深入剖析No.7信令系统：架构、应用与核心机制

No.7信令系统（Signaling System No. 7, SS7），作为全球电信网络的核心组成部分，负责在网络节点间传递控制信息，以建立、管理和终止通话及其他服务。理解SS7的结构、功能和工作原理对于掌握现代通信技术至关重要。本文将详细解答您关于SS7的系列问题。

核心洞察与关键要点

分层架构与OSI映射： SS7采用分层结构，其消息传输部分（MTP）的1至3级分别对应OSI模型的物理层、数据链路层和网络层，而用户部分（如ISUP、TCAP）则实现了应用层功能。
强大的应用层： SS7的应用层包含多个用户部分，如ISUP用于ISDN呼叫控制，TCAP支持复杂的事务处理，例如移动网络中的位置更新和智能网业务。
高效的信令传输： 作为一种公共信令系统（CCS），SS7通过独立的信令网络传输控制信息，与用户话音/数据分离，显著提高了网络效率和灵活性。

1. No.7号信号系统的功能分级与OSI模型关系

No.7号信号系统（SS7）在功能上采用分层结构，这种结构在一定程度上借鉴了开放系统互连（OSI）参考模型的思想，但并非完全一一对应。其主要功能级别及其与OSI模型的关系如下：

SS7 功能分层

SS7协议栈主要分为以下几个部分：

消息传输部分 (Message Transfer Part, MTP)：负责信令消息的可靠传送。MTP自身又分为三个级别：
- MTP 第1级 (MTP Level 1)：对应OSI模型的物理层。它定义了信令链路的物理、电气和功能特性，确保比特流能在物理介质（如E1/T1线路的64kbps时隙）上正确传输。
- MTP 第2级 (MTP Level 2)：对应OSI模型的数据链路层。它负责在相邻两个信令点之间的信令链路上提供可靠的信令单元传输，包括帧定界、差错检测与校正（通过重传）、链路状态监视和流量控制。
- MTP 第3级 (MTP Level 3)：对应OSI模型的网络层。它提供了信令消息在整个信令网络中的路由功能，包括信令点编码寻址、消息的选路和分发，以及信令网络管理功能（如链路拥塞处理和路由变更）。
信令连接控制部分 (Signaling Connection Control Part, SCCP)：SCCP位于MTP第3级之上，增强了MTP3的功能。它提供了OSI模型网络层的增强服务，并具备一些传输层的特性。SCCP支持面向连接和无连接两种服务，并提供了更灵活的寻址能力，如全局码标题翻译（Global Title Translation, GTT），允许信令消息路由到非MTP网络中的应用。SCCP和MTP共同构成了SS7的“网络服务部分 (Network Service Part, NSP)”。
用户部分 (User Parts) / 应用部分 (Application Parts)：这些是SS7协议栈的高层协议，利用MTP和SCCP提供的服务来实现具体的电信应用。它们主要对应OSI模型的应用层，某些情况下也可能包含会话层和表示层的功能。主要的用户部分包括：
- 电话用户部分 (Telephone User Part, TUP)：用于基本电话呼叫的建立和释放，主要应用于早期的固定电话网络。
- ISDN用户部分 (ISDN User Part, ISUP)：用于ISDN呼叫的建立、管理和释放，支持语音、数据和视频等多种业务，是现代电路交换网络中最主要的用户部分。
- 事务处理能力应用部分 (Transaction Capabilities Application Part, TCAP)：提供非电路相关的事务处理能力，用于在信令点之间交换非呼叫控制信息。TCAP支持数据库查询（如号码携带、用户鉴权）和调用高级网络功能，是移动应用部分（MAP）、智能网应用部分（INAP）等的基础。

与OSI模型的层次关系总结

下表总结了SS7各主要部分与OSI参考模型的对应关系：

SS7 层面/部分	OSI 模型对应层	主要功能
MTP 第1级 (MTP1)	物理层 (Physical Layer)	定义信令链路的物理、电气特性，比特流传输。
MTP 第2级 (MTP2)	数据链路层 (Data Link Layer)	保证链路上传输的可靠性，包括差错检测、帧同步、流量控制。
MTP 第3级 (MTP3)	网络层 (Network Layer)	提供信令消息的路由功能，包括信令点寻址、消息分发、网络管理。
SCCP (信令连接控制部分)	网络层 (增强功能) / 部分传输层功能	提供更灵活的寻址（如全局标题翻译）、连接控制（面向连接/无连接服务），为TCAP等上层应用提供服务。
TUP (电话用户部分)	应用层 (Application Layer)	处理传统模拟电话呼叫的建立和释放。
ISUP (ISDN用户部分)	应用层 (Application Layer)	处理ISDN呼叫的建立、管理和释放，支持数字网络和各种补充业务。
TCAP (事务能力应用部分)	应用层 (Application Layer)	提供非电路相关的事务处理能力，支持数据库查询、移动应用（MAP）、智能网应用（INAP）等。
MAP (移动应用部分)	应用层 (Application Layer)	基于TCAP，用于移动通信网络中的移动性管理、用户鉴权、短消息服务等。
INAP (智能网应用部分)	应用层 (Application Layer)	基于TCAP，用于智能网服务，如免费电话、预付费业务、虚拟专用网等。

需要注意的是，SS7协议族中并没有直接对应OSI模型第4层（传输层）、第5层（会话层）和第6层（表示层）的独立协议组件，这些功能部分地由SCCP和各用户部分间接实现或不完全覆盖。

SS7网络组件示意图，展示了SSP, STP, SCP等关键节点。

2. No.7号信令网协议的应用层组成及应用场合

No.7信令网协议的应用层是实现具体电信业务逻辑的核心，它建立在MTP和SCCP提供的网络服务之上。其主要组成部分及其应用场合如下：

应用层主要组成部分

ISDN用户部分 (ISDN User Part, ISUP)

应用场合：ISUP是SS7中用于控制电路交换呼叫（主要指ISDN呼叫）建立、管理和释放的关键协议。它广泛应用于固定电话网和移动网络（如2G/3G网络的电路域）中，支持语音通话、数据传输、视频会议等多种业务的连接控制。ISUP也负责处理补充业务，如呼叫前转、呼叫等待等。
电话用户部分 (Telephone User Part, TUP)

应用场合：TUP是较早期的用户部分，主要用于传统模拟电话网络（PSTN）中基本电话呼叫的建立和释放。随着ISDN和数字网络的普及，TUP已在很大程度上被ISUP所取代，但在一些仍在运行的老旧网络或者与这些网络互通时仍可能见到。
事务处理能力应用部分 (Transaction Capabilities Application Part, TCAP)

应用场合：TCAP提供了一种通用的、非电路相关的事务处理机制。它不直接处理呼叫本身，而是支持各种应用之间进行信息查询和交互。TCAP是许多高级电信服务的基础，其主要应用包括：
- 移动应用部分 (Mobile Application Part, MAP): 在GSM、UMTS等移动通信网络中，MAP利用TCAP在HLR（归属位置寄存器）、VLR（访问位置寄存器）、MSC（移动交换中心）、SMSC（短消息服务中心）等节点间交换信息，以支持用户漫游、位置更新、切换、鉴权、短消息服务（SMS）、补充业务等。
- 智能网应用部分 (Intelligent Network Application Part, INAP): 在智能网（IN）中，INAP利用TCAP在业务交换点（SSP）和业务控制点（SCP）之间进行交互，以实现各种智能业务，如800免费电话、预付费卡业务、虚拟专用网（VPN）、号码翻译、电话投票等。
- CAMEL应用部分 (Customized Applications for Mobile networks Enhanced Logic, CAMEL AP): 这是移动通信中的一种智能网能力，允许运营商为漫游用户提供归属网络的服务和计费策略。CAMEL AP也基于TCAP。
信令连接控制部分 (Signaling Connection Control Part, SCCP) - 作为上层应用的支撑

虽然SCCP在分层上属于网络服务部分，但它为TCAP等应用层协议提供了必要的增强寻址和连接管理服务（面向连接和无连接）。因此，在讨论应用层时，SCCP的作用不可或缺。例如，全局标题翻译（GTT）功能由SCCP提供，使得TCAP消息可以根据逻辑地址（如被叫用户号码）路由到正确的数据库或应用服务器。

下图通过一个思维导图展示了SS7应用层的主要构成及其之间的关系：

mindmap root["SS7 应用层 (Application Layer)"] ISUP["ISDN 用户部分 (ISDN User Part)
ISDN及现代电路交换呼叫控制
语音、数据、视频连接"] TUP["电话用户部分 (Telephone User Part)
传统固定电话呼叫控制
逐步被ISUP取代"] TCAP["事务处理能力应用部分 (Transaction Capabilities Application Part)
支持非电路相关的复杂事务交互"] MAP["移动应用部分 (Mobile Application Part)
移动网络功能：
- 位置更新
- 用户鉴权
- 短消息服务 (SMS)
- 漫游管理"] INAP["智能网应用部分 (Intelligent Network Application Part)
智能网业务：
- 800号免费电话
- 预付费业务
- 号码翻译
- 虚拟专用网 (VPN)"] CAMEL["CAMEL 应用部分 (CAMEL Application Part)
移动智能网扩展：
- 漫游用户归属业务
- 预付费漫游计费"] SCCP_Support["SCCP (作为支撑)
为TCAP等提供增强寻址和
面向连接/无连接服务"]

这个思维导图清晰地展示了SS7应用层如何通过不同的用户部分来满足多样化的电信业务需求，特别是TCAP如何作为平台支撑起移动通信和智能网中的核心功能。

3. 核心术语解析

理解SS7需要掌握一些核心术语，以下是对您提出的术语的解释：

信令 (Signaling)

在电信网络中，信令是指用于在网络单元之间交换控制信息的过程和机制。这些控制信息用于建立、维持、修改和释放呼叫或连接，以及管理网络资源和提供各种服务（如号码翻译、计费、用户状态查询等）。信令与用户实际承载的语音或数据是分离的。SS7就是一套广泛应用的信令协议。
信令点 (Signaling Point, SP)

信令点是SS7信令网络中的一个节点，它能够产生、接收或处理SS7信令消息。信令点可以是电话交换机、数据库或其他网络设备。主要有三种类型的信令点：
- 服务交换点 (Service Switching Point, SSP): 通常是电话交换机，能直接发起或终结用户呼叫，并具备SS7信令能力，可以向其他信令点发送或从其他信令点接收信令消息。
- 信令转接点 (Signal Transfer Point, STP): 相当于信令网络中的路由器，负责信令消息的转接和路由，将消息从一个信令链路转发到另一个信令链路，但不处理消息内容本身。
- 服务控制点 (Service Control Point, SCP): 通常是包含数据库和业务逻辑处理能力的计算机系统，用于提供高级业务（如智能网业务）。SSP在需要时会向SCP查询指令。
信令网 (Signaling Network)

信令网是由信令点（SP）和连接它们的信令链路组成的专用网络，专门用于传输SS7信令消息。它独立于承载用户话音或数据的通信网络，实现了信令与业务承载的分离，这种方式称为公共信道信令。
信令转接点 (Signal Transfer Point, STP)

如上所述，STP是SS7信令网中的核心路由节点。它接收来自一个信令点的信令消息，根据消息中的目的信令点编码，查询其内部的路由表，然后将消息转发到正确的出向信令链路，最终送达目的信令点或下一个STP。STP不处理用户业务，仅负责信令消息的透明转发。
直联方式 (Associated Mode of Signaling)

在直联信令方式下，两个相互通信的信令点（通常是SSP）之间有直接的信令链路连接。所有与这两个信令点之间的业务电路相关的信令消息都通过这条直联信令链路传送。这种方式简单直接，但对于大型网络，全网状直联会导致链路数量过多，不经济。
准直联方式 (Quasi-Associated Mode of Signaling)

在准直联信令方式下，两个信令点之间没有直接的信令链路，它们之间的信令消息需要通过一个或多个STP进行转接。信令路径和话路路径可能不完全一致。这是SS7网络中最常用的信令方式，因为它通过共享STP和信令链路资源，提高了网络的灵活性、可靠性和经济性。
随路信令系统 (Channel Associated Signaling, CAS)

随路信令系统是一种信令信息与它所控制的用户话音或数据信号在同一条物理信道上传输的方式。例如，传统的脉冲拨号或DTMF音就是一种随路信令。信令信息会占用一部分信道带宽或时间。这种方式相对简单，但效率较低，信令功能有限，且信令传输速率受限于话音信道特性。
公共信令系统 (Common Channel Signaling, CCS)

公共信令系统（也称共路信令系统）是一种将大量用户电路的信令信息集中起来，通过一条或几条独立于话音信道的高速数据链路（即公共信令链路）进行传输的方式。SS7就是一种典型的公共信令系统。CCS的优点包括：信令传输速度快、容量大、可提供更丰富的信令信息和业务功能、提高了电路利用率、便于集中维护管理等。

SS7用户部分特性比较

为了更直观地理解不同SS7用户部分（User Parts）的特点，下面的雷达图从几个维度对ISUP、TUP和TCAP进行了比较。这些评估是基于其典型应用和设计目标的相对比较，并非绝对的量化指标。

此雷达图揭示了：

ISUP 在实时性要求和应用范围（尤其是在电路交换领域）方面表现突出，复杂性也较高。
TUP 作为较早的协议，在复杂性和业务灵活性上较低，但对传统网络的支持度高，实时性要求同样重要。
TCAP 在复杂性、应用范围（尤其非电路相关业务）和业务灵活性方面得分最高，其设计目标是支持多样化的事务型应用，对实时性的要求相对ISUP/TUP可能稍低（取决于具体应用）。

4. 信令单元分类与LSSU结构

在SS7的MTP第2级，信令信息以信令单元（Signal Units, SUs）的形式在信令链路上进行传输。信令单元主要分为三类：

消息信令单元 (Message Signal Unit, MSU)

MSU用于承载实际的信令信息，即来自MTP第3级及以上用户部分（如ISUP、SCCP、TCAP）的消息。它包含了路由标签、信令信息字段（SIF）等，是SS7网络中传递业务控制指令的主要载体。
链路状态信令单元 (Link Status Signal Unit, LSSU)

LSSU用于在信令链路两端的MTP第2级之间传递链路状态信息。它不包含来自上层的用户数据，而是用于链路的建立、维护和管理，例如指示链路对齐、失步、拥塞或处理器中断等状态。
填充信令单元 (Fill-In Signal Unit, FISU)

当信令链路上没有MSU或LSSU需要发送时，会连续发送FISU。FISU的作用是保持链路的激活状态和同步，并允许MTP第2级持续监控链路的误码率。它仅包含基本的链路层控制信息，如序列号和指示位，不承载任何上层消息或特定的链路状态信息。

LSSU (链路状态信令单元) 的单元结构

LSSU的结构相对简单，因为它不携带用户消息。其典型的字段构成如下（比特数为近似值，具体可能因标准版本略有差异）：


+------+-----+-----+-----+-----+----+-----------+----+------+
| Flag | BSN | BIB | FSN | FIB | LI | Status    | CK | Flag |
| (8)  | (7) | (1) | (7) | (1) | (2)| (8 or 16) |(16)| (8)  |
+------+-----+-----+-----+-----+----+-----------+----+------+

Flag (标志): 8位，固定为 01111110，用于帧的开始和结束定界。
BSN (Backward Sequence Number, 后向序列号): 7位，用于确认对方发送的MSU。
BIB (Backward Indicator Bit, 后向指示位): 1位，与BSN配合，用于肯定或否定确认。
FSN (Forward Sequence Number, 前向序列号): 7位，本端发送的MSU的序列号。
FIB (Forward Indicator Bit, 前向指示位): 1位，与FSN配合，用于指示是否重发。
LI (Length Indicator, 长度指示符): 6位 (在MTP2标准中，LSSU的LI固定为1或2，指示SF的长度)。对于LSSU，该字段值通常为1或2，表示状态字段（SF）的长度为1或2个八位字节。
Status Field (SF) / Status Indication (SI) (状态字段): 8位或16位 (1或2个八位字节)，这部分携带实际的链路状态信息，例如：
- SIO (Status Indication "Out of Alignment")：链路失步
- SIN (Status Indication "Normal Alignment")：链路正常对准
- SIE (Status Indication "Emergency Alignment")：链路紧急对准
- SIPO (Status Indication "Processor Outage")：处理器故障
- SIOS (Status Indication "Out of Service")：链路停止服务
CK (Check Bits, 校验位): 16位，循环冗余校验码（CRC），用于检测信令单元在传输过程中是否发生错误。

注意：上述FSN/FIB, BSN/BIB主要用于MSU和FISU的差错控制。在LSSU中，LI固定为1或2，表示状态字段（SF）的长度。更准确地说，对于LSSU，LI字段值为1或2，而SIF（信令信息字段）被状态字段（SF）取代。完整的MTP2信令单元结构更为复杂，此处为LSSU的简化和关键字段说明。

5. 比特串的“插0”与“删0”转义操作

在SS7的MTP第2级，为了防止信令单元的数据部分出现与帧定界标志（Flag = 01111110）相同的比特模式，采用了“零比特插入/删除”（Bit Stuffing/Destuffing）技术。规则如下：

发送方（插“0”操作）: 在发送数据时（除标志字段外），当检测到数据流中连续出现5个“1”比特后，发送方会自动在其后插入一个“0”比特。
接收方（删“0”操作）: 在接收数据时，当检测到连续5个“1”比特后，如果紧跟的是一个“0”比特，则接收方会自动删除这个“0”比特，恢复原始数据；如果紧跟的是一个“1”比特（即构成了...111111...），并且这6个“1”后是一个“0”（构成标志01111110），则判断为标志字段。

假定在LSSU信令包的数据部分（例如状态字段内）有一串二进制串为：“…01111110…011111110…”

发送方实际发送的二进制串（插“0”操作后）

原始数据段1: 01111110

遇到前五个1 (011111)，第六个是1，在其后插入0。
011111 变为 0111110。
原数据段变为: 011111010

原始数据段2: 011111110

遇到前五个1 (011111)，第六个是1，在其后插入0。
011111 变为 0111110。
此时序列为 0111110110。没有连续5个1了。
原数据段变为: 0111110110

因此，发送方实际发送的二进制串将是：“…011111010…0111110110…”

接收方实际接收的操作（删“0”操作后）

接收方接收到串：“…011111010…0111110110…”

处理第一部分 011111010:

检测到连续5个1 (011111)，其后紧跟一个0。
删除这个插入的0。
恢复为: 01111110

处理第二部分 0111110110:

检测到连续5个1 (011111)，其后紧跟一个0。
删除这个插入的0。
恢复为: 011111110

因此，接收方经过删“0”操作后，恢复得到的原始二进制串是：“…01111110…011111110…”

这个机制确保了数据传输的透明性，即数据内容中可以包含任意比特组合，而不会与帧定界标志混淆。

6. TUP呼叫遇被叫忙的信令流程

TUP (Telephone User Part) 是用于传统固定电话网络中呼叫控制的信令协议。当一个TUP呼叫遇到被叫用户忙线时，其简化的信令流程大致如下：

参与实体：

主叫交换机 (Originating Exchange, OE): 发起呼叫的交换机。
被叫交换机 (Terminating Exchange, TE): 连接被叫用户的交换机。
STP (Signaling Transfer Point): 可能参与信令消息的转接。

信令流程步骤：

主叫交换机 (OE)                             STP (可选)                             被叫交换机 (TE)
      |                                         |                                         |
      | 1. IAM (Initial Address Message)        |                                         |
      |---------------------------------------->|>-------------------------------------->| (主叫号码, 被叫号码等)
      |                                         |                                         |
      |                                         |          (TE处理IAM，检查被叫用户状态)  |
      |                                         |          (发现被叫用户忙 User Busy)     |
      |                                         |                                         |
      | <---------------------------------------<|<----------------------------------------|
      |         2. REL (Release Message)          |                                         | (原因值: User Busy)
      |        (或可能是ACM后跟REL/RLC)           |                                         |
      |                                         |                                         |
      | (OE收到REL，向主叫用户送忙音)             |                                         |
      |                                         |                                         |
      | 3. RLC (Release Complete Message)       |                                         |
      |---------------------------------------->|>-------------------------------------->| (确认释放)
      |                                         |                                         |
      |                                         |          (TE收到RLC，释放相关资源)      |
      |                                         |                                         |
呼叫失败，资源释放完毕

流程详解：

初始地址消息 (Initial Address Message, IAM):
- 主叫用户摘机并拨号后，主叫交换机（OE）组装IAM消息，包含被叫号码、主叫号码、电路信息等。
- IAM通过SS7网络（可能经由STP）发送到被叫交换机（TE）。
被叫忙处理与释放消息 (Release Message, REL):
- 被叫交换机（TE）收到IAM后，解析被叫号码并检查被叫用户线路状态。
- 如果发现被叫用户正忙（User Busy），TE会组装一个REL消息。
- REL消息中会包含一个原因值（Cause Value），明确指示释放原因为“用户忙”。
- TE将此REL消息通过SS7网络发送回OE。
  (注：在某些TUP变体或场景下，TE在检测到被叫忙之前，可能会先发送一个地址全消息 ACM (Address Complete Message)，然后再发送REL。但对于明确的“被叫忙”场景，直接发送REL指示释放是常见做法。)
释放完成消息 (Release Complete Message, RLC):
- 主叫交换机（OE）收到指示“用户忙”的REL消息后，它会向主叫用户播放忙音。
- 同时，OE会发送一个RLC消息给TE，以确认电路已释放或即将释放。
- TE收到RLC后，也完成相关资源的释放。

此流程确保了当呼叫无法接通（如被叫忙）时，网络资源能够被及时、正确地释放，并且主叫用户能得到相应的状态反馈（忙音）。

该视频介绍了SS7（信令系统7号），强调了其在呼叫路由、号码携带、主叫ID和SMS中的作用。探索实际的SS7用例和应用。

常见问题解答 (FAQ)

SS7 和 VoIP 有什么关系？

SS7主要用于传统电路交换网络（PSTN）的信令控制。VoIP（Voice over IP）则是在IP网络上传输语音。两者可以互通：当VoIP呼叫需要连接到PSTN用户，或PSTN呼叫连接到VoIP用户时，需要通过媒体网关（Media Gateway）和信令网关（Signaling Gateway）。信令网关负责在SS7信令（如ISUP）和VoIP信令（如SIP）之间进行转换。SIGTRAN协议族就是用于在IP网上传输SS7信令的。

SS7 网络安全吗？

SS7网络最初设计时，主要考虑的是一个封闭可信的运营商网络环境，因此其固有的安全机制相对薄弱。近年来，随着SS7网络的接入点增多和一些协议漏洞的暴露，出现了一些安全风险，如位置追踪、短信拦截、呼叫窃听等。运营商和标准化组织正在努力通过部署防火墙、监控系统和新的安全协议（如Diameter）来增强SS7网络的安全性。

为什么需要公共信令系统（CCS）而不是随路信令（CAS）？

公共信令系统（如SS7）相比随路信令有诸多优势：1. 高效性：信令通过专用高速数据链路传输，速度快，可以处理更多信令。2. 灵活性：支持更复杂的信令消息和业务逻辑，如数据库查询、智能网业务。3. 资源利用率高：话音电路不被信令占用，提高了电路的通话承载效率。4. 可扩展性：易于增加新的信令功能和服务。5. 维护管理方便：信令网络集中，便于监控和维护。随路信令功能简单，效率低，已不适应现代通信网络的需求。

MTP 和 SCCP 的主要区别是什么？

MTP（消息传输部分）主要负责在SS7网络中提供可靠的信令消息路由和传输基础。MTP第3级提供基本的点到点信令消息传递，基于信令点编码（Point Code）进行路由。SCCP（信令连接控制部分）构建在MTP之上，提供了更高级的网络服务：1. 增强寻址：支持全局标题翻译（GTT），允许使用如被叫号码、IMSI等逻辑地址进行路由，而不仅仅是物理信令点编码。2. 连接类型：提供面向连接和无连接两种服务模式。3. 子系统管理：支持在同一信令点内的不同应用（子系统，如MAP、INAP）之间分发消息。简而言之，MTP是基础传输骨架，SCCP则为上层应用（特别是TCAP及其用户）提供了更强大和灵活的网络层服务。