从 SS7 到 VoLTE：核心信令协议栈与移动网络演进详解

从 SS7 到 VoLTE：核心信令协议栈与移动网络演进详解

目录

1. SS7 简介
2. SS7 与 Diameter、SIP 的对比
3. 移动信令演进：2G/3G → 4G → 5G
4. 各协议与交互
5. SS7 协议栈各层消息格式
6. 规范与 RFC 速查
7. 小结

一、SS7 简介

七号信令（Signaling System No. 7）即 SS7，为同一套 ITU-T 定义的 No.7 信令系统；下文统一称 SS7。

SS7 是国际电信联盟（ITU-T）定义的一整套公共信道信令系统标准，主要用于在电话网、移动网等通信网络中传输各种控制信令，而不是语音或数据本身。

简单理解：

• 电话拨号、呼叫建立、挂断、漫游、短信、补充业务（如呼叫转移、三方通话）等背后，都靠 SS7 传递指令。
• 它是现代固定电话网、GSM/3G 移动核心网（如 MSC、HLR、VLR、EIR 等网元之间）的基础信令协议。

信令与语音分离（公共信道信令）：

信令

话路

控制

控制

控制

语音通道1

语音通道2

语音通道N

信令链路 64kbps

2G/3G 核心网中 SS7 连接的典型网元：

1.1 主要特点：公共信道信令

• 信令走独立的专用通道（信令链路），与语音/数据分离。
• 一条信令链路可为多条约路服务，效率高、扩展性好。

1.2 分层结构（类似 OSI）

业务与用户部分对应：

1.3 高速可靠

• 信令链路速率可达 64 kbps 甚至更高。
• 有冗余路由、拥塞控制等机制，保证呼叫流程稳定。

1.4 支撑多种业务

• 基础语音呼叫控制
• 移动用户鉴权、位置更新、切换
• 短信（SMS）传递
• 补充业务（呼叫等待、呼叫转移等）
• 智能网业务（预付费、虚拟专网等）

二、SS7 与 Diameter、SIP 的对比

2.1 应用场景

2.2 关键差异

2.3 演进关系（简要）

• 2G/3G：语音/短信/位置等由 SS7 + MAP/ISUP 完成。
• 4G：数据域用 Diameter 做控制与策略；语音在 IMS 中用 SIP 做会话控制；电路域仍可能保留少量 SS7 与 2G/3G 互通。
• 5G：控制面采用基于服务的架构（SBA），HTTP/2 + JSON/Protobuf 等；SIP 在 IMS/VoNR 中继续使用；Diameter 在 5G 中基本被新接口替代。

小结：SS7 = 2G/3G 的「总指挥」；Diameter = 4G 的「权限+策略中心」；SIP = 4G/5G 的「会话导演」。

协议承载与端口速查：

信令演进时间线：

1980s-1990sSS7固网与 2G 移动网1990s-2000sMAP/ISUPGSM 语音与短信2000sSIGTRANSS7 over IP2010sDiameter4G EPC 控制面2010sSIP/IMSVoLTE 会话控制2020sHTTP/2 SBA5G 核心网服务化移动信令协议演进

三、移动信令演进：2G/3G → 4G → 5G

以下为从 2G/3G 到 5G 的信令与架构演进示意（文字框图）。

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐ │ 2G / 3G 电路交换时代 │ │ (以语音/短信为主) │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────────┐ │ 核心信令协议：SS7 (Signaling System No.7) │ │ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────────────┐ │ │ │ MTP1-3 │ │ SCCP │ │ 用户部分 (UP) │ │ │ │ (传输/路由) │ │ (寻址/扩展) │ │ - TUP (电话呼叫) │ │ │ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │ - ISUP (ISDN呼叫) │ │ │ └─────────┬────────┘ │ - MAP (移动应用) │ │ │ ▼ │ - CAP (智能网) │ │ │ 信令承载：64 kbps 数字信令链路 (E1/T1 等) │ │ 典型网元：MSC, HLR, VLR, EIR, SMSC, SCP 等 │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────────┐ │ 2G/3G IP 化：SIGTRAN — 在 IP 上承载 SS7 (MTP3-User → SCTP/IP) │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────────┐ │ 4G (LTE/EPC)：控制面 Diameter；会话控制 SIP (VoLTE/IMS) │ │ 典型网元：MME, HSS, PGW, PCRF, IMS (CSCF, AS 等) │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────────┘ │ ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────────┐ │ 5G (SA)：基于服务的架构 (SBA) + HTTP/2，NF 间 RESTful API │ │ 仍通过 Diameter/SS7 与 2G/3G/4G 互通；PLMN 间 SEPP 提供安全 │ └──────────────────────────────────────────────────────────────────┘ 

演进关键点：

• 2G/3G：以 SS7 为核心，承载语音、短信和移动性管理。
• 2G/3G IP 化：通过 SIGTRAN 在 IP 网络上承载 SS7。
• 4G：控制面以 Diameter 为主，会话控制用 SIP（VoLTE）。
• 5G SA：采用 HTTP/2 + SBA，信令与业务共享控制面，并通过 SEPP 与传统网络互通。

各代核心信令与网元关系：

SIGTRAN

2G/3G

5G

HTTP/2 SBA

AMF/SMF/UDM

4G

Diameter

MME/HSS/PCRF

SIP/IMS

P-CSCF/S-CSCF

SS7

MSC/HLR/VLR

SCTP/IP

M3UA/SUA

四、各协议与交互（SS7、SIGTRAN、Diameter、SIP）

4.1 SS7：传统七号信令

SS7 是一套分层协议栈，主要在 ITU-T Q.700 系列中定义。

核心协议栈：

典型交互：ISUP 语音呼叫（固话）

1. IAM（初始地址消息）：主叫端局向被叫端局发送，包含被叫号码、主叫号码等。
2. ACM（地址全消息）：被叫端局返回，表示「振铃中」。
3. ANM（应答消息）：被叫摘机，接通双向语音电路。
4. REL（释放消息）：任一方挂机，启动拆线。
5. RLC（释放完成消息）：对端确认，释放电路资源。

移动网呼叫建立前还会涉及 MAP 交互（如 SendRoutingInfo、ProvideRoamingNumber 等）。

ISUP 呼叫建立与释放流程：

被叫局主叫局被叫局主叫局通话中IAM 初始地址ACM 地址全 振铃ANM 应答 接通REL 释放RLC 释放完成

4.2 SIGTRAN：SS7 over IP

SIGTRAN 是 IETF 标准，定义如何在 IP 网络上承载 SS7 信令（RFC 2719 等）。

• SCTP：作为传输层，可靠传输，支持多流、多宿主。
• 适配层（xUA）：将 SS7 高层消息封装到 SCTP 上。常见有 M2UA/M2PA（MTP2/3）、M3UA（MTP3，SG 与 MGC 间常用）、SUA（SCCP）。

典型交互：SG 从 SS7 侧接收 ISUP（如 IAM）→ M3UA 封装 → SCTP 发给 MGC → MGC 解封装后送本地 ISUP 应用；反向同理。

SIGTRAN 架构示意：

IP侧

信令网关

SS7侧

IP

E1/T1

STP/交换机

M3UA

SCTP

SCTP

M3UA

MGC/软交换

xUA 适配层用途：

4.3 Diameter：4G 的 AAA 与策略协议

Diameter 在 RFC 6733 等中定义，用于 4G EPC 的认证、授权、计费（AAA）和策略控制。

• 传输：TCP 或 SCTP。
• 消息结构：头部 + 多个 AVP（属性值对），可扩展。
• 节点类型：客户端、服务器、中继、代理、重定向等；通过 CER/CEA 能力协商，DWR/DWA 保活。

典型交互：4G 鉴权（S6a）

1. AIR（Authentication-Information-Request）：MME 向 HSS 请求鉴权向量（AV）。
2. AIA（Authentication-Information-Answer）：HSS 返回 AV。
3. ULR/ULA（Update-Location-Request/Answer）：鉴权成功后 MME 向 HSS 更新位置，HSS 确认。

计费常用 CCR/CCA（Credit-Control-Request/Answer）。

Diameter 4G 常用接口与应用：

4.4 SIP：IP 多媒体会话协议

SIP 在 RFC 3261 中定义，用于建立、修改和终止多媒体会话，是 VoLTE、VoNR 的核心。

• 用户代理（UA）：UAC（发起）、UAS（处理）。
• 代理服务器：转发、路由。
• 注册服务器：处理 REGISTER，记录用户地址。
• SDP：在 SIP 消息体中携带媒体信息（IP、端口、编码等）。

典型交互：VoLTE 语音呼叫

1. REGISTER：UE 向 IMS 注册。
2. INVITE：主叫发送，消息体带 SDP offer。
3. 180 Ringing：被叫振铃。
4. 200 OK：被叫摘机，消息体带 SDP answer。
5. ACK：主叫确认，双方按 SDP 建立媒体。
6. BYE / 200 OK：结束会话。

VoLTE 场景下 IMS 主要网元：UE、P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、HSS、AS（Application Server）等；SIP 在这些网元间按路由与业务逻辑交互。

SIP 常用方法：

VoLTE 呼叫 SIP 流程简图：

被叫UES-CSCFP-CSCF主叫UE被叫UES-CSCFP-CSCF主叫UE媒体流 RTPINVITEINVITEINVITE180 Ringing180 Ringing180 Ringing200 OK200 OK200 OKACKACKACKBYEBYEBYE200 OK200 OK200 OK

五、SS7 协议栈各层消息格式

以下以一次 ISUP IAM（初始地址消息） 的封装路径为例，说明各层核心格式与字段。

5.1 应用层：ISUP（以 IAM 为例）

基本结构：

+---------------------+ | 路由标签 | 可选，用于 SCCP 路由 +---------------------+ | 消息类型代码 | 标识 IAM 等 +---------------------+ | 电路识别码 CIC | 标识本次呼叫使用的电路 +---------------------+ | 消息兼容性信息 | +---------------------+ | 参数区 | 参数代码 + 长度 + 内容（如 CPN、FCI、NCI 等） +---------------------+ 

• 消息类型代码：1 字节，如 0x0A 表示 IAM。
• CIC（Circuit Identification Code）：12 或 14 位，指定占用的 64kbps 电路。
• 参数区：变长，如 Called Party Number（CPN，被叫 E.164）、Forward Call Indicators（FCI）、Nature of Connection Indicators（NCI）等。

ISUP 常见消息类型（部分）：

5.2 事务层：TCAP

• 事务部分：Originating/Destination Transaction ID、Dialogue Control（含应用上下文等）。
• 组件部分：Component Type（Invoke、Return Result、Return Error 等）、Operation Code、Parameter(s)。
• ISUP 消息可作为 TCAP 操作的参数在 MAP/CAP 等对话中传递。

5.3 信令连接控制层：SCCP

• 消息类型（MT）：如 CR、CC、DT1、UDT 等。
• 路由指示（RI）：基于 信令点码（SPC）+ 子系统号（SSN），或基于 全局标题（GT）。
• SPC：信令点唯一地址。
• SSN：标识信令点内应用（如 6=HLR，8=VLR）。
• GT：可变长「名字」，经 GT 翻译表转换为 DPC+SSN。用户数据区承载完整 TCAP 消息。

SCCP 子系统号（SSN）常用值：

5.4 消息传输层：MTP3

• SIO（Service Information Octet）：Sub-service Field（如 SCCP=0010）、Network Indicator（国际/国内等）。
• DPC / OPC：目的/源信令点码。
• SLS（Signaling Link Selection）：4 bit，用于多链路负载分担。
• 消息体为完整 SCCP 消息。

5.5 IAM 的完整封装路径（概念）

1. ISUP：[消息类型=IAM] [CIC] [参数：CPN、FCI…]
2. TCAP：[事务 ID] [应用上下文] [组件：Invoke(参数=完整 ISUP)]
3. SCCP：[MT=UDT] [RI/DPC/OPC/SSN] [用户数据=完整 TCAP]
4. MTP3：[SIO] [DPC] [OPC] [SLS] [消息体=完整 SCCP]
5. MTP2/MTP1：加帧头与校验，经 E1/T1 等物理链路发送。

SIGTRAN 即用 SCTP/IP 替代 MTP2/MTP1（及部分 MTP3），上层 SCCP/TCAP/ISUP 消息格式不变。

IAM 自上而下封装层次：

ISUP IAM

TCAP 组件

SCCP UDT

MTP3 消息

MTP2 帧

E1/T1 或 SCTP/IP

六、规范与 RFC 速查

七、小结

• 七号信令 = SS7，是 ITU-T 的 No.7 信令系统，用于固网与 2G/3G 移动网的控制信令（呼叫、短信、位置、鉴权等）。
• SS7 采用 MTP1-3 + SCCP + TCAP + 用户部分（TUP/ISUP/MAP/CAP 等）分层结构；ISUP 典型流程为 IAM → ACM → ANM → REL → RLC。
• SIGTRAN 在 IP 上承载 SS7（SCTP + M3UA/SUA 等），实现 SS7 与 IP 网融合。
• Diameter 用于 4G EPC 的 AAA 与策略（如 S6a 鉴权、CCR/CCA 计费）；SIP 用于 IMS/VoLTE/VoNR 的会话控制。
• 演进路径：2G/3G（SS7）→ SIGTRAN IP 化 → 4G（Diameter + SIP）→ 5G（SBA + HTTP/2，SIP 仍用于 IMS/VoNR）。
• SS7 各层消息格式（ISUP、TCAP、SCCP、MTP3）分工明确，逐层封装；理解各层字段有助于排查信令与对接设备。各代协议均有对应 ITU-T、3GPP、IETF 规范可查。