких частот, сочетание которых кодировало ту или иную цифру.

Такие системы сигнализации назывались CAS (Channel Associated Signaling) – сигнализация, связанная с каналом. То есть, сигнализация для установления и разрыва разговорного канала, передавалась по тому же каналу, что и разговор между абонентами. Это было неэффективным с точки зрения использования ресурсов сети, кроме того, порождало проблемы безопасности. Например, хакеры научились имитировать междугородный телефонный вызов (для которого была нужна тоновая посылка частотой 2600 Гц), при помощи обычного свистка. В результате вызов оплачивался по местному тарифу, что наносило ущерб телефонным компаниям.

В 1975 году оператор AT&T в США впервые стал использовать цифровую систему сигнализации, сигналы которой передавались по общему выделенному каналу в цифровом тракте.

Так родилась система сигнализации по общему каналу, которая затем была стандартизирована Международным Союзом Электросвязи МСЭ (ITU).

Подход отдельного общего канала ОКС имеет следующие преимущества:

• Более эффективное использование канальной емкости
• Большая полоса пропускания, доступная для сигнализации
• Более высокая безопасность
• Более быстрое установление вызова (низкое время ожидания – меньше оплата за звонок)
• Более гибкие архитектуры сети

Как работает ОКС7

Для работы системы сигнализации ОКС7, цифровые телефонные станции должны иметь функционал пункта коммутации услуг SSP (Service Switching Point). Так он был назван потому, что в «доинтернетную» эпоху планировалось, что разнообразные услуги и функции, которые сейчас всем доступны в Интернете (а это сеть отдельная от телефонной) будут выполняться в телекоммуникационной сети ISDN (Integrated Service Digital Network), в которой, наряду с обычными телефонными вызовами, будут предоставляться различные информационные услуги: обмен файлами, передача изображений и видео, видеоконференции и много чего ещё. Всё это сейчас делает Интернет, и даже в гораздо больших масштабах, чем мыслилось для ISDN более 40 лет назад.

Почему на рисунке показаны две зелёные линии каналов (правильнее сказать – звеньев, link)? Сеть ОКС7 очень надёжна, поскольку всегда имеет резервные звенья. Именно поэтому на рисунке показано два звена.

Чтобы установить соединение между абонентом станции А и абонентом станции Б по одному телефонному каналов (оранжевые линии) используется подсистема ОКС7, в частности ISUP (ISDN User Part), сообщения которой передаются через звено сигнализации (зеленая линия).

Каждый пункт сигнализации в сети ОКС7 имеет код пункта сигнализации SPC (Signaling Point Code), формат которого (согласно стандартизации МСЭ (ITU) показан на рисунке ниже.

Заметим, что в США и Китае формат SPC имеет длину в 24 бита, в Японии — 16 бит. Есть и другие отличия. Но для нас это не так важно, поскольку в международной сети и в сетях ОКС7 большинства стран мира всё равно действует стандарт МСЭ 14 бит и все форматы кодов при передаче между странами преобразуются в специальных шлюзах.

Все маршруты передачи сообщений сигнализации (а также и телефонных каналов) строго фиксированы и после установления соединения не меняются (хотя и должны иметь в запасе резервные маршруты, на которые в случае аварии может быть переведено соединение). В этом состоит основное отличие цифровой сети ОКС7 от Интернета, где используются специальные протоколы маршрутизации каждого пакета данных при передаче по IP-сети. То есть, каждый IP-пакет в сети Интернет может передаваться между маршрутизаторами (routers) по собственному маршруту. В ОКС7 этого нет, эта сеть строго детерминирована. Возможно, в этом и кроется причина неудачи сети ISDN, которая лет 40 назад замышлялась как нечто, что можно назвать как «канальный интернет».

Однако, использование ОКС7 как полносвязной сети SSP (каждый с каждым) – нерационально с точки зрения затрат и сложной топологии сети. Поэтому в ОКС7 было введено понятие транзитного пункта сигнализации STP (Signaling Transfer Point).

STP в сети ОКС7 похож на маршрутизатор для IP-сети. Он упрощает топологию сети и позволяет обмениваться данными между SSP для оптимальной прокладки маршрутов при передаче сообщений сигнализации. При нарушении работы одного звена сигнализации, или отказе одного из пунктов сигнализации, STP прокладывает альтернативный маршрут, как для передачи сообщений сигнализации, так и голосового маршрута. Тем не менее, новый маршрут также оказывается статичным, в отличие от передачи пакетов по IP-сети. По этой причине сеть ОКС7 (и телефонную сеть) называют «ориентированной на соединение» (connection oriented network), а сеть Интернет – «сетью без соединений» (connectionless network).

Другим важным элементов сети ОКС7 является Пункт управления услугами SСP (Service Control Point).

Таким образом, сеть ОКС7, несмотря на свою сложность, состоит всего из трёх основных типов узлов: SSP, STP и SCP.  Если первые два участвуют в процессе установления и разрыва телефонного канала (соединения), то SCP предоставляет услуги для этого соединения. Это, например, может быть предоставление идентификатора вызывающего абонента, который извлекается из базы данных имён вызывающих абонентов CNAM (Caller Name Database). Также он может содержать базу данных перенесённых номеров (БДПН) абонентов, которые поменяли оператора без смены номера. SCP также содержит базу данных домашнего местоположения абонента HLR (Home Location Register), в которой указывается, в сети какого оператора или региона в данный момент находится абонент сотовой связи. Кроме того, SCP участвует в предоставлении услуги передачи коротких текстовых сообщений SMS (Short Message Service), которые предоставляются через узел коммутации SMSC (Short Message Center), который в ОКС7 является узлом SSP.

В SCP также содержится информация о том, на какие услуги оператора абонент подписан. Для того, чтобы знать, какие услуги абоненту нужно предоставить, например, нужно ли ему показывать номер вызывающего абонента из CNAM. SSP запрашивает информацию о подписке на услуги в SCP и предоставляет услуги согласно подписке данного абонента.

Архитектура ОКС7

Упрощённый стек протоколов ОКС7 и его сравнение с семиуровневой моделью OSI показан на рисунке.

На рисунке выше показан стек протоколов ОКС7 в минимальной конфигурации, необходимой для работы, и сопоставление его с семиуровневой универсальной моделью OSI (Open System Interconnect). Протокол (подсистема) ISUP (SDN User Application Part) необходим для управления вызовами абонентов телефонной сети. Транспортировка сообщений осуществляется на уровнях протоколов передачи сообщений МТР (Message Transfer Part) уровней 1, 2 и 3. Уровень МТР1 – это непосредственно цифровой тракт: двухмегабитный поток Е1 (о нём ниже), который может переносить данные 30 телефонных каналов с полосой пропускания 64 кбит/с, 1 канал сигнализации и один канал (временной слот) синхронизации. В США и некоторых других странах используется полуторамегабитный поток Т1, в котором могут переноситься 24 канала. Организация каждого канала, их коммутация осуществляется на уровне МТР2, а на уровне МТР3 осуществляются сетевые функции, в частности адресация (как маршрутизация в IP-сети). Именно на этом уровне работают узлы STP и SCP.

Протокол ТСАР (Transaction Capability Application Part) – Прикладная Часть Средств Транзакций, наиболее сложная для понимания подсистема ОКС7. Даже опытные «сетевики» часто путаются в ее предназначении и функциях. Основная цель TCAP заключается в том, чтобы облегчить реализацию множественного параллельного диалога между одинаковыми подсистемами на одних и тех же узлах, используя для их различения идентификаторы транзакций. В IP-маршрутизаторах аналогично работают TCP-порты, мультиплексируя параллельные соединения между одинаковыми IP-адресами в Internet. TCAP так же используется для передачи сообщений подсистемы приложений интеллектуальной сети INAP, а также подсистемы мобильных приложений MAP в мобильных сетях (на рисунке выше они не показаны, хотя это тоже часть ОКС7). В настоящее время концепция Интеллектуальных сетей в телефонии практически умерла, опять-таки по причине развития услуг Интернета на базе IP-протокола с коммутацией пакетов.

Наконец, подсистема управления сигнальным соединением SCCP (Signalling Connection Control Part) обеспечивает расширенную маршрутизацию, управление потоком, сегментацию и коррекцию ошибок в ОКС7. SCCP использует услуги уровней MTP для основной маршрутизации и обнаружения ошибок. SCCP представляет собой усовершенствование уровня MTP3, а также обеспечивает усовершенствование возможностей преобразования адресов.

Примечание: Не надо путать Signaling Connection and Control Part и Skinny Call Control Protocol, протокол VoIP, принадлежащий компании Cisco Systems (эта компания славится использованием собственных, «проприетарных» протоколов). Они имеют одинаковую аббревиатуру SCCP и оба относятся к телефонии, но на этом их сходство заканчивается.

Общая сетевая архитектура ОКС7 показана на рисунке ниже.

Слева в оранжевых овалах показаны телефонные станции или мобильные коммутаторы. Сообщения сигнализации между А и В передаются через STP 1 или STP 2. Опорная транзитная сеть сигнализации, состоящая из STP разных уровней (в зависимости от иерархии сети) показана в середине рисунка. STP организованы попарно, например, если выходит из строя ST P1, или линк А к нему, все сообщения сигнализации, например, от SSP A к SSP B будут передаваться через резервные звенья сигнализации STP2. Канальная ёмкость сети рассчитывается таким образом, чтобы в случае аварии между SSP A и STP 1, все линки автоматически перемаршрутизируются на STP2. Линки между парами STP 1 – STP 2 и STP 3 – STP 4 также резервированы с учётом полосы пропускания. Точно также сдвоенными резервированными соединениями подключены SCP.

Сеть между SSP B и SSP C представляет собой полносвязную (Fully Associated) сеть, где линки сигнализации и телефонные каналы топологически совпадают. Поэтому звено сигнализации между SSP B и SSP C обозначено буквой F, от слова Fully. Обозначения букв на звеньях сигнализации на рисунке носят условный, топологический характер. На их технологическое устройство обозначения соединений (А, B, C, D) никакого влияния не оказывают. На этапе разработки спецификаций ОКС7 в МСЭ этому придавали какое-то значение, с целью облегчить процесс сетевого планирования, но на практике такие обозначения редко когда используются. Более того, иногда вносят путаницу. Так если между местными сетями ОКС7 устанавливается пара шлюзовых STP, которые имеют более высокий уровень иерархии, то «мостовые» соединения В (Bridge) между их STP начинают выглядеть как D (Diagonal), хотя они по-прежнему являются мостовыми (B). Звенья (линки) С (Cross) соединяют пары одинаковых резервированных STP между собой.

При планировании сети ОКС 7 необходимо предусмотреть, чтобы полоса пропускания линков от SSP к STP превышала требуемую для информационного трафика между SSP. То есть, информационная ёмкость соединения SSP А – STP 1 – SSP В должно превышать требуемую, вне зависимости от того, что, есть ещё резервный маршрут SSP А – STP 1 – SSP В. И он тоже должен превышать требуемый объём исходя из трафика между SSP А – SSP В. Несмотря на то, что при работе ОКС7 могут использоваться оба пути – основной и резервный вместе, однако, если на основном маршруте что-то происходит, то резервный должен взять на себя полную нагрузку сообщений сигнализации между узлами SSP и STP.

Более полный стек протоколов ОКС7 показан ниже.

По сравнению с рассмотренными на рисунке выше, здесь мы видим следующие дополнительные подсистемы:

MAP (Mobile Application Part) – подсистема приложений мобильных абонентов, предназначена для переноса сообщений сигнализации в мобильной сети GSM и выполнения специфичных для мобильных абонентов функций.

INAP (Intelligent Network Application Part) — подсистема интеллектуальной сети. Она базируется на ресурсах подсистемы средств транзакций (TCAP) и предназначена для передачи сообщений интеллектуальной сети (IN), в основном для фиксированных абонентов USUP. Как уже указывалось, в настоящее время концепция интеллектуальных сетей IN (Intelligent Network) потеряла свою актальность, и в общем, никогда в полной мере и не был реализована.

IS41/WIN – подсистема мобильной устаревшего стандарта IS41 с беспроводной интеллектуальной сетью (Wireless Intelligent Network), который был позднее поглощён стандартом GSM 2-го поколения мобильных сетей (2G).

TUP – в Рекомендациях МСЭ фигурирует как отдельная подсистема ОКС7, однако, её функции сейчас полностью выполняет ISUP. TUP предназначена для обработки сигнализации от обычных аналоговых телефонов фиксированной сети ТфОП, однако их сигнализация сейчас также выполняется в ISUP. По этой причине в российской версии ОКС7 TUP вообще отсутствует.

Как передаётся сигнализация в каналах цифровой связи МТР уровня 1

Сети связи в России и многих других странах мира используют цифровые тракты Е1 из 32 каналов (в США – Т1 из 24 каналов), в которых используется метод временного разделения каналов TDM (Time Division Mutiplex). Е1 также называют «двухмегабитным потоком», а также, ещё со времен СССР – ИКМ-30 (30-канальная система передачи с импульсно-кодовой модуляцией). На основе двухмегабитного потока построен первичный цифровой интерфейс PRI (Primary Rate Interface), который используется для подключения ведомственных АТС к телефонной сети общего пользования.

Структура двухмегабитного потока (тракта) Е1 показана на рисунке

30 телефонных каналов после оцифровки «укладываются» в канальные интервалы (КИ) тракта Е1. Каждый канальный интервал переносит 8 бит информации, представляющей собой оцифрованный сигнал телефонного канала в момент оцифровки. Частота оцифровки аналогового речевого сигнала (или какого-то другого сигнала) составляет 2048 кбит/сек (или 2М – два мегабита в секунду). Кадр Е1 имеет длительность 125 мкс. Таким образом, частота оцифровки одного телефонного канала составляет примерно 8 раз в секунду – вполне достаточно, чтобы восстановить на приёмной стороне речевой сигнал в нормальном качестве.

Тракт Е1 состоит из 32-х КИ (timeslot). В нулевом КИ передаётся сигнал синхронизации, по которому на приёмной стороне идёт отсчёт информационных КИ, для осуществления корректной коммутации речевых телефонных каналов и приёма информации сигнализации ОКС7, которая обычно передаётся в КИ с условным номером 16. Строго говоря, сигнализация может передаваться в любом из КИ от 1 до 31 (кроме 0). Однако, ещё со времён сигнализации CAS, которая всегда передаётся в 16-м КИ, точно так же и для передачи сигналов ОКС7 обычно используется 16-й КИ, хотя теоретически может использоваться любой другой.

32 КИ составляют кадр (frame). В 16-м КИ поочерёдно передаётся информация для сигнализации остальных КИ для остальных «речевых» КИ от 1 до 15 и от 17 до 31. 16 кадров Е1 составляют супер-цикл, в течение которого передаётся сигнализация для всех 30-ти речевых КИ (по два за один кадр).

* * *

Здесь приведено лишь самое общее, сильно упрощённое, описание ОКС7. На самом деле, эта система много сложнее, и в спецификациях МСЭ занимает много томов (стандарты Q.701 – Q.795) с тысячами страниц.

С полным списком стандартов МСЭ по ОКС7 можно ознакомиться здесь (англ. язык): https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9780071468794/back-matter/appendix1

В России применяется национальная версия системы сигнализации ОКС7, которая совместима с международной. Например, в подсистему ISUP был внесён ряд изменений, поэтому он носит название ISUP-R.