CN102165737A - 在基于分组的无线通信系统中对业务流分类的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在基于分组的无线通信系统中对业务流分类的方法，所述基于分组的无线通信系统包括至少一个无线电接入网络(131；231)以及分组域核心网络(110；210)，所述方法包括步骤：通过在核心网络(210)的层次处的深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组(121)来对业务流分类。为了通过实现选择性深度分组检查来节省资源，提出该方法进一步包括步骤：确定数据分组(121)是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文，其中上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数；以及如果数据分组涉及所述预定关键上下文之一，则选择至少一个数据分组(121)用于深度分组检查。

Description

在基于分组的无线通信系统中对业务流分类的方法和设备
技术领域
本发明涉及在基于分组的无线通信系统中对业务流分类(classify)的方法，该系统包括无线电接入网络(RAN)以及分组域核心网络(CN)。而且，本发明涉及根据本发明应用以及使用该方法的无线电接入网络和核心网络设备。
背景技术
异常的以及不期待的分组数据流量增长已导致运营商需要控制他们的移动数据网络使用的情况。更快的接入技术(例如3G和HSPA)和有吸引力的收费模型(固定费用，包月)结合一起吸引越来越多的移动数据用户。当今移动网络的一个主要限制因素是吞吐量(分组每秒)能力。较少的繁重活动的数据用户能够容易地拥塞无线电小区，导致运营商的网络质量被在那个特定无线电小区的所有用户感知为差的情况。网络运营商无法动态控制在那个特定无线电小区中的各个用户的数据使用。
如今，被通信网络传递的业务的很大百分比包括经常绕过(bypass)运营商的业务逻辑的点对点(P2P)业务。P2P应用使用运营商的网络作为纯比特管道(bitpipe)且收益可能不足以覆盖承载业务的成本。P2P应用不能够必然使用协议签名而被准确标识以及分类，通用P2P协议中的一些甚至已被故意设计为隐藏以便绕开检测。
改善情况的一个明显的方法是增加无线电网络容量以及增加新的硬件。然而，这对于运营商自然是成本大的且最多也只能是拖延问题，因为数据服务本质上是容量密集的(capacity-intensive)且倾向于消耗所有提供的/可用的容量。
另一个方法是标识业务流和对业务流分类。试图表征业务，检测业务类型，目的是对业务流分类，包括深度分组检查(deep packet inspection)技术。提出的传统深度分组检查技术，如名称表明的，假定足够资源的可用性以检查全部分组以表征分组以及所检查分组归属的业务流。因此传统深度分组检查引起高处理开销以及经受了高成本。归因于其要求的资源和计算需求，对所有用户以及所有服务和/或业务流进行深度分组检查因此不是期望的。
因此，更有效的深度分组检查方法和设备被网络运营商积极地寻求以出于业务和网络工程目的确定在管理的通信网络中出现的业务类型，分组的在线标记，服务质量评估/保证，计费等等。点到点业务的有效检测和分类尤其是期望的，因为点到点业务消耗大量、不相称比例的带宽和其它通信网络资源。
结果，网络运营商想要使用点到点业务控制的组合以为其他类型的业务、点到点用户的带宽的动态管理来保留网络资源或者收取不同的费用来约束行为，和/或甚至根据加在网络运营商上的规则完全阻止点到点。
因此，需要解决上述问题以便通过改善传统非选择性深度分组检查的效率的装置和方法来提供更有效的业务分类。
发明内容
考虑到现有技术的以上问题，本发明的目标就是提供能够执行更有效的、且节约资源的业务分类的方法和设备。
本发明从在基于分组的无线通信系统中对业务流分类的方法开始。该基于分组的无线通信系统包括至少一个无线电接入网路和分组域核心网络。该方法可包括步骤：通过在核心网络的层次处的深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组以对业务流分类。
为了达到上述目标，提出，本发明进一步包括步骤：确定数据分组是否涉及预定关键上下文(critical context)的集合中的至少一个上下文，其中上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数(function)，以及如果数据分组涉及所述预定关键上下文之一，则选择至少一个数据分组用于深度分组检查。
关键上下文可以例如指示由于大量数据流受到带宽不足影响的无线电接入网络中的所选区域(例如，一组无线电小区)，或者指示传送高数据量的所选用户和/或需要服务接入控制的所选应用。
确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文，可以包括参看关键上下文表，该关键上下文表具有带标识符的关键上下文条目，用来存储预定关键用户，区域和/或服务；函数，从数据分组报头(header)、用户、区域和/或服务标识符中提取并且使数据分组与所选用户、区域和/或服务相关以便确定与数据分组关联的上下文；以及装置，用来选择涉及在关键上下文表中列出的至少一个上下文的那些数据分组。
“上下文”可以被解释为网络中的数据分组的集合上的等价类(equivalence class)。例如，具有特定目的地地址的数据分组，具有特定发送方地址的数据分组和/或其中一些标识符的前几个数匹配预定模式的数据分组组成这样的等价类。通过将DPI集中(focus)在关键上下文上，DPI所需要的资源可以被减少且业务分类可以以更有效的方式执行。
此外，提出，方法进一步包括步骤：基于用于拥塞上下文(congested context)的带宽资源状态来标识在无线电接入网络中的至少一个拥塞上下文，传送标识在无线电接入网络中的拥塞上下文的信息到核心网络，以及增加所述拥塞上下文到关键预定上下文的集合。
根据现有技术，来自无线电接入网络的该拥塞信息在核心网络的层次处不可用来将DPI集中到与无线电接入网络中的关键上下文有关的所选数据分组上。这样的步骤因此尤其有利，因为利用该方法，运营商将能够克服标识拥塞无线电小区的少数繁重用户的问题而不用通过深度分组检查的手段来分析所有数据业务。
在无线电接入网络处的拥塞上下文可以基于带宽资源的使用、活动(activity)时间、传送的数据量和/或在长的时间段内用户是活动还是静止来被标识。
根据本发明的优选实施例，提出，在标识拥塞上下文的步骤中，无线电接入网络设备检测拥塞无线电小区；在分组的GTP-U扩展报头消息中标记从拥塞无线电小区接收的至少一个分组；以及转发标记的分组到核心网络因此来传送标识拥塞上下文的信息。GTP-U协议作为GPRS隧道协议(或者GTP)的一部分被3GPP(第三代合作伙伴计划，例如，参见为本领域技术人员公知的技术规范3GPP TS 29.060 V8.4.0(2008-06))规定。
GTP消息的结构是相同的，其中GTP报头接着UDP/TCP报头。GTP报头包括扩展报头(E)字段，其具有指出是否存在扩展报头选择字段的1位值。下个扩展报头(NextExtension Header)是(可选的)8位字段。如果E、S(序号)，或PN(N-PDU号)位中的任何为开启(on)时，该字段存在。该字段必须仅在E位为开启时才被解释。该扩展报头的长度在Length 8位字段中指出，该字段在4-八位字节单元(4-octet unit)中包括长度、内容和下个扩展报头字段。长度必须是4的倍数。扩展报头的内容，例如拥塞信息，可以被包括在下个扩展报头的内容字段中。还可能充分的是仅设置E字段的1位值来指示拥塞上下文。进一步，可以链起(chain)多个下个扩展报头。
结果，该实施例将不会增加在无线电接入网络和核心网络之间的信令负荷，因为标识拥塞上下文的信息将和上行链路用户数据一起被载送。
而且，提出，该方法进一步包括步骤：根据使用深度分组检查确定的分类来分配带宽资源给所检查数据分组的至少一个上下文。分配带宽资源给所检查数据分组的至少一个上下文意味着对于涉及到依赖标识的业务分类以及基于参数集合的至少一个上下文的所有数据分组分配可用吞吐量容量的功能。参数可以包括用户订阅和用户简档数据，可用网络容量，日、周和/或月的时间。运营商因此可以能够还对于可以仅被针对所选用户、所选区域和/或所选服务通过深度分组检查而被分类的业务流来动态管理带宽资源。
而且，本发明提出在核心网络网关设备处执行确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文的步骤，该核心网络网关设备被配置为提供所述基于分组的无线通信系统和至少一个其他分组数据网络的互通。
网络网关设备可以相当于3GPP UMTS无线通信系统中的网关GPRS支持节点(GGSN)或者相当于接入网关(Assess Gateway，aGW)，该接入网关包括两个逻辑用户平面实体(统称为SAE GW的服务网关和PDN网关)以及在3GPP LTE/SAE无线通信系统中的一个控制平面实体(MME)。
本发明进一步的方面涉及基于分组的无线通信系统的无线电接入网络设备被配置为基于用于拥塞上下文的带宽资源的状态来标识无线电接入网络中的至少一个拥塞上下文，其中拥塞上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数。
无线电接入设备可以相当于UMTS 3GPP无线通信系统中的无线电网络控制器，3GPP HSPA+无线通信系统中的节点B(NodeB)，或者3GPP LTE/SAE无线通信系统中的eNodeB。
在无线电接入网络处的拥塞上下文可以基于带宽资源的使用、活动时间、传送的数据量和/或在长的时间段内会话是活动还是静止来被标识。无线电接入网络设备通常被配置为标识会话和/或用户位置，但是不存储完整的用户简档也不配置为执行DPI。可以从以下得到优点：传送在无线电网络层次处可用的上下文信息到所述网络网关设备，该网络网关设备被配置为提供和其他基于分组的数据网络的互通且其可以因此能够一起分析与在数据分组被选择用于DPI的网络位置处的数据分组有关的用户信息和会话。
提出，所述无线电接入网络设备进一步配置为传送标识在无线电接入网络中的拥塞上下文的信息到核心网络。根据本发明的优选实施例，提出，无线电接入网络设备在分组的GTP-U扩展报头消息中标记从拥塞无线电小区接收的至少一个分组以及转发标记的分组到核心网络因此来传送标识拥塞上下文的信息。通过使用GPRS隧道协议(或者GTP)-U来在GPRS核心网络中以及在无线电接入网络和核心网络之间载送用户数据，附加的信令可以被避免。
可选地，无线电接入网络设备可以通过信令，即直接发送包括标识拥塞上下文的信息的单独消息到核心网络来传送标识拥塞上下文的信息。信息格式可以包括GTP-U或者RANAP/GTP-C。进一步的替代方案可以使用网络管理系统或者策略控制服务器来传送标识拥塞上下文的信息。
本发明的其他方面涉及基于分组的无线通信系统的核心网络网关设备，所述核心网络网关设备被配置为提供所述基于分组的无线通信系统和至少一个其他分组数据网络的互通，以及通过深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组以对业务流分类。
提出，所述核心网络网关设备包括用于确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文的装置，其中上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数，以及如果数据分组涉及所述预定关键上下文之一就选择至少一个数据分组用于深度分组检查。
深度分组检查分析数据和/或数据分组的报头部分以对业务流分类。报头分析包括基于IP报头信息对业务归类的第3层(网络层)分析，该IP报头信息包括目的地地址和协议号；基于第3层信息和TCP以及UDP报头中的端口号对业务归类的第4层(传输层)分析，以及基于L7协议报头对业务归类的第7层(应用层)分析。分析数据部分包括在数据分组中查找协议特定模式。
如果核心网络网关设备进一步被配置为从无线电接入网络接收标识关键上下文的信息以及增加所述关键上下文到关键上下文的集合，可以实现其他优点。这些优点包括集中资源密集的DPI在涉及无线电接入网络中的关键上下文的那些数据分组上，以标识使得无线电接入网络中的关键上下文更快速以及使用较少的CPU资源的业务流。
为了在网络中动态管理带宽资源，核心网络设备进一步配置为根据使用深度分组检查确定的分类来分配带宽资源给所检查数据分组的至少一个上下文。
本发明的进一步的方面涉及核心网络网关设备，其被配置为根据使用深度分组检查确定的分类来修改对于所检查数据分组的至少一个上下文的至少一个收费参数和/或服务接入参数。这样的配置是有利的因为其将允许网络运营商区分服务接入控制(只有当网络/小区中有容量时才允许一些服务，如果服务一直滥用则阻止服务)或者对可仅通过深度分组检查被分类的业务流进行区分收费(价格可以根据数据分组或业务流是否涉及关键上下文而变化)。
附图说明
图1示出3GPP UMTS基于分组的无线通信系统的示意图，在该系统中可以实施本发明的示例实施例；
图2示出3GPP LTE/SAE基于分组的无线通信系统的示意图，在该系统中可以实施本发明的示例实施例；
图3示出在3GPP UMTS基于分组的无线通信系统中示例实施例的逐步实现；
图4示出用来传送关于拥塞上下文的信息的信令图；以及
图5示出确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的上下文所涉及的步骤的流程图。
具体实施方式
图1示出3GPP UMTS基于分组的无线通信系统构架100的示意图。无线通信系统100包括具有至少一个服务GPRS支持节点(SGSN)111以及至少一个核心网络网关设备、网关GPRS支持节点(GGSN)112的核心网络(CN)110。GGSN112包括被配置为提供所述基于分组的无线通信系统同至少一个其他分组数据网络120的互通的接口116，且包括CPU 114和存储器115。CPU 114执行基于存储在存储器115中的关键上下文的关键上下文表来选择数据分组用于DPI的过程以及执行通过深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组121以对业务流分类的过程。无线通信系统100进一步包括通用陆地无线电接入网络(UTRAN)130，其包括一个或多个无线电接入网络(RAN)131，无线电网络控制器(RNC)132以及节点B 133。RNC被配置为通过使用分组的GTP-U扩展报头消息150标记从拥塞无线电小区接收的数据分组151来将拥塞信息从RAN传送到CN以及转发标记的分组到核心网络以由此传送标识拥塞上下文的信息。系统100还包括多个无线用户装置(UE)设备140。
图2示出3GPP长期演进(LTE)/系统架构演进(SAE)基于分组的无线通信系统架构200的示意图。图2中例示的实施例的下面描述重点在和图1的实施例的区别。对相似的和/或同样的特征，读者应该参看图1的实施例的以上描述。
无线通信系统200包括具有至少一个核心网络网关设备、接入网关(aGW)212的核心网络(CN)210。aGW 212包括：两个逻辑用户平面实体，服务网关217以及分组数据节点(PDN)网关218(统称为SAE GW 219)，以及一个控制平面实体，移动管理实体(MME)216。这些可以以共同或者单独的物理节点来实现。该无线通信系统200进一步包括包含一个或多个eNodeB 232的至少一个LTE无线电接入网络231。系统200还包括多个无线用户装置设备(UE)240。GTP用户平面在253中示出，GTP控制平面GTP-C在252中示出。
图1中的RAN设备、RNC 132或者图2中的eNodeB232被配置为基于用于拥塞上下文的带宽资源的状态来标识无线电接入网络中的至少一个拥塞上下文。
和现有技术相比，RAN设备132；232进一步配置为传输标识在无线电接入网络中的拥塞上下文的信息到核心网络。根据本发明的优选实施例，提出，在标识拥塞上下文的步骤中，无线电接入网络设备检测拥塞无线电小区；在分组的GTP-U扩展报头消息150中标记从拥塞无线电小区接收的至少一个分组151；以及转发标记的分组到核心网络以由此传送标识拥塞上下文的信息。结果，该实施例不会增加在无线电接入网络和核心网络之间的信令负荷，因为标识拥塞上下文的信息将和上行链路用户数据一起被载送。
CN网关设备(即，图1中的GGSN 112以及图2中的aGW 212)被配置为提供所述基于分组的无线通信系统同至少一个其他分组数据网络120、220的互通；以及通过深度分组检查来分析输入业务流。CN网关设备进一步配置为从GTP-U扩展报头消息中提取在RAN中关于拥塞上下文的信息。选择性地仅针对涉及标识的关键上下文之一的那些输入数据分组进行DPI。
图3基于示例性示例根据来自图1的实施例描述了选择性DPI的步骤。在步骤1，用户发起P2P下载，导致拥塞无线电接入网络中的其无线电小区的业务流。在步骤2，例如，如果业务量超过与可用吞吐量容量相关的阈值，RNC注意到在这个无线电小区中的带宽资源的短缺。如在步骤3提出的，RNC在分组的GTP-U扩展报头消息中标记从拥塞无线电小区接收的业务流的分组；以及在步骤4通过对应的SGSN转发标记的分组到GGSN以由此传送标识拥塞上下文的信息。拥塞信息将因此与上行链路(UL)用户数据一起载送。在图4中还例示的是示出了传送关于拥塞上下文的信息的信令图。RNC接收上行链路用户数据401以及在GTP-U消息被传送到GGSN 403之前增加拥塞信息到GTP-U扩展报头402中。
在图3的步骤5中，GGSN被配置为从GTP-U扩展报头消息中提取在RAN中关于拥塞上下文的信息(如步骤6中指示的)以增加提取的关键上下文到存储关于所指示的关键上下文的所有信息的表。GGSN进一步被配置为例如通过函数从关键上下文的表中删除过期的关键上下文，该函数删除表中在一定时间段内没有被指示为关键上下文的所有上下文条目。如在步骤7说明的，GGSN基于关键上下文表的条目选择数据分组用于DPI。图5更详细地描述了用来确定业务流的数据分组是否被选择用于深度分组检查的步骤。在步骤8，GGSN仅对于如在步骤7中确定的、涉及关键上下文之一的那些输入数据分组进行深度分组检查。根据DPI的发现，业务流的数据分组随后在步骤9中被分类。例如，如果被RNC指示的、导致拥塞无线电小区的业务流被标识为P2P业务，则业务流可被分类为P2P业务和/或不希望的业务。
在步骤10中，GGSN随后根据基于标识的业务分类、用户简档以及网络资源的状态来确定带宽资源的功能来调整可用于该不希望的业务的带宽资源。
本发明的其他方面涉及CN网关设备，其被配置为依据使用图3中的修改步骤10中的深度分组检查而确定的分类来修改用于业务流的至少一个收费参数和/或服务接入参数。该配置将允许网络运营商区分服务接入控制(只有当网络/小区中有容量时才允许一些服务，如果服务一直滥用则阻止服务)或者对可仅通过深度分组检查被分类的业务流进行区分收费(价格可以根据数据分组是否涉及关键上下文而变化)。
图5示出确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的上下文时所涉及的步骤的流程图。GGSN在步骤501中从数据分组报头中提取信息来标识业务流涉及的用户、区域和/或服务。GGSN然后在步骤502中将该信息和关键上下文表中的第一条目相比较。如果数据分组涉及被第一条目确定的关键上下文，则在步骤503中选择数据分组用于DPI。另外，在步骤504中检查关键上下文的表是否具有附加的条目。如果否，在步骤505中，则不选择数据分组用于DPI。如果是，则在步骤506中过程跳转到关键上下文表中的下个条目以及将该条目与在步骤502中从数据分组报头中提取的信息相比较。
将理解的是，本公开仅以示例的方式进行，且可以进行本发明的实施的细节方面的许多改变而不脱离如在独立权利要求中定义的本发明的精神和范围。例如，RAN设备可以替代地被配置为借助于信令，即通过使用GTP-U或RANAP/GTP-C作为消息格式直接发送单独的消息到核心网络网关设备来传送标识拥塞上下文的信息。或者，如在图4的404中例示的，拥塞可以借助于网络管理系统而指示，该网络管理系统可以从RAN接收并利用拥塞消息或者被配置为基于网络负荷作决定。传送关于拥塞上下文的信息的另一个替代方案可以是使用可以组合拥塞和用户订阅信息的策略服务器。该发明还可以被实施在其他3GPP无线通信系统中(例如在HSPA+系统中，其中iNodeB表示标识以及传送关于拥塞上下文的信息的无线电接入网络设备)或者在非3GPP无线通信系统中。此外，该方法还可以被用于对上行链路业务流执行选择性的DPI。
本领域技术人员将能够容易地发现本发明的上述特征的其他组合和/或子组合，以便当使用如定义在权利要求中的发明的中心方面时使得方法和设备适合特定环境。

Claims (10)

1.一种用来在基于分组的无线通信系统中对业务流分类的方法，所述基于分组的无线通信系统包括至少一个无线电接入网络(131；231)以及分组域核心网络(110；210)，所述方法包括步骤：通过在核心网络(210)的层次处的深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组(121)以对业务流分类，
其特征在于所述方法进一步包括步骤：
a.确定数据分组(121)是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文，其中上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数，以及
b.如果数据分组涉及所述预定关键上下文之一，则选择至少一个数据分组(121)用于深度分组检查。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括步骤：
a.基于用于拥塞上下文的带宽资源的状态来标识无线电接入网络(131；231)中的至少一个拥塞上下文，
b.传送标识在无线电接入网络中的拥塞上下文的信息到核心网络，以及
c.增加所述拥塞上下文到关键预定上下文的集合。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于在标识拥塞上下文的步骤中，无线电接入网络设备(132；232)：
-检测拥塞无线电小区；
-在分组的GTP-U扩展报头消息(150)中标记从拥塞无线电小区接收的至少一个分组151；以及
-转发标记的分组到核心网络(110；210)以由此传送标识拥塞上下文的信息。
4.根据前述权利要求之一的方法，进一步包括步骤：依据使用深度分组检查而确定的分类来分配带宽资源给所检查数据分组的至少一个上下文。
5.根据前述权利要求之一的方法，其中确定数据分组是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文的步骤是在被配置为提供所述基于分组的无线通信系统和至少一个其他分组数据网络(120；220)的互通的核心网络网关设备(112；212)处执行。
6.一种基于分组的无线通信系统的无线电接入网络设备(132；232)，被配置为基于用于拥塞上下文的带宽资源的状态来标识在无线电接入网络中的至少一个拥塞上下文，其中拥塞上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数，其特征在于所述无线电接入网络设备进一步配置为传送标识在无线电接入网络(131；231)中的拥塞上下文的信息到核心网络(110；210)。
7.一种基于分组的无线通信系统的核心网络网关设备，所述核心网络网关设备包括：
a.接口(116)，提供所述基于分组的无线通信系统和至少一个其他分组数据网络的互通，以及
b.通过深度分组检查来分析至少一个业务流的至少一个数据分组(121)来对业务流分类的装置，
其特征在于所述核心网络网关设备进一步包括装置(114，115)以便：
c.确定数据分组(121)是否涉及预定关键上下文的集合中的至少一个上下文，其中上下文是使数据分组与所选用户、所选区域和/或所选服务相关的函数，以及
d.如果数据分组(121)涉及所述预定关键上下文之一，则选择至少一个数据分组(121)用于深度分组检查。
8.根据权利要求7的核心网络网关设备，其特征在于所述核心网络网关设备(112；212)进一步配置为从无线电接入网络(131；231)接收标识关键上下文的信息以及增加所述关键上下文到关键上下文的集合。
9.根据前述权利要求7或8中的一个的核心网络网关设备(112；212)，其特征在于所述核心网络网关设备进一步配置为依据使用深度分组检查而确定的分类来分配带宽资源给所检查数据分组的至少一个上下文。
10.根据权利要求7到9中的一个的核心网络网关设备(112；212)，其特征在于所述核心网络网关设备进一步被配置为依据使用深度分组检查而确定的分类来修改对于所检查数据分组的至少一个上下文的至少一个收费参数和/或服务接入参数。
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