CN110891073B - 一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法 - Google Patents
一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法，通过在本代核心网网元中增加下一代核心网所使用的协议栈，使得本代核心网中的网元能够同时使用本代核心网以及下一代核心网的协议栈完成通信。本发明的优点在于：发送端网元分别设置其发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈为新、旧协议栈中的任意一种，且利用发送端或接收端网元的套接字socket客户端，向接收端或发送端网元对应的套接字socket服务端发送请求信令帧，利用了相同的下层协议。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及网络通信技术领域中的一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法。本发明可用于在移动通信网络的核心网中，通过在本代核心网网元中增加下一代核心网所使用的协议栈，使得本代核心网中的网元能够同时使用本代核心网以及下一代核心网的协议栈完成通信。
背景技术
在4G移动通信核心网中，控制面采用以GPRS隧道协议控制段第二版/用户数据报协议/网络互联协议GTP-Cv2/UDP/IP(GPRS Tunneling Protocol-Cv2/User DatagrameProtocol/Internet Protocol)为主的协议栈来传输控制信令，而在第三代合作伙伴计划3GPP(3rd Generation Partnership Project)所制定的技术规范29.500中，规定了5G核心网控制面统一采用超文本传输协议2.0/传输控制协议/网络互联协议HTTP2/TCP/IP(Hypertext Transfer Protocol version 2/Transmission Control Protocol/InternetProtocol)来传输控制信令，同时采用JS对象简谱JSON(JavaScript Object Notation)作为信令序列化协议。历代核心网的网元多采用点对点通信，网元之间协议栈单一。由于协议栈的不同，4G核心网网元无法与5G核心网网络功能直接完成信令的交互，两者之间如何进行直接的通信是一个有待解决的问题。
北京信威通信技术股份有限公司在其申请的专利文献“一种实现多协议栈并存的通信方法”(申请号CN 201710024891.8公告号CN 108306915A)中公开了一种实现多协议栈并存的通信方法。该专利所公开实现的多协议栈并存通信方法的主要步骤是：(1)发送端对发送数据进行协议栈类型标识，标识方式可以为在MAC PDU包头中用预定义字段，或者令PHY层在对MAC层递交的TB数据进行CRC添加时，对所述CRC使用预定义的不同掩码；(2)接收端接收数据并根据第一步中的相应标识方式识别其协议栈类型，交由相应的协议栈处理。该方法存在的不足之处是，在PHY层或者MAC层为了标识协议栈类型，需要对PHY层或者MAC层的协议内容进行修改，进而需要对其硬件设施进行相应调整，这将大大增加采用该多协议栈并存通信方法的成本。
北京紫光恒越网络科技有限公司在其申请的专利文献“基于多协议栈的信标数据发送方法和装置”(申请号CN 201710568032.5公告号CN 107343005A)中公开了一种基于多协议栈的信标数据发送方法。该专利所公开实现的基于多协议栈的信标数据发送方法的主要步骤是：(1)识别设定区域内的可接入终端的网络通道；(2)采用上层协议子栈对信标数据进行处理，其中，上层协议子栈中包含蓝牙网络、WiFi网络和Zigbee网络中共同的上层协议；(3)上层协议和下层协议子栈之间通过目标socket连接，根据所述目标socket，确定下层协议子栈；(4)使用下层协议子栈对信标数据进行处理，下层协议子栈中包含蓝牙网络、WiFi网络和Zigbee网络各自网卡对应的下层协议；(5)将处理后的信标数据通过网络通道发送至可接入终端。该方法存在的不足之处是，可接入终端与数据发送装置进行通信时，发送数据与接收数据所使用的协议栈必须一致，无法有效利用多协议栈的优点。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法，该方法为本代移动通信核心网添加下一代移动通信核心网的协议栈，使得本代与下一代核心网网元之间的交互可以直接进行而无需通过特定的锚点网元。同时交互过程中协议栈的选择也十分灵活，请求与响应可以采用不同的协议栈。网元进行多协议栈通信的方法也最大程度减少了对于现有网元的改动以及新网元部署的复杂度。
为了实现上述目的，本发明的思路是，新旧协议栈根据3GPP中的相关标准，采用相同的网络层、数据链路层和物理层协议，而采用不同的传输层和应用层协议栈。发送端网元设置其发送和接收端网元回复使用的协议栈，并将设置信息加入到请求信令中。在目前与可见的未来，移动通信核心网中网络层采用的协议一般为IP协议，所以发送端网元与接收端网元使用socket完成在传输层的交互。由于JSON是一种独立的文本格式，十分适合传输信息，且5G核心网技术标准中也已经将JSON设置为序列化协议，故采用JSON作为新旧协议栈应用层之上的序列化技术，最后在接收端网元需判断接收请求信令所使用的协议栈是否合法，再选择是否回复响应信令。
本发明的具体步骤如下：
(1)发送端网元与接收端网元开启用于通信的套接字socket：
接收端网元和发送端网元在新、旧协议栈所规定的端口上分别开启套接字socket服务端和套接字socket客户端；
(2)产生协议栈使用信息请求信令：
(2a)发送端网元分别设置其发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈为新、旧协议栈中的任意一种，所述发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈是移动通信核心网网元之间通信的多层协议，该协议由底层到高层依次设置为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层；
(2b)发送端网元将移动通信核心网中控制信令作为请求信令，并将其中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式；
(2c)发送端网元在序列化后的JavaScript对象简谱JSON格式请求信令的末尾依次添加两对新的“键：值”，构成协议栈使用信息请求信令；
(3)发送请求信令帧：
(3a)发送端网元依据应用层协议为协议栈使用信息请求信令封装帧头，形成请求信令帧；
(3b)利用发送端网元的套接字socket客户端，向接收端网元对应的套接字socket服务端发送请求信令帧；
(4)解析请求信令帧：
(4a)接收端网元收到请求信令帧后，获取请求信令帧中的协议栈使用信息请求信令；
(4b)接收端网元利用JavaScript对象简谱JSON格式的解析技术，解析协议栈使用信息请求信令，得到请求信令以及发送端网元发送和发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈；
(5)接收端网元判断步骤(4a)解析使用的协议栈与步骤(4b)中发送端网元发送协议栈的设置是否一致，若是，则执行步骤(6)，否则，认为接收端网元收到的请求信令为非法，丢弃该请求信令；
(6)接收端产生并回复响应信令：
(6a)接收端网元读取请求信令，根据移动通信网络运营商所规定的内在逻辑处理请求信令中的信息，产生用于向发送端回复的响应信令；
(6b)接收端网元将响应信令中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式；
(6c)接收端网元采用步骤(4b)中发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈，依据应用层协议为序列化后的响应信令封装帧头，形成响应信令帧；
(6d)利用接收端网元的套接字socket客户端，向发送端网元对应的套接字socket服务端回复响应信令帧。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明将原始请求信令中每一项参数及其相应的值都序列化为JSON格式中“键：值”的格式，并在末尾依次添加两对新的“键：值”，构成协议栈使用信息请求，克服了现有技术在PHY层或者MAC层为了标识协议栈类型，需要对PHY层或者MAC层的协议内容进行修改，进而需要对其硬件设施进行相应调整的不足，使得本发明具有节省硬件资源的优点。
第二，由于本发明由发送端网元设置发送端网元发送和接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈可以是新、旧协议栈中的一种，克服了现有多协议栈技术中，发送数据与接收数据所使用的协议栈必须一致的不足，使得本发明具有在不同移动通信核心网网络环境中普遍适用的优点。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明提出的多协议栈架构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步的详细说明。
参照图1，对本发明的实现步骤做进一步的描述。
步骤1，发送端网元与接收端网元开启用于通信的套接字socket。
接收端网元和发送端网元在新、旧协议栈所规定的端口上分别开启套接字socket服务端和套接字socket客户端。
步骤2，产生协议栈使用信息请求信令。
发送端网元分别设置其发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈为新、旧协议栈中的任意一种，所述发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈是移动通信核心网网元之间通信的多层协议，该协议由底层到高层依次设置为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。
发送端网元将移动通信核心网中控制信令作为请求信令，并将其中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式。
所述移动通信核心网中控制信令的每一个参数由移动通信网络运营商依据国际标准制定，参数的值由发送端网元将控制信令的类型、发送端网元的类型和接入用户的信息转换为符合国际标准的数据结构而得到。
发送端网元在序列化后的JavaScript对象简谱JSON格式请求信令的末尾依次添加两对新的“键：值”，构成协议栈使用信息请求信令。
所述的两对新的“键：值”是指发送端网元发送和其期望接收端网元回复所使用协议栈的信息，其中，第一对“键：值”中的“键”表明该组“键：值”存储的是发送端网元发送所使用的协议栈，“值”为发送端网元发送所使用协议栈的类型标识，第二对“键：值”中的“键”表明该组“键：值”存储的是发送端网元期望接收端网元回复所使用的协议栈，“值”为发送端网元期望接收端网元回复所使用协议栈的类型标识。
步骤3，发送请求信令帧。
发送端网元依据应用层协议为协议栈使用信息请求信令封装帧头，形成请求信令帧。
利用发送端网元的套接字socket客户端，向接收端网元对应的套接字socket服务端发送请求信令帧。
步骤4，解析请求信令帧。
接收端网元收到请求信令帧后，获取请求信令帧中的协议栈使用信息请求信令。
接收端网元利用JavaScript对象简谱JSON格式的解析技术，解析协议栈使用信息请求信令，得到请求信令以及发送端网元发送和发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈。
所述的JavaScript对象简谱JSON格式的解析技术是指接收端网元读取JavaScript对象简谱JSON格式的字符串，按照JavaScript对象简谱JSON中的结构规定，逐项获取其“键：值”对中的信息，并将这些信息转化成接收端网元可以直接处理的数据结构。
步骤5，接收端网元判断步骤4解析使用的协议栈与步骤4中发送端网元发送协议栈的设置是否一致，若是，则执行步骤6，否则，认为接收端网元收到的请求信令为非法，丢弃该请求信令。
步骤6，接收端产生并回复响应信令。
接收端网元读取请求信令，根据移动通信网络运营商所规定的内在逻辑处理请求信令中的信息，产生用于向发送端回复的响应信令。
接收端网元将响应信令中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式。
接收端网元采用步骤4中发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈，依据应用层协议为序列化后的响应信令封装帧头，形成响应信令帧。
利用接收端网元的套接字socket客户端，向发送端网元对应的套接字socket服务端回复响应信令帧。
下面以4G核心网网元与5G核心网网元的交互为例，对本发明步骤1，步骤2，步骤3，步骤4，步骤6的过程做进一步的描述。
步骤1，socket客户端和socket服务端的类型由核心网网元原本协议栈中传输层的类型决定，4G核心网协议栈使用UDP socket，而5G核心网协议栈使用TCP socket。
步骤2，发送端网元选择使用4G核心网协议栈发送，期望接收端使用5G协议栈回复。
步骤3，在不改变GTP-Cv2协议内容的原则下，应用层封装方式如下：
发送端网元将JSON结构的协议栈使用信息请求信令中，原始请求信令部分的“键：值”对信息，一一映射为GTP-Cv2帧中的部分帧头和全部帧体。
发送端网元利用GTP-Cv2帧的帧头中，第1个字节的第7与第8位(在3GPP的相关标准中，这些字节位为闲置位)，存储额外的协议栈使用信息，其中第1个字节的第7位为1或0时，分别代表发送端网元使用4G核心网协议栈或5G核心网协议发送，第1个比特的第8位为1或0时，分别代表接收端网元使用4G核心网协议栈或5G核心网协议回复。
步骤3，socket发送方式如下：
GTP-Cv2帧封装完毕后，发送端网元根据UDP协议，将GTP-Cv2帧作为UDP载荷，封装UDP报头，形成UDP报文。
发送端网元利用其UDP socket客户端向接收端网元相应的UDP socket服务端发送UDP报文。
步骤4，接收端网元通过UDP socket服务端收到了UDP报文，由于UDP协议属于4G核心网协议栈，因此接收端网元通过4G核心网协议栈解析该UDP报文，得到GTP-Cv2帧。
步骤4，接收端网元利用GTP-Cv2协议，对GTP-Cv2帧进行解析，将GTP-Cv2帧体中的参数及值一一映射为JSON结构字符串中的“键：值”对。
接收端网元读取GTP-Cv2帧头中第1个字节的第7和第8位，获取协议栈设置信息，将其映射为JSON结构字符串中的“键：值”对，并添加至上一步JSON字符串的末尾。
步骤6，接收端网元将序列化后的响应信令作为载荷，为其封装HTTP/2帧头，形成HTTP/2响应帧。
接收端网元利用其TCP socket客户端与发送端相应的TCP socket服务端建立TCP连接。
接收端网元与发送端建立HTTP/2连接，连接建立完成后发送HTTP/2响应帧。
Claims (3)
1.一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法，其特征在于，发送端网元分别设置其发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈为新、旧协议栈中的任意一种，且利用发送端或接收端网元的套接字socket客户端，向接收端或发送端网元对应的套接字socket服务端发送请求信令帧，利用了相同的下层协议，该方法的步骤包括如下：
(1)发送端网元与接收端网元开启用于通信的套接字socket：
接收端网元和发送端网元在新、旧协议栈所规定的端口上分别开启套接字socket服务端和套接字socket客户端；
(2)产生协议栈使用信息请求信令：
(2a)发送端网元分别设置其发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈，该协议栈为新、旧协议栈中的任意一种，所述发送使用的协议栈和期望接收端网元回复使用的协议栈是移动通信核心网网元之间通信的多层协议，该协议由底层到高层依次设置为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层；
(2b)发送端网元将移动通信核心网中控制信令作为请求信令，并将其中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式；
(2c)发送端网元在序列化后的JavaScript对象简谱JSON格式请求信令的末尾依次添加两对新的“键：值”，构成协议栈使用信息请求信令；
所述的两对新的“键：值”是指发送端网元发送和其期望接收端网元回复所使用协议栈的信息，其中，第一对“键：值”中的“键”表明该组“键：值”存储的是发送端网元发送所使用的协议栈，“值”为发送端网元发送所使用协议栈的类型标识，第二对“键：值”中的“键”表明该组“键：值”存储的是发送端网元期望接收端网元回复所使用的协议栈，“值”为发送端网元期望接收端网元回复所使用协议栈的类型标识；
(3)发送请求信令帧：
(3a)发送端网元依据应用层协议为协议栈使用信息请求信令封装帧头，形成请求信令帧；
(3b)利用发送端网元的套接字socket客户端，向接收端网元对应的套接字socket服务端发送请求信令帧；
(4)解析请求信令帧：
(4a)接收端网元收到请求信令帧后，获取请求信令帧中的协议栈使用信息请求信令；
(4b)接收端网元利用JavaScript对象简谱JSON格式的解析技术，解析协议栈使用信息请求信令，得到请求信令以及发送端网元发送和发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈；
(5)接收端网元判断步骤(4a)解析使用的协议栈与步骤(4b)中发送端网元发送协议栈的设置是否一致，若是，则执行步骤(6)，否则，认为接收端网元收到的请求信令为非法，丢弃该请求信令；
(6)接收端产生并回复响应信令：
(6a)接收端网元读取请求信令，根据移动通信网络运营商所规定的内在逻辑处理请求信令中的信息，产生用于向发送端回复的响应信令；
(6b)接收端网元将响应信令中每一项参数及其相应的值都序列化为JavaScript对象简谱JSON格式中“键：值”的格式；
(6c)接收端网元采用步骤(4b)中发送端网元期望接收端网元回复使用的协议栈，依据应用层协议为序列化后的响应信令封装帧头，形成响应信令帧；
(6d)利用接收端网元的套接字socket客户端，向发送端网元对应的套接字socket服务端回复响应信令帧。
2.根据权利要求1所述的一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法，其特征在于，步骤(2b)中所述移动通信核心网中控制信令的每一个参数由移动通信网络运营商依据国际标准制定，参数的值由发送端网元将控制信令的类型、发送端网元的类型和接入用户的信息转换为符合国际标准的数据结构而得到。
3.根据权利要求1所述的一种用于移动通信核心网的多协议栈通信方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的JavaScript对象简谱JSON格式的解析技术是指接收端网元读取JavaScript对象简谱JSON格式的字符串，按照JavaScript对象简谱JSON中的结构规定，逐项获取其“键：值”对中的信息，并将这些信息转化成接收端网元可以直接处理的数据结构。
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