CN100477568C

CN100477568C - 一种移动分组网络的数据传输方法

Info

Publication number: CN100477568C
Application number: CNB031279910A
Authority: CN
Inventors: 蒋铭
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: CN1543104A

Abstract

一种移动分组网络的数据传输方法，通信协议层接收数据包后，判断该数据包长度是否大于网络承载的最大传输单元，如果大于，通信协议层对上述数据包进行分片，然后在隧道中对该数据包进行封装，在移动分组网上传输数据包，然后在移动分组网络上进行传输，并在接收终端的通信协议层对分片后的数据包进行重组，最终传输至接收终端的应用层；否则，直接在移动分组网上传输数据包，直至传输至接收终端的应用层。网络承载的最大传输单元为，隧道承载的链路层的最大传输单元减去隧道承载的网络层协议封装长度，再减去隧道承载的传输层协议封装长度，最后减去隧道封装长度的结果。根据本发明提出的方法，提升了网络设备的性能，从而提高网络的传输效率。

Description

一种移动分组网络的数据传输方法

技术领域

本发明涉及网络中的数据传输技术，特别是指一种移动分组网络的数据传输方法。

背景技术

在宽带码分多址(WCDMA)分组网络中，终端设备(TE)使用分组域业务时，通常TE发送的网际协议(IP)数据包在WCDMA分组网络上承载。图1为WCDMA分组网络结构组成示意图，如图1所示，TE 101发送的IP数据包在WCDMA分组网络上承载，即经过移动终端(MT)102、通用陆地无线接入网(UTRAN)103、通用分组无线业务支持节点(SGSN)104、通用分组无线业务网关支持节点(GGSN)105的承载，然后通过Gi接口发送到公共数据网(PDN)106或互联网(Internet)上，最后IP数据包经过PDN 106发送至目的TE 107。IP数据包的反方向传送过程为上述过程的逆向过程。此处的TE 101和MT 102为可实现不同目的的设备，TE 101为用户提供操作界面的设备，MT 102为支持用户所作操作的设备。

图2为数据包在WCDMA分组网络中的传输过程示意图，如图2所示，移动台(MS)为TE与MT的组合，数据包的传输如图中箭头所示。在Gi接口外遵循IP协议或端对端协议(PPP)。在MS和GGSN上具有用于用户应用承载的对等协议层，例如IP协议层或PPP协议层，该协议层的数据包被作为WCDMA分组网络核心网上传输的净荷。在无线接口(Uu)上，数据包承载在分组数据会聚协议(PDCP)、无线链路控制层(RLC)协议、媒体接入控制层(MAC)协议和物理层(L1)协议的协议栈上；在Iu-PS接口上，数据包承载在通用分组无线业务用户面隧道协议(GTP-U)、用户数据报协议(UDP)或IP协议、异步传输模式适配层(ALL5)协议和异步传输模式(ATM)协议的协议栈上；在Gn接口上，数据包承载在GTP-U协议、UDP协议或IP协议、链路层(L2)协议和L1协议的协议栈上；在Gn接口和Gi接口上，数据包将通过IP网常用的链路层协议，例如以太网(Ethernet)协议，在IP广域网上进行传输。

当前考虑到Internet上Ethernet的最大传输单元为1500字节(BYTES)，制定了遵循几种通用协议的帧格式。图3为遵循几种通用协议的帧结构示意图，如图3所示，图3(A)为Ethernet II协议帧结构示意图，遵循EthernetII协议的帧一般包括：目的地址6BYTES、原地址6BYTES、协议类型6BYTES和数据46～1500BYTES；图3(B)为802.2协议帧结构示意图，遵循802.2协议的帧一般包括：目的地址6BYTES、原地址6BYTES、帧长度2BYTES、目的服务访问点(DSAP)1BYTES、源服务访问点(SSAP)1BYTES、控制域(control domain)1～2BYTES和数据46～1500BYTES；图3(C)为802.3协议帧结构示意图，遵循802.3协议的帧一般包括：目的地址6BYTES、原地址6BYTES、帧长度2BYTES和数据46～1500BYTES。

为使网络的传输效率达到最高，第三代移动通信协议将WCDMA分组网络的服务质量(QoS，Quality of Service)参数中的最大传输单元确定为1500BYTES，保证在Gi接口上和Internet互连时，不会发生IP数据包的分片和重组，以此使网络的传输效率达到最高。

基于PPP协议进行的端对端连接，出于相同原因的考虑，确定最大传输单元为1502BYTES。

数据包经过各承载协议层时，需要在该承载协议层上进行封装和解包。每一承载协议层都有各自的最大传输单元(MTU)。如果数据包的长度超过了通过该承载协议层的最大传输单元，则需要对该数据包进行数据包分片，当数据包传输至下一接口时，还需要对其进行重组。这样，最大传输单元的合理设置可有效避免传输过程中数据包的频繁分片和重组，对于提高网络的传输效率十分重要。如果WCDMA分组网络的最大传输单元大于L2层的最大传输单元，就会导致数据包的频繁分片和重组，大大降低了WCDMA分组网络的性能。通常通信系统会对该网络承载的最大数据单元进行统一规定，尽量避免数据包传输过程中的频繁分片和重组。但是，当前最大传输单元的设置只考虑到了Gi接口的互连性，而忽略了WCDMA分组网络自身的传输特性。

在第三代合作伙伴计划(3GPP)协议中规定，数据包在WCDMA分组网络中通过通用分组无线业务隧道协议(GTP)隧道进行传输，GTP隧道承载于UDP/IP协议层之上。

按照通常的组网方式，WCDMA分组网络中的SGSN节点和GGSN节点间承载于IP骨干网之上，而且一般通过以太网链路层进行传输。

图4为Gn接口数据包封装示意图，如图4所示，IP/PPP数据包在Gn接口的GTP隧道中传输时，GTP隧道会将IP/PPP数据包封装上GTP协议头、UDP协议头和IP协议头。

由图4可看出，如果IP/PPP数据包的长度接近最大传输单元1500BYTES时，通过在Gn接口GTP隧道中的传输，将IP/PPP数据包封装上GTP协议头、UDP协议头和IP协议头后，很可能会使封装后的数据包的长度超出以太网链路层上的最大传输单元1500BYTES。

从目前Internet上的业务统计情况来看，为提高传输效率，一些大数据量业务中，例如，遵循文件传输协议(FTP)的文件传输、视频点播等，服务器通常将发送的数据包长度设置为以太网链路层的最大传输单元1500BYTES，这就导致SGSN和GGSN会接收大量的分片数据包。另外，作为WCDMA分组网络的网元，SGSN和GGSN是作为GTP隧道的端节点而存在的，根据GTP隧道的特性，如果数据包在发送端GTP隧道被分片，则在接收端GTP隧道需将数据包进行重组，因此，在接收数据包的SGSN或GGSN上需重组数据包，从而大幅度降低SGSN和GGSN的处理性能。

此外，数据包的重组会大大增加GTP隧道中高速转发单元的设计难度。

图5为数据包在WCDMA分组网络中传输过程的分片重组示意图，如图5所示，如果GGSN接收的数据包长度为1500BYTES，经过封装GTP协议头、UDP协议头和IP协议头，当封装后的数据包传送至承载以大网协议层时，即以太网链路层，封装后的数据包长度已超出1500BYTES，因此GGSN将封装后的数据包在501处进行分片，即承载网络层的UDP/IP层对数据包进行分片，然后再对数据包进行发送，根据GTP隧道的特性，SGSN接收到分片后的数据包后，对数据包在502处进行重组，即承载网络层的UDP/IP层对数据包进行重组，然后再发送至Iu-PS接口。反之，如果SGSN先接收长度为1500BYTES的数据包，同样会对该数据包进行分片，然后由GGSN对数据包进行重组。

综上所述，目前WCDMA分组网络中最大传输单元的设置，只考虑到了封装前的最大传输单元，封装后的最大传输单元的长度实际上已经大于1500BYTES，这个最大传输单元的设置，与以太网链路层的最大传输单元1500BYTES是相互矛盾的，将使WCDMA分组网络核心网节点SGSN和GGSN对数据包进行大量的分片和重组工作，使其性能大大降低，复杂程度大大增加，这是WCDMA分组网络引进IP协议内容时，没有进行综合考虑而导致的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种移动分组网络的数据传输方法，对最大传输单元进行优化，避免数据包在传输过程中的频繁分片和重组。

为了达到上述目的，本发明提供了一种移动分组网络的数据传输方法，该方法包含以下步骤：

A、通信协议层接收数据包后，判断该数据包长度是否大于网络承载的最大传输单元，如果大于，执行步骤B，否则，执行步骤C；

B、通信协议层对上述数据包进行分片，在隧道中对该数据包进行封装，然后在移动分组网络上进行传输，并在接收终端的通信协议层对分片后的数据包进行重组，最终传输至接收终端的应用层；

C、在移动分组网络上传输数据包，直至传输至接收终端的应用层；

其中，所述网络承载的最大传输单元为，隧道承载的链路层的最大传输单元减去隧道承载的网络层协议封装长度，再减去隧道承载的传输层协议封装长度，最后减去隧道封装长度的结果。

所述隧道为通用分组无线业务隧道时，宽带码分多址分组网络承载的最大传输单元为，通用分组无线业务隧道承载的链路层的最大传输单元减去通用分组无线业务隧道承载的网络层协议封装长度，再减去通用分组无线业务隧道的传输层协议封装长度，最后减去通用分组无线业务隧道封装长度的结果。

所述通用分组无线业务隧道承载于用户数据包协议/网际协议层。

所述通用分组无线业务隧道遵循通用分组无线业务隧道协议1版本。

所述通用分组无线业务隧道遵循通用分组无线业务隧道协议0版本。

所述隧道承载的链路层的最大传输单元为：一个以上隧道承载的链路层最大传输单元中的最小值。

根据本发明提出的方法，使当前在网络承载层传输的数据包经过封装后，其长度不大于链路层的最大传输单元，可避免网络设备对数据包的频繁分片和重组，提升了网络设备的性能，从而提高了的网络传输效率。另外，依据本发明提出的优化最大传输单元的方法还可降低网络的复杂度，从而降低网络成本。

附图说明

图1为WCDMA分组网络结构组成示意图；

图2为数据包在WCDMA分组网络中的传输过程示意图；

图3为遵循几种通用协议的帧结构示意图；

图4为Gn接口数据包封装示意图；

图5为数据包在WCDMA分组网络中传输过程的分片重组示意图；

图6为GTPv1协议头结构示意图；

图7为GTPv0协议头结构示意图；

图8为UDP协议头结构示意图；

图9为IP协议头结构示意图；

图10为本发明中数据包在WCDMA分组网络中传输过程的分片重组示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明的关键是思想是：使Gn接口上传输隧道的最大传输单元与骨干网上的以太网链路层的最大传输单元相吻合。针对具有隧道封装特性的传输协议，在计算网络承载的最大传输单元时，应采用如下算法：网络承载的最大传输单元＝隧道承载的链路层的最大传输单元-隧道承载的网络层协议封装长度-隧道承载的传输层协议封装长度-隧道封装长度。隧道承载的链路层可能会同时有多个，鉴于通用性的考虑，隧道承载的链路层的最大传输单元可取隧道承载的网络链路层常用协议的最大传输单元中的最小值。

下面以WCDMA分组网络为例进行说明。

在WCDMA分组网络中，上述算法可为：WCDMA分组网络承载的最大传输单元＝GTP隧道承载的链路层的最大传输单元-GTP隧道承载的网络层协议封装长度-GTP隧道承载的传输层协议封装长度-GTP隧道封装长度＝以太网链路层的最大传输单元-IP协议封装长度-UDP协议封装长度-GTP隧道封装长度。GTP隧道承载的链路层的最大传输单元选取以太网链路层的最大传输单元是出于通用性的考虑，虽然WCDMA分组网络的链路层承载形式可为多种，例如以太网等，但以太网链路层的最大传输单元是其中最小的，根据上述算法计算出的WCDMA分组网络承载的最大传输单元能够满足最小的最大传输单元，自然能够满足其他较大的链路层最大传输单元。

下面介绍Gn接口各协议层的封装长度的计算。

目前，GTP隧道遵循的GTP协议有两个版本：GTPv1协议和GTPv0协议。

图6为GTPv1协议头结构示意图，如图6所示，GTPv1协议头结构通常共包含12BYTES，第一字节中包含版本号(Version)、GTP协议类型(PT(*))、扩展头标识(E)、序列号标识(S)和N-PDU标识(PN)。Version对于GTPv1协议始终设置为1；PT(*)用于区分当前应用的是GTPv1协议还是GTPv0协议；E用于确定该GTPv1协议头结构中是否包含扩展头；S用于确定该GTPv1协议头结构中是否包含序列号；PN用于确定该GTPv1协议头结构中是否包含N-PDU，N-PDU用于SGSN间的路由更新，PDU为协议数据单元。第二字节为该GTPv1协议头的消息类型(Message Type)。第三至四字节为该GTPv1协议头的消息长度(Length)。第五至八字节为该GTPv1协议头的隧道标识(Tunnel Endpoint Identifier)。第九至十字节为该GTPv1协议头的序列号(Sequence Number)。第十一字节为该GTPv1协议头的N-PDU号(N-PDU Number)。第十二字节为该GTPv1协议头的扩展头类型(Next Extension Header Type)。

图7为GTPv0协议头结构示意图，如图7所示，GTPv0协议头结构通常共包含20BYTES，第一字节中包含版本号(Version)、GTP协议类型(PT(*))、空闲位(Spare)和SNDCP N-PDU标识(SNN)。Version对于GTPv0协议始终设置为0；PT(*)用于区分当前应用的是GTPv1协议还是GTPv0协议；SNN用于确定该GTPv0协议头结构中是否包含SNDCPN-PDU。第二字节为该GTPv0协议头的消息类型(Message Type)。第三至四字节为该GTPv0协议头的消息长度(Length)。第五至六字节为该GTPv0协议头的消息序列号(Sequence Number)。第七至八字节为该GTPv0协议头的GTP流标识(Flow Lable)。第九字节为该GTPv0协议头的SNDCPN-PDU号(SNDCP N-PDULLC Number)。第十至十二字节为该GTPv0协议头中的空闲位，例如数字1。第十三至二十字节为该GTPv0协议头的隧道标识(TID)。

所有的GTP用户面数据包均是通过UDP/IP协议层承载的，UDP协议头的长度是固定的，为8BYTES。图8为UDP协议头结构示意图，如图8所示，UDP协议头包含2个字节的源端口号(Source Port Number)、2个字节的目的端口号(Destination Port Number)、2个字节的UDP长度(UDPLength)和2个字节的UDP校验和(UDP Checksum)。图9为IP协议头结构示意图，如图9所示，IP协议头的前一部分为20个字节的固定部分901，后一部分为不定长的选项部分902。固定部分901主要包括：版本、首部长度、服务类型、总长度、标识、源站IP地址、目的站IP地址等。选项部分902为长度可变的任选字段和填充部分，任选字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富，但是在Gn接口用户面的数据包中通常不带有选项部分902。

根据以上所述，GTP隧道遵循GTPv1协议时，各协议层的封装长度为GTPv1(12BYTES)+UDP(8BYTES)+IP(20BYTES)＝40BYTES。GTP隧道遵循GTPv0协议时，各协议层的封装长度为GTPv0(20BYTES)+UDP(8BYTES)+IP(20BYTES)＝48BYTES。依然是出于通用性的考虑，选取其中较大的48BYTES，根据以太网链路层的最大传输单元为1500BYTES，将GTP隧道看作用户面数据包的链路层协议，可计算Gn接口上GTP协议支持的最大传输单元为1500BYTES-48BYTES＝1452BYTES。

根据以上所述设置WCDMA分组网络承载的最大传输单元，就可避免核心网节点SGSN和GGSN对数据包的频繁分片和重组，提高了SGSN和GGSN的处理性能。

图10为本发明中数据包在WCDMA分组网络中传输过程的分片重组示意图，如图10所示，GGSN接收数据包，如果该数据包长度不小于WCDMA分组网络承载的最大传输单元，例如1452BYTES，则GGSN在数据进入GTP隧道封装前，将数据包在1处进行分片，即位于GTP隧道之上的通信协议层对数据包进行分片，然后再封装上GTP协议头、UDP协议头和IP协议头。由于在封装GTP协议头、UDP协议头和IP协议头前，GGSN就对数据包进行分片操作，当封装后的数据包传送至以太网链路层时，该数据包的长度没有超出以太网链路层的最大传输单元，因此当数据包传送至SGSN时，SGSN不会对数据包进行重组操作，直至传送至Uu接口，MS在2处对数据包进行重组，即位于GTP隧道之上的通信协议层对数据包进行重组。反方向上，数据包在MS上进行分片操作后才进行传输。

通过本发明提出的方法，在WCDMA分组网络核心网节点SGSN和GGSN上不会对数据包进行频繁分片和重组，使SGSN和GGSN的处理特点与路由器相一致。

本发明适用于移动分组数据网络，例如WCDMA分组网络，移动IP网络(Mobile IP)等。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims

1、一种移动分组网络的数据传输方法，其特征在于该方法包含以下步骤：

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述隧道为通用分组无线业务隧道时，宽带码分多址分组网络承载的最大传输单元为，通用分组无线业务隧道承载的链路层的最大传输单元减去通用分组无线业务隧道承载的网络层协议封装长度，再减去通用分组无线业务隧道的传输层协议封装长度，最后减去通用分组无线业务隧道封装长度的结果。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述通用分组无线业务隧道承载于用户数据包协议/网际协议层。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述通用分组无线业务隧道遵循通用分组无线业务隧道协议1版本。

5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述通用分组无线业务隧道遵循通用分组无线业务隧道协议0版本。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述隧道承载的链路层的最大传输单元为：一个以上隧道承载的链路层最大传输单元中的最小值。