小編精選 - 技術文章翻譯 · 03月23日

在家嘗試重現電信業者

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既然進到電信業者的行動核心（mobile core）部門當工程師，乾脆在家也把核心設備重現一次吧。不過話說回來，我是負責行動核心的基礎建設開發，對 3GPP 與設備只有概要程度的了解。文中可能會有部分敘述不夠精確，敬請見諒。

這次要做的是在自家 WiFi 中，依據裝置或使用者對通訊速率進行限制的實作。簡單來說，就是在路由器和無線基地台（AP）之間放一台樹莓派，讓經過無線 AP 的流量由樹莓派施加速率限制。

我把這個系統放到 GitHub 上公開了（持續開發中）。

3GPP 的超簡要說明

4G LTE 的核心網路（EPC）由 3GPP 標準化其功能與介面，世界各地的業者都是依照這個規格來建置網路。

下面用極度簡化的方式說明：從手機連到基地台到連上 Internet 的過程。
※實際上還有更多設備，但理解以下主要角色就足夠了。
![画像10.png]()

① UE（User Equipment）
使用者所使用的裝置（例如智慧型手機），為通訊的起點。
② eNodeB（enhanced NodeB）
3G 時代的基地台稱為 NodeB，4G 為其發展型稱作 eNodeB（enhanced NodeB），而 5G 稱為 gNodeB（next Generation NodeB）。
（像 LTE 的 Long Term Evolution 或 5G 的 New Radio/Next Generation 這種命名，時間過了就可能不再準確，個人不是很喜歡這種命名方式……）
③ MME（Mobility Management Entity）
負責終端認證（與 HSS 互動）、位置管理（例如裝置連到哪個基地台）、以及連線控制等功能。
④ HSS（Home Subscriber Server）
儲存加入者資訊（認證資訊、合約資訊等）的資料庫。
⑤ SGW（Serving Gateway）
負責資料的中繼與在移動時維持資料路徑。
⑥ PCRF（Policy and Charging Rules Function）
決定 QoS 與頻寬控制等政策的控制功能，並即時監控通信量以進行收費。
⑦ PGW（Packet Gateway）
與外部網路的連接點，負責分配 IP 位址並作為流量出口。執行由 PCRF 決定的政策。

系統架構

以 tc 指令為基底，建立一套自動維持通訊控制設定的機制。

關於 tc 指令的安裝與使用可以參考相關文章。

我們的架構參考了 Kubernetes 的設計思想。

![スクリーンショット 2026-03-20 11.43.38.png]()

首先，把理想的通訊狀態（Desired State）定義在資料庫裡。這個 DB 準備以下兩張表來設定通訊政策：

filter_pocily：使用者 A 的裝置限制為通訊速度 100 Mbps 等等...
device_info：MAC 位址為「1A:2B:3C」的裝置是使用者 A 的 iPhone 等等...

另一方面，實際設定在 Linux 上的狀態（Actual State）則由 tc 指令所設定的 filter 與 qdisc 的內容所決定。

系統定期比較這兩種狀態（輪詢），若有差異則進行修正，實作為一個 reconciliation loop（調和迴圈）。

這個處理會以 systemd 方式守護化，作為一個常駐的 reconciler 守護程序執行。

系統內封包的流向

![図1.png]()

通訊控制的流程如下。我也把 3GPP 的節點一併對應上。因為不考慮基地台移動，所以 MME 與 SGW 在此系統中不需要。另外，本系統中 PGW 會包含 HSS 與 PCRF 的功能（實務上通常為不同節點），因此畫面會如圖所示。

把樹莓派放在路由器與存取點之間，內部使用 bridge（br0）來中繼通訊。

eth0：路由器方向
eth1：無線基地台（AP）方向
br0：連接兩個介面的橋接

封包接收（ingress）

當路由器方向（eth0）有封包進來時，首先以 ingress 的方式接收。

透過 ifb 的轉換（ingress → egress）

在 Linux 上 ingress 無法做較複雜的頻寬整形（shaping），因此會先將封包重導（redirect）到 ifb0（虛擬 NIC），把 ingress 的封包「當作 egress」來處理。

使用 tc 進行分類

在 ifb0 上就可以把流量當作一般的 egress 流量來處理，利用 tc 的 filter 對封包做分類。
→ 以目的 MAC 位址判定裝置，依每位使用者的通訊政策分配到不同的 class。
（3GPP 流程中：向 HSS 詢問該裝置屬於誰，向 PCRF 詢問使用者對應的通訊政策，然後在 PGW 執行頻寬控制。）