CN103535072A - 用于地理冗余网关处的会话弹性的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于管理与主要服务网关（SGW）相关的备份SGW的方法、系统和装置，所述备份SGW定期从所述主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分，并且响应于所述主要SGW的故障，承担与所述主要SGW相关的IP地址和路径的管理，并且响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于将所述UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。

Description

用于地理冗余网关处的会话弹性的系统和方法
相关申请
本专利申请要求于2011年3月18日提交的序列号为61/454,328、标题为“GEO-REDUNDANCE IN A SERVING GATEWAY”的美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请通过引用方式以其全文并入本文。
本专利申请与同时提交的编号为______（代理人案号ALU/809350）、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR SESSION RESTORATION ATGEO-REDUNDANT GATEWAYS”以及编号为_______（代理人案号ALU/809431）、标题为“SYSTEM AND METHOD FOR FAILOVERHANDLING AT GEO-REDUNDANT GATEWAYS”的美国专利申请相关，这两个美国专利申请通过引用方式以其全文并入本文。
技术领域
本发明概括来说涉及管理网络资源，并且更具体（而不是排他性地）来说涉及调适与诸如服务网关（SGW）的系统路由器相关的操作。
背景技术
无线网络（比如长期演进（LTE）网络）可包括与一个或多个eNodeB通信的移动电话或其它用户设备（UE）组，这些eNodeB与一个或多个服务网关（SGW）通信，这些服务网关又与分组数据网络（PDN）网关（PGW）通信，而该PDN网关又与诸如IP多媒体子系统（IMS）接入网络或核心网络的固定网络通信。此外，LTE网络包括各种网络元件，如移动管理实体（MME）、策略和计费规则功能（PCRF）、网络管理系统（NMS）等。
在服务网关（SGW）失去与网络中的其它节点的连接（例如，由于网络断开连接、电力故障或者甚至基于局部故障的触发行为）的故障情形中，备份SGW必须接管操作。这应当以智能的方式来完成，以避免资源利用的不合理剧增，同时继续达到合理的用户/订户预期。
当主要SGW发生故障时，丢弃发往故障的SGW的所有数据包。此外，MME将失去与故障SGW相关的路径管理状态，并且将需要清理所有其活动的会话。这将使活动的UE通过备份SGW或替代SGW重新连接至网络。类似地，PGW将失去其对于SGW的路径管理状态，并且将清理朝向IMS子系统的会话状态（所有UE在PGW上是活动的并且进入网络）。随着活动的UE重新附接，其状态对于PGW和IMS子系统将恢复。
然而，由于在任何给定的时刻大多数UE是空闲的，所以在主要SGW故障时，MME将不触及空闲UE来清理其会话。这是因为清理空闲UE会话的第一步是呼叫每个空闲的UE，而这代价极为昂贵。如果空闲的UE未被清理，则网络发起的呼叫无法到达它，因为没有网络实体知道其当前在网络中位于何处。另外，IMS子系统无法找到该UE，并且没有实体在积极地促进该UE重新识别其自身。由于UE将有多达一或两个小时的时间（取决于不同的计时器）不可接触，所以后果很严重。对于用户来说，这是不可接受的。
发明内容
用于管理与主要服务网关（SGW）相关的备份SGW（如以地理冗余对配置）的方法、系统和装置的本发明针对现有技术的各种缺陷。一个实施例提供了以从模式操作的备份SGW，即定期从主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分；并且响应于主要SGW的故障，进入主操作模式，并且承担与主要SGW相关的IP地址和路径的管理；并且响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于将该UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。
附图说明
通过结合附图来考虑以下详细描述可容易地理解本发明的教导，其中：
图1描绘得益于一个实施例的示例性通信系统；
图2描绘适于在图1的通信系统中使用的示例性服务网关（SGW）路由器架构；
图3描绘根据一个实施例的会话状态备份方法的流程图；
图4描绘根据一个实施例的弹性会话状态恢复方法的流程图；
图5描绘响应于对于空闲UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图；
图6描绘响应于对于活动的UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图；
图7描绘响应于对于活动的UE的S1-u上的进入数据信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图；
图8描绘响应于对于活动的UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图；
图9描绘响应于对于空闲UE的S5上的进入数据信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图；以及
图10描绘适于在执行本文关于各种实施例所描述的功能时使用的通用计算机的高级框图。
为了促进理解，在可能的情况下，使用了相同的参考数字，以指示在多个附图中都存在的相同元件。
具体实施方式
本发明将主要在长期演进（LTE）网络的情境中描述，其中服务网关（SGW）冗余使得活动的和空闲订户都从故障SGW过渡到备份SGW。
尽管本文主要在在4G LTE无线网络内提供管理和备份功能的情境中描绘和描述，但应理解本文描绘和描述的管理和备份功能可在其它类型的无线网络（例如，2G网络、3G网络、WiMAX等）、有线网络或无线和有线网络的组合内利用。因此，本文关于LTE网络描述的各种网络元件、链路和其它功能实体可被宽泛地解释来识别与各种其它类型的无线和有线网络相关的对应网络元件、链路和其它功能实体。
本发明部分源于发明人的认识，即急剧增大的无线网络尤其导致现有解决方案无法适当处理的特定网络管理问题。特别是，发明人认识到，现有解决方案缩放较差，并且无法处理订户设备可能处于不同的稳定状态（如空闲或活动的状态）或处于不同的过渡状态（如在呼叫流之间进行、在空闲状态和活动的状态之间移动、进行从一个eNodeB到另一个eNodeB的移交、创建专用承载、销毁PDN会话等）的实际情况。此外，用户业务可能以学习或过渡状态中的任何一个状态流向或流自用订户。
图1描绘了根据一个实施例的包括管理和备份/保护功能的示例性无线通信系统。具体来说，图1描绘了示例性无线通信系统100，其包括多个用户设备（UE）102、长期演进（LTE）网络110、IP网络130和网络管理系统（NMS）140。LTE网络110支持UE102和IP网络130之间的通信。NMS140被配置用于支持用于LTE网络110的各种管理功能。本领域技术人员将理解LTE网络的配置和操作。
示例性UE102为能够访问无线网络（如LTE网络110）的无线用户设备。UE102能够支持支持承载信道会话的控制信令。UE102可为移动电话、个人数字助理（PDA）、计算机、平板设备或任何其它无线用户设备。
示例性LTE网络110包括（说明性的）两个eNodeB1111和1112（统称为eNodeB111）、两个服务网关（SGW）1121和1122（统称为SGW112）、分组数据网络（PDN）网关（PGW）113、移动管理实体（MME）114和策略和计费规则功能（PCRF）115。eNodeB111提供用于UE102的无线电访问接口。SGW112、PGW113、MME114和PCRF115以及为了清晰目的而省略了的其它组件合作来提供使用IP支持端到端服务交付的演进型分组核心（EPC）网络。
eNodeB111支持UE102的通信。如图1所示，每个eNodeB111支持相应的多个UE102。eNodeB111和UE102之间的通信使用与每个UE102相关的LTE-Uu接口来支持。
SGW112使用比如SGW112和eNodeB111之间的相应S1-u接口来支持eNodeB111的通信。S1-u接口支持在移交期间的每承载用户平面隧道和eNodeB间路径切换。
如图1所示，SGW1121支持eNodeB1111的通信，而SGW1122支持eNodeB1112的通信。在不同的保护/备份实施例中，SGW1121还能够支持eNodeB1112的通信，而SGW1122还能够支持eNodeB1111的通信。
PGW113使用比如PGW113和SGW112之间的相应S5/S8接口支持SGW112的通信。S5接口提供诸如用于PGW113和SGW112之间的通信的用户平面隧道和隧道管理、由于UE移动性的SGW重定位等功能。S8接口可能是S5接口的公用陆地移动通信网（PLMN）变种，其提供PLMN间接口，PLMN间接口提供访问者PLMN（VPLMN）中的SGW和归属PLMN（HPLMN）中的PGW之间的用户和控制平面连接。PGW113促进经由SGi接口的LTE网络110和IP网络130之间的通信。
MME114提供支持UE102的移动性的移动管理功能。MME114使用比如提供用于MME114和eNodeB111之间的通信的控制平面协议的相应S1-MME接口来支持eNodeB111。
PCRF115提供动态管理能力，通过动态管理能力，服务提供商可管理与经由LTE网络110提供的服务相关的规则和与经由LTE网络110提供的服务的收费相关的规则。
如本文关于图1所描绘和描述的，LTE网络110的元件经由元件之间的接口通信。关于LTE网络110所述的接口也可称为会话。LTE网络110包括演进型分组系统/解决方案（EPS）。在一个实施例中，EPS包括EPS节点（例如，eNodeB111、SGW112、PGW113、MME114和PCRF115）和EPS相关的互联（例如，S*接口、G*接口等）。EPS相关接口在本文可称为EPS相关路径。
IP网络130包括一个或多个分组数据网络，通过这些网络，UE102可访问内容、服务等。
NMS140提供用于管理LTE网络110的管理功能。NMS140可以任何适当的方式与LTE网络110通信。在一个实施例中，例如，NMS140可经由通信路径141与LTE网络110通信，通信路径141不贯穿IP网络130。在一个实施例中，例如，NMS140可经由通信路径142与LTE网络110通信，通信路径142受IP网络130支持。可使用任何适当的通信能力来实现通信路径141和142。NMS140可实现为通用计算设备或专用计算设备，如下文关于图10所述。
图2描绘适于在图1的通信系统中使用的示例性服务网关（SGW）路由器架构。具体来说，图1描绘了作为SGW（如上网关于图1所描绘的SGW112）操作的路由器200。路由器200经由网络110（如上文关于图1所描绘的网络110）与各种网络元件（未示出）通信。本领域的技术人员将理解，在维持基本SGW功能的同时，可修改本文关于SGW200所描绘的具体拓扑。
SGW200被描绘为包括多个输入输出（I/O）卡210-1、210-2等直到210-N（统称为I/O卡210）、交换结构220和控制模块230。控制模块230通过相应的控制信号CONT来控制I/O卡210和交换结构220的操作。控制模块230还执行如本文所述的各种SGW功能。
每个I/O卡210包括多个进入端口、外出端口、控制器等（未示出），它们操作来在网络110和交换结构220之间传递数据包。在I/O卡210的特定进入端口处接收到的数据包可经由同一I/O卡210或不同的I/O卡210的外出端口传递到交换结构220或传递回到网络110。根据由控制模块230提供的路由数据，以标准方式来完成经由I/O卡210的数据包路由。
交换结构220可包括任何标准的交换结构，如电学、光学、电光、MEMS等。
控制模块230从诸如上文关于图1所讨论的网络管理系统（NMS）140的网络管理器（未示出）接收属于各种SGW操作和管理功能的配置数据、路由数据、策略信息和其它信息。控制模块230还向网络管理器提供属于操作和管理功能的配置数据、状态数据、警报数据、性能数据和其它信息。
控制模块230包括I/O模块231、处理器232和存储器233。存储器233被描绘为包括软件模块、实例化对象等，以提供SGW管理器233SGWM、备份和恢复管理器233BARM、会话数据233SD、路由器数据233RD和其它功能/数据233O。控制模块230可实现为通用计算设备或专用计算设备，如下文关于图9所述。
SGW管理器233SGWM操作来管理如本领域技术人员已知并且在本文中进一步描述的各种服务网关（SGW）功能。
备份和恢复管理器23BARM操作来管理本文关于各种实施例所描述的备份和恢复功能。例如，取决于SGW是作为主要或活动的SGW、次要或备份SGW还是两者来操作，这样的备份和恢复功能可能不同。一般来说，各种实施例构思在备份SGW处传输或存储某些或全部与活动的SGW支持的订户的用户设备或移动设备相关的会话相关数据，使得可以向这样的订户提供活动的和空闲会话的快速恢复。
会话数据233SD包括与订户的用户设备或移动设备相关的会话数据。如果SGW作为主要或活动的SGW在操作，则会话数据233SD可包括支持由主要或活动的SGW支持的订户的用户设备或移动设备的信息。如果SGW作为次要或备份SGW在操作，则会话数据233SD可包括与由备份SGW支持的一个或多个主要或活动的SGW相关的会话数据的一部分。
路由数据233RD包括与将由SGW处理的数据包或业务流相关的路由信息，例如以便处理在进入端口处接收到的将在SGW的基本路由功能的情境内朝向适当的外出端口路由的数据包或业务流。路由数据233RD可包括路由表、保护或故障恢复信息等。
其它功能/数据233O包括可操作以执行本文关于标准SGW操作以及根据不明确属于其它管理或数据实体的各种实施例的SGW操作所述的各种功能的程序、功能、数据结构等。
备份SGW选择和地理冗余配对
对于SGW故障，邻近故障SGW的节点或网络元件可向MME发出警报。这些邻近的节点或网络元件可独立地采取纠正措施来通过先前指派的备份SGW、通过由MME识别的备份SGW或通过某种其它路由方式重新建立连接。
在各种实施例中，比如由网络管理系统（NMS）向网络内的一个或多个主要或活动的SGW指派特定备份SGW。选定的SGW可为地理上最接近主要或活动的SGW的SGW。此外，某些主要或活动的SGW可作为其它主要或活动的SGW的备份SGW来操作。
在各种实施例中，在主要或活动的SGW的故障之后选择特定备份SGW。在这些实施例中，可基于各种标准来选择备份SGW，这些标准包括与故障SGW的地理接近程度、DNS响应标准、路径管理验证标准、会话加载和各种其它标准中的某些或全部。在各种实施例中，由MME从例如对于特定MME可获得的SGW池中进行备份SGW的选择，其中该特定MME被用来在池中的SGW之一发生故障时提供备份SGW。
在一个实施例中，SGW112在地理上彼此接近，使得其可用于形成SGW的地理冗余对。一般来说，来自特定eNodeB111的UE102的业务和数据流主要经由特定SGW路由到PGW113，该特定SGW相对于来自eNodeB的语音和数据业务充当主要或工作SGW。也就是说，SGW中的一个被配置为工作或主要节点，而另一个被配置为保护或备份节点。在正常的操作状态（即，无故障）下，工作节点操作来处理来自比如多个eNodeB的呼叫流和数据流，而保护节点操作来在工作节点故障时接替工作节点。
在一个实施例中，第一SGW1121相对于来自第一eNodeB1111的语音和数据业务作为主要或工作SGW来操作，而第二SGW1122相对于来自第一eNodeB1111的语音和数据业务作为次要或备份SGW来操作。
在一个实施例中，第二SGW1122相对于来自第二eNodeB1112的语音和数据业务作为主要或工作SGW来操作，而第一SGW1121相对于来自第二eNodeB1112的语音和数据业务作为次要或备份SGW来操作。
在一个实施例中，第一和第二SGW112相对于来自其自身的一个（或多个）相应eNodeB的语音和数据业务作为主要或工作SGW来操作，而次要或备份SGW相对于来自与另一SGW相关的一个（或多个）eNodeB的语音和数据业务。
本文讨论的各种实施例是针对响应于主要工作SGW的故障而快速恢复会话、语音和数据业务，以及与这样的UE102相关的各种其它管理信息或上下文。特别是，为了在SGW之间提供快速且高效的保护/备份功能，各种实施例构思与用户设备相关的会话状态信息的冗余存储的若干级别，从而使得可以快速过渡到备份SGW，而不对订户体验产生显著影响。特别是，会话状态信息冗余使得MME114和PGW113都可以维持空闲订户UE的状态信息，使得可以快速地重新建立活动的会话，并且增强订户体验。
在备份SGW处的用户会话的弹性恢复
在将UE102和/或eNodeB111支持从已发生故障或正发生故障的SGW112“转移”到备份SGW112的情境中，可能无法始终实现用户会话的完全生存。然而，本文讨论的各种实施例适于利用按需服务恢复来促进服务的快速恢复，同时维持活动的和备份SGW之间的低同步开销。
服务的按需恢复是指备份SGW仅处理请求活动性的会话。在处于活动的使用中的SGW上，可能存在大量不需要立即恢复的空闲会话。经过一段时间，这些会话变成活动的，并且此时就需要重新连接这些会话了。采用此适时恢复方法，网络不会因用于不活动的会话的信令开销而过载。
低同步开销是指主要SGW和其备份SGW之间的数据同步操作、会话状态更新等被保持在最低水平。通常，在活动的SGW和MME之间存在涉及各种功能的大量业务，这些功能例如为保持对变得活动的、处于空闲或从一个eNodeB移交到另一个eNodeB的会话的跟踪。这些活动性发生得如此频繁，使得传递活动的和备份SGW之间的所有这些变化成为非常大的负担。一般来说，各种实施例仅利用在故障时哪些会话存在于活动的SGW之上的知晓。
本文描述的各种方法和技术提供一种机制，通过该机制，响应于主要SGW的故障，经由备份SGW，可将主要SGW上的用户会话的控制和数据平面都恢复。本文描述的会话恢复机制的各种实施例处理三个部分：即，（1）IP地址生存；（2）路径管理连续性；和（3）会话恢复。
IP地址生存是确保连接到备份SGW的网络元件在向备份SGW的整个转移过程中继续能够访问故障SGW的IP地址的过程。
在一些实施例中，IP地址生存使用虚拟IP地址来实现，如通过使用VRRP（第二层方法）或任播IP地址（第三层方法）。
在一些实施例中，IP地址生存通过使活动的和备份SGW宣告相同IP地址来实现，其中活动的SGW宣告具有高度优选的度量的IP地址，而备份SGW宣告具有非优选或“受毒害”的度量的IP地址。在这些实施例中，在宣告的IP地址之间选择的任何网络元件将始终选择活动的SGW的那个地址，因为该地址是高度优选的。当活动的SGW发生故障且仅有效的IP地址是由备份SGW宣告的那个时，网络元件将选择备份SGW来发送所有数据平面和控制平面业务。
路径管理连续性是确保具有对故障SGW的路径管理的网络元件通过向备份SGW的转移过程维持连续性的过程。在一些实施例中，活动的SGW从事与各种其它网络元件（例如，MME、eNodeB、PGW）的定期路径管理关系。每个路径管理实例由在Echo Request（回声请求）中发送的Restart Counter（重启计数器）来识别。如果此数字改变，则表明网络元件已重新开启（restart）（由于使网络元件停机并恢复工作（back up）的重启（reboot）或管理动作）。
当备份SGW接管时，其接收路径管理Echo Request（回声请求），并响应地传输Echo Reply（回声答复）。此外，备份SGW发送Echo Request并接收Echo Reply。对于每个对等设备，备份SGW将知晓在活动的SGW处接收到的Restart Counter。这样，如果来自一个对等设备的RestartCounter改变，则备份SGW可响应地清理与该对等设备相关的会话。在各种实施例中，当备份SGW发送Echo Request时，它也将发送活动的SGW曾发送的Restart Counter。这样，活动的SGW的对等设备将不清理会话。
弹性会话恢复是识别停止或不活动的会话并通过备份SGW尽快恢复所识别的会话的过程。在弹性会话恢复中，活动的SGW传递关于每个UE的足够信息，使得备份SGW可以将与UE会话相关的控制和数据平面都恢复。这意味着备份SGW不但知晓活动的SGW的UE，而且处理这些UE的控制消息并且转发这些UE的数据平面业务。
在比如LTE网络的情境内的弹性会话恢复可提供10ms内的UE活动的处理时间，同时最小化失去主要SGW的网络元件的影响。各种技术还提供主要和备份SGW之间的低同步开销，不对空闲UE处理进行更改，维持活动的和空闲UE的UE IP地址，并维持计费会话。
弹性会话恢复阶段在会话上有活动的任何时候执行。目标是恢复信息，以建立到UE的下行路径。这意味着会话的信令和维护中所涉及的网络元件继续绑定到会话，使得它们可以与其对等设备通信。注意，UE的会话状态（除了其下行链路隧道端点识别符（DL TEID）之外）通常保持不变。实际上，空闲UE会话状态是UE的会话状态的相对不变的部分。因此，通过将UE保持在空闲模式，主要的恢复工作涉及下行链路TEID。
在活动的SGW故障情形之后，所有业务（无论是数据平面，还是控制平面）都将被路由到备份SGW。当数据业务到达备份SGW的S5-u接口时，它将到达具有已在备份SGW的数据平面中编程的隧道端点识别符（TEID）的隧道。由于UE状态被维持为空闲模式，所以SGW的正常行为是传输下行链路数据通知消息来通知MME呼叫UE，并且返回UE的下行链路TEID和eNodeB。如果UE实际上处于空闲模式，则MME将呼叫UE并且重新建立下行路径。如果UE活动的，则MME不必呼叫UE，而将替代地向SGW提供该UE附接到的eNodeB的现有下行链路TEID。对于抵达备份SGW的S1-u接口的数据，已对上行链路数据路径进行编程，并且可以完成数据转发。注意，此操作对于活动的UE和空闲UE都可用。如上文所述，下行链路返回业务将触发下行链路数据通知。
如果控制消息到达S5-c接口，则备份SGW将转发该消息。如果MME不发送Modify Bearer Request（修改承载请求），则SGW知晓UE处于活动的状态并且将下行链路数据通知发送到MME，以便触发MME来发送具有下行链路TEID的Modify Bearer Request。如果UE空闲，则MME将自动发送Modify Bearer Request。如果控制消息从MME到达，则它正在使UE脱离空闲（SGW不必执行任何操作）、发送空闲模式TAU（SGW不必执行任何操作）或者它是需要UE不处于空闲状态的呼叫流（SGW抛出该消息并发送下行链路数据通知，从而从MME引出Modify BearerRequest）。
在各种实施例中，活动的和备份SGW使用的TEID空间是不相交的，以确保在在备份SGW上已编程的项目和其正在支持的UE之间不发生冲突。
一般来说，恢复过程使用在活动的和备份SGW之间传递的信息，如（1）对于活动的SGW已知的每个对等设备的路径管理重启计数器和IP地址；以及（2）对于活动的SGW已知的所有UE会话状态信息，除了各eNodeB的下行链路TEID。
图3描绘了根据一个实施例的会话状态备份方法的流程图。该方法包括适于在主要SGW中使用的部分和适于在备份SGW（如上文关于图1-2所述的SGW112）中使用的部分。
一般来说，图3的方法300适于在备份SGW处存储有关活动的SGW支持的每个UE102的足够信息，以使备份SGW能够采取至少有限的措施，如识别停止或不活动的会话，以及通过备份SGW尽快恢复所识别的会话。活动的SGW传递有关每个UE的足够信息来使备份SGW能够将与UE会话相关的控制和数据平面都恢复。这样，在UE会话的信令和维护中所涉及的各网络元件将继续视会话为活着的并相应地与其对等设备通信。
在步骤310，为主要SGW确定至少一个替代或备份SGW。也就是说，对于网络内作为主要或活动的SGW操作的一个或多个SGW，确定至少一个备份SGW。参照框315，可根据与主要和/或备份SGW相关的位置、配置、容量或其它因素来确定备份SGW。可通过SGW间协商来如在相邻SGW之间的发现、配置或优化过程的上下文内进行确定。也可以通过网络管理器（如上文关于图1所述的网络管理器140）来确定。可以使用其它实体和/或确定方法。
在各种实施例中，自动基于以下选择标准中的一个或多个来执行主要SGW的替代或备份SGW的确定：DNS响应时间、路径管理验证时间、会话加载等。在各种实施例中，也通过MME使用标准来选择用于新的呼叫设置的新的主要SGW。
在步骤320，根据需要初始化活动的和备份SGW，在SGW之间分配主要和备份角色，建立主要和备份SGW之间的通信，并且至少主要SGW开始宣告其IP地址。
参照框325，在步骤320中的过程包括以下中的一些或全部：使用SGW间通信协议（ISCP）建立SGW间通信信道（ISCC），以便传递需要在活动的和备份SGW之间建立的事件；定义要使用的一个或多个IP生存机制；定义将从主要SGW传递到备份SGW的相关事件；确定活动的SGW将使用的隧道端点识别符（TEID）的范围；共享对等地址和重启计数器信息；等等。
在各种实施例中，在初始化期间，活动的SGW识别其自身并请求备份SGW的识别。在验证对等是在正确配置的SGW之间之后，活动的SGW声明其将采用活动的角色。当在对等上达成一致时，活动的SGW开始宣告其用于S1-u、S11、S5-c和S5-u接口的IP地址。在正常操作中，活动的SGW“拥有”S11、S5-c、S5-u和S1-u接口上的IP地址。活动的SGW还共享它将使用的TEID范围，使得备份SGW可以避免使用该范围。
在各种实施例中，活动的SGW与备份SGW共享SGW的本地重启计数器，其中对于SGW内的所有协议，仅维护一个重启计数器。在一些实施例中，对于活动的SGW与之通信的每个对等设备，活动的SGW共享对等IP地址和重启计数器对。在这些实施例中，随着对等设备定期离开，活动的SGW传递此信息到备份SGW。在稳定的网络中，此信息通常不变。
在步骤330，主要SGW将与主要SGW支持的移动设备相关的会话状态信息传输到至少一个对应的备份SGW。也就是说，在其处理UE相关消息时，活动的SGW识别用于UE的会话状态相关事件并将此信息传递到备份SGW。
参照框335，可以预定的时间间隔（如在预定的秒或分钟数之后）来传输会话状态信息。也可在一个或预定数目的相关订户事件发生之后传输会话状态信息。相关订户事件包括例如Create Session Event（创建会话事件）、Create Bearer Event（创建承载事件）、Delete Session Event（删除会话事件）和/或Delete Bearer Event（删除承载事件）。一般来说，用于会话恢复实施例目的的相关订户事件包括导致用户会话的创建或销毁的任何事件，如在以下示例中给出的那些：
Create Session Event（创建会话事件）：当创建新的会话时，将新的控制TEID分配到朝向PGW的S5接口。如果这是UE的第一会话，则将新的控制TEID分配到朝向MME的S11接口。在创建事件完成时，还为默认的承载指派数据平面TEID，以便业务在S5-u上进入SGW或从SGW外出，并且从eNodeB在S1-u接口上进入SGW。
Create Bearer Event（创建承载事件）：当创建新的专用承载时，分配新的数据平面S5-u TEID，以便业务进入SGW或从SGW外出，并且在S1-u接口上进入SGW。
Delete Session Event（删除会话事件）：当删除会话时，需要从备份SGW删除会话，并且从数据平面取消编程。
Delete Bearer Event（删除承载事件）：当删除专用的承载时，需要从备份SGW删除承载上下文，并且从转发平面取消编程。
改变的频率是基于PDN会话和专用承载的建立/移除的频率。然而，这不像到达SGW的修改会话和承载的状态的事件那样频繁。状态信息主要包括在会话的生命期间不显著改变的UE的会话状态。
在一些实施例中，为了避免由备份SGW不正确地评估活动的SGW已真正地发生故障，如果没有多少相关事件要传递，则活动的SGW定期向备份SGW发送保活消息。
在步骤340，在每个备份SGW处，存储从备份SGW支持的一个或多个主要SGW传输的会话状态信息。参照框345，在一个实施例中，存储的会话数据足以重新创建UE会话的控制和数据平面。
图4描绘了根据一个实施例的会话状态恢复方法的流程图。具体来说，图4描绘了适于在作为替代或备份网关（如上文关于图3所述的其上存储了会话状态信息的LTE网络中的替代或备份SGW）操作的网关中使用的方法400。
在步骤410，初始化诸如作为备份SGW操作的SGW的网关，并且建立到主要SGW的通信路径，比如根据如上文关于图3所述的方法300的步骤310-325。
在步骤420，备份网关接收并存储属于活动的SGW支持的UE的UE状态信息，直到例如主要SGW的故障被指示时。参照框425，主要SGW故障可通过明确的故障指示、邻近节点存活指示器的超时、对等计数器超时等来指示。这样的指示可能是由于实际的主要SGW故障或某个其它条件，如与主要SGW相关的维护条件或与主要SGW相关的过载条件。
在步骤430，在主要SGW故障之后，备份网关承担发生故障的主要网关的IP地址和路径管理职责。此外，将与故障SGW相关的UE维持在空闲状态。参照框435，备份网关可开始宣告具有优选标准的IP地址，使得控制平面和数据平面业务和数据包被路由到备份网关。
在步骤440，当与UE会话相关的数据平面或控制平面业务到达备份SGW（即，备份SGW进入数据平面或进入控制平面被触发）时，备份SGW响应地生成用于MME的下行链路数据通知（DDN）IMSI消息，以恢复S1-u下行链路（DL）路径。参照框445，响应于网络生成的控制平面或数据平面业务、UE生成的数据平面业务、S11上的控制消息、S1-u或S5-u上的数据业务等，备份SGW生成DDN（IMSI）消息。
响应于DDN（IMSI）消息，MME操作来通过如下方式处理空闲模式UE：（a）执行IMSI呼叫功能；（b）取消附接UE，同时提供选定的重新附接代码；以及（c）如果UE处于空闲模式，则执行IMSI附接。MME操作来通过如下方式处理活动的或连接模式UE：（a）执行取消附接；以及（b）执行IMSI附接。另外，备份SGW将Delete Session Request（删除会话请求）转发到PGW，PGW响应地经由PCRF和IMS清除UE状态异常。由于UE被维持在空闲状态（依照步骤430），所以MME将UE取消附接并重新附接，从而维持其支持的会话的数据平面和12平面的完整性。
下面参照图5-10更详细地说明了各种弹性会话状态恢复实施例。本领域技术人员将理解，本文描绘的各图仅提供了说明性实施例，并且可根据本文讨论的各种教导来修改。图5-9中的每幅图描绘了针对诸如本文关于比如图1-4描述的不同弹性会话状态恢复情形的在UE102（例如，经由eNodeB111）、MME114、备份SGW112和PGW113之间传递的各种信号。
图5描绘了响应于对于空闲UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图。
图6描绘了响应于对于活动的UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图。
图7描绘了响应于对于活动的UE的S1-u上的进入数据信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图。
图8描绘了响应于对于活动的UE的S11或S5上的进入控制信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图。
图9描绘了响应于对于空闲UE的S5上的进入数据信号而提供弹性会话状态恢复的方法的流程图。
因此，状态信息在主从SGW/节点之间被同步。一般来说，当创建或删除会话时，状态信息被同步。同步也可在其它时间发生。在SGW之间同步的状态数据通常包括可用或与创建或删除的会话DL TEID相关的UE数据。被同步的数据往往是相对稳定的UE会话数据；即，在UE与网络交互时往往不随时间而变化的数据，而DL TEID例如在UE在eNodeB、基站等之间移动时将随时间而变化。各种实施例提供了一种机制，通过该机制，在两个SGW或节点之间的UE故障转移之后，DL TEID被恢复。这样，通过避免DL TEID和/或其它动态数据的同步，与两个SGW或节点之间的状态恢复过程相关的资源利用被最小化。
可通过发生预定数目的错误、设备维护、灾难性故障或任何其它原因来触发故障转移。在发生故障转移事件时，从SGW或节点获得与先前由发生故障的主SGW或节点支持的UE会话相关的地址和路径管理责任。由于DL TEID不被同步，所以从SGW或节点控制器将假定每个UE均处于空闲状态。
响应于接收到与特定UE相关的控制平面或数据平面业务，从SGW或节点将发送下行链路数据通知（DDN）消息，该消息适于使MME从UE的空闲状态取回UE。如果UE真的是处于空闲状态，则MME将发现或呼叫UE，并使UE能够对控制平面或数据平面业务进行正确响应。如果UE不处于空闲状态，则MME将向从SGW或节点提供指示UE不处于空闲状态以及提供与该UE相关的DL TEID的响应。在接收到此信息时，从SGW或节点将认为UE是活动的，并使用DL TEID来支持UE相关的用于数据平面业务的控制平面。从SGW或节点将根据需要对数据进行缓冲，直到UE被MME呼叫或以其它方式在功能上被重新附接到网络。根据需要，各种协议背压（back pressure）机制将启动，以尝试并保留会话相关数据。总的来说，弹性会话状态恢复是一种用于跨故障保留连接的机制。
本文描述的各种实施例总的来说构思了在备份SGW处存储与主要SGW相关的会话状态信息和/或其它信息以便在实现故障转移机制时使用。然而，在各种实施例中，这样的信息可存储在多个备份SGW处和/或在不是SGW的一个或多个网络元件处。作为故障转移机制的一部分，由备份SGW取回与主要SGW相关的存储的会话状态信息和/或其它信息。
各种实施例被修改来使用用于加速弹性会话恢复过程的一种或多种额外的机制。一种用于加速会话恢复过程的机制包括对从SGW传输到MME的头几个Echo Request（回声请求）使用预定义的IE，以指示备份SGW已接管。MME响应地加速活动的会话的下行链路TEID的恢复，而不是等待S5-u上的数据平面通知，或等待S11和S5-c上的控制消息。一种用于加速会话恢复过程的机制包括定期从活动的SGW向备份SGW传递一系列活动的会话，使得备份SGW可以主动开始装入这些会话及其下行链路TEID并且更快地使这些会话进入活动的状态。可以单个地或以任何组合来使用这些和其它机制，以改善或加速会话恢复过程。
在主要和备份SGW之间同步状态信息以及这样的同步的频率取决于各种因素，如网络拓扑、可用资源、期望的恢复速度等等。
例如，如适用于利用通用分组无线系统（GPRS）隧道协议或GTP的LTE网络的系统可同步与各种会话或UE相关的属于GTP信息、路径管理信息和Rf（计费会话）相关信息的状态信息的某些或全部。
状态相关GTP信息可包括比如上行/下行（UL/DL）全限定隧道端点识别符（FTEID）、用于S11和S5-c的控制FTEID、用于S1-u和S5-u的数据FTEID、ULI等。状态相关路径管理信息可包括比如用于S11、S1-u和S5的重启计数器等。状态相关Rf信息可包括比如起点状态、RAT等（大体上每APN512B）。
同步/更新频率可为预定、定期性质并且/或者与各种网络事件相关。
在各种实施例中，当创建和/或销毁会话时，同步主要和备份SGW，如对于会话创建事件，同步八个GTP/Rf消息；对于会话销毁事件，同步六个GTP/Rf消息；以及对于会话创建/销毁事件，同步两个IMCP消息。
在各种实施例中，当创建和/或销毁承载时，同步主要和备份SGW，如对于承载创建事件，同步六个GTP/Rf消息；对于承载销毁事件，同步六个GTP/Rf消息；以及对于承载创建/销毁事件，同步两个同步消息。
在各种实施例中，响应于网络配置事件（如MME重定位）而同步主要和备份SGW，如对于MME重定位事件，同步四个GTP/Rf消息和两个同步消息。
在各种实施例中，在S11和S5上使用双IP地址，其中一个地址为本地，而另一个地址备用。本地IP地址用来在备份SGW处保留现有会话，而备用IP地址用于新的会话、从已经发生故障或正发生故障的主要SGW转移的会话、与已经发生故障或正发生故障的主要SGW相关的控制业务等。具体来说，甚至对备份SGW的IP地址分配也分成两部分（可以是或不是相同大小），其中第一部分用于在备份SGW处的现有数据和控制平面业务，而第二部分用于与已经发生故障或正发生故障的SGW相关的数据和控制平面业务。这样，由于会话支持从主要SGW移动到备份SGW，避免了冲突。也就是说，备份SGW变成利用活动的SGW的IP地址范围的活动的SGW。这样，避免了冲突，并且对会话的支持可在SGW之间相对于其IP地址在每个范围的基础上转移。在不同实施例中，采用故障抑制，而在别的实施例中，则不采用故障抑制。
因此，两个（或更多个）服务网关（SGW）或节点可作为地理冗余对来操作，并且可被指示为主要/备份或工作/保护网关或节点。主要或工作SGW或节点以主模式操作，而备份或保护SGW或节点以从模式操作。在主要或工作SGW发生故障的情况下，备份或保护SGW开始以主模式操作。在这种情况下，UE及其会话被“故障转移”到从设备。当故障的主要或工作SGW/节点再次变得可操作时，可能需要将新会话从备份或保护SGW返回或故障转移到主要或工作SGW/节点。
在主操作模式中，主SGW/节点宣告相比由从SGW宣告的路由数据更优选的路由数据，使得期望发送业务的任何节点将选择主设备作为该业务的路由。为了确保这种情况发生，从SGW可例如宣告“受毒害”的路由数据；即，由于成本高或某个其它负面参数将绝不会被选择用来使用的路由数据。
图10描绘了适于在执行本文关于各种实施例所描述的功能时使用通用计算机的高级框图。特别是，本文关于该通用计算机所讨论的架构和功能适于在本文关于各附图所讨论的各种交换和通信元件或节点的每一个中使用；即，UE102、eNodeB111、SGW112、PGW113、MME114、PCRF115和网络管理系统140。应理解，本文关于通用计算机所讨论的某些功能可在各种网络元件或节点以及/或者用来配置和管理网络内的元件的网络操作中心（NOC）或网络管理系统（NMS）中实现。
如图10中所示，系统1000包括处理器元件1002（例如，CPU）、存储器1004（例如，随机存取存储器（RAM）和/或只读存储器（ROM））、数据包处理模块1005和各种输入/输出设备1006（例如，存储设备（包括但不限于磁带驱动器、软盘驱动器、硬盘驱动器或光盘驱动器）、接收器、发射器、扬声器、显示器、输出端口和用户输入设备（如键盘、小键盘、鼠标等））。
应理解，在图10中描绘的计算机1000提供适于实现本文描述的功能元素和/或本文描述的功能元素的一部分的一般架构和功能。本文描绘和描述的功能可以软件和/或硬件来实现，例如，使用通用计算机、一个或多个专用集成电路（ASIC）和/或任何其它硬件等同物来实现。
本发明构思了可在例如作为与处理器协作来执行各种方法步骤的电路的硬件内实现作为软件方法的本文讨论的某些步骤。本文描述的功能/元件的部分可实现为计算机程序产品，其中当由计算机处理时，计算机指令调整计算机的操作，使得本文描述的方法和/或技术被引用或以其它方式被提供。用于引用本发明方法的指令可存储在固定或可移动介质中，经由广播或其它信号承载介质中的数据流来传输，经由有形介质来传输，以及/或者存储在根据这些指令操作的计算设备内的存储器内。
虽然上文描述了本发明的各种实施例，但在不脱离其基本范围的情况下可得出本发明的其它和进一步的实施例。因此，将根据权利要求书来确定本发明的适当范围。

Claims (10)

1.一种用于管理与主要服务网关（SGW）相关的备份SGW的方法，所述方法包括：
在从操作模式中，定期从所述主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分；以及
响应于所述主要SGW的故障，进入主操作模式，所述主操作模式包括：
承担与所述主要SGW相关的IP地址和路径的管理；以及
响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于使得将所述UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述从操作模式还包括宣告路由数据，所述路由数据适于避免其它网络元件选择所述备份SGW，并且所述主操作模式还包括宣告优选路由数据，所述优选路由数据适于促进其它网络元件选择所述备份SGW。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述主操作模式还包括使用从所述MME接收的下行链路隧道端点识别符（DL TEID）信息重新建立用于UE会话的数据平面支持。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述UE会话状态信息包括由所述主要SGW支持的多个移动设备中的每个移动设备的识别。
5.根据权利要求1所述的方法，其中响应于对应的创建会话事件Create Session Event、删除会话事件Delete Session Event、创建承载事件Create Bearer Event和删除承载事件Delete Bearer Event中的一个或多个而接收与UE相关的会话状态信息。
6.根据权利要求1所述的方法，其中以预定的时间间隔或在预定数目的订户事件之后接收与UE相关的会话状态信息。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述备份SGW与一组本地IP地址相关，所述本地IP地址不与与所述主要SGW相关的IP地址冲突，其中在所述从模式中的所述备份SGW仅管理所述备份SGW本地IP地址组，并且在所述主模式中所述备份SGW对两个本地IP地址组都进行管理。
8.一种用于在适于对主要服务网关（SGW）进行备份的SGW中使用的装置，所述装置包括：
处理器，其被配置用于管理所述备份SGW，所述处理器使所述备份SGW以从操作模式和主操作模式之一操作；
所述备份SGW在所述从操作模式中定期从所述主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分，并且响应于所述主要SGW的故障，进入主操作模式；
所述备份SGW在所述主操作模式中承担与所述主要SGW相关的IP地址和路径的管理，并且响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于使得将所述UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。
9.一种计算机可读介质，其包括软件指令，在由处理器执行时，所述指令执行一种用于管理与主要服务网关（SGW）相关的备份SGW的方法，所述方法包括：
在从操作模式中，定期从所述主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分；以及
响应于所述主要SGW的故障，进入主操作模式，所述主操作模式包括：
承担与所述主要SGW相关的IP地址和路径的管理；以及
响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于使得将所述UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。
10.一种计算机程序产品，其中计算机可操作来处理软件指令，所述指令调适所述计算机的操作，使得计算机执行用于管理与主要服务网关（SGW）相关的备份SGW的方法，所述方法包括：
在从操作模式中，定期从所述主要SGW接收对应的UE会话状态信息的至少一部分；以及
响应于所述主要SGW的故障，进入主操作模式，所述主操作模式包括：
承担与所述主要SGW相关的IP地址和路径的管理；以及
响应于接收到与UE相关的控制或数据平面业务，生成适于使得将所述UE处于活动状态通知MME的下行链路数据通知（DDN）消息。
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