CN112235196B - 软硬协同的upf设备及其控制方法 - Google Patents

软硬协同的upf设备及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软硬协同的UPF设备及其控制方法，应用在网络设备领域，所述设备包括：输入端口和输出端口；交换机管理CPU，用于接收GTP‑C报文，并根据所述GTP‑C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略，以及下发所述转发策略；交换芯片，用于从输入端口获取GTP‑C报文和GTP‑U报文，向所述交换机管理CPU转发GTP‑C报文，以及从所述交换机管理CPU处接收所述转发策略，根据所述转发策略向输出端口转发GTP‑U报文，并进行计费统计。本发明可以在不大幅增加硬件成本的情况下完成大规模的GTP报文转发和计费处理。

Description

软硬协同的UPF设备及其控制方法
技术领域
本发明涉及通信设备，尤其是一种软硬协同的UPF设备及其控制方法。
背景技术
当前的UPF设备是基于X86的CPU来完成GTP数据报文的转发和计费处理，考虑到单个CPU的性能问题，还有的UPF设备通过多核CPU完成，甚至多个CPU的组合。为了针对x86平台的DPDK纯软件加速方案，最大的能力也就到25Gbps。随着5G超大带宽的应用爆发和视频应用的增长，对UPF设备的转发能力提出数十倍的要求，因此，CPU配合软件加速方案无法满足未来的需求。
现有的UPF设备是基于x86平台的DPDK纯软件加速方案来实现对GTP报文的转发和计费处理，如果需要增加能力，则要增加CPU的配置或者数量，导致UPF设备的成本大幅飙升。
发明内容
为解决上述技术问题的至少之一，本发明的目的在于：提供一种软硬协同的UPF设备及其控制方法，以在不大幅增加硬件成本的情况下，满足大规模的GTP数据报文的转发和计费处理。
第一方面，本发明实施例提供了：
一种软硬协同的UPF设备，包括：
输入端口和输出端口；
交换机管理CPU，用于接收GTP-C报文，并根据所述GTP-C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略，以及下发所述转发策略；
交换芯片，用于从输入端口获取GTP-C报文和GTP-U报文，向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文，以及从所述交换机管理CPU处接收所述转发策略，根据所述转发策略向输出端口转发GTP-U报文，并进行计费统计。
在一些实施例中，所述交换芯片还用于向所述交换机管理CPU转发部分的GTP-U报文，所述交换机管理CPU还用于处理部分的GTP-U报文。
在一些实施例中，所述交换芯片在接收到所述转发策略后，根据所述转发策略更新转发表项和GTP隧道解封装表项。
在一些实施例中，所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口或者所述交换机管理CPU转发GTP-U报文的策略为：
根据待转发的GTP-U报文在转发表项中查找，在查找命中输出端口的情况下，向命中的输出端口转发所述待转发的GTP-U报文；在查找没有命中输出端口的情况下，向交换机管理CPU转发所述待转发的GTP-U报文。
在一些实施例中，所述交换芯片通过数据通道向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文或者GTP-U报文，所述交换机管理CPU通过管理通道向所述交换芯片下发所述GTP会话的转发策略。
在一些实施例中，所述交换芯片基于内置的stats统计功能进行计费。
在一些实施例中，所述交换芯片在向所述输出端口转发GTP-U报文之前，对GTP-U报文进行编辑，其中，编辑内容包括：GTP-Header中TEID字段、扩展头、GTP内层和外层的MAC地址、IP地址以及UDP端口号中的至少一种。
在一些实施例中，所述交换机管理CPU用于对预设类型的GTP-U报文进行处理。
在一些实施例中，所述交换机管理CPU通过运行GTP协议栈处理程序对所述GTP-C报文和预设类型的GTP-U报文进行处理。
第二方面，本发明实施例提供了：
一种软硬协同的UPF设备的控制方法，所述UPF设备包括输入端口、输出端口、交换机管理CPU和交换芯片，所述方法包括以下步骤：
所述交换芯片从输入端口接收GTP-C报文；
所述交换芯片向所述交换机管理CPU转发所述GTP-C报文；
所述交换机管理CPU根据所述GTP-C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略；
所述交换机管理CPU向所述交换芯片下发所述转发策略；
所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口转发从输入端口获取的GTP-U报文，并进行计费统计。
本发明实施例的有益效果是：可以在现有的交换机中实现，利用交换机管理CPU对GTP-C报文进行处理，并建立GTP会话和确定转发策略，将GTP-U报文的转发和计费统计卸载在交换芯片处理上，利用交换芯片本身的处理能力和转发带宽来实现大规模GTP报文的处理，本方案可以不对CPU进行配置或者数量上的升级，硬件成本不会有大幅度的提升。
附图说明
图1为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备的应用示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备的模块框图；
图3为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备在初始化阶段的数据流向示意图；
图4为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备在转发策略分配时的数据流向示意图；
图5为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备在转发GTP-U报文时的数据流向示意图；
图6为根据本发明实施例提供的一种软硬协同的UPF设备的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
首先对下面出现的关键名词进行解释：
GTP：GPRS Tunneling Protocol，GPRS隧道协议。
GTP-C：GPRS隧道协议的控制面。
GTP-U：GPRS隧道协议的用户面。
UPF：User Plane Function，用户面功能。
参照图1和图2，本实施例公开了一种软硬协同的UPF设备，本设备应用在图1所示的应用场景中，该场景可以是5G通信中的一种场景，本实施例中的设备包括：输入端口、输出端口、交换机管理CPU和交换芯片，本设备可以由交换机升级而成。
其中，输入端口和输出端口的数量有多个。
交换机管理CPU，用于接收GTP-C报文，并根据所述GTP-C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略，以及下发所述转发策略。
具体地，如图3所示，GTP报文经过输入端口进入到交换芯片，交换芯片将GTP-C报文通过数据通道转发到交换机管理CPU进行处理，如图4所示，交换机管理CPU根据GTP-C报文建立GTP会话，并确定GTP会话的转发策略，接着将转发策略通过管理通道发送给交换芯片。当交换机获得转发策略以后，就可以对GTP-U报文进行处理。其中，建立GTP会话时需要通过交换芯片发送GTP-Reply报文。
交换芯片，用于从输入端口获取GTP-C报文和GTP-U报文，向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文，以及从所述交换机管理CPU处接收所述转发策略，根据所述转发策略向输出端口转发GTP-U报文，并进行计费统计。
其中，在交换芯片没有获取GTP会话的转发策略时，所有的GTP-U报文和GTP-C报文均转发到交换机管理CPU中进行处理，当获得GTP会话的转发策略以后，部分或者全部GTP-U报文就由交换芯片执行处理，此时，如图5所示，从输入端口获取GTP-U报文，并在交换芯片中完成处理后转发到输出端口。具体地，在一些实施例中，可以根据各类型GTP-U报文的出现比例来决定哪些GTP-U报文在交换机芯片中处理，哪些GTP-U报文在交换机管理CPU中处理。对于出现比例较高，即数量庞大的GTP-U报文，可以配置在交换芯片中处理，而对于出现比例较低，即数量较小的GTP-U报文，可以配置在交换机管理CPU中处理。GTP计费统计、限速等功能由交换芯片完成。需要理解的是，当交换芯片在转发一个GTP-U报文时，会根据转发策略对其进行解封和封装处理，并转发到某个输出端口。
基于上述实施例的描述可知，本实施例可以在现有的交换机中实现，利用交换机管理CPU对GTP-C报文进行处理，并建立GTP会话和确定转发策略，将GTP-U报文的转发和计费统计卸载在交换芯片处理上，利用交换芯片本身的处理能力和转发带宽来实现大规模GTP报文的处理，本方案可以不对CPU进行配置或者数量上的升级，硬件成本不会有大幅度的提升。
在一些实施例中，所述交换芯片还用于向所述交换机管理CPU转发部分的GTP-U报文，所述交换机管理CPU还用于处理部分的GTP-U报文。
在本实施例中，可以仅将某些类型的GTP-U报文在交换芯片中处理，将其他的GTP-U报文转发给交换机管理CPU进行处理。
如表1所示，根据GTP-U报文的出现可能来将占据大部分的GTP-U报文类型放在交换芯片中处理。例如，在本实施例中，41和45号GTP-U报文由交换芯片处理，而其他则由交换机管理CPU处理。当然，在配置哪些类型的GTP-U报文由交换芯片处理时，除了考虑其出现的可能以外，还需要考虑其处理的难度，处理时需要较多资源的GTP-U报文也可以放在交换芯片中处理。本实施例通过将部分GTP-U报文交给交换机管理CPU处理，可以充分利用CPU资源，根据实际情况做上述处理的分配，可以优化CPU和交换芯片的负载。
表1
Figure BDA0002664246030000041
Figure BDA0002664246030000051
在一些实施例中，所述交换芯片在接收到所述转发策略后，根据所述转发策略更新转发表项和GTP隧道解封装表项。
具体地，在完成GTP会话的建立后，交换芯片接收到UPF控制面的转发策略，并下发到交换芯片中对应的转发表项(比如：ACL，路由表项)，以及GTP隧道解封装表项，GTP隧道Next-hop。
在一些实施例中，所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口或者所述交换机管理CPU转发GTP-U报文的策略为：
根据待转发的GTP-U报文在转发表项中查找，在查找命中输出端口的情况下，向命中的输出端口转发所述待转发的GTP-U报文；在查找没有命中输出端口的情况下，向交换机管理CPU转发所述待转发的GTP-U报文。
在本实施例中，转发策略为在转发表项中查找GTP-U报文的转发端口，当发现没有命中结果时，说明该报文属于交换机管理CPU的处理类型，或者该GTP-U报文没有对应的GTP转发策略，需要由交换机管理CPU处理。通过该策略，就可以在一定程度上GTP-U报文不会被遗漏。
在一些实施例中，所述交换芯片通过数据通道向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文或者GTP-U报文，所述交换机管理CPU通过管理通道向所述交换芯片下发所述GTP会话的转发策略。在本实施例中，交换芯片和交换机管理CPU之间通过数据通道和管理通道进行通信。区分数据通道和管理通道，可以有效地对两者之间的上下行带宽进行划分，以降低延迟。
在一些实施例中，所述交换芯片基于内置的stats统计功能进行计费。
在这些实施例中，可以利用交换芯片原本内置的stats统计功能进行计费，这样可以减少额外开销，也降低了开发的难度。
在一些实施例中，所述交换芯片在向所述输出端口转发GTP-U报文之前，对GTP-U报文进行编辑，其中，编辑内容包括：GTP-Header中TEID字段、扩展头、GTP内层和外层的MAC地址、IP地址以及UDP端口号中的至少一种。
在一些实施例中，所述交换机管理CPU用于对预设类型的GTP-U报文进行处理。
在一些实施例中，所述交换机管理CPU通过运行GTP协议栈处理程序对所述GTP-C报文和预设类型的GTP-U报文进行处理。参照图2，本实施例中交换机管理CPU运行有GTP协议栈处理程序和传统协议栈处理程序，可以利用GTP协议栈来完成GTP处理过程。
结合图2～图5对本发明实施例进行完整的说明。软硬协同的UPF设备两个关键点是：交换机管理CPU，交换芯片。需要注意的是交换芯片相对于CPU具备全线速转发能力，本实施例采用的具备GTP报文处理能力的交换芯片来转发GTP报文，其带宽远超当前CPU处理GTP报文的性能，两者的性能差距甚至达到百倍。交换机管理CPU和交换芯片之间能够完成数据通道和管理通道。其中，数据通道用于将交换机上送的GTP报文转发到交换机管理CPU，或者将CPU处理后的GTP报文转发到交换芯片。管理通道用于CPU将转发策略下发到交换芯片，或者用于获取交换芯片上的GTP报文统计来完成计费功能。其中，交换机管理CPU用于运行UPF的控制面，用于处理GTP-C控制报文和GTP-U信令报文的处理，并在建立GTP会话后将GTP会话的转发策略下发到运行UPF转发面的交换芯片；交换芯片用于运行UPF的转发面，用于卸载处理GTP-U报文的转发策略查找，限速，计费等功能；
参照图2，初始状态下，本发明设计的UPF设备需要下发基础的配置，比如，端口IP，路由等，用于完成IP Underlay网络的互通(GTP Overlay隧道的建立依赖Underlay网络)，并打通交换芯片与CPU之间的数据通道和管理通道。
参照图3，交换芯片通过管理CPU完成初始化设置后，在初始状态下，交换芯片默认会将收到的GTP报文全部送到UPF控制面CPU去处理，最终，上送到交换机软件系统的GTP协议处理软件进行处理，并等待UPF控制面对应的GTP协议栈建立GTP会话和下发转发策略到交换芯片.
参照图4，在完成GTP会话的建立后，交换芯片接收到UPF控制面的转发策略，并下发到对应的芯片转发表项(比如：ACL，路由表项)，以及GTP隧道解封装表项，GTP隧道Next-hop。需要注意的是，在建立会话的过程中，管理CPU在接收到的GTP报文并在GTP协议模块处理后，还会从数据通道发送GTP Reply报文，以用于GTP会话的建立。
参照图5，当GTP会话建立和完成转发策略下发交换芯片后，后续的接收到的报文会在UPF转发面的交换芯片上进行转发策略查找。如果查找命中转发表项，就根据查找结果转发到对应的输出端口，并更新stats统计，以及根据查找结果完成对GTP报文的编辑，包含，GTP Header中TEID，扩展头等字段的编辑能力，以及GTP内层和外层的MAC地址，IP地址，UDP端口号等字段的编辑能力。如果查找未命中交换芯片对应的UPF转发面的表项，就将该数据流的报文全部送到运行UPF控制面的交换机管理CPU进行处理。
参照图6，本实施例公开了一种软硬协同的UPF设备的控制方法，所述UPF设备包括输入端口、输出端口、交换机管理CPU和交换芯片，所述方法包括以下步骤：
步骤610、所述交换芯片从输入端口接收GTP-C报文；
步骤620、所述交换芯片向所述交换机管理CPU转发所述GTP-C报文；
步骤630、所述交换机管理CPU根据所述GTP-C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略；
步骤640、所述交换机管理CPU向所述交换芯片下发所述转发策略；
步骤650、所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口转发从输入端口获取的GTP-U报文，并进行计费统计。
对于上述方法实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种软硬协同的用户面功能UPF设备，其特征在于，包括：
输入端口和输出端口；
交换机管理CPU，用于接收GPRS隧道协议的控制面GTP-C报文，并根据所述GTP-C报文建立GPRS隧道协议GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略，以及下发所述转发策略，还用于处理部分的GPRS隧道协议的用户面GTP-U报文；
交换芯片，用于从输入端口获取GTP-C报文和GTP-U报文，向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文，以及从所述交换机管理CPU处接收所述转发策略，根据所述转发策略向输出端口转发GTP-U报文，还可以根据所述转发策略向所述交换机管理CPU转发所述部分的GTP-U报文，并进行计费统计；
其中，在交换芯片没有获取GTP会话的转发策略时，所有的GTP-U报文和GTP-C报文均转发到交换机管理CPU中进行处理，当获得GTP会话的转发策略以后，部分或者全部GTP-U报文就由交换芯片执行处理；所述UPF设备在现有交换机中实现。
2.根据权利要求1所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换芯片在接收到所述转发策略后，根据所述转发策略更新转发表项和GTP隧道解封装表项。
3.根据权利要求2所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口或者所述交换机管理CPU转发GTP-U报文的策略为：
根据待转发的GTP-U报文在转发表项中查找，在查找命中输出端口的情况下，向命中的输出端口转发所述待转发的GTP-U报文；在查找没有命中输出端口的情况下，向交换机管理CPU转发所述待转发的GTP-U报文。
4.根据权利要求1所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换芯片通过数据通道向所述交换机管理CPU转发GTP-C报文或者GTP-U报文，所述交换机管理CPU通过管理通道向所述交换芯片下发所述GTP会话的转发策略。
5.根据权利要求1所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换芯片基于内置的stats统计功能进行计费。
6.根据权利要求1所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换芯片在向所述输出端口转发GTP-U报文之前，对GTP-U报文进行编辑，其中，编辑内容包括：GTP-Header中TEID字段、扩展头、GTP内层和外层的MAC地址、IP地址以及UDP端口号中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换机管理CPU用于对预设类型的GTP-U报文进行处理。
8.根据权利要求7所述的一种软硬协同的UPF设备，其特征在于，所述交换机管理CPU通过运行GTP协议栈处理程序对所述GTP-C报文和预设类型的GTP-U报文进行处理。
9.一种软硬协同的UPF设备的控制方法，其特征在于，所述UPF设备包括输入端口、输出端口、交换机管理CPU和交换芯片，所述方法包括以下步骤：
所述交换芯片从输入端口接收GTP-C报文；
所述交换芯片向所述交换机管理CPU转发所述GTP-C报文；
所述交换机管理CPU根据所述GTP-C报文建立GTP会话和确定所述GTP会话的转发策略；
所述交换机管理CPU向所述交换芯片下发所述转发策略；
所述交换芯片根据所述转发策略向所述交换机管理CPU转发从输入端口获取的部分的GTP-U报文；
所述交换芯片根据所述转发策略向输出端口转发从输入端口获取的其余的GTP-U报文，并进行计费统计；
其中，在交换芯片没有获取GTP会话的转发策略时，所有的GTP-U报文和GTP-C报文均转发到交换机管理CPU中进行处理，当获得GTP会话的转发策略以后，部分或者全部GTP-U报文就由交换芯片执行处理；所述UPF设备在现有交换机中实现。
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