CN108886825B - 分布式软件定义无线分组核心系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种分布式软件定义网络(SDN)分组核心系统，其被配置成支持多种无线电接入技术。所述分布式SDN分组核心系统可以包括基于云的SDN集中式基础架构实例和分布在无线接入网络及其无线电接入点附近的多个本地SDN基础架构实例。所述基于云的SDN集中式基础架构实例可以被配置成处理不是延时敏感的网络操作。每个本地SDN基础架构实例可以包括多个计算机装置，所述多个计算机装置被配置成执行多个RAT特定的控制面模块和多个独立于RAT的分组处理模块用于执行延时敏感网络操作。

Description

分布式软件定义无线分组核心系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年9月23日提交的标题为“DISTRIBUTED SOFTWARE DEFINEDWIRELESS PACKET CORE SYSTEM”的美国临时申请第62/222,406号、于2015年10月16日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR MOBILITY MANAGEMENT IN A DISTRIBUTEDSOFTWARE DEFINED NETWORK PACKET CORE SYSTEM”的美国临时申请第62/242,668号、以及于2015年10月16日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR LOAD BALANCING IN ADISTRIBUTED SOFTWARE DEFINED NETWORK PACKET CORE SYSTEM”的美国临时申请第62/242,677号的优先权，这些申请的内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开大体上涉及通信网络领域。
背景技术
许多用户正在转而使用(或者更经常使用)移动网络来访问互联网或者与其它用户通信。许多移动装置配备有与各种无线电接入技术相关联的通信能力。这样，用户具有在基于例如这种无线接入网络的可用性、成本或者性能的不同的无线接入网络之间切换的灵活性。
发明内容
根据本公开的至少一个方面，分布式软件定义网络(SDN)分组核心系统包括至少一个基于云的集中式SDN基础架构实例和多个互连的本地SDN基础架构实例。至少一个基于云的集中式SDN基础架构实例可以包括用于对与SDN分组核心系统通信的客户端装置进行认证的订户模块。每个本地SDN基础架构实例可以包括在地理上设置为接近并且通信地耦合至与至少两个无线电接入技术(RAT)相关联的相应多个无线电接入点的多个计算机装置。每个本地SDN基础架构实例的计算机装置可以被配置成执行用于处理与相应无线电接入点相关联的通信流的控制消息和数据分组的软件模块。该软件模块可以包括与至少两个无线电接入技术(RAT)相关联的多个RAT特定的控制面模块、和多个独立于RAT的数据面模块。每个RAT特定的控制面模块可以被配置成执行与相应RAT相关联的通信流的信令和控制操作。独立于RAT的数据面模块可以被配置成处理与由本地SDN基础架构实例服务的通信流相关联的数据分组。
附图说明
图1示出了图示了采用分布式软件定义网络(SDN)分组核心网络的通信环境的概况的框图。
图2A和图2B示出了图示了与两个SDN分组核心架构相关联的数据路径的框图。
图3示出了图示了本地SDN基础架构实例的软件架构的框图。
图4是图示了数据面模块的实施方式的框图。
具体实施方式
越来越多的移动用户和越来越多的移动数据业务需要移动网络运营商对网络基础架构进行持续和昂贵的投资。移动用户正更频繁地通过各种无线接入网络来访问内容提供商数据。移动装置可以配备有如下能力：访问与不同无线电接入技术(RAT)诸如第三代(3G)移动电信技术、长期演进(LTE)移动电信技术、WiFi、专有高空平台或者其它无线电接入技术相关联的不同无线接入网络。
当访问互联网时，移动用户可以根据相应用户上下文来使用不同的连接模式。例如，移动用户可以通过家中的WiFi、通过在户外的蜂窝接入网络、或者通过在商用地方、机场或者其它公共场所的访客WiFi服务来访问互联网。用户通常有不同的方式来利用不同的接入网络来对其本身进行认证、不同的账单管理和不同的安全保障或者策略。同样，不同的接入网络之间的漫游导致连接中断。这些因素导致分散的用户体验。移动用户会喜欢提供在RAT之间具有无缝移动性的各种各样的无线接入的统一服务。
改进用户体验的方式中的一种方式是提供一种使各种各样的无线接入网络能够凝聚成单个服务域的系统架构。在设计这种系统架构时，要考虑不同的因素，包括系统稳定性(例如，关于新的RAT或者网络能力的提高)、系统复杂性、基础架构成本和RAT间移动性。同样，不同的无线接入网络之间的互联的实现带来了重大的技术挑战。例如，3GPP定义演进分组系统(EPS)是为蜂窝网络运营商严格定制的并且严格使用相应订户管理系统(例如，SIM卡)，该相应订户管理系统(例如，SIM卡)非常紧密地耦合至演进分组核心(EPC)基础架构。在3GPP网络(诸如，3G、LTE或者LTE-A)与非3GPP网络(诸如，WiFi)之间提供互联可能需要将非3GPP用户管理工具集成到3GPP订户管理系统中(诸如，WiFi装置的SIM卡识别)，反之亦然。执行这种集成过程包括：每当添加新的RAT时，就对分组核心系统进行实质性修改，因此，阻碍了针对添加新RAT的系统可扩展性。此外，具有基于相应遗留协议的刚性结构的3GPP EPC实施方式使得任何互联解决方案(诸如，在3GPP无线接入网络与非3GPP无线接入网络之间)有挑战性的、复杂的和不可扩展。
在本公开中，分布式软件定义网络(SDN)分组核心系统被配置成作为提供异构无线接入网络的凝聚力的大规模单个服务域进行操作。分布式SDN分组核心系统可以为终端用户提供与其连接的接入网无关的无缝连接，并支持不同接入网之间的透明漫游。分布式SDN分组核心系统也称为分布式虚拟演进分组核心(vEPC)。
图1示出了图示了采用分布式软件定义网络(SDN)分组核心网络的通信环境10的概况的框图。通信环境10包括为其附近的移动装置20服务的多个无线电接入点(AP)30、多个本地SDN基础架构实例110、中央SDN基础架构实例120、一个或者多个城域网12、第一中转网络15、一个或者多个第二中转网络18和一个或者多个数据中心90。每个本地SDN基础架构实例110包括多个计算机装置115。
移动装置20可以包括但不限于移动电话、智能电话、平板计算机、智能手表、具有通信能力的可穿戴物品、音频播放装置(诸如，MP3播放器)、视频播放装置、游戏装置、全球定位系统(GPS)装置、汽车计算机或者具有通信能力的任何其它客户端装置。移动装置20可以经由在相应接入点30处的无线链路附接至移动接入网络。在一些实施方式中，移动装置20可以被配置成经由分布式SDN分组核心网络来请求和访问与内容提供商网络相关联的内容。例如，在移动装置20上运行的应用(诸如，浏览器、媒体播放器、游戏应用/平台、电子邮件应用、企业应用、社交媒体应用等)可以请求从数据中心90可用的内容以在移动装置20的屏幕上显示。
无线电接入点(AP)30可以被配置成经由无线链路与移动装置20通信。AP 30可以是单独无线接入网络(诸如，WiFi热点网络、通用移动电信系统(UMTS)网络、长期演进(LTE)网络、或者与诸如3G、LTE/LTE-A、WiFi或者其它RAT等至少两个不同的接入访问技术(RAT)相关联的任何其它移动通信网络)的部分。例如，AP 30可以包括节点B、演进节点B(e节点B)、WiFi热点或者其它类型的无线电接入点。AP 30可以被分布在限定出一个或者多个州、一个国家或者多个国家的广大地理区域中，并且每个AP 30可以被配置成服务各自相邻地理区域中的移动装置20。每个AP 30可以被配置成通过空中接口与在AP 30附近的移动装置20直接通信，并且可以通过城域ISP网络12耦合至相应本地SDN基础架构实例110。当移动装置20从一个地理位置移动至另一个地理位置时，可以基于移动装置20与不同AP 30的接近度来将相应无线连接从一个AP 30转移(或者移交)至另一AP 30。
多个本地SDN基础架构实例110表示部署为与无线接入网络或者其AP 30非常接近并且为无线接入网络或者其AP 30服务的分布式计算或者网络处理资源池集合。例如，每个SDN基础架构实例110可以与相应城市区域相关联并且可以耦合至为该城市区域内的移动装置20服务的AP 30。每个本地SDN基础架构实例110可以包括相应多个计算机装置115，诸如，被配置成执行实施为用于为与耦合至本地SDN基础架构实例110(或由该本地SDN基础架构实例110服务)的AP 30相关联的数据业务服务的SDN元件的网络操作或者功能的计算机服务器或者机架式服务器。在一些实施方式中，与相应本地SDN基础架构实例110相关联的计算机装置115可以被配置成执行延时敏感网络功能。例如，在给定本地SDN基础架构实例110内的控制面信令、数据面锚定、和本地移动性可以实施为可由相应计算机装置115执行(或者在相应计算机装置115上运行)的SDN元件。
在一些实施方式中，每个本地SDN基础架构实例110可以包括负荷平衡实体，该负荷平衡实体被配置成使相应计算机装置115或者在相应计算机装置115上运行的SDN元件之间的负荷平衡。在一些实施方式中，每个本地SDN基础架构实例110可以被配置成在本地缓存与一个或者多个内容提供商相关联的互联网数据。例如，每个本地SDN基础架构实例110可以包括一个或者多个缓存服务器。本地SDN基础架构实例110可以被配置成：每当在本地缓存请求的互联网数据时，响应于来自移动装置20的请求来从本地缓存服务互联网数据。互联网数据可以包括网页、与在线服务(诸如，电子邮件、社交媒体等)相关联的数据、与游戏相关联的数据、视频流数据(诸如，Netflix或者YouTube)等。
中央SDN基础架构实例120可以包括一个或者多个计算机装置，该一个或者多个计算机装置具有在其上运行的SDN元件，该一个或者多个计算机装置被配置成执行不是(或者至少较少)延时敏感的网络功能或者涉及多个本地SDN基础架构实例110的网络功能。例如，在中央SDN基础架构实例120中运行的SDN元件可以包括订阅策略模块、用于对本地SDN基础架构实例110之间的全局移动性(或者漫游)进行管理的模块、或者其组合。订阅策略模块可以包括授权、认证和记账(AAA)服务器、订阅配置文件存储库(SPR)、策略和计费控制模块、或者用于对订阅策略进行管理的其它模块。在移动装置附接至分布式SDN分组核心系统期间，本地SDN基础架构实例110可以从与中央SDN基础架构实例120相关联的订阅和策略模块请求对移动装置(或者其用户)进行认证或者授权。中央SDN基础架构实例还可以包括用于使多个本地SDN基础架构实例110之间的负荷平衡的全局负荷平衡模块。中央SDN基础架构实例120可以设置在云中(诸如，在一个或者多个主机数据中心中)。
每个本地SDN基础架构实例110可以通过相应城域网12耦合至在其附近的AP 30。本地SDN基础架构实例110的城域网12可以彼此不同。在一些实施方式中，本地SDN基础架构实例可以通过一个或者多个城域网12耦合至相应AP 30。针对给定本地SDN基础架构实例110，相应城域网12可以是为与本地SDN基础架构实例110相关联的城市区域服务的一个或者多个通信网络。在一些实施方式中，城域网12中的一个或者多个可以由相应第三方网络提供商拥有或者管理并且可以不是分布式SDN分组核心系统的部分。在一些实施方式中，每个AP 30可以耦合至地理位置最接近的本地SDN基础架构实例100。在一些实施方式中，本地SDN基础架构实例110内的AP 30和实体(诸如，计算机装置115或者在其上运行的SDN元件)之间的耦合可以是通过城域网12上的相应传输隧道35来实现的。例如，诸如以太网IP(EoIP)隧道的传输隧道35可以在将IP连接提供至本地SDN基础架构实例110的城域网12上使用。在一些实施方式中，传输隧道35可以包括以太网IP隧道、通用用户数据报协议(UDP)封装(GUE)隧道、通用路由封装(GRE)隧道、802.11GUE隧道、GPRS隧道协议(GTP)隧道、互联网协议(IP)安全(IPSec)隧道、其它类型的隧道、或者其组合。
在一些实施方式中，多个本地SDN基础架构实例110可以通过第一中转网络15互连。第一中转网络15允许在单独本地SDN基础架构实例110之间进行通信，例如，以处理本地SDN基础架构实例110之间的漫游。在一些实施方式中，第一中转网络15可以被配置成将本地SDN基础架构实例110耦合至中央基础架构实例120。第一中转网络15可以包括光纤数据网络、互联网服务提供商(ISP)网络或者其它通信网络。第一中转网络15和多个本地SDN基础架构实例110可以由单个实体或者单独实体管理(或者拥有)。在一些实施方式中，第一中转网络15可以与本地SDN基础架构10分开被拥有或者管理。也就是说，第一中转网络15可能不是分布式SDN分组核心网络的部分，而是用于将本地SDN基础架构实例110彼此通信地耦合的外部网络。
通信环境10可以包括多个数据中心90。每个数据中心90可以包括用于存储内容提供数据、网页或者其组合并且提供对内容提供数据、网页或者其组合的访问的计算装置。例如，数据中心90可以被配置成接收来自本地SDN基础架构实例的数据请求，并且，作为响应，提供请求的数据。数据中心90可以被配置成托管web页面和相应内容、诸如YouTube或者Netflix等视频流应用、社交媒体应用和内容、游戏应用、企业应用、或者任何其它云应用或者服务。在一些实施方式中，中央SDN基础架构实例120可以在数据中心91内实施。
每个本地SDN基础架构实例110可以通过一个或者多个第二中转网络18通信地耦合至数据中心90。第二中转网络18可以通过第一中转网络15耦合至本地SDN基础架构实例110。在一些实施方式中，第二中转网络18可以直接耦合至本地SDN基础架构实例110。在一些实施方式中，第二中转网络18可以被配置成将中央SDN基础架构实例120耦合至本地基础架构实例110。在一些实施方式中，第二中转网络18可以是可选的。在这种实施方式中，数据中心90可以直接耦合至第一中转网络15。在一些实施方式中，第一和第二中转网络15和18可以是单个通信网络的部分。
在一些实施方式中，分布式SDN分组核心系统可以被视为本地SDN基础架构实例110和中央SDN基础架构实例120的组合。在一些实施方式中，分布式SDN分组核心系统还可以包括第一中转网络15。在一些实施方式中，分布式SDN分组核心系统还可以包括第二中转网络18。分布式SDN分组核心系统的架构(如参照图1所描述的)允许例如在本地SDN基础架构实例110处在本地路由和断开数据业务。将本地SDN基础架构实例110设置为接近AP 30并且处理其中的数据业务允许快速数据分组处理，因此，提高性能并且减少网络资源消耗。
图2A和图2B示出了图示了与两个SDN分组核心架构相关联的数据路径的框图。图2A的示意图图示了基于云的SDN分组核心框架200a，而图2B的示意图图示了分布式分组核心架构200b。
参照图2A，基于云的SDN分组核心系统可以包括云SDN基础架构实例260和设置在第一中转网络215与第二中转网络218之间的本地通信结点240。通信结点240可以通过第一中转网络215通信地耦合至云SDN基础架构实例260。通信结点240可以通过城域网212耦合至在其附近的一个或者多个无线电接入点(AP)203。AP 203可以被配置成服务在其附近的移动装置202。通信结点240可以通过第二中转网络218通信地耦合至数据中心209。
分组核心功能或者操作由云SDN基础架构实例260在云内(诸如，在数据中心208内)执行。例如，当移动装置202尝试访问互联网内容时，移动装置202生成相应数据请求并且将相应数据请求发送至云SDN基础架构实例260。如数据请求路径291a所指示的，数据请求可以由AP 203通过城域网212转发至通信结点240。然后，通信结点240可以通过第一中转网络215将数据请求转发至云SDN基础架构实例260。云SDN基础架构实例260可以处理数据请求并且通过第一中转网络215、通信结点240和第二中转网络218将其发送至数据中心209。在接收到数据请求时，与数据中心209相关联的处理器可以如请求的数据路径292a所示通过借由第二中转网络218、通信结点240和第一中转网络215将请求的数据发送至云SDN基础架构实例260来作出响应。然后，云SDN基础架构实例260可以通过第一中转网络215、通信结点240、城域网212和AP 203将请求的数据发送至移动装置202。在一些情况下，AP 203可以被配置成建立到云SDN基础架构实例260的直接隧道。在这种情况下，仍然需要数据路径291a和292a通过主机数据中心208。
图2B示出了图示了与和上面参照图1描述的分布式SDN分组核心系统相似的分布式SDN分组核心系统的分布式SDN分组核心架构200b相关联的数据路径的示意图。与基于云的SDN分组核心架构200a相比较，分布式SDN分组核心架构200b采用设置为接近一个或者多个AP 203的本地SDN基础架构实例210以在本地处理与AP 203相关联的数据业务(而不是处理云中的数据业务)。也就是说，大多数控制面和数据面操作是由本地SDN基础架构实例210在本地执行的。这样，如数据请求路径291b所示的，由移动装置202生成的数据请求通过AP203和城域网212达到本地SDN基础架构实例210。本地SDN基础架构实例210可以通过中转网络218将数据请求转发至数据中心209。响应于数据请求，与数据中心209相关联的处理器可以通过中转网络218将请求的数据发送至本地SDN基础架构实例210，并且如请求的数据路径292b所示的，本地SDN基础架构实例210可以通过城域网212和AP 203将请求的数据转发至移动装置202。
通过将数据请求路径291a和291b与请求的数据路径292a和292b进行比较，可以得出如下结论：采用基于云的SDN分组核心架构(诸如，架构200a)会导致在长数据路径(诸如，请求的数据路径292a)内在数据源(诸如，数据中心90)与数据汇(诸如，移动装置202)之间的业务交换(traffic hairpinning)。具体地，数据中心(诸如，数据中心208和209)往往被设置在相对于人口中心偏远的地理位置中，其中，能成本有效地获取电力和空间。这样，在托管数据中心208内实施虚拟分组核心(诸如，云SDN基础架构实例260)会导致包括在设置在城市区域中的通信结点240与托管数据中心之间的长通信链接的数据路径。这种交换对长途骨干容量有重大影响并且导致延时增加，该延时增加会对用户体验产生负面影响。相反，分布式SDN分组核心架构200b(还参照图1讨论)允许在本地处理数据业务并且显著减少与托管数据中心(诸如，包括图1所示的集中式SDN基础架构实例120的托管数据中心)通信。结果，分布式SDN分组核心架构200b可以避免不必要的延时并且相较于基于云的SDN分组核心架构200a减少了骨干容量的使用。
实施作为SDN元件的网络功能允许例如通过将多个计算机装置115添加在一个或者多个本地SDN基础架构实例110内来扩展分布式SDN分组核心系统以适应服务日益增加的需求。分组核心网络的基于软件的实施方式也可以通过网络功能虚拟化(NFV)来实现，其中，给定RAT(诸如，LTE的移动性管理实体(MME)、服务网关(SGW)或者分组数据网络(PDN)网关(PGW))特定的单一功能实施成通用计算机基础架构内的相应虚拟化单一实体。NFV实施方式还包括：对RAT特定的协议和通信隧道进行虚拟化，例如，以允许在虚拟化单一实体之间进行通信。虚拟化协议和通信隧道存在关于可扩展性的限制因素。例如，使虚拟化协议或者通信隧道扩展以创建新服务(诸如，将WiFi添加至支持网络的3GPP RAT)可以涉及对实施虚拟化协议或者通信隧道中的任何一种的每个虚拟化单一实体进行的重大修改。同样，新数据面构造的实施方式可能受到现有虚拟化单一实体的限制。
在本公开所描述的分布式SDN分组核心系统中，控制面和数据面在每个本地SDN基础架构实例110中可以是分开的。每个本地SDN基础架构实例110可以包括分开的控制面和数据面软件模块。不同的RAT所共用的分组处理功能或者操作(诸如，网络地址转换(NAT)、防火墙、地址委发等)可以被抽象化和实施成在一个或者多个计算机装置110上运行的协议无关后端数据面模块。同样，控制面模块可以被配置成提供协议抽象并且利用外部系统来处理RAT特定的控制面信令和数据面互操作。控制面和数据面的抽象化和分离允许分布式SDN分组核心网络的灵活性和可扩展性。例如，可以通过将相应控制面模块和/或相应数据面模块集成到本地SDN基础架构实例110中并且将相应订阅和策略模块并入中央SDN基础架构实例120中，来将新的RAT快速和无缝地集成到现有分布式SDN分组核心系统中。同样，可以例如通过添加实施与一种或者多种RAT相关联的控制面模块或者数据面模块的多个计算机装置来实现扩展给定本地SDN基础架构实例110的能力。在一些实施方式中，扩展在本公开中所描述的分布式SDN分组核心网络(集成新的RAT或者提高系统能力)不涉及对在移动装置20上运行的软件进行的修改。
图3示出了图示了本地SDN基础架构实例300的软件架构的框图。本地SDN基础架构实例110可以包括多个RAT特定的控制面模块(或者应用)310a和310b(也被单独称为或者统称为控制面模块310)、一个或者多个数据面控制器320、和多个数据面实例330(也被称为用户空间分组交换(USPS)实例330)。每个USPS实例可以包括配置模块334(也被称为配置器334)和一个或者多个独立于RAT的数据面后端模块338。
参照图1和图3，每个本地SDN基础架构实例110可以包括多个RAT特定的控制面模块(或者控制面应用)，诸如与至少两个RAT相关联的控制面模块310a和310b(也被单独称为或者统称为控制面模块310)。针对每个RAT，相应的RAT特定的控制面模块310集合可以被配置成处理与该RAT相关联的信令和控制面操作。例如，控制面模块310a可以与第一RAT相关联，而控制面模块310b可以与和第一RAT不同的第二RAT相关联。本地SDN基础架构实例110可以包括任何给定控制面模块310的多个实例。
给定RAT的控制面模块310可以被配置成利用AP 30、中央SDN基础架构实例120、其它本地SDN基础架构实例或者外部系统诸如数据中心90或者其它外部网络来处理信令和控制面交互。针对每个RAT，相应的控制面模块310集合可以包括通信地耦合至与该RAT相关联的AP 30的一个或者多个前端模块。例如，本地SDN基础架构可以包括被配置成与e节点B通信的一个或者多个LTE前端(LFE)模块和被配置成与WiFi接入点通信的一个或者多个WiFi前端(WFE)模块。前端模块可以被配置成与相应AP 30建立通信隧道，诸如以太网IP(EoIP)隧道。在一些实施方式中，控制面模块310可以包括用于对AP 30与相应前端模块之间的通信隧道进行加密的网关模块。
针对每个RAT，一个或者多个相应控制面模块310可以被配置成通过使用流规则集合来实施对应无线接入网络的基于标准的状态机(诸如，LTE的移动性管理实体)。例如，前端模块可以被配置成基于与AP30的交互和流规则来创建转发路径。这样，前端模块可以被配置成充当SDN路由器。流规则可以包括由数据面后端模块338执行以丢弃、转发、封装、解封装数据分组或者执行其它数据分组过程的指令。在一些实施方式中，控制面模块310可以被配置成向数据面控制器320提供用于由后端数据面模块330执行的流规则。
控制面模块310可以被配置成彼此通信。在一些实施方式中，在交互的控制面模块310(诸如，LTE MME和PGW)之间传递消息可以通过使用RAT协议无关的协议缓冲区来实施。与采用RAT特定的协议(或者通信隧道)来实施虚拟化单一实体(与给定RAT特定的单一实体对应)之间的通信的基于NFV的虚拟化相比较，使用RAT协议无关的协议缓冲区允许分组核心系统的灵活且可扩展的SDN实施方式。
每个本地SDN基础架构实例310可以包括一个或者多个数据面控制器320。数据面控制器320可以被配置成调解控制面模块310与USPS实例330之间的交互。数据面控制器320可以被配置成接收来自控制面模块310的分组处理请求并且将请求转发至USPS实例330。数据面控制器320可以被配置成通过独立于RAT的接口与控制面模块310通信。在一些实施方式中，独立于RAT的接口可以基于规则通过使用独立于RAT的配置语言来实施。规则可以包括匹配滤波器和一个或者多个指令。匹配滤波器可以指示一个或者多个分组报头字段，当一个或者多个分组报头字段匹配时，一个或者多个指令被应用于相应数据分组。在一些实施方式中，每个规则可以与相应标识符相关联。例如，每个规则可以被存储在(包括相应匹配滤波器和一个或者多个相应指令并且)具有相应标识符的诸如表的数据结构内。在这种实施方式中，控制面模块310和数据面控制器320可以通过发送相应标识符来彼此信令规则。
数据面控制器320可以被配置成接收来自控制面模块310的规则更新。在接收到规则更新时，数据面控制器320可以确定规则更新应用于哪些USPS实例330并且将更新转发至确定的USPS实例330。在一些实施方式中，数据面控制器320可以维护对与其相关联的USPS实例进行映射的数据结构(诸如，表格)。在这种实施方式中，数据面控制器320可以基于维护的数据结构来确定应用了接收到的规则更新的USPS实例。数据面控制器320还可以被配置成接收来自USPS实例330的计数器报告，确定控制面模块310来接收计数器报告，并且将计数器报告转发至确定的控制面模块310。报告的计数器可以与输入数据量、输出数据量、分类器匹配、被丢弃的数据分组、诸如封装或者解封装事件等流动作执行事件、或者其组合相关联。数据面控制器可以被配置成接收来自USPS实例330的事件并且将接收到的事件转发至控制面模块310。数据面控制器320还可以被配置成维护与控制面模块和USPS实例320的心跳。也就是说，数据面控制器320可以被配置成执行活跃度检查来监视控制面模块310的健康，并且使用相应健康状况来处理故障情况。例如，数据面控制器320可以被配置成破坏与不活跃的控制面模块310相关联的流规则。
每个本地SDN基础架构实例可以包括多个数据面实例330。在一些实施方式中，每个数据面实例330可以在相应计算机装置115上运行。在一些实施方式中，每个数据面实例330可以包括配置模块334和多个后端数据面模块(也被称为分组处理引擎)338。配置模块334可以被配置成与数据面控制器320交互。具体地，配置模块334可以被配置成将从数据面控制器320接收到的分组处理请求转换成数据面模块338特定的配置。例如，配置模块334可以将从数据面控制器接收到的规则(或者其指示)转换成待由后端数据面模块338执行的分组修改过程(或者其指示)。在一些实施方式中，分组修改过程可以通过后端数据面模块338特定的修改表来指示。在这种实施方式中，配置模块334可以被配置成将从数据面控制器320接收到的规则表标识符映射到后端数据面模块338特定的修改表(或者其指示)。每个修改表可以指示待在数据分组上执行的一个或者多个过程。
每个USPS实例330可以包括多个后端数据面模块338。在一些实施方式中，每个后端数据面模块338可以包括分组处理元件的合集。分组处理元件的合集可以按顺序(或者“管线”)设置并且被配置成顺序地处理数据分组。在一些实施方式中，相应后端数据面模块内的分组处理元件可以被配置成拖过推或者拉接口来彼此交互。也就是说，分组处理元件可以被配置成从一个或者多个其它分组处理元件拉出数据分组和/或将数据分组推到一个或者多个其它分组处理元件。
图4示出了图示了后端数据面模块400的实施方式的框图。数据面模块400可以包括入口元件410、一个或者多个协议特定的处理元件420、分组调度元件430和出口元件450。入口元件410、协议特定的处理元件420、分组调度元件430和出口元件440可以实施为被配置成基于由后端数据面模块400维护(或者访问)的数据结构来处理数据分组的软件元件。
入口元件410可以被配置成接收例如来自局部负荷平衡器或者控制面模块310的数据分组。入口元件410可以被配置成基于数据分组的目的地IP地址和/或与数据分组相关联的其它信息来确定接收到的数据分组的下一个目的地。例如，入口元件410可以采用与第三层(L3)、第四层(L4)、第七层(L7)或者其组合相关联的数据分组信息以确定接收到的数据分组的下一个目的地。入口元件410可以能够访问相应入口数据结构，诸如，入口解复用器表。入口元件410可以被配置成采用入口数据结构来确定接收到的数据分组的下一个目的地。入口数据结构可以被配置成将数据分组字段值(诸如，IP目的地地址或者其它报头字段值)映射到目的地实体。基于入口数据结构，入口元件410可以确定接收到的数据分组将由另一计算装置115处理，在这种情况下，入口元件可以将数据分组转发至出口元件440以发送至该另一计算装置115。如果入口元件410确定将在后段数据面模块400内处理数据分组，则入口元件410可以将数据分组转发至用于处理数据分组的协议特定的元件。在一些情况下，入口元件410可以基于入口数据结构来将接收到的数据分组转发至控制面模块310。
后端数据面模块400可以包括与不同的协议相关联的多个协议特定的处理元件420。该协议特定的处理元件420可以与诸如LTE和公共WiFi的不同的RAT相关联。协议特定的元件420可以包括GPRS隧道协议(GTP)处理元件、业务流模板(TFT)处理元件或者其它协议特定的处理元件。GTP处理元件可以被配置成接收GTP封装数据分组并且使用相应隧道端点标识符(TEID)来确定相应订户信息。GTP处理元件可以采用GTP TEID数据结构(诸如，GTPTEID查找表)来确定订户信息。GTP TEID数据结构可以被配置成将每个TEID映射到相应订户会话/承载。GTP处理元件可以被配置成更新一个或者多个数据分组计数器，对GTP报头进行解封装，并且将数据分组放入队列中以进行进一步处理或者发送至出口元件440。
TFT处理元件可以能够访问TFT查找表。该TFT查找表可以被配置成将TFT规范映射到相应订户会话/承载。TFT规范定义与相应数据流相关联的一个或者多个规则。TFT处理元件可以被配置成接收IP数据分组并且基于TFT表来识别相应订户会话/承载。在识别到订户会话/承载时，TFT处理元件可以更新一个或者多个数据分组计数器，对GTP报头进行封装，并且基于相应服务质量(QoS)将数据分组放入适当的队列中。
协议特定的处理元件可以包括其它处理元件，诸如，通用路由封装(GRE)处理元件、通用用户数据报协议(UDP)封装(GUE)处理元件或者取决于由分布式SDN分组核心系统所支持的RAT采用的协议的其它处理元件。
分组调度元件430可以被配置成从与协议特定的处理元件420相关联的多个队列获取数据分组并且将数据分组传递给出口元件440以发送至例如网络接口卡(NIC)。在一些实施方式中，分组调度元件430可以被配置成根据循环调度器进行操作。在一些实施方式中，分组调度元件430可以被配置成根据相应QoS来对数据分组进行调度。也就是说，分组调度元件430可以被配置成利用相对于其它数据分组较高的QoS来对数据分组(或者相应队列)进行优选权的排序。
出口元件440可以被配置成接收来自入口元件或者来自分组调度元件输出430的数据分组，并且将其输出至例如网络接口卡(NIC)。出口元件440可以能够访问转发信息库(FIB)查找表和邻居表，诸如，地址解析协议(ARP)查找表。在FIB查找表中，每个条目指向邻居查找表中的下一跳条目。ARP查找表可以用于将网络地址(诸如，IPv4地址)转换为物理地址，诸如，以太网地址(或者MAC地址)。这样，出口元件440可以被配置成基于FIB和ARP查找表来将以太网报头添加至接收到的数据分组。出口元件440然后可以将数据分组发送至网络接口卡(NIC)。在一些实施方式中，控制面模块110可以使FIB查找表的条目被编程以使给定类型的处理(诸如，GTP处理)应用于具有规定报头字段值的数据分组。
图中所示的软件元件描述了后端数据面模块400或者338的说明性而非限制性的实施方式。例如，可以将两个或更多个的元件(诸如，分组调度元件430和出口元件440)组合成单个软件元件。同样，可以将图4中描述的软件元件中的一个或者多个分成多个软件元件。后端数据面模块400 04 338可以包括取决于由分布式SDN分组核心系统支持的RAT或者协议或者取决于后端数据面模块400或者338的实施方式的其它软件元件(而不是参照图4描述的软件元件)。
本说明书中所描述的主题和操作的实施方式可以实施在数字电子电路系统中，或者在体现为有形介质的计算机软件、固件、或者硬件中，包括本说明书中所公开的结构和其结构等同物中、或者在它们中的一个或者多个的组合中。本说明书中所描述的主题的实施方式可以实施为体现为有形介质的一个或者多个计算机程序，即，编码在一个或者多个计算机存储介质上以供数据处理设备执行或者控制数据处理设备的操作的计算机程序指令的一个或者多个模块。计算机存储介质可以是计算机可读存储装置、计算机可读存储基板、随机或者串行存取存储器阵列或者装置、或者它们中的一个或者多个的组合，或者可以包括在其中。计算机存储介质也可以是一个或者多个单独的物理组件或者介质(例如，多个CD、磁盘、或者其它存储装置)，或者包括在其中。计算机存储介质可以是有形的和非暂时的。
本说明书中所描述的操作可以实施为由数据处理设备对存储在一个或者多个计算机可读存储装置上的或者从其它源接收到的数据执行的操作。过程和逻辑流程也可以由例如FPGA(现场可编程门阵列)或者ASIC(专用集成电路)的专用逻辑电路系统执行，并且设备也可以实施为专用逻辑电路系统。
虽然本说明书包含了许多具体实施细节，但是不应该将这些细节视为对任何发明或者可能被要求的内容的范围的限制，而是作为针对特定发明的特定实施方式的特征的描述。在本说明书中在分开的实施方式的背景中描述的某些特征也可以在单个实施方式中被组合实施。相反地，在单个实施方式的情况下描述的各种特征也可以单独地实施在多个实施方式中或者在任何合适的子组合中。此外，虽然上面可能描述了特征，作为某些组合的代表，并且最初甚至同样地对该特征进行了要求，但是可以从组合中删除来自所要求的组合的一个或者多个特征，并且所要求的组合可能涉及子组合或者子组合的变化。
对“或者”的参考可以被认为是包括的，因此使用“或者”描述的任何术语可以指示所描述的术语中的单个、一个以上、和全部中的任何一种。标签“第一”、“第二”、“第三”等并不一定意味着指示排序，并且通常仅仅用于区分相同或者相似的项或者元件。
因此，已经描述了主题的特定实施方式。其他实施方式在以下权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中叙述的动作可以按照不同的次序来执行并且仍然获得期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不必要求所示的特定次序或者相继次序来获得期望的结果。在某些实施方式中，可以利用多任务处理或者并行处理。

Claims (14)

1.一种分布式软件定义网络SDN分组核心系统，包括：
至少一个基于云的集中式SDN基础架构实例，所述至少一个基于云的集中式SDN基础架构实例包括订户模块和策略模块，所述订户模块用于对与所述SDN分组核心系统通信的客户端装置进行认证，所述策略模块被配置来对与所述分布式SDN分组核心系统相关联的客户端装置的策略进行管理；以及
多个互连的本地SDN基础架构实例，每个本地SDN基础架构实例包括多个计算机装置，所述多个计算机装置在地理上布置为接近于与至少两个无线电接入技术RAT相关联的相应多个无线电接入点并且通信地耦合至与至少两个无线电接入技术RAT相关联的所述相应多个无线电接入点，每个本地SDN基础架构实例的所述计算机装置被配置成执行软件模块，所述软件模块用于处理与所述相应无线电接入点相关联的通信流的控制消息和数据分组，所述软件模块包括：
多个RAT特定的控制面模块，所述多个RAT特定的控制面模块与所述至少两个无线电接入技术RAT相关联，每个RAT特定的控制面模块被配置成执行与相应RAT相关联的通信流的信令和控制操作；以及
多个数据面实例，所述多个数据面实例被配置成处理与由所述本地SDN基础架构实例服务的通信流相关联的数据分组，其中，所述多个数据面实例中的每一个数据面实例包括分组处理引擎的合集，分组处理引擎的至少一个合集包括相应协议特定的处理元件，所述相应协议特定的处理元件被配置成执行与至少两个RAT相关联的RAT特定的网络功能，其中每个RAT特定的网络功能专门与相应的RAT相关联。
2.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述软件模块进一步包括至少一个数据面控制器模块，所述至少一个数据面控制器模块用于调解所述RAT特定的控制面模块与所述数据面实例之间的交互，并且所述至少一个数据面控制器被配置成通过使用采用通信流规则的独立于RAT的接口来与所述RAT特定的控制面模块交互。
3.根据权利要求2所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述至少一个数据面控制器被配置成：
接收与通信流规则相关联的更新；并且
将所述更新转发至被配置成执行所述通信流规则的一个或者多个数据面实例。
4.根据权利要求2所述的分布式SDN分组核心系统，其中，每个通信流规则包括：
至少一个数据分组报头字段值的指示；以及
用于应用于包括所述至少一个数据分组报头字段值的数据分组的一个或者多个指令。
5.根据权利要求2所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述至少一个数据面控制器被配置成：
定期检查所述控制面模块的健康状况；并且
对基于所述控制面模块的所述健康状况而确定的故障情况进行管理。
6.根据权利要求2所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述至少一个数据面控制器被配置成：
接收来自所述数据面实例中的一个或者多个数据面实例的一个或者多个数据分组处理反馈报告；
确定至少一个控制面模块来接收所述一个或者多个数据分组处理反馈报告；并且
将所述一个或者多个数据分组处理反馈报告转发至所述至少一个控制面模块。
7.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述RAT特定的控制面模块包括RAT特定的前端模块，每个RAT特定的前端模块通信地耦合至与相应RAT相关联的一个或者多个无线电接入点并且被配置成利用与相应RAT相关联的所述一个或者多个无线电接入点来处理信令。
8.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，每个前端模块通过相应传输隧道通信地耦合至所述一个或者多个无线电接入点。
9.根据权利要求8所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述相应传输隧道包括以太网IP隧道、通用用户数据报协议UDP封装GUE隧道、通用路由封装GRE隧道、802.11GUE隧道、GPRS隧道协议GTP隧道和互联网协议IP安全IPSec隧道中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，RAT特定的控制面模块通过城域网通信地耦合至所述无线电接入点。
11.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述本地SDN基础架构实例通过至少一个中转网络彼此通信地耦合。
12.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述本地SDN基础架构实例通过一个或者多个中转网络通信地耦合至一个或者多个数据中心。
13.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，至少一个本地SDN基础架构实例包括用于缓存与内容提供商相关联的数据的数据缓存。
14.根据权利要求1所述的分布式SDN分组核心系统，其中，所述RAT特定的网络功能至少包括特定于相应RAT中的至少两个RAT的服务网关SGW功能和分组数据网络PGW功能。
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