基于信令數(shù)據(jù)的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端識(shí)別特征研究

全俊斌 孫際勇

摘 要：文中主要研究移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的識(shí)別特征。通過(guò)采集分析移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)信令數(shù)據(jù)，討論了終端的設(shè)備特征、接入特征、通信特征、應(yīng)用特征、行為特征等識(shí)別特征，并基于移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，進(jìn)一步驗(yàn)證了識(shí)別特征的通用性及準(zhǔn)確性，為移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的終端識(shí)別、運(yùn)維管理、安全管控等提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);移動(dòng)終端;特征識(shí)別;信令數(shù)據(jù)分析;終端識(shí)別;安全管控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）02-0-03

0 引 言

在萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅猛，終端規(guī)模呈現(xiàn)爆發(fā)性增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)愛(ài)立信公司發(fā)布的移動(dòng)報(bào)告[1]，預(yù)計(jì)到2023年，物聯(lián)網(wǎng)連接的終端數(shù)量將達(dá)到35億個(gè)，較當(dāng)前的7億個(gè)增加4倍。對(duì)于電信運(yùn)營(yíng)商而言，對(duì)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的準(zhǔn)確識(shí)別，是做好智能管道、運(yùn)維管理、安全管控的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的終端識(shí)別方案均依賴(lài)于已配置的存量終端信息庫(kù)。通過(guò)提取待識(shí)別終端的固定參數(shù)，匹配存量信息庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)終端的識(shí)別[2-3]。一旦存量信息庫(kù)信息不準(zhǔn)確或更新不及時(shí)，終端的識(shí)別率將嚴(yán)重下降。移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的多網(wǎng)絡(luò)協(xié)同組網(wǎng)、多業(yè)務(wù)迅猛發(fā)展、多終端頻繁更換，更為終端的識(shí)別帶來(lái)困難。因而，研究移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的識(shí)別特征，可為構(gòu)建終端識(shí)別的科學(xué)方法提供指引，具有重要意義。

1 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的識(shí)別特征

1.1 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)

電信運(yùn)營(yíng)商主流的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方案有兩種：一種為利用現(xiàn)網(wǎng)EPC核心網(wǎng)，升級(jí)改造快速部署物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù);另一種為單獨(dú)新建物聯(lián)網(wǎng)，隔離傳統(tǒng)移動(dòng)業(yè)務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)[4]。

1.1.1 基于現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)改造

在現(xiàn)網(wǎng)商用3G/4G網(wǎng)絡(luò)中，新建物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用網(wǎng)元（如GGSN/PGW等），負(fù)責(zé)處理物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)終端通過(guò)使用特定的APN，接入現(xiàn)時(shí)已有的3G/4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、核心網(wǎng)，經(jīng)DNS域名解析后，路由至新建的專(zhuān)用網(wǎng)元GGSN/PGW，最終實(shí)現(xiàn)與企業(yè)服務(wù)器的互連。基于現(xiàn)網(wǎng)升級(jí)改造的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D1所示。基本業(yè)務(wù)流程如下：

（1）物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)送PDP激活請(qǐng)求;

（2）SGSN/MME收到請(qǐng)求后，把終端的APN信息發(fā)送至DNS;

（3）DNS根據(jù)APN查找對(duì)應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用GGSN/PGW;

（4）物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用GGSN/PGW通過(guò)公網(wǎng)/專(zhuān)網(wǎng)/GRE隧道，與企業(yè)端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

1.1.2 新建物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)網(wǎng)

獨(dú)立新建物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)網(wǎng)，承載處理物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。國(guó)內(nèi)主流的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方案為NB-IoT及eMTC，采用授權(quán)頻譜，具有低功耗、廣覆蓋、低成本、大連接的優(yōu)勢(shì)[5]。以NB-IoT為例，基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示[6]。NB-IoT與LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保持基本一致，但核心網(wǎng)設(shè)備均要求虛擬化。目前各大電信運(yùn)營(yíng)商正試點(diǎn)建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)網(wǎng)，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 信令數(shù)據(jù)采集分析

信令作為終端與物聯(lián)網(wǎng)通信交互的控制數(shù)據(jù)，包含著海量的端到端信息，是運(yùn)營(yíng)商掌控網(wǎng)絡(luò)的重要手段。在現(xiàn)網(wǎng)中，通過(guò)分光、分流、匯聚、負(fù)載均衡，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)元接口數(shù)據(jù)接入采集服務(wù)器，完成信令數(shù)據(jù)的采集。再經(jīng)過(guò)信令解碼、合成、存儲(chǔ)、共享、應(yīng)用等步驟，實(shí)現(xiàn)信令數(shù)據(jù)的分析，準(zhǔn)確獲取物聯(lián)網(wǎng)終端上網(wǎng)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息?；诂F(xiàn)網(wǎng)升級(jí)改造的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，其數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。

1.3 終端識(shí)別特征研究

解碼分析信令數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)總結(jié)出移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的識(shí)別特征包括設(shè)備特征、入網(wǎng)特征、通信特征、應(yīng)用特征、行為特征。

（1）設(shè)備特征

設(shè)備特征是終端出廠(chǎng)預(yù)置的唯一標(biāo)識(shí)碼，如IMEI。IMEI（International Mobile Equipment Identity）作為物聯(lián)網(wǎng)終端的身份碼，與每臺(tái)終端一一對(duì)應(yīng)，具有全球唯一性。其中，IMEI中的TAC（Type Allocation Code）部分，為類(lèi)型分配碼，由8位數(shù)字組成（早期是6位），是區(qū)分終端品牌和型號(hào)的編碼。一般地，分析IMEI中的TAC號(hào)，可以識(shí)別終端及對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)。

（2）入網(wǎng)特征

入網(wǎng)特征是終端被允許接入網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)碼，如IMSI，APN等。IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number）是區(qū)別網(wǎng)絡(luò)使用用戶(hù)的標(biāo)志，儲(chǔ)存在各類(lèi)SIM卡中。根據(jù)工信部發(fā)布的《電信網(wǎng)編號(hào)計(jì)劃（2017年版）》[7]，14開(kāi)頭的IMSI用于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。APN（Access Point Name）是各類(lèi)SIM卡使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)必須配置的一個(gè)參數(shù)，用來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)種類(lèi)，決定通過(guò)哪種方式訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。APN通過(guò)DNS域名解析，獲取GGSN/PGW的IP地址，從而訪(fǎng)問(wèn)不同的網(wǎng)絡(luò)。

（3）通信特征

通信特征是終端在通信中的標(biāo)識(shí)碼。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)終端業(yè)務(wù)，通常使用指定的IP地址/端口、域名，與服務(wù)器端建立通信連接。一般地，因IP地址資源有限，物聯(lián)網(wǎng)終端的IP地址相對(duì)固定，或只在指定范圍動(dòng)態(tài)分配。另外，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的一級(jí)、二級(jí)域名亦相對(duì)固定，以減輕DNS服務(wù)器配置資源的負(fù)荷。

（4）應(yīng)用特征

應(yīng)用特征是終端在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的標(biāo)識(shí)，如APP，UA等。通過(guò)獲取APP名稱(chēng)，即可識(shí)別終端;而UA（User Agent）為用戶(hù)代理，是HTTP上網(wǎng)協(xié)議頭域的組成部分，用于向業(yè)務(wù)服務(wù)器提供終端所使用的瀏覽器類(lèi)型及版本、操作系統(tǒng)及版本、瀏覽器內(nèi)核等信息。通過(guò)解碼UA，建立UA庫(kù)，可以識(shí)別終端。

（5）行為特征

行為特征是終端在通信行為中的表現(xiàn)特征。對(duì)于特定應(yīng)用場(chǎng)景下的物聯(lián)網(wǎng)終端，其空間、時(shí)間、流量等行為特征常呈現(xiàn)某些規(guī)律，如共享單車(chē)，終端的位置通常在少量小區(qū)間頻繁變動(dòng)，位置移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)流量在上下班高峰時(shí)段明顯增長(zhǎng)。

2 典型應(yīng)用場(chǎng)景下的特征呈現(xiàn)

2.1 共享單車(chē)

在共享單車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景中，單車(chē)終端收集GPS 定位信息、電子鎖狀態(tài)、用戶(hù)計(jì)費(fèi)信息等數(shù)據(jù)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳送至云端，而云端負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)控，收集信息并下傳命令，對(duì)單車(chē)終端進(jìn)行控制。分析信令話(huà)單發(fā)現(xiàn)有如下明顯特征：

（1）通信特征。終端會(huì)周期性向云端發(fā)送心跳包，心跳包主要集中在域名xxx.bikeapi.mobike.com，可以判斷對(duì)應(yīng)終端為摩拜單車(chē)。同時(shí)，目的IP為指定范圍內(nèi)的IP地址。抓包結(jié)果如圖4所示。

（2）行為特征。在空間位置方面，終端主要集中在學(xué)校、道路、城中村等人員有短距離移動(dòng)需求的區(qū)域。某工作日共享單車(chē)的分布數(shù)量及忙時(shí)情況見(jiàn)表1。

單車(chē)終端的移動(dòng)性高峰出現(xiàn)于上下班時(shí)段，如圖5所示。統(tǒng)計(jì)某小區(qū)小時(shí)粒度的摩拜單車(chē)移動(dòng)性（小區(qū)位置發(fā)生變動(dòng)的終端數(shù)/總終端數(shù)），發(fā)現(xiàn)8：00出現(xiàn)最高峰，18：00出現(xiàn)次高峰，在凌晨時(shí)段為最低值。

2.2 共享充電寶

共享充電寶主要是提供充電寶的出租服務(wù)，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)掃碼支付的方式租用充電寶，或者直接連線(xiàn)充電。共享充電寶一般投放在人流量較大區(qū)域或休閑類(lèi)門(mén)店，適用于用戶(hù)較長(zhǎng)時(shí)間停留的場(chǎng)景。分析信令話(huà)單發(fā)現(xiàn)有如下明顯的行為特征。

（1）空間位置方面，因主流共享充電寶（如小電、怪獸充電、街電等）是固定終端形式為主，終端的位置移動(dòng)性一般很弱，如圖6所示。

（2）在線(xiàn)率方面，因終端多固定放置于人流量大的地方，在線(xiàn)設(shè)備占比指標(biāo)波動(dòng)較平穩(wěn)，基本維持在80%左右，說(shuō)明充電寶終端每天的在線(xiàn)率都比較高，如圖7所示。

2.3 智能電表

智能抄表系統(tǒng)的主站與其管轄的終端裝置（抄表集中器）為一個(gè)內(nèi)部通信的局域網(wǎng)，局域網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)抄表集中器均被賦予一個(gè)固定的IP地址，抄表主站通過(guò)固定IP找尋到對(duì)應(yīng)的抄表集中器，并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。分析信令話(huà)單發(fā)現(xiàn)有如下明顯的特征。

（1）入網(wǎng)特征。在現(xiàn)網(wǎng)組網(wǎng)中，因電表的數(shù)據(jù)傳輸量少，常基于GPRS組網(wǎng)，使用專(zhuān)用APN，如某供電局電表，APN為XXGDJ.GD。

（2）通信特征。電表終端數(shù)量龐大，為節(jié)約IP地址，常通過(guò)配置內(nèi)網(wǎng)IP通信，區(qū)域內(nèi)終端同屬I(mǎi)P段，如172.18.17.XX等。

（3）行為特征。電表所在小區(qū)位置固定不變，同時(shí)，因電表用戶(hù)的用電數(shù)據(jù)常為按月采集，終端會(huì)有較長(zhǎng)時(shí)間無(wú)數(shù)據(jù)包上傳。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，必然帶來(lái)終端管理的新問(wèn)題，如何識(shí)別各類(lèi)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端，是管理終端的重要基礎(chǔ)。本文基于信令數(shù)據(jù)的采集分析，提出移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端的五類(lèi)通用識(shí)別特征。實(shí)踐結(jié)果表明，這些識(shí)別特征在多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)典型應(yīng)用場(chǎng)景下均具備普適性及準(zhǔn)確性。同時(shí)，基于信令數(shù)據(jù)識(shí)別出來(lái)的特征，與移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)無(wú)關(guān)，可為構(gòu)建通用有效的物聯(lián)網(wǎng)終端識(shí)別方法提供指引。

參 考 文 獻(xiàn)

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