Segnalazione telefonica su Ip

 Introduzione 
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maniera deterministica e continuativa della banda trasmissiva di cui necessita, al 
fine di garantire la qualità a cui oggi siamo abituati dal servizio telefonico 
pubblico. 
Il problema della scelta del protocollo per il trasporto della voce si può 
considerare risolto dall’ampia diffusione e affidabilità dei due protocolli 
congiunti RTP (Real Time Control Protocol) e RTCP (Real Time Control 
Protocol) e dalle funzionalità di trattamento del segnale telefonico già oggi 
utilizzate come la compressione del segnale vocale, la soppressione dei silenzi e 
la cancellazione dell’eco. 
Questa tesi tratterà quindi un problema particolarmente critico per la 
telefonia su IP in ambiente pubblico: le possibili soluzioni per il trasporto della 
segnalazione per reti telefoniche, sia mobili che fisse, attraverso una rete dedicata 
basata sulla tecnologia IP.  
Sarà inoltre esaminato il problema dell’interconnessione fra reti 
tradizionali, dal punto di vista della segnalazione, e reti con segnalazione 
trasportata su IP. 
Da ultimo l’evoluzione della rete telefonica sta portando all’introduzione 
di nuovi servizi sempre più legati al concetto di “rete intelligente” in cui la 
componente di segnalazione riveste un ruolo di primaria importanza, ma al 
tempo stesso richiede il trasporto di enormi quantità di dati in tempi brevissimi. 
Considerando quindi l’ambiente applicativo, caratterizzato da elevati 
volumi di traffico e da elevati livelli di affidabilità, sarà necessario determinare i 
requisiti di rete necessari per mantenere la qualità, in termini di risposta e 
disponibilità del servizio, oggi assicurata dal sistema di segnalazione a canale 
comune denominato genericamente SS7. 
Di particolare importanza è pertanto la determinazione di un’architettura 
di rete, basata sul protocollo IP, in cui la componente topologica e la componente 
protocollare concorrano a fornire i livelli di qualità di servizio e di affidabilità per 
la segnalazione a cui oggi l’utente è abituato. 
Nella scelta dell’architettura di segnalazione si possono distinguere 
sicuramente tre diversi tipi di proposte: 
 Introduzione 
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• le soluzioni studiate per garantire un livello di trasporto IP alla rete di 
segnalazione tradizionale SS7 senza apportare ad essa sostanziali modifiche, 
in base alle quali i nodi mantengono intrinsecamente una pila protocollare che 
al di sopra del livello trasporto ricalca fedelmente SS7 
• le soluzioni innovative, modellate su quel vasto filone di interesse che è il 
trasporto di voce e dati su IP, VoIP appunto, in cui la segnalazione cambia 
decisamente struttura e si affida a protocolli di nuova concezione, come il SIP 
• le soluzioni che si occupano di ottimizzare la gestione degli apparati di rete IP 
per il trasporto di segnalazione e fonia, funzionali ad entrambe le categorie di 
soluzioni sopra indicate.  
 
Si tratta comunque di una distinzione di massima, utile a strutturare 
l’esposizione. E’ importante tenere presente che questo è un momento di grande 
fermento per lo sviluppo di questi argomenti: le possibili combinazioni degli 
strumenti che vengono ora proposti per essere standardizzati sono moltissime. 
Fattore discriminante in un futuro molto prossimo saranno i limiti effettivi delle 
varie tecnologie, combinati ovviamente con le tendenze di mercato. 
Il lavoro di tesi è stato svolto in collaborazione con CSELT Centro Studi E 
Laboratori Telecomunicazioni S.p.A. quindi, dopo lo studio delle soluzioni 
proposte per la segnalazione telefonica su IP, si è scelto, in accordo con tale 
azienda, di concentrarsi particolarmente sul trasporto di messaggi di segnalazione 
di tipo ISUP e di altre User Part nell’ambito della pila protocollare del sistema a 
canale comune SS7; mantenendo infatti questo protocollo di segnalazione, ormai 
universalmente adottato nelle reti telefoniche, si risolvono tutti i problemi di 
interoperabilità poiché verrebbero cambiati solamente i livelli della pila 
protocollare al di sotto di quello di trasporto e, soprattutto, si può mantenere un 
maggior controllo dei servizi offerti gestendo il passaggio dall’architettura di 
segnalazione in uso a quella basata su IP in maniera più sicura ed economica. 
La mia attività si è dunque specializzata nella soluzione di un problema 
molto particolare e circoscritto in questo ambito ma di capitale importanza 
all’interno della topologia che si vuole realizzare: la definizione di un protocollo 
che svolga le funzioni che in SS7 sono compito della Global Title Translation 
 Introduzione 
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(GTT), ovvero la capacità di conoscere la centrale telefonica verso cui indirizzare 
la segnalazione conoscendo il numero telefonico che si vuole raggiungere. 
Ho, dunque, proposto tre possibili soluzioni, indicando quella basata sul 
protocollo LDAP come la più versatile. La parte applicativa della tesi ha avuto 
quindi per oggetto lo sviluppo di un software per valutare l’affidabilità ed 
effettiva operabilità del protocollo basato su LDAP, ponendo particolare 
attenzione ai ritardi e alle variazioni degli stessi nella gestione della GTT. 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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Si tratta di uno standard per le telecomunicazioni introdotto dall’ITU-T 
(International Telecommunication Union Telecommunication – Standardization 
Sector), in cui sono definiti i protocolli che consentono ai dispositivi di una rete 
telefonica pubblica (PSTN: Public Switched Telephony Network) di scambiare 
segnalazione, su supporto trasmissivo numerico, per effettuare operazioni di 
completamento, instradamento e controllo di chiamate wireline e wireless. 
La definizione originale dello standard comprende alcune varianti in sede 
nazionale, come gli standard ANSI (American National Standard Institute) e 
Bellcore (Bell Communications Research) in Nord America ed ETSI (European 
Telecommunications Standards Institute) in Europa. 
1.1 Cos’è la segnalazione 
Per segnalazione si intende lo scambio di informazioni fra nodi di rete per 
iniziare, gestire e terminare una chiamata, oppure per accedere a dati 
memorizzati su database remoti. 
Esistono sostanzialmente due tipologie di segnalazione telefonica: 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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• in banda: è la più semplice perché impiega lo stesso circuito usato dal segnale 
vocale 
• fuori banda: viaggia su di un circuito diverso da quello usato per la voce. 
Un caso particolare di segnalazione fuori banda è quello della 
segnalazione a canale comune (CCSN: Common Channel Signaling Network): 
introdotta a metà degli anni’70, è caratterizzata dal fatto di unire più flussi di 
segnalazione, relativi a connessioni diverse, sullo stesso supporto trasmissivo 
dedicato, che prende il nome di signaling link. Tramite la CCSN le centrali di 
commutazione dotate di processori propri scambiano informazioni di 
segnalazione, in modo da poter analizzare rapidamente la disponibilità di risorse 
per una certa chiamata. Ciò permette di ottenere tempi di risposta alla 
segnalazione inviata dall'utente assai brevi, dell’ordine di circa un secondo. 
 Altri vantaggi dell’utilizzo della CCSN nella rete telefonica sono stati i 
seguenti: 
• scambio di informazioni di segnalazione anche fra apparati di rete non 
direttamente connessi da signaling link 
• maggiore affidabilità 
• minore rischio di uso fraudolento della rete 
• possibilità di scambiare segnalazione fra i dispositivi anche nel corso di una 
chiamata. 
In seguito, a metà circa degli anni ’80, la struttura della rete PSTN si è 
arricchita di nuovi elementi di rete, grazie alle nascenti tecnologie IN (Intelligent 
Network). Si tratta di sistemi che consentono di fornire servizi di database 
centralizzati ai nodi di rete preposti all’instradamento dei messaggi di 
segnalazione: la logica di servizio viene portata all’esterno dei commutatori, in 
modo da snellire le procedure di introduzione e di gestione di nuovi servizi. Il 
software dei nodi di commutazione identifica i servizi che richiedono di 
consultare un database ed invia una query verso quello più appropriato. 
Tutto ciò si basa sulla CCSN il cui standard di è il Sistema di 
Segnalazione n° 7 (SS7: Signaling System no.7), descritto nella 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
 10
Raccomandazione ITU-T Q.700 e seguenti, di cui ora verrà data una breve 
introduzione.  
1.2 Architettura della rete di segnalazione  
Le specifiche di SS7 riguardo alla segnalazione sono limitate alle 
trasmissioni fra i nodi interni alla rete, ed è solo lo standard ISDN che estende il 
concetto anche all’interfaccia utente-rete. 
Lo scambio di segnalazione fra nodi di rete prevede che l’informazione sia 
trasmessa sotto forma di messaggi fra entità paritetiche. 
1.2.1 Nodi di rete
La rete si compone di tre elementi fondamentali, genericamente indicati 
come SP (Signaling Point): 
• SSP (Signaling Switching Point): è una centrali di commutazione, controllata 
da un processore, che riceve dagli utenti le richieste di collegamento e può 
originare, controllare e terminare le chiamate 
• STP (Signaling Transfer Point): si può identificare come nucleo di 
trasferimento del segnale e ha il compito di concentrare la segnalazione 
proveniente da più SSP e di commutare i messaggi sulla CCSN 
• SCP (Signaling Control Point): è un database con informazioni a cui fanno 
ricorso gli altri nodi di rete quando l’elaborazione della chiamata è 
particolarmente complessa. 
Per garantire una certa affidabilità della rete di segnalazione, STP e SCP 
vengono duplicati in strutture ridondanti (si parla in questo caso di mated-pair), 
che sono fisicamente separate, ma possono alternativamente svolgere le stesse 
funzioni logiche. 
In figura 1 è riportato un esempio di rete SS7: 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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Figura 1 – Esempio di rete SS7 
La modalità di segnalazione per una CCSN, ovvero la relazione fra 
percorso dei messaggi di segnalazione e del flusso di informazione 
corrispondente. Vi sono due casi: 
• segnalazione associata: i messaggi sono trasmessi su di una tratta che collega 
direttamente i due SP che scambiano informazione 
• segnalazione non-associata: può seguire percorsi diversi da quelli diretti; un 
caso particolare è quello in cui i messaggi associati ad una chiamata seguono 
sempre lo stesso percorso e la segnalazione è detta quasi-associata. E’ la 
struttura che si ha una rete SS7. 
1.2.2 Tipologie di Link
Tutti i tipi di link che compaiono in figura 1 sono accomunati dalla 
velocità di trasmissione, 56 o 64kbps, e dal fatto che supportano gli stessi livelli 
inferiori della pila SS7. Le distinzioni vengono fatte in base al tipo di nodi che un 
certo link collega, come è stato riassunto nella tabella seguente: 
 
Tabella 1 – Tipologie di signaling link per rete SS7 
 
Tipo di link 
Estremi del collegamento 
A (access) 
STP ⇔ SCP 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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STP ⇔ SSP 
C (cross) 
STP ⇔ STP ridondante 
B (bridge) 
Due configurazioni ridondanti di STP, appartenenti 
a reti diverse, ma dello stesso livello gerarchico 
D 
(diagonal) 
Due configurazioni ridondanti di STP, appartenenti 
a reti diverse, di diverso livello gerarchico 
E 
(extended) 
SCP ⇔ coppia di STP ridondanti in alternativa a 
quella di default 
Poco usato a causa dei costi 
F (fully 
associated) 
Collega direttamente due end point in assenza di 
nodi STP 
 
1.2.3 Procedure per chiamata semplice
Nella figura 2 è schematizzato un esempio di chiamata, con l’indicazione 
dei messaggi che vengono scambiati dai nodi di rete. 
 
WX
AB
 
Figura 2 – Esempio di call setup  
La sequenza di operazioni è la seguente: 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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• la centrale SSP di partenza A analizza le cifre composte dall’utente ed 
individua W a cui è associato lo STP W come centrale di transito per 
raggiungere il destinatario della chiamata, quindi seleziona il trunk fino ad 
essa ed invia un messaggio IAM (Initial Address Message) verso lo STP W 
• W riceve lo IAM, ispeziona la sua routing label e lo instrada verso B 
• B riceve il messaggio, verifica di essere collegato al destinatario della 
chiamata e che questi sia in stato di libero (idle), quindi trasmette un ACM 
(Address Complete Messsage) verso A, attraverso uno degli STP disponibili; 
contemporaneamente completa il collegamento sul link verso A (inviando 
anche un tono di ‘squillo’) e verso il chiamato (a cui squilla l’apparecchio) 
• lo STP X instrada il messaggio ACM verso , che a sua volta può connettere il 
chiamante al trunk A-B, in modo che senta il tono inviato dallo switch B 
• se risponde per primo il chiamato, lo switch B invia (sullo stesso link 
percorso dall’ACM) un messaggio di ANM (Answer Message), 
opportunamente instradato con il meccanismo già visto 
• supponendo che la conversazione venga interrotta dal chiamante sarà A a 
mandare un messaggio di REL (Release Message) verso B, che a sua volta 
riporta il trunk in stato di idle e restituisce un messaggio RLC (Release 
Complete Message) 
• A riceve il RLC e rilascia le risorse allocate. 
 
1.2.4 Procedure per chiamata con accesso a
database
Si vedrà ora un particolare esempio di chiamata con accesso a database 
centralizzato: il destinatario sia individuato da un cosiddetto “numero verde” 
(servizio 800).  
La figura seguente mostra lo schema di funzionamento: 
 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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STP
w
STP
X
SSP
SCP
M
SCP
L
R
R
Q
Q
 
Figura 3 – Esempio di chiamata a numero gratuito 
quando il chiamante termina la digitazione del numero ‘gratuito’, lo 
switch A, a cui l’utente fa riferimento, invia una richiesta di informazioni 
(Query) ad un nodo STP di default 
Lo STP X sceglie uno SCP (ad esempio M) a cui trasmette la richiesta 
M riceve il messaggio di query ed interroga i suoi archivi per fornire 
l’identificativo del destinatario, sia questo un utente oppure un’altra rete 
M invia il messaggio di risposta (Response) verso A tramite lo STP W (ad 
esempio) 
A viene a conoscenza della destinazione della chiamata e, dopo aver riservato 
un trunk in quella direzione, origina un messaggio IAM. 
 
1.3 Struttura del protocollo SS7 
La pila protocollare SS7 si presenta come in figura 4 : 
 
 
Figura 4 – Struttura pila protocollare SS7 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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Come si può osservare, i primi 3 livelli di SS7 ricalcano la struttura della 
pila OSI, mentre quelli superiori hanno una struttura originale, e prevedono 
un’estesa gamma di funzionalità che vanno dal livello trasporto (layer 4 OSI) a 
livello applicazione (layer 7 OSI), 
1.3.1 MTP1 (Physical Layer)
 
Definisce le caratteristiche fisiche, elettriche e funzionali di un canale 
numerico usato come signaling link. Le tipologie di interfacce fisiche possono 
essere diverse e includono canali: 
E-1: 2048 kbps, 3264kbps 
DS-1: 1544kbps, 2464kbps 
V.35: 64kbps 
DS-0: 64kbps 
DS-0A: 56kbps 
 
1.3.2 MTP2 (Data Link Layer)
 
Definisce funzioni e procedure che consentono trasmissione affidabile dei 
messaggi tra due end point di un signaling link, in particolare: controllo di flusso, 
verifica della sequenza dei messaggi, controllo di errore. Se quest’ultimo dà esito 
positivo si procede alla ritramissione.  
I messaggi vengono inviati sul signaling link come unità dati (SU: Signal 
Unit), secondo procedure tipiche di HDLC, usando un byte di flag, 01111110, e 
la tecnica di bit stuffing. Esistono 3 categorie di SU: 
• FISU (Fill-In Signal Unit): vengono trasmesse sul link in entrambe le 
direzioni quando non ci sono altre SU da scambiare fra i nodi, per mantenere 
aperta la connessione anche in assenza di traffico vero e proprio; consentono 
inoltre di valutare la qualità della comunicazione attraverso un CRC 
checksum su 16 bit 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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• LSSU (Link Status Signal Unit): ha un formato identico a quello della FISU a 
parte 1 o 2 byte aggiuntivi di informazione sullo stato dei link (link status 
information) che i nodi alle estremità del  link si scambiano per controllare la 
sincronia del canale e comunicare il  proprio stato all’SP remoto 
• MSU (Message Signal Unit): nel campo SIF (Signaling Information Field) 
trasporta tutte le informazioni di: controllo di chiamata, query/risposta con 
database, gestione e manutenzione della rete; ha inoltre un’etichetta per 
l’instradamento (routing label) che permette agli SP di indirizzare qualunque 
altro nodo nella rete. 
 
1.3.2.1 Struttura delle SU
Nella figura seguente sono riportati i formati delle varie SU, indicando la 
lunghezza dei campi in bit e l’ordine di trasmissione sul canale. La massima 
lunghezza consentita per una SU è di 279 byte. 
 
 
Figura 5 – Formati di Signal Unit 
Di seguito vengono spiegati i significati delle sigle riportate in figura 5: 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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• LI (Lenght Indicator): è un campo di 6 bit che indica il numero di ottetti 
compresi fra LI e CRC, quindi identifica il tipo di SU.  
• BSN (Backward Sequence Number): Si usa per confermare la ricezione 
della SU di cui riporta il numero di sequenza. 
• BIB (Backward Indicator Bit):  indicativo di  un NACK 
• FSN (Forward Sequence Number): contiene il numero di sequenza di una 
SU. 
• FIB (Forward Indicator Bit): così come il BIB si usa in caso di errore. 
• SIO (Service Information Octet): è formato da due campi di 4 bit ciascuno:  
• subservice field: indica se il messaggio è usato (e codificato) su rete 
nazionale o internazionale e la priorità della SU in caso di congestione 
• service indicator: specifica l’utente MTP in modo che le informazioni nel 
SIF vengano interpretate correttamente. 
• SIF (Signaling Information Field): comprende l’informazione di 
segnalazione e la routing label. 
1.3.2.2 Indirizzamento
In SS7 gli indirizzi vengono assegnati in modo gerarchico: ciascun SP è 
membro di un cluster, che a sua volta fa parte di una rete. Quindi ogni nodo può 
essere identificato univocamente da un point code, ovvero un numero composto 
di tre elementi, corrispondenti a network, cluster e member number, ciascuno di 8 
bit. 
Quando i messaggi devono attraversare reti in cui i point code sono di 
diversa lunghezza è necessario introdurre uno STP Gateway. 
I messaggi sono instradati su di un certo link di uscita in base al DPC ed 
all’SLS. Quest’ultimo, che in ITU-T viene interpretato come indicatore del link 
da utilizzare, garantisce la corretta sequenza dei messaggi e consente una 
distribuzione uniforme del traffico sui canali fisici disponibili quando si 
assegnano ciclicamente gli identificativi.  
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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1.3.3 MTP3 (Network Layer)
E’ il livello che si occupa dell’instradamento dei messaggi, in 
corrispondenza con il Network Layer OSI. MTP3 assicura che gli SP ricevano 
correttamente i messaggi a loro destinati, anche quando i nodi non sono collegati 
direttamente da link.  
Include funzionalità di indirizzamento dei nodi (con assegnazione della 
routing label), routing e controllo della congestione. 
1.3.4 SCCP (Signaling Connection Control Part)
La parte SCCP ha due funzionalità aggiuntive rispetto all’MTP:  
• a differenza dell’MTP, che individua un nodo nel suo complesso, e quindi 
può indirizzare ad esso dei messaggi di call-setup di base e gestione della 
rete, SCCP è in grado di indirizzare direttamente una certa applicazione 
attiva (detta subsystem) sull’SP 
• la seconda funzionalità caratteristica dell’SCCP è la capacità di fare 
routing incrementale, attraverso l’operazione di GTT (Global Title 
Translation) 
1.3.4.1 Global Title Translation
I nodi STP hanno il compito di instradare opportunamente i messaggi, 
quindi in caso di particolare segnalazione, ad esempio quella legata ad una query 
per database, potrebbero dover individuare lo SCP corretto a cui trasmettere le 
richiesta. L’opzione di GTT consente all’STP di fare ciò senza mantenere 
memoria di tutte le possibili destinazioni dei messaggi. Si tratta di un algoritmo, 
applicato alle cifre digitate dall’utente, che trasforma gli indirizzi di partenza in 
modo da fornire l’identificativo dell’SCP voluto, oppure di uno STP in grado di 
portare a termine il routing: in quest’ultimo caso si parla di intermediate GTT. 
Un altro vantaggio della GTT è la possibilità per i nodi STP di ripartire il 
traffico di richieste di accesso a database centralizzati su più SCP ridondanti, 
scegliendo in base a criteri di priorità o di distribuzione di carico. 
 Sistema di segnalazione n.7 (SS7) 
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1.3.5 ISUP (ISDN User Part)
Definisce i messaggi e il protocollo utilizzati per creare o abbattere una 
connessione per trasporto fonia e dati su rete PSTN, e per gestire i collegamenti 
fisici (trunk) su cui avviene la trasmissione. 
In generale si tratta di uno standard impiegato sia per chiamate ISDN che 
non-ISDN. 
1.3.6 TCAP (Transaction Capabilities Application
Part)
Definisce le modalità di scambio di messaggi fra programmi applicativi, 
visti come sottosistemi all’interno di nodi diversi. E’ un protocollo usato per i 
servizi di accesso a database, come ad esempio i servizi avanzati per reti 
intelligenti (AIN: Advanced Intelligent Network), oppure fra apparati di 
commutazione. 
Dal momento che i messaggi TCAP devono raggiungere applicazioni 
individuali all’interno di un nodo, il protocollo utilizza SCCP per il trasporto 
della segnalazione sulla rete. 
1.3.7 OMAP (Operations, Mainteinance and
Administration Part)
Descrive messaggi e procedure funzionali alla corretta gestione della rete: 
soprattutto per rinnovare le tabelle di routing nei nodi e verificare 
malfunzionamenti nei link.