CN100377547C

CN100377547C - 一种sgsn设备的数据高效转发方法

Info

Publication number: CN100377547C
Application number: CNB2005100183889A
Authority: CN
Inventors: 陈世庆; 郑亮
Original assignee: Beijing Northern Fiberhome Technologies Co Ltd
Current assignee: Beijing Northern Fiberhome Technologies Co Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2025-03-16
Also published as: CN1665222A

Abstract

一种SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：利用网络处理器，采用单板进单板出的方式来实现SGSN数据面的数据转发；单板进单板出的方式采用将数据平面的接口和交换功能放在一块单板实现，通过控制平面与数据平面的交互将一个新用户的所有隧道分布在同一个用户平面的单板上。可节约开发成本，并且网络处理器的扩展性好，处理速率非常高，这些都是传统的基于接口和交换分离的方式实现SGSN用户平面所无法比拟的。

Description

一种SGSN设备的数据高效转发方法

技术领域

本发明涉及的是3G核心网中SGSN设备的功能实现，主要实现用网络处理器在无线设备RNC和核心网设备GGSN之间的数据转发。

背景技术

随着Internet主干网络流量的指数性增长，主干路由器的处理线速已从622Mbps增加到了2.4Gbps，并且很快将达到10Gbps，而传统的网络处理方案已经不能同时满足网络处理速度和灵活性这两个方面的要求。因此，基于专用指令处理器(ASIP)技术的网络处理器得到了广泛的发展。

网络处理器是一种可编程设备，专门用于处理高速率网络流量，能够实现数据线速转发功能。网络处理器是在通用处理器性能已经不能适应网络接口及密度需求、专用ASIC芯片不能满足设计的灵活性的背景下产生的。网络处理器的主要优点如下：

1、拥有网络分组并行处理的能力，它能够达到硬件级的性能，满足逐渐增加的网络接口和密度要求；

2、具有高效的处理速度，能够达到分组的实时处理；

3、完全的可编程性和可拓展性，具有与通用处理器类似的功能，支持通用的网络协议，并为增加新的网络协议处理提供灵活性；

4、编程模式简单，并且网络处理器拥有一定数目的网络专用协处理器。

为了迎合这些需要，网络处理器将网络处理任务划分为控制层和数据层两个层面。其中，控制层面专门负责非实时性的管理和策略控制等等，数据层面专门负责高速易变的数据实时处理。

一个强大的网络处理器可以提供Layer2～Layer7所有网络层的协议处理，包括从简单的IP路由到复杂的加密和压缩程序。目前主要在通信网络层提供强大的包分类、转发以及其他的一些服务功能。

当前在SGSN设备中使用网络处理器实现数据转发功能通常采用接口和交换分离的方法，该方法是一种很常用的方法。但缺点是对数据的转发效率不高，不能满足3G网络对数据业务高效实时地处理需求。因为采用接口和交换分离的方法进行数据转发时需要同时使用几块板卡，板卡之间进行数据业务的处理须进行板间通信，而不同板卡之间进行板间通信会严重影响对数据的转发效率。所以，在本发明中我们使用单板进单板出的方式使用网络处理器来实现对SGSN设备的数据高效转发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SGSN设备的数据高效转发方法，具有成本低，转发速率高和可扩展性好的优点，能迎合通信新业务的开展，使用起来也十分简便。

本发明的技术方案是：一种SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：利用网络处理器，采用单板进单板出的方式来实现SGSN数据面的数据转发；单板进单板出的方式采用将数据平面的接口和交换功能放在一块单板实现，通过控制平面与数据平面的交互将一个新用户的所有隧道分布在同一个用户平面的单板上。

如上所述的SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：

网络处理器的C-5NP一共有16个CP，每个CP都由SDP和CPRC组成，它们通过专用的内存IMEM和DMEM对信元/包进行处理；

使用网络处理器进行SGSN用户平面的数据转发功能时16个CP分配情况如下：

CP0～CP3：实现GE RX接口功能；

CP4～CP7：实现GE TX接口功能；

CP8～CP11：实现GTP-U接口功能；

CP12～CP13：实现OC-3ATM接口功能；

CP14：实现AAL5的重组(Reassembly)功能；

CP15：实现AAL5的分片(Segmentation)功能。

这里，CP0～CP3主要是实现GE RX接口功能，CP4～CP7实现GE TX接口功能。CP8～CP11的功能是用于转发G-PDU，包括信令和数据，其中包含SGSN切换前转发的数据，并根据不同的情况统计流量信息，如果流量超过了阈值，则向控制平面报告。CP12、CP13实现ATM OC-3接口功能，用于接收和传输ATM信元。CP14完成AAL5SAR中Reassembly功能，CP15主要完成AAL5SAR的Segmentation功能。

如上所述的SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：

有两个相对独立的设计模块：Host控制管理部分和C-5NP数据转发部分，这两个独立部分之间存在信息交互，主要包括：GTP-U部分的信令消息、统计消息、系统配置接口等内容；这些信息交互的主要通道为通用处理器与网络处理器之间的PCI总线进行；C-5NP主要完成Layer1～Layer3层协议栈处理，实现数据包高速转发功能，而Host跟C-5NP协同工作，大大增强Layer4～Layer7层协议的处理能力。

利用网络处理器采用单板进单板出的方式来实现SGSN数据面的数据转发有如下优点：

1、成本低。传统的基于接口和交换分离的方式，实现SGSN数据转发功能时，将接口和交换功能分为不同的板卡来实现。因此实现SGSN用户平面同时需要Iu接口的ATM接口板，Gn接口的IP接口板和交换板，而使用单板网络处理器实现SGSN设备的高速数据转发仅需一块PPRB板卡，成本明显降低，节约了大量的资金。

2、转发速率高。由于在同一块PPRB板上板上进行SGSN的数据转发，不需要进行板卡之间的通信，因此，处理速率大大增强。并且采用此技术有效克服了通用处理器的瓶颈，这方面远远优于传统的通用处理器。对于日益完善的3G通信网络来讲，数据业务应用越来越普及，使用此技术无疑大大增强了单位时间内对视频、音频、数据业务的处理能力。

3、可扩展性好。网络处理器有16个CP、1个FP以及1个XP，可以在网络处理器上实现GE、GTP-U、OC-3ATM以及AAL2/AAL5等交换接口，拓展性好，以迎合通信新业务的开展，使用起来也十分简便。

由此可知，使用单板进单板出方式利用网络处理器来实现SGSN设备的数据高效转发技术效果十分明显。既可节约开发成本，并且网络处理器的扩展性好，处理速率非常高，这些都是传统的基于接口和交换分离方式来实现SGSN用户平面所无法比拟的。

附图说明

附图1是SGSN设备在3G中的网络位置框图。

附图2是网络处理器C-5NP的结构图。

附图3是SGSN数据平面系统架构图。

附图4是数据平面设计的通用模型。

附图5是SGSN数据平面协议层封装示意图。

具体的实施方式

下面结合附图详细描述本发明。

如图1所示，这是SGSN设备在3G的网络位置框图。节点B(Node B)100，无线网络控制器(RNC)101，移动交换中心/拜访位置寄存器(MSC/VLR)102，服务GPRS支持节点(SGSN)103，网关移动交换中心(GMSC)104，网关GPRS支持节点(GGSN)105，归属位置寄存器(HLR)106。

SGSN103是3G核心网分组域(PS域)的功能节点。在3G核心网中，通过SGSN103实现分组数据的接入和转发。SGSN103的主要功能有：网络接入控制功能，分组数据路由和转发功能，移动性管理功能，网络管理功能。

如图2所示，这是网络处理器C-5NP的结构图。它包括如下组件：通道处理器，队列管理单元QMU202，SRAM203，矩阵处理器FP204(1个)，交换矩阵205，查找表单元TLU206，执行处理器XP207(1个)，内部总线等。

CP的主要功能主要是负责接收、处理、发送信元/包。

CP独特的设计使得它能够高效地处理数据。FP204主要用于管理高速的矩阵交换接口，给PDU进行分片和重组。XP207主要提供网络的控制和管理功能，它通常是与HOST通用处理器进行通信。

如图3所示，是SGSN数据平面系统架构图。它由GMM/SM 301，SME 302，BroadcomBCM1250通用处理器303，网络处理器C-5NP304等组成。系统Host控制管理运行在BCM1250 303上，而数据转发运行在C-5NP304上。BCM1250 303对外与SME302以及GMM/SM301模块通过Backplane总线进行信令/数据交互。C-5NP302对外分别对应RNC Iu接口和GGSN Gn接口。

其实现分为两个相对独立的设计模块：Host控制管理部分和C-5NP数据转发部分。这两个独立部分之间存在信息交互，主要包括：GTP-U部分的信令消息、统计消息、系统配置接口等内容。这些信息交互的主要通道为通用处理器与网络处理器之间的PCI总线进行。C-5NP304主要完成Layer1～Layer3层协议栈处理，可以实现数据包高速转发功能。BCM1250跟C-5NP协同工作，大大增强了Layer4～Layer7层协议的处理能力。

如图4所示，它是数据平面设计通用模型，该图体现了具有通用处理器和网络处理器板卡在数据平面系统中的设计思路。具体如下：

在数据平面上，对数据的操作是实时进行的，这就构成了通信设备的核心功能，所以对性能要求非常严格。在C-5NP上对数据的接收、处理、传输操作就是在数据平面上实现的。

在控制平面上，控制和管理操作决定了对设备的一般操作。比如在一台交换机或者路由器上进行控制路由表、决定和设置端口状态、决定高层管理的操作都属于控制平面的操作。本发明中在C-5NP上实现，控制平面的任务通常是在Host通用处理器上的软件运行下实施的。

如图5所示，它是SGSN数据平面协议层封装示意图。

在501中网络处理器针对指定的VC，对收到的对信元进行VPI/VCI检查，获取相关的处理信息；进行相关协议层处理，比如将ATM信元分类、CRC10校验等工作。将相应数据缓存到系统专门SDRAM中；形成对各缓冲负荷的描述符，进行相应的队列管理工作。这样，即完成对ATM信元接收及包组合功能，被缓存负荷(Payload)部分等待后续处理。

在AAL5汇聚层502，主要完成ATM信元CRC-32校验等，同时处理LLC/SNAP 503相关控制信息。对经过上述处理的PDU数据生成IP数据负荷描述符，进行相应的队列管理工作。这样，就完成了对AAL5汇聚层的处理功能，被缓存的IP数据负荷等待后续处理。

对IP数据包504，进行IP协议部分的处理，如进行IP版本、长度、生命周期等的判断，进行UDP的校验工作等，发起IP地址的查询，形成对该部分数据相应描述符。

IP地址的查询结果有三种：路由方向为ATM接口；路由方向为GE接口；路由方向为GTP-U CP。如果为GTP-U数据方向，被缓存数据等待GTP-U CP的处理。

GTP-U CP 505对上述缓存的数据进行GTP-U部分的协议处理。进行GTP-U头部的解析工作，如果为信令消息，则转发到XP，通过XP转发到Host处理器进行处理；而如果G-PDU数据，则发起TEID查表，获取TEID对应的目的TEID、目标IP地址以及目标IP对应的MAC地址或VPI/VCI数据，为后续的协议头的更新准备数据。形成数据描述符，并进行排队，等待后续IP 506发送处理CP的相应处理。在507中，GE接口的CP进行TEID、IP头更新，同时添加MAC地址，最后将数据发送出去。

以上结合实例对本发明作了说明，应指出，本领域技术人员可以做出各种形式的和细节上的改变，而不偏离由所附权利要求所确定的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：利用网络处理器，采用单板进单板出的方式来实现SGSN数据平面的数据转发；单板进单板出的方式采用将数据平面的接口和交换功能放在一块单板实现，通过控制平面与数据平面的交互将一个新用户的所有隧道分布在同一个用户平面的单板上；

网络处理器C-5NP一共有16个CP，每个CP都由SDP和CPRC组成，它们通过专用的内存IMEM和DMEM对信元/包进行处理；

使用网络处理器进行SGSN用户平面的数据转发功能，16个CP的分配情况如下：

CP0～CP3：实现GE RX接口功能；

CP4～CP7：实现GE TX接口功能；

CP8～CP11：实现GTP-U接口功能；

CP12～CP13：实现OC-3ATM接口功能；

CP14：实现AAL5的重组功能；

CP15：实现AAL5的分片功能。

2.如权利要求1所述的SGSN设备的数据高效转发方法，其特征在于：有两个相对独立的设计模块：Host控制管理部分和C-5 NP数据转发部分；这两个独立部分之间存在信息交互，主要包括：GTP-U部分的信令消息、统计消息、系统配置接口内容；这些信息交互的主要通道为通用处理器与网络处理器之间的PCI总线进行；C-5 NP主要完成Layer1～Layer3层协议栈处理，实现数据包高速转发功能，而通用处理器跟C-5 NP协同工作，大大增强Layer4～Layer7层协议的处理能力。