CN108206748B - 一种应用于td-lte物联网业务隔离环境的核心网备份方法 - Google Patents

一种应用于td-lte物联网业务隔离环境的核心网备份方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种应用于TD‑LTE物联网业务隔离环境的EPC备份的方法，包括：配备两个互为备份的分组演进核心网(EPC)，所述两个EPC的配置中，应用接口的配置相同，操作管理维护(OAM)接口的配置不同；所述两个EPC通过点对点心跳消息获取对方的心跳状态、网络状态及级别(level)，并根据获取的信息确定一方为主EPC，另一方为备EPC；由主EPC提供对外的应用接口及服务。应用本申请公开的技术方案，能够实现低复杂度、低成本、切换时间短的EPC备份。

Description

一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的核心网备份方法
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的核心网备份方法。
背景技术
时分长期演进(TD-LTE)无线通信系统网络架构主要包括用户设备(UserEquipment,UE)、演进的通用陆地无线接入网络(Evolved Universal TerrestrialRadio Access Network,E-UTRAN)、分组演进核心网(Evolved Packet Core，EPC)。E-UTRAN由基站(Evolved NodeB,eNodeB)组成，eNodeB通过空中接口与UE进行信令和用户面数据的交互。EPC对外呈现为三个应用接口，S1-MME接口是EPC与eNodeB之间的信令接口，S1-U接口是EPC与eNodeB之间的用户面接口，SGi是EPC与分组数据网(Packet Data Network，PDN)之间的接口；同时，EPC还支持操作管理维护(OAM)接口，用于与上层网管演进操作维护中心(eOMC)进行通信。TD-LTE无线通信系统网络架构参见图1。
PDN网络与UE之间的数据通信分为上行和下行，UE发往PDN网络的上行数据通过eNodeB转发至EPC S1-U接口，EPC解析目标地址后从SGI接口交付给指定PDN服务器，PDN网络发往UE的下行数据进入EPC SGI接口，EPC解析目标地址匹配在线UE及对应承载并将下行数据从S1-U接口转发至eNodeB，再由eNodeB通过空中接口交付给指定UE。
在TD-LTE物联网环境中，EPC是无线通信系统网络与外部PDN网络的接口，物联网终端与PDN网络的数据交互都需要通过EPC进行转发，因此在TD-LTE物联网环境中，对EPC的安全性、稳定性及可用性都有较高的要求。另外，在TD-LTE物联网环境的专网系统应用中，由于业务等级、业务类型的不同，可能需要使用业务隔离来保证业务数据的安全性，即要求使用多个EPC以保证SGI接口能够针对不同业务类型进行区分。与EPC备份结合组网，参见图2。
目前对EPC进行备份的方案有三种：
1.使用ATCA(Advanced Telecom Computing Architecture，高级通信计算架构)硬件框架，支持多机框的方式。通过主控板检测及调度备份的业务板，同时只有一块业务板作为激活(Active)状态在工作，其他业务板处于备用(Standby)状态。当Active板出现故障时，主控板检测出来，并将原Active板上的业务切换到Standby板上。整个设备对外呈现的是一个EPC，接口配置由主控板负责。
2.使用1-1独立备份：备份的两个EPC是独立的设备，其对外的接口配置为2套，两个EPC同时工作。在eNodeB侧配置两个EPC的信息，eNodeB同时与两个EPC建立连接，eNodeB为UE选择优先级高的EPC进行接入，如果无法与高优先级的EPC建立连接，则选择次优先级的EPC接入。对于北向接口——SGI口，两个EPC也各有一个独立的SGI口配置，交换机通过地址解析协议(ARP)信息将PDN网络发送给UE的下行数据包路由到对应的EPC SGI口。
3.双服务器热备份：两个服务器的配置完全一致，对外只呈现为一个EPC，两个服务器通过媒体接入控制(MAC)层自定义消息的广播确定互备双方的主备状态，由主服务器对外提供服务。
在TD-LTE物联网中，根据电力专网的特点及需求，上述几种对EPC进行备份的方案存在一些问题：
1、ATCA硬件框架备份方式：设备较庞大、移动不便利，成本较高，且逻辑复杂，后期运维成本较高。
2、1-1双机独立备份方式：由于2个EPC对PDN网络呈现为2个SGI接口，在下行数据包路由过程中只能通过动态路由，即ARP缓存的方式，路由交换机将广播ARP请求，由管辖UE的EPC代理UE的ARP响应，交换机存储从EPC发回的响应，记录UE的ARP信息，从而将发给UE的IP数据包发送给归属的EPC的SGI口。这种方式依赖于交换机的性能，当UE数量上升到大数据量时，交换机处理ARP的能力不足，将可能导致ARP信息丢失，造成数传丢包。
3、双服务热备份方式：这种方式与第一种相比成本较低、与第二种方式相比也能解决下行数据路由的问题，但由于其是用MAC层广播的方式，可能对网络造成冲击，也不能满足多套互备EPC系统的应用场景。而且由于对外只呈现为一个EPC，无法对单机进行管理。
发明内容
本申请提供了一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的EPC备份的方法，以实现EPC备份。
本申请提供了一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的EPC备份的方法，包括：
配备两个互为备份的分组演进核心网EPC，所述两个EPC的配置中，应用接口的配置相同，操作管理维护OAM接口的配置不同；
所述两个EPC通过点对点心跳消息获取对方的心跳状态、网络状态及级别level，并根据获取的信息确定一方为主EPC，另一方为备EPC；
由主EPC提供对外的应用接口及服务。
较佳的，该方法还包括：
根据心跳消息中的内容，所述两个EPC在必要时进行主备倒换，所述主备倒换对外围应用设备不可见。
较佳的，EPC的心跳状态包括：初始HB_Initial状态、主HB_Host状态和备HB_Standby状态。
较佳的，当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
1)收到对端的心跳消息，获知对端为HB_Host状态，或对端的level高于本端且对端网络状态正常；或者
2)本端网络状态异常；
则本端进入HB_Standby状态。
较佳的，当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；其中，N为设定的正整数，或
2)收到对端的心跳消息，获知对端心跳状态不为HB_Host且level低于本端；或
3)收到对端的心跳消息，获知对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态。
较佳的，当EPC的心跳状态处于HB_Standby时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；其中，N为设定的正整数，或
2)收到对端的心跳消息，获知对端心跳状态不为HB_Host且level低于本端；或
3)收到对端的心跳消息，获知对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态。
较佳的，当EPC的心跳状态处于HB_Host时，如果：
1)本端网络状态异常，或
2)收到对端心跳消息，获知对端也为HB_Host状态且对端level高于本端；
则本端进入HB_Standby状态。
较佳的，所述两个EPC支持从上层网管eOMC配置心跳备份的开关及相关参数，支持EPC作为单机或者备份双机之一运行。
由上述技术方案可见，本申请根据TD-LTE物联网中电力专网的特点及需求，提供了一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的EPC备份的方法。该方法中每套互备系统使用两个EPC进行备份，两个EPC通过点到点的心跳方式协商、确认主备关系，由主EPC提供对外的应用接口及服务。
本申请既有不需要第三方参与控制，具有降低复杂度、降低成本、减少切换时间的特点，又通过对PDN网络只呈现一个SGI口解决了下行数据传输可以通过静态路由设置来保证下行数据传输的稳定性和可靠性的问题。同时，本申请还有如下优点：
本申请采用点对点的心跳互检方式，避免由于MAC层的广播对系统造成冲击。同时对于系统中有多套互备EPC系统的情况，也能实现一一配对备份，避免配对混乱。
本申请通过上层网管eOMC能灵活修改EPC的备份方式(进行备份或不进行备份)，不需要在组网前提前知道；灵活修改EPC的备份参数。本申请中两个EPC的OAM接口配置不同，令上层网管能够明确知晓两个EPC的状态，支持对两个EPC的灵活配置。
本申请对本端网络状态进行检查，避免了由于本端网络状态异常而导致两个主服务出现的情况。
附图说明
图1为现有TD-LTE无线通信系统网络架构示意图；
图2为现有根据业务类型使用多个EPC，以及与EPC备份结合组网的示意图；
图3为本申请的网络拓扑示意图；
图4为本申请中EPC的心跳状态转移的示意图；
图5为本申请实施例一EPC连续N次收不到对端的心跳消息的处理流程示意图；
图6为本申请实施例二在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程示意图；
图7为本申请实施例三在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程示意图；
图8为本申请实施例四在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程示意图；
图9为本申请实施例五在一方心跳状态为HB_Host，一方为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程示意图；
图10为本申请实施例六在互备的EPC的心跳状态均为HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
在本发明中，对于每一套双EPC互备系统，在核心网侧配备两台互为备份的EPC，这两台EPC在物理上都与交换机相连，通过交换机与eNodeB和PDN网络通信。两台EPC通过点对点的心跳双机备份机制确定主备工作状态，只有主EPC才提供对外的应用接口和服务，即对外应用接口(往下对eNodeB，往上对PDN网络)逻辑上只呈现为一个EPC，而对上层网管eOMC，则两台EPC的OAM口都可见，主备EPC都可以实时支持上层网管的配置和查询。本申请的网络拓扑参见图3。
本发明提供的心跳双机备份机制的实现包括：
1、通过eOMC配置EPC的备份开关及心跳备份参数，供EPC在心跳检测过程中使用。
2、EPC的心跳检测机制中包括：初始化状态(HB_Initial)、备状态(HB_Standby)、主状态(HB_Host)3种心跳状态，心跳状态转移见图4，由心跳状态决定工作状态。
3、心跳消息的内容包括如下3部分：
①本端心跳状态：HB_Host，非HB_Host；
②本端网络状态：OK，BAD；
③本端心跳Level值：32bits的随机值。
4、心跳检测机制实现如下：
①EPC启动后，每间隔设定的时间向互备的对端发送心跳消息，并检测、接收对端的心跳消息。例如设定时间记为Thb，该时间根据实际应用情况可配。
②若EPC能接收到互备对端的心跳消息，则进行双方心跳状态、心跳Level及网络状态的比较，确定出互备双方的主备关系。具体参见实施例2-6。
③若EPC连续N次(该次数根据实际应用情况可配)不能接收到互备对端的心跳消息，则根据本端的网络状态来决定本端的心跳状态，从而确定本端的主备行为。参见实施例1。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分。在附图中：
图4是本发明中，EPC内部心跳状态转移图：
如图4所示，EPC上下文中心跳状态转移如下：
1、当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
1)收到对端的心跳消息，对端已为HB_Host状态，或对端的level高且对端网络状态正常；或
2)本端网络状态异常；
则本端进入HB_Standby状态；
2、当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；或
2)收到对端的心跳消息，对端心跳状态不为HB_Host且level低；或
3)收到对端的心跳消息，对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态；
3、当EPC的心跳状态处于HB_Standby时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；或
2)收到对端的心跳消息，对端心跳状态不为HB_Host且level低；或
3)收到对端的心跳消息，对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态；
4、当EPC的心跳状态处于HB_Host时，如果：
1)本端网络状态异常，或
2)收到对端心跳消息，对端也为HB_Host状态且对端level高；
则本端进入HB_Standby状态。
下面结合附图和实例对本发明实施例的实现过程进行详细描述。
实施例一：
本实施例描述EPC连续N次收不到对端的心跳消息的处理流程，该流程的示意图如图5所示，包括如下步骤：
步骤1：EPC周期性地向互备对端发送心跳消息；
步骤2：如果EPC连续N次都收不到对端的心跳消息，则检查本机的网络状态是否正常；
步骤3：如果本端网络状态正常，则本端进入HB_Host的状态，即执行主服务器的工作，对外提供服务；
步骤4：如果本端的网络状态异常，则本端进入或保持HB_Standby状态，作为备服务器工作，不对外提供服务。
实施例二：
本实施例描述在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程。该流程的示意图如图6所示，其中双方的网络状态都为OK，EPC-A的level高于EPC-B，图6所示流程包括：
对于EPC-A：
步骤A-1：HB_Initial状态下的EPC-A收到互备的对端EPC-B发来的心跳消息，EPC-A将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较。
如图6所示，心跳消息中至少包含三项信息：本端心跳状态、本端网络状态和本端level。其中，本端心跳状态用“0”表示非HB_Host状态，用“1”表示HB_Host状态；本端网络状态用“0”表示BAD，用“1”表示OK。以下各实施例心跳消息中所携带的信息的含义相同，不再赘述。
步骤A-2：EPC-A确认双方为非HOST冲突，确认自身Level比对端高，于是自身进入HB_Host状态，接管对外接口资源，提供服务。
对于EPC-B:
步骤B-1：HB_Standby状态下的EPC-B收到互备的对端EPC-A发来的心跳消息，EPC-B将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较；
步骤B-2：EPC-B确认双方为非HOST冲突，确认自身Level低于对端，于是自身保持HB_Standby状态。
实施例三：
本实施例描述在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程。该流程的示意图如图7所示，其中EPC-A的网络状态为BAD，图7所示流程包括：
对于EPC-A：
步骤A-1：HB_Initial状态下的EPC-A向互备的对端EPC-B发送心跳消息，携带自身网络状态为BAD的信息，即：将心跳消息中对应于网络状态的字段置为0；
步骤A-2：EPC-A自身的网络状态为BAD，不能提供服务，于是自身进入HB_Standby状态。
对于EPC-B：
步骤B-1：HB_Standby状态下的EPC-B收到互备的对端EPC-A发来的心跳消息，EPC-B将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较；
步骤B-2：EPC-B发现对端的网络状态为BAD，因此，虽然自身Level低于对端，但仍进入HB_Host状态，接管对外接口资源，提供服务。
实施例四：
本实施例描述在互备的EPC的心跳状态均为非HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程。该流程的示意图如图8所示，其中EPC-A和EPC-B的网络状态都为BAD，图8所示流程包括：
对于EPC-A：
步骤A-1：HB_Initial状态下的EPC-A向互备的对端EPC-B发送心跳消息，携带自身网络状态为BAD的信息，即：将心跳消息中对应于网络状态的字段置为0；
步骤A-2：EPC-A自身的网络状态为BAD，不能提供服务，于是自身进入HB_Standby状态。
对于EPC-B：
步骤B-1：HB_Standby状态下的EPC-B向互备的对端EPC-B发送心跳消息；携带自身网络状态为BAD的信息，即：将心跳消息中对应于网络状态的字段置为0；
步骤B-2：EPC-B自身的网络状态为BAD，不能提供服务，于是自身保持HB_Standby状态。
实施例五：
本实施例描述EPC在一方心跳状态为HB_Host，一方为非HB_Host时，收到对端的心跳消息的处理流程，其中双方的网络状态都为OK。该流程的示意图如图9所示，包括：
对于EPC-A：
步骤A-1：HB_Host状态下的EPC-A收到互备的对端EPC-B发来的心跳消息，EPC-A将心跳消息中信息与本端的信息进行比较；
步骤A-2：EPC-A发现本端心跳状态为HB_Host，对端心跳状态为HB_Standby，无冲突，于是保持HB_Host状态，继续对外提供服务。
对于EPC-B：
步骤B-1：HB_Standby状态下的EPC-B收到互备的对端EPC-A发来的心跳消息，EPC-B将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较；
步骤B-2：EPC-B发现对端心跳状态已为HB_Host，与本端心跳状态无冲突，于是保持HB_Standby状态。
实施例6
本实施例描述在互备的EPC的心跳状态均为HB_Host时收到对端的心跳消息的处理流程。本实施例的流程如图10所示，其中双方的网络状态都为OK，EPC-A的level高于EPC-B，包括：
对于EPC-A：
步骤A-1：HB_Host状态下的EPC-A收到互备的对端EPC-B发来的心跳消息；EPC-A将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较；
步骤A-2：EPC-A确认双方为HOST冲突，由于本端Level比对端高，于是本端保持HB_Host状态，继续对外提供服务。
对于EPC-B：
步骤B-1：HB_Host状态下的EPC-B收到互备的对端EPC-A发来的心跳消息；EPC-B将心跳消息中的信息与本端的信息进行比较；
步骤B-2：EPC-B确认双方为HOST冲突，由于本端Level低于对端，于是本端进入HB_Standby状态，作为备服务器工作。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种应用于TD-LTE物联网业务隔离环境的EPC备份的方法，其特征在于，包括：
配备两个互为备份的分组演进核心网EPC，所述两个EPC的配置中，应用接口的配置相同，操作管理维护OAM接口的配置不同；
所述两个EPC通过点对点心跳消息获取对方的心跳状态、网络状态及级别level，并根据获取的信息确定一方为主EPC，另一方为备EPC；
由主EPC提供对外的应用接口及服务。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
根据心跳消息中的内容，所述两个EPC在必要时进行主备倒换，所述主备倒换对外围应用设备不可见。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
EPC的心跳状态包括：初始HB_Initial状态、主HB_Host状态和备HB_Standby状态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
1)收到对端的心跳消息，获知对端为HB_Host状态，或对端的level高于本端且对端网络状态正常；或者
2)本端网络状态异常；
则本端进入HB_Standby状态。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
当EPC的心跳状态处于HB_Initial时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；其中，N为设定的正整数，或
2)收到对端的心跳消息，获知对端心跳状态不为HB_Host且level低于本端；或
3)收到对端的心跳消息，获知对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
当EPC的心跳状态处于HB_Standby时，如果：
在本端网络状态正常情况下：
1)连续N次未收到对端心跳消息；其中，N为设定的正整数，或
2)收到对端的心跳消息，获知对端心跳状态不为HB_Host且level低于本端；或
3)收到对端的心跳消息，获知对端网络状态异常；
则本端进入HB_Host状态。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
当EPC的心跳状态处于HB_Host时，如果：
1)本端网络状态异常，或
2)收到对端心跳消息，获知对端也为HB_Host状态且对端level高于本端；
则本端进入HB_Standby状态。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：
所述两个EPC支持从上层网管eOMC配置心跳备份的开关、及心跳备份的相关参数，支持EPC作为单机或者备份双机之一运行。
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