CN112954722A - 一种5g upf主备链路快速切换系统和方法 - Google Patents

一种5g upf主备链路快速切换系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种5G UPF主备链路快速切换系统和方法，所述系统包括：用于处理各种外部信令协议报文的主控板；主控板包括主控主板和主控备板，主控主板包括主板CPU和主板LSW，主控备板包括备板CPU和备板LSW；当主控主板出现主链路故障后，将备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，第二外部三层交换机通过网线与备板LSW建立连接，主板LSW与备板LSW建立连接，第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开主板CPU和第一外部三层交换机的连接，断开第一外部三层交换机与主板LSW的连接，断开第一外部三层交换机与5G网络的连接，在出现链路故障时，快速切换到备用链路，将故障影响将降低到最低限度。

Description

一种5G UPF主备链路快速切换系统和方法
技术领域
本发明涉及5G应用技术领域，尤其涉及一种5G UPF主备链路快速切换系统和方法。
背景技术
5G(5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术)表示第五代移动通信技术，是最新一代蜂窝移动通信技术，也是继4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟(ITU)。ITU IMT-2020规范要求速度高达20Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。
5G数据转发平面(UPF，User Plane Function)用于在5G网络中转发用户的数据包，实现该5G数据转发平面的转发程序运行在服务器上。5G UPF设备必须支持主备功能，在主链路故障后能迅速切换到备链路，保障UPF设备能继续使用，不影响客户的业务。同时，UPF使用者对链路切换的时间也有要求(要求在一秒内)，在越短的时间内检测到链路故障并且能切换到备用链路，那么故障影响将降低到最低限度，而现有技术中切换速度不够，无法有效降低故障影响。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种5G UPF主备链路快速切换系统和方法，旨在解决现有技术中主链路故障后无法快速切换到备链路的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种5G UPF主备链路快速切换系统，所述5G UPF主备链路快速切换系统包括：
主控板，所述主控板用于处理各种外部信令协议报文；所述主控板包括主控主板和主控备板，所述主控主板包括主板CPU和主板LSW，所述主板CPU和所述主板LSW通过网口连接，所述主控备板包括备板CPU和备板LSW，所述主板CPU和所述备板CPU通过主备协议进行连接；
多个5G业务板，多个所述5G业务板与所述主控主板的所述主板LSW连接；
第一外部三层交换机，所述主板CPU通过第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机进行BFD协议通讯连接；
多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机；
当所述主控主板出现主链路故障后，将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其中，所述主板CPU包括：第一主板上行网口、第二网口和第三网口；
所述主板CPU通过所述第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机连接，所述主板CPU通过所述第二网口与所述备板CPU连接，所述主板CPU通过所述第三网口与所述主板LSW连接。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其中，所述主板CPU通过所述第三网口主动发送消息给外部网络。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其中，所述主板LSW和所述第一外部三层交换机进行业务数据流传递；
所述备板LSW和所述第二外部三层交换机进行业务数据流传递。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种基于如上所述5G UPF主备链路快速切换系统的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，所述5G UPF主备链路快速切换方法包括：
每隔预设时间读取主板BFD端口状态，判断所述主控主板是否出现主链路故障；
当所述主控主板出现主链路故障后，将链路切换到所述主控备板的备用链路。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，所述将链路切换到所述主控备板的备用链路，具体包括：
将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；
断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，所述5G UPF主备链路快速切换方法还包括：
如果所述主控备板出现备用链路故障后，将链路切换到所述主控主板的主链路。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，所述5G UPF主备链路快速切换方法还包括：
多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机或者从所述主控备板发送到外部的所述第二外部三层交换机。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，将所述主控主板的链路切换到所述主控备板的备用链路的切换时间小于100毫秒。
可选地，所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其中，将所述主控备板的备用链路切换到所述主控主板的主链路的切换时间小于110毫秒。
本发明中，所述系统包括：主控板，所述主控板用于处理各种外部信令协议报文；所述主控板包括主控主板和主控备板，所述主控主板包括主板CPU和主板LSW，所述主板CPU和所述主板LSW通过网口连接，所述主控备板包括备板CPU和备板LSW，所述主板CPU和所述备板CPU通过主备协议进行连接；多个5G业务板，多个所述5G业务板与所述主控主板的所述主板LSW连接；第一外部三层交换机，所述主板CPU通过第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机进行BFD协议通讯连接；多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机；当所述主控主板出现主链路故障后，将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。本发明在出现链路故障时，可以快速进行备用链路的切换，将故障影响将降低到最低限度。
附图说明
图1是本发明5G UPF主备链路快速切换系统的较佳实施例在切换到备用链路前的结构示意图；
图2是本发明5G UPF主备链路快速切换系统的较佳实施例在切换到备用链路后的结构示意图；
图3是本发明5G UPF主备链路快速切换方法的较佳实施例的流程图；
图4是本发明5G UPF主备链路快速切换方法的较佳实施例中主控板启动流程图；
图5是本发明5G UPF主备链路快速切换方法的较佳实施例中主用链路切换到备用链路的流程图；
图6是本发明5G UPF主备链路快速切换方法的较佳实施例中备用链路切换到主用链路的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种5G UPF主备链路快速切换系统，本发明较佳实施例所述的5GUPF主备链路快速切换系统，如图1和2所示，图1是本发明5G UPF主备链路快速切换系统的较佳实施例在切换到备用链路前的结构示意图，图2是本发明5G UPF主备链路快速切换系统的较佳实施例在切换到备用链路后的结构示意图；所述5G UPF主备链路快速切换系统包括：
主控板，所述主控板用于处理各种外部信令协议报文；所述主控板包括主控主板(即图1和图2中的主板)和主控备板(即图1和图2中的备板)，所述主控主板包括主板CPU和主板LSW，所述主板CPU和所述主板LSW通过网口连接(即图1和图2中的eth2)，所述主控备板包括备板CPU和备板LSW，所述备板CPU和所述备板LSW不建立连接关系，所述主板CPU和所述备板CPU通过主备协议进行连接；多个5G业务板，多个所述5G业务板与所述主控主板的所述主板LSW连接；第一外部三层交换机(即图1中与所述主板CPU连接的L3 LSW)，所述主板CPU通过第一主板上行网口(即图1中的eth0)与所述第一外部三层交换机进行BFD协议(BFD是Bidirectional Forwarding Detection的缩写，它是一个用于检测两个转发点之间故障的网络协议，BFD是一种双向转发检测机制，可以提供毫秒级的检测，可以实现链路的快速检测，BFD通过与上层路由协议联动，可以实现路由的快速收敛，确保业务的永续性)通讯连接；多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机。
在主链路切换到备用链路之前，如图1所示，所述第一外部三层交换机与5G网络是通过网线连接的，所述主板LSW和所述第一外部三层交换机是通过网线连接的，所述主板LSW和所述备板LSW是断开连接的，所述备板CPU和第二外部三层交换机是断开连接的，所述第二外部三层交换机与所述备板LSW是断开连接的，所述第二外部三层交换机与5G网络时断开连接的。
如图2所示，当所述主控主板出现主链路故障后，将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接，从而完成了主用链路到备用链路的切换。
其中，所述主板CPU包括：第一主板上行网口(eth0)、第二网口(eth1)和第三网口(eth2)；所述主板CPU通过所述第一主板上行网口(eth0)与所述第一外部三层交换机连接，所述主板CPU通过所述第二网口(eth1)与所述备板CPU连接，所述主板CPU通过所述第三网口(eth2)与所述主板LSW连接。
也就是说，整个5G UPF设备内有两个主控板(即主控主板和主控备板)，若干业务板。主控板负责控制整个设备，处理各种外部信令协议报文，是设备的控制中枢。业务板的数据流经过主控板的交换芯片LSW汇聚后，从对外的一个上行网口发送出去到达外部的三层交换机L3 LSW。主备主控板的网口eth0分别接了外部的两台L3LSW，它们都支持BFD(Bidirectional Forwarding Detection双向转发检测)。BFD协议是对接的两台设备互相发送握手报文，一旦握手失败就认为链路DOWN了。然后主板CPU就将链路切换到备板链路，这个切换过程只需要100毫秒内就可以完成。
其中，主控板网口eth0，用于与外部交换机L3 LSW进行BFD协议通讯，BFD业务基于UDP协议，每隔30毫秒互相发送协议报文，然后建立端口状态UP，如果BFD握手失败，则BFD端口会DOWN(断开)。
其中，主控板网口eth1，用于主备主控板之间通讯，主备之间既可以互相告知本身的BFD端口状态，主板还可以下发命令让备板设置自己的交换芯片端口的打开与关闭。
其中，主控板网口eth2，用于接收外部网络进来的信令和管理报文，并交给主控CPU处理，CPU也可以通过此网口主动发送消息给外部网络。
其中，主备主控板之间的大交换芯片，留有一个交换端口，用于链路切换，当主板的业务链路断了，迅速通知备板打开它的交换片对外端口，同时让业务数据流走主备之间的链路。
图1和图2中，主备主控板对外部L3 LSW的BFD链路探测流，实际以网线连接；主备主控板之间的控制通道走的是机框内的PCB链路；业务板的数据业务报文，机框外是通过网线连接到外部交换机L3 LSW，内部则是走机框PCB链路。
进一步地，本发明较佳实施例基于所述5G UPF主备链路快速切换系统的5G UPF主备链路快速切换方法，如图3所示，所述5G UPF主备链路快速切换方法包括以下步骤：
步骤S10、每隔预设时间读取主板BFD端口状态，判断所述主控主板是否出现主链路故障；
步骤S20、当所述主控主板出现主链路故障后，将链路切换到所述主控备板的备用链路。
具体地，所述将链路切换到所述主控备板的备用链路，具体包括：将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。
如果所述主控备板出现备用链路故障后，将链路切换到所述主控主板的主链路。多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机或者从所述主控备板发送到外部的所述第二外部三层交换机。其中，将所述主控主板的链路切换到所述主控备板的备用链路的切换时间小于100毫秒。将所述主控备板的备用链路切换到所述主控主板的主链路的切换时间小于110毫秒。
进一步地，如图4所示，整个机框上电后，两个主控板(即主控主板和主控备板)同时启动，通过主备竞争逻辑，确定谁是主用，谁是备用；当确定主控主板为主用时，主控主板打开eth3，启动主备通讯任务，打开本板内交换芯片端口到业务板的通道，打开交换芯片到外部交换机L3 LSW的通道，关闭交换芯片主备链路端口通道，打开eth0，启动BFD链路探测任务；当确定主控备板为主用时，主控备板打开eth3，启动主备通讯任务，关闭本板内交换芯片端口到业务板的通道，关闭交换芯片到外部交换机L3 LSW的通道，打开交换芯片主备链路端口通道，打开eth0，启动BFD链路探测任务。
进一步地，如图5所示，为主用链路切换到备用链路的流程，启动BFD链路探测任务，获取本板BFD端口状态(即每隔10毫秒读取一下BFD端口状态)，判断是否BFD端口DOWN(断开)，如果如果BFD端口DOWN，则通过主备控制链路eth1网口，获取备板BFD端口状态，判断备板BFD端口是否UP(连接)，如果备板BFD端口UP，则给备板下发命令(消息)：打开备板交换芯片到外部交换机L3 LSW的端口通道，打开本板交换芯片主备链路端口通道，关闭本板交换芯片数据业务端口通道，那么切换到备用链路成功，经过实际测试，主用切到备用的时间在100毫秒内。
进一步地，如图6所示，备用链路切换到主用链路的流程，启动BFD链路探测任务，通过主备通讯消息(即通过网口eth1)，每隔10毫秒读取一下备板BFD端口状态，判断BFD端口是否DOWN，如果备板BFD端口DOWN，则获取本板BFD端口状态，判断本板BFD端口是否UP，如果本板BFD端口UP，则给备板下发命令(消息)：关闭备板交换芯片到外部交换机L3 LSW的端口通道，关闭本板交换芯片主备链路端口通道，打开本板交换芯片数据业务端口通道，切换到主用链路成功，经过实际测试，备用切到主用的时间在110毫秒内。
即本发明可以快速从主用链路切换到备用链路，也可以快速从备用链路切换到主用链路，那么就可以将链路故障影响将降低到最低限度。
综上所述，本发明提供一种5G UPF主备链路快速切换系统和方法，所述系统包括：主控板，所述主控板用于处理各种外部信令协议报文；所述主控板包括主控主板和主控备板，所述主控主板包括主板CPU和主板LSW，所述主板CPU和所述主板LSW通过网口连接，所述主控备板包括备板CPU和备板LSW，所述主板CPU和所述备板CPU通过主备协议进行连接；多个5G业务板，多个所述5G业务板与所述主控主板的所述主板LSW连接；第一外部三层交换机，所述主板CPU通过第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机进行BFD协议通讯连接；多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机；当所述主控主板出现主链路故障后，将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。本发明在出现链路故障时，可以快速进行备用链路的切换，将故障影响将降低到最低限度。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的计算机可读存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的计算机可读存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种5G UPF主备链路快速切换系统，其特征在于，所述5G UPF主备链路快速切换系统包括：
主控板，所述主控板用于处理各种外部信令协议报文；所述主控板包括主控主板和主控备板，所述主控主板包括主板CPU和主板LSW，所述主板CPU和所述主板LSW通过网口连接，所述主控备板包括备板CPU和备板LSW，所述主板CPU和所述备板CPU通过主备协议进行连接；
多个5G业务板，多个所述5G业务板与所述主控主板的所述主板LSW连接；
第一外部三层交换机，所述主板CPU通过第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机进行BFD协议通讯连接；
多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机；
当所述主控主板出现主链路故障后，将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。
2.根据权利要求1所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其特征在于，所述主板CPU包括：第一主板上行网口、第二网口和第三网口；
所述主板CPU通过所述第一主板上行网口与所述第一外部三层交换机连接，所述主板CPU通过所述第二网口与所述备板CPU连接，所述主板CPU通过所述第三网口与所述主板LSW连接。
3.根据权利要求2所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其特征在于，所述主板CPU通过所述第三网口主动发送消息给外部网络。
4.根据权利要求1所述的5G UPF主备链路快速切换系统，其特征在于，所述主板LSW和所述第一外部三层交换机进行业务数据流传递；
所述备板LSW和所述第二外部三层交换机进行业务数据流传递。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述5G UPF主备链路快速切换系统的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，所述5G UPF主备链路快速切换方法包括：
每隔预设时间读取主板BFD端口状态，判断所述主控主板是否出现主链路故障；
当所述主控主板出现主链路故障后，将链路切换到所述主控备板的备用链路。
6.根据权利要求5所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，所述将链路切换到所述主控备板的备用链路，具体包括：
将所述备板CPU与第二外部三层交换机通过网线建立连接，所述第二外部三层交换机通过网线与所述备板LSW建立连接，所述主板LSW与所述备板LSW建立连接，所述第二外部三层交换机与5G网络建立连接；
断开所述主板CPU和所述第一外部三层交换机的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述主板LSW的连接，断开所述第一外部三层交换机与所述5G网络的连接。
7.根据权利要求5所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，所述5G UPF主备链路快速切换方法还包括：
如果所述主控备板出现备用链路故障后，将链路切换到所述主控主板的主链路。
8.根据权利要求5所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，所述5G UPF主备链路快速切换方法还包括：
多个所述5G业务板的数据流经过所述主控主板的所述主板LSW汇聚后，从对外的所述第一主板上行网口发送到外部的所述第一外部三层交换机或者从所述主控备板发送到外部的所述第二外部三层交换机。
9.根据权利要求5所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，将所述主控主板的链路切换到所述主控备板的备用链路的切换时间小于100毫秒。
10.根据权利要求7所述的5G UPF主备链路快速切换方法，其特征在于，将所述主控备板的备用链路切换到所述主控主板的主链路的切换时间小于110毫秒。
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