CN105636010B

CN105636010B - 一种lte系统中实现层二数据传输的方法

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Publication number: CN105636010B
Application number: CN201610032657.5A
Authority: CN
Inventors: 王刚
Original assignee: Jiangsu Xinruantu Wireless Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Xinruantu Wireless Technology Co Ltd
Priority date: 2016-01-18
Filing date: 2016-01-18
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2036-01-18
Also published as: CN105636010A

Abstract

本发明公开了一种LTE系统中实现层二数据传输的方法，能够在不改变行业用户现有网络部署和网络规划的情况下，实现终端与业务网络之间层二数据的完全透明化传输业务传输，通过简单改变标准LTE接入过程中传输的信息，并通过增强PDN网关的层二处理能力，在不改变用户网络部署和规划的情况下，透明化加入LTE系统实现终端与业务网络间的层二数据无线透传，满足特定行业领域的数据传输需求，同时，通过透明化处理，能够显著避免通过PDN网关替换数据MAC地址带来的传输效率和处理效率问题。

Description

一种LTE系统中实现层二数据传输的方法

技术领域

本发明涉及一种LTE数据传输的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

随着通信技术以及网络架构扁平化的发展以及多种高速宽带可移动无线接入技术的不断涌现，为了保证第三代移动通讯伙伴计划3GPP的竞争力并考虑演进的无线通信系统能够以更低的成本和更短的传输延时，提供更高的传输速率，同时支持3GPP内部接入系统之间的移动性以及3GPP接入系统和非3GPP接入系统之间的移动性，提高3GPP系统能力和性能，降低成本。移动通信网络提出了长期演进LTE/系统架构演进SAE的下一代通信技术和架构理念。SAE作为GPRS核心网络的演进，具有简化架构，全IP化网络的特点，对更高吞吐量和更低等待时间的3GPP 无线接入网络RAN和非3GPP系统接入提供支持。

基于LTE的无线宽带接入系统通常由终端、基站、核心网三部分构成。在实际部署过程中，终端通过无线空口接入LTE基站设备并最终接入核心网，核心网再通过有线传输连接到业务网络中。LTE系统是全IP化系统，仅支持层三无线资源控制层RRC的数据传输，数据传输方式可以理解成终端和业务网络之间通过LTE系统的基站和核心网设备完成IP数据的半透明化传输。也就是说，终端和业务网络之间通过LTE系统传输的数据为层三的IP数据，该IP数据在到达核心网后，由核心网的PDN网关在接收到的数据基础上，添加和删除PDN网关的层二MAC信息并最终发给终端或者业务网络。同时，终端的IP地址必须由LTE系统进行唯一性分配或者由LTE系统代为向动态主机配置协议DHCP服务器申请唯一的IP地址，LTE系统的业务面协议栈如图1所示。

在标准LTE系统中终端和业务网络之间的数据传输处理方式如下：

首先，LTE系统组网方式必须为三层组网，即系统规划的终端IP地址与业务网络中各应用业务服务器（简称业务服务器）的IP地址不在同一网段。此时，需要业务服务器一侧的业务网络配置指定路由，即业务网络中所有发往目的终端IP地址段的路由指向为核心网设备中PDN网关的对外接口IP地址。

其次，对于终端发往业务服务器的上行数据包，PDN网关收到后，解析出目的IP地址，即业务服务器IP地址，在数据包头中添加PDN网关的MAC地址而形成完整的以太网数据包后，直接或通过路由网络将数据包转发到业务服务器。对于业务服务器发往终端的下行数据包，PDN网关接收之后，去掉数据包头中的PDN网关MAC地址，解析出目的IP地址，即终端的IP地址，然后根据该IP地址将数据包通过基站交付给相应终端。

在某些特定行业领域中，其现有业务应用要求网络采用层二的数据传输方式。即，行业网络虽然具备IP化能力，但是行业应用系统要求在终端识别方面仍然采用MAC地址的识别方式，终端采用固定规划的IP地址和MAC地址，终端通过网络发送的数据为携带MAC地址的数据包，而行业应用需要对终端的MAC地址进行校验，只有通过MAC地址校验的终端才能获得合法的业务支持，同样终端也只接收目的MAC地址与终端MAC地址匹配的业务数据包。当LTE系统应用于该行业领域时，由于不能改变现有网络规划，标准LTE系统将存在一些问题。

首先，由于行业网络已经完成IP地址的规划，LTE系统承载该业务网络时，是不能破坏原有IP地址规划的，也就是说，终端的IP地址不再由LTE系统进行分配。但LTE系统本身只支持层三IP地址寻址，其特点是核心网PDN网关通过获取数据包中目标IP地址并查找PDN网关中的“终端和IP地址对应表”来完成指向终端的数据传输路由。终端的IP地址分配不由LTE系统控制时，LTE系统无法及时建立终端和IP地址对应表，也就无法完成指向终端的数据传输。

其次，通过LTE系统传递到业务网络或者终端中的数据包必须包含规划的终端MAC地址，以便行业应用和终端可以对MAC地址进行校验，也就是说LTE设备必须传递携带层二信息的数据包。但是标准LTE系统是基于层三的数据传输网络，系统透传的终端业务数据包仅支持解析和传输包含IP地址等层三以上信息的数据包，而不能处理包含MAC地址等层二信息的数据包。另外，LTE系统无法获取终端本身的MAC地址且标准层二协议栈的源MAC地址检测策略，均将导致标准LTE系统无法代替终端向业务网络提供包含终端层二MAC地址的数据包而仅能按照标准方式添加PDN网关的MAC地址，这将最终导致业务数据传输和数据校验失败。同样，LTE系统传递给终端的数据包也无法包含规划的终端MAC地址，会导致终端丢弃所获得的数据包。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是鉴于背景技术中LTE标准数据传输方法在特定行业领域中使用所存在的问题，在LTE系统中提出一种基于层二的数据传输方法，能够在不改变行业用户现有网络部署和网络规划的情况下，实现终端与业务网络之间层二数据的业务传输，实现行业层二数据业务的完全透明化传输。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案，具体步骤如下：

步骤一：LTE系统的核心网获取业务网络中为终端规划的IP地址和MAC地址，建立核心网中的终端和IP地址对应表，完成核心网中指向终端的数据传输路由；

步骤二：核心网对分组数据网PDN网关的协议栈进行改造，具体为：PDN网关在传递终端发往业务网络的层二数据包时，携带原始层二数据包中的MAC地址；PDN网关在传递业务网络发往终端的层二数据包时，将携带原始MAC地址层二信息的数据包转发给对应的终端；

步骤三：核心网的PDN网关对层二协议栈的处理作出修改，具体为：PDN网关根据获取到的终端MAC地址建立IP和MAC信息映射表，并根据该表的内容通知层二处理协议栈,层二处理协议栈对符合IP和MAC信息映射表的层二数据报进行处理，从而保证终端与业务网络之间的层二数据包透明化传输。

作为本发明LTE系统中实现层二数据传输的方法进一步的优化方案，对于终端发往业务网络的上行数据，当PDN网关收到终端发来的带有终端MAC地址的层二数据包时，PDN网关首先根据数据包中携带的终端IP地址和MAC地址查找IP和MAC信息映射表，如果匹配成功，则PDN网关将数据包传递给PDN网关的层二协议栈，并指示层二协议栈不再对数据包中的源MAC地址做检验，层二协议栈按照PDN网关的指示跳过MAC地址检查，同时不再向数据包中添加PDN网关的层二MAC地址，并根据层二协议栈发送规则直接将从终端接收到的原始层二数据包发送到业务网络中；

对于业务网络发给终端的下行数据，PDN网关在收到地址解析协议ARP查询消息后，获取ARP查询消息中的目的IP地址，根据IP地址查找IP和MAC信息映射表，对于匹配不成功的ARP查询请求，PDN网关忽略并丢弃该消息；对于匹配成功的ARP查询请求，PDN网关代替终端回复ARP响应消息给业务网络，将响应消息的源IP地址改为终端的IP地址，源MAC地址为终端的MAC地址。

作为本发明LTE系统中实现层二数据传输的方法进一步的优化方案，LTE系统增加标准LTE网络中终端接入核心网的附着信令的内容来完成终端到核心网的IP地址信息和MAC地址信息传递。

作为本发明LTE系统中实现层二数据传输的方法进一步的优化方案，对附着信令的内容的增加，是指在标准LTE非接入层接入请求中的信元ESM消息容器所包含的PDN 连接请求消息的协议配置选项信元中增加对应的信息项，该信息项包括两个额外参数项，其中一个额外参数项中包含终端的IP地址，另一个额外参数项中包含终端的MAC地址。

作为本发明LTE系统中实现层二数据传输的方法进一步的优化方案，当PDN网关成功收到业务网络发来的下行层二数据包时，PDN网关解析数据包的目的IP地址并查找终端和IP地址对应表，对于匹配不成功的数据包，PDN网关丢弃该数据包；对于匹配成功的数据包，PDN网关不再删除数据包层二信息，而是将包含层二信息的完整数据包路由给对应的终端。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

通过扩展标准LTE的终端接入核心网流程的信令，在不改变信令信元结构的基础上，由终端主动向核心网提供IP地址及MAC地址等信息，完成核心网PDN网关中终端和IP地址对应表的建立，简单快速的实现核心网与终端间指向终端的数据传输路由，并不增加核心网的处理量。通过在核心网PDN网关建立IP和MAC信息映射表，利用以太网技术增强PDN网关针对层二数据包的处理功能，实现PDN网关对上行终端层二数据的发送以及下行业务网络层二数据的接收功能。

本发明通过简单改变标准LTE接入过程中传输的信息，并通过增强PDN网关的层二处理能力，在不改变用户网络部署和规划的情况下，透明化加入LTE系统实现终端与业务网络间的层二数据无线透传，满足特定行业领域的数据传输需求。同时，通过透明化处理，能够显著避免通过PDN网关替换数据MAC地址带来的传输效率和处理效率问题。

附图说明

图1是LTE系统业务面协议栈。

图2是本发明协议栈的改造。

图3是LTE系统实现层二数据传输方法的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为了实现上述发明目的，本发明对相应LTE协议栈的改变，如图2所示。

在标准LTE中非接入层接入请求中信元ESM消息容器所包含的PDN连接请求消息中的协议配置选项PCO信元增加对应的信息，如下表所示：

PCO中的每组容器标识Container ID 、容器标识内容的长度Length ofcontainer ID contents和容器标识内容Container ID contents称为额外参数Additional parameters，其中包含了终端传递给核心网的一些网络地址相关信息。以Container ID为代表，相关信息如下：

-0001H (P-CSCF Address Request);

-0002H (IM CN Subsystem Signaling Flag);

-0003H (DNS Server Address Request);

-0004H (Not Supported);

-0005H (MS Support of Network Requested Bearer Control indicator);

-0006H (Reserved);

-0007H (DSMIPv6 Home Agent Address Request;

-0008H (DSMIPv6 Home Network Prefix Request);

-0009H (DSMIPv6 IPv4 Home Agent Address Request);

-000AH (IP address allocation via NAS signalling); and

-000BH (IPv4 address allocation via DHCPv4).

为了达到终端可以传递IP地址和MAC地址的目的，扩展增加2组Additionalparameters，典型的扩展如下表所示：

	Container ID	Length ofcontainerID contents	Container IDcontents
				1	000CH（IPv4 address allocation via UE config）	4 octet	IPv4 address
2	000DH（MAC address allocation via UE config）	6 octet	MAC address

通过上述扩展，在没有改变标准LTE信令及信元结构的基础上，通过增加信元内容，完成终端将配置的IP地址和MAC地址传递给核心网的目的，当核心网收到上述信息后，可以按照标准方法完成终端和IP地址对应表的建立。

基于上述介绍，为了进一步说明本发明的方案，图3为本发明所述LTE系统中层二数据传输方法的实施例：

通过实施例可以看出，在步骤401中，LTE终端接入核心网时，通过改造标准LTE附着信令并在信令中增加行业网络为终端规划的IP地址和MAC地址信息，实现将终端信息第一时间传递给核心网的目的。

在步骤402中，根据终端传递给核心网的信息，核心网PDN网关为终端建立终端和IP地址对应表以及IP和MAC信息映射表，此时PDN网关中形成了终端、IP信息和MAC信息的一一映射关系。其中，终端的标识可以为IMSI，IP地址为附着信令中携带的终端规划的IP地址，MAC信息为附着信令中携带的终端规划的MAC地址。

在步骤403中，PDN网关收到数据包，根据数据包的传输方向进行不同的处理。如果数据包是终端发送给业务网络的，则传输方向为上行；如果数据包是业务网络发送给终端的，则传输方向为下行。

在步骤404a中，对于数据传输方向为上行的数据包，PDN网关应用层解析数据包并获取其中的源IP地址和源MAC地址并与之前创建的IP和MAC信息映射表进行匹配。如果匹配不成功，则丢弃该数据包；如果匹配成功，则PDN网关应用层将该数据包传递给PDN网关的层二协议栈，同时指示层二协议栈该数据包为透传层二的业务数据。层二协议栈根据PDN网关的指示，跳过对数据包源MAC地址的检查，并将数据包发送到业务网络中。发送过程中，PDN网关层二协议栈不能对数据包做修改，包括不再使用PDN网关本身的MAC地址等。

在步骤404b中，对于数据传输方向为下行的数据包，PDN网关首先要区分2种类型的数据包，分别是ARP查询消息和业务数据包。

在步骤405a中，对于下行数据包为ARP查询请求数据包的情况，PDN网关首先解析数据包中的目的IP地址，并将该IP地址与IP和MAC信息映射表进行匹配。对于匹配不成功的ARP查询请求，PDN网关忽略并丢弃该消息；对于匹配成功的ARP查询请求，PDN网关发送ARP响应消息给业务网络，其中响应消息的源IP地址填写IP和MAC信息映射表中匹配项中的IP地址，也就是终端的IP地址，响应消息的源MAC地址IP和MAC信息映射表中匹配项中的MAC，也就是终端的MAC地址。

在步骤405b中，对于下行数据包为业务数据包的情况，PDN网关应用层应获取完整层二数据包而不是经过协议栈处理并删除层二、IP等信息的应用层数据包。PDN网关解析数据包中的目的IP地址并与终端和IP地址对应表进行匹配，对于匹配不成功的数据包，PDN网关应丢弃该数据包；对于匹配成功的数据包，PDN网关将包含层二信息的完整数据包路由给对应的终端。

通过以上的处理，有效利用标准LTE已有信令向核心网传递终端的网络配置信息，同时利用终端和IP地址对应表、IP和MAC信息映射表以及对PDN网关层二协议栈处理方式的修改完成在LTE系统透明化传递层二数据。该方法通过透明化处理方式，没有过多增加核心网的负荷和处理复杂度，可以保证数据传递的处理效率和实时性。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种LTE系统中实现层二数据传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤二：核心网对分组数据网PDN网关的协议栈进行改造，使得：PDN网关在传递终端发往业务网络的层二数据包时，携带原始层二数据包中的MAC地址；PDN网关在传递业务网络发往终端的层二数据包时，将携带原始MAC地址层二信息的数据包转发给对应的终端；

2.根据权利要求1所述的LTE系统中实现层二数据传输的方法，其特征在于，

对于终端发往业务网络的上行数据，当PDN网关收到终端发来的带有终端MAC地址的层二数据包时，PDN网关首先根据数据包中携带的终端IP地址和MAC地址查找IP和MAC信息映射表，如果匹配成功，则PDN网关将数据包传递给PDN网关的层二协议栈，并指示层二协议栈不再对数据包中的源MAC地址做检验，层二协议栈按照PDN网关的指示跳过MAC地址检查，同时不再向数据包中添加PDN网关的层二MAC地址，并根据层二协议栈发送规则直接将从终端接收到的原始层二数据包发送到业务网络中；

3.根据权利要求1所述的LTE系统中实现层二数据传输的方法，其特征在于，LTE系统通过增加标准LTE网络中终端接入核心网的附着信令的内容，来完成终端到核心网的IP地址和MAC地址传递。

4.根据权利要求3所述的LTE系统中实现层二数据传输的方法，其特征在于，对附着信令的内容的增加，是指在标准LTE非接入层接入请求中的信元ESM消息容器所包含的PDN 连接请求消息的协议配置选项信元中增加对应的信息项，该信息项包括两个额外参数项，其中一个额外参数项中包含终端的IP地址，另一个额外参数项中包含终端的MAC地址。

5.根据权利要求1所述的LTE系统中实现层二数据传输的方法，其特征在于，当PDN网关成功收到业务网络发来的下行层二数据包时，PDN网关解析数据包的目的IP地址并查找终端和IP地址对应表，对于匹配不成功的数据包，PDN网关丢弃该数据包；对于匹配成功的数据包，PDN网关不再删除数据包层二信息，而是将包含层二信息的完整数据包路由给对应的终端。