CN1402560A - 一种对每个分组数据协议上下文进行流量监管的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种对每个分组数据协议上下文进行流量监管的装置和方法，包括基于隧道端点标识的流分类装置1，流量计量装置2和流量监管操作装置3。该方法包括获得每个数据包对应的隧道端点标识，根据隧道端点标识采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则，启动相应的计量算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量，根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。

Description

一种对每个分组数据协议上下文进行流量监管的装置和方法
技术领域
本发明涉及第三代移动通信中基于第三代合作计划(3GPP)标准的数据流流量监管的装置和方法，特别是3GPP分组域中对每个分组数据协议上下文(PDP CONTEXT)进行流量监管的装置和方法，从而能够根据设备的业务特点实现大规模流分类的装置和方法。
背景技术
随着移动通信业务的迅速增长，已有的GSM频率远远不能满足业务发展的需要。目前，移动通信正朝着提供语言、数据、多媒体等业务为一体的第三代(3G)移动通信演进。通用无线分组业务(GPRS)(GeneralPacket Radio Service)的开始已经迈出了3G的第一步。通用无线分组业务是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，其移动数据业务可以通过手机发送和接收电子邮件、浏览互连网、在线游戏、移动办公、电子商务等等。
第三代核心网络基于3GPP标准，而增强服务质量(QOS)是基于3GPP标准的第三代核心网络的一个重要的特性。第三代核心网络需要对每个分组数据协议上下文数据流进行流量监管。由于需要对运营商的资源进行保护以及保证用户的服务质量要求，所以需要在分组域的网关GPRS支持节点(GGSN)上实现针对每个分组数据协议上下文数据流的流量监管。
当前的3GPP标准中有关网关GPRS支持节点的流量监管采用的是与普通路由器相同的流量监管结构，即一个流量监管的体现结构由一个基于IP五元组的流分类器，计量的参数和流量监管操作组成。在该流量监管结构体系中，流分类器基于IP五元组对数据流进行分类，流量监管操作根据对数据流流量的计量来执行相应的操作，如果没有超过额定流量，则直接转发该数据流，如果超过额定流量，则丢弃该数据流。
首先，网关GPRS支持节点根据Gi接口(网关GPRS支持节点与网络间的接口)的每个从终端到网络的上行或从网络到终端的下行IP报文报头中的源IP地址，目的IP地址，协议号，源端口号，目的端口号这五个域的内容，采用流分类算法对数据流进行分类，确定该IP报文所对应的数据流，即所对应的流量监管规则；然后启动相应的计量过程来评定当前数据包是否超过额度流量；最后，根据计量结果确定是继续转发该报文还是丢弃该IP报文。
目前网关GPRS支持节点的设计容量一般可达1百万用户，这意味着网关GPRS支持节点必须支持1百万条基于IP五元组的流分类规则，而普通路由器中流分类规则一般仅几千条。另外，现有网关GPRS支持节点要基于IP报文报头中的五个域对分组数据协议上下文数据流进行流分类，其工作量非常大并且非常复杂。因此，现有的网关GPRS支持节点基于IP五元组的流量监管方案在具体实现中存在可扩展性的问题。此外，这种规模的基于多个域的流分类在实际的实施中存在很大困难。例如，Standford大学提出的递归流分类(RFC)(Recursive FlowClassification)算法的实现最多仅可支持15000条规则，远小于要支持1百万规则的要求。另外，该规模的基于多个域的流分类需求也超出了目前商用硬件流分类芯片的处理能力。因此，针对每个分组数据协议上下文数据流进行基于IP五元组流分类的流量监管方案在实际产品中根本无法实现。
因此，需要一种简单，计算量小且能在实际产品中实现的对每个分组数据协议上下文数据流进行流分类，以便更好地实现流量监管的装置和方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种对每个分组数据协议上下文数据流进行流分类从而进行流量监管的装置和方法，该装置和方法解决了网关GPRS支持节点中基于IP五元组实现流分类的可扩展性的问题，从而在满足第三代核心网络需要对每个分组数据协议上下文数据流进行流量监管的同时，提供一个可以在实际产品中实现的流量监管的方案并满足用户要求的高质量移动通信。
本发明的装置和方法根据网络中每个数据流在服务GPRS支持节点(SGSN)和网关GPRS支持节点(GGSN)之间的传输所采用的GPRS隧道协议(GTP)的隧道端点标识(TEID)来对数据流进行流分类。隧道端点标识清楚地标识出接收的GPRS隧道协议用户面或GPRS隧道协议控制面中的隧道端点。
根据3GPP标准，由于每个分组数据协议上下文的数据包都采用一个单独的GPRS隧道协议用户面隧道进行数据传输，所以GPRS隧道协议用户面的隧道端点标识(TEID)也就唯一标识了该数据包所对应的数据流。隧道端点标识TEID是GPRS支持节点设备在GPRS隧道协议控制面(GTP-C)协议协商时分配的。因此，网关GPRS支持节点可以根据每个数据包的原来的GPRS隧道协议用户面封装中的隧道端点标识来确定该数据包所对应的数据流，进而确定该数据包对应的流量监管规则。
根据本发明的一个方面，提供一种在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的装置，该装置包括：基于隧道端点标识的流分类装置，用于获得每个数据包对应的隧道端点标识，根据隧道端点标识采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则；流量计量装置，启动计量算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量；流量监管操作装置，根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。
此外，流分类装置1还包含用于存储流量监管规则的参数和实现过程中的中间结果的存储器。
根据本发明的另一个方面，提供一种在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的方法，该方法包括步骤：获得每个数据包对应的隧道端点标识，根据隧道端点标识采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则；启动相应的计量算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量；根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。
另外，在获得每个数据包对应的隧道端点标识的步骤中，对于上行数据包，可以通过对GPRS隧道协议用户面报头的绝对偏移量获得隧道端点标识的数据；对于下行数据包，在进行GPRS隧道协议用户面封装前，即可获得隧道端点标识的数据。
另外，在获得每个数据包对应的隧道端点标识的步骤中，通过将分配给隧道端点标识的起始值与实现每个流量监管规则所需的存储空间的大小的乘积结果和流量监管存储空间的起始地址start_address相加计算出当前数据包所对应的流量监管规则数据的起始地址。
另外，在确定是丢弃该数据包还是继续转发后，如果继续转发该数据包，则执行3GPP标准规定的操作，对下行数据包进行GPRS隧道协议用户面封装，然后通过服务GPRS支持节点与网关GPRS支持节点之间的Gn/Gp接口转发出去；对于上行数据包，则将数据包从Gi网关GPRS支持节点与网络之间的Gi接口转发出去。
附图说明
通过下面结合附图说明本发明的实施例将使本发明目的，特性和优点更加清楚。
图1是根据本发明的实施例对每个分组数据协议上下文进行流量监管的系统方框图；
图2是通用移动通信业务的用户面协议的示意图；
图3是GPRS隧道协议的头部的示意图；和
图4是根据本发明的实施例对每个分组数据协议上下文进行流量监管的方法流程图。
具体实施方式
参考图1说明根据本发明对每个分组数据协议上下文进行流量监管的系统方框图。本发明的流量监管的系统包括：流分类装置1，流量计量装置2和流量监管操作装置3。流分类装置1根据3GPP的业务特点，从通信线路上获得每个数据包对应的隧道端点标识(TEID)。其中TEID是3GPP网络中每个数据流在服务GPRS支持节点(SGSN)与网关GPRS支持节点(GGSN)之间传输所采用的GPRS隧道协议的隧道端点标识。对于上行数据包，可以通过对GPRS隧道协议用户面报头的绝对偏移量获得这32位的数据；对于下行数据包，则进行GTP-U封装前，即可知该数据。基于该TEID采用流分类算法确定该TEID所对应的数据流及对应的流量监管规则，并将分类结果及对应流量监管的规则定义结果提供给流量计量装置2。基于TEID的单域流分类在具体实现中仅仅是一次索引的查表操作。流分类装置1还包含用于存储流量监管规则的参数和实现过程中的中间结果的存储器，图中未示出。
根据3GPP协议，TEID是GPRS支持节点设备在GPRS隧道协议控制面协议协商时分配的。假定TEID分配的起始数值为start_value，令S是实现每个流量监管规则所需要的存储空间的大小(用于存储流量监管规则的参数和实现过程中的中间结果)。假设流量监管存储空间的起始地址为start_address，根据以下公式可以计算出处理当前数据包所对应的流量监管规则数据的起始地址：
address＝start_address+(TEID-start_value)*S
为了减少对整个存储空间的需求，在GPRS隧道协议控制面协商时，选择一个大于start_value的最小的空闲TEID值。
流量计量装置2接收到流分类装置1传送来的确定结果后，启动相应的计量算法对该数据包作出计量，例如，采用令牌桶(token-bucket)算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量(即out-of-profile或in-profile)，并将计量结果提供给流量监管操作装置3。
流量监管操作装置3根据流量计量装置2的判断结果和流分类装置1基于TEID确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。如果继续转发，则执行3GPP标准规定的余下操作。例如，对下行数据包进行GPRS隧道协议用户面封装，然后通过Gn/Gp接口转发出去；对于上行数据包，则将数据包从Gi接口转发出去。
图2是通用移动通信业务(UMTS)的用户面协议的示意图。如本领域中已知的，GPRS隧道协议是为Gn接口定义的协议，它包括GPRS隧道协议控制面和GPRS隧道协议用户面。GPRS隧道协议使得多协议的数据包可以通过隧道方式在通用移动通信业务(UMTS)/GPRS的GPRS支持节点之间，服务GPRS支持节点(SGSN)与通用地面无线接入网(UTRAN)之间进行传输。在用户面，GPRS隧道协议使用GPRS隧道协议用户面机制来传递用户的数据包。
图3是GPRS隧道协议的头部的示意图。根据3GPP标准，网关GPRS支持节点对于上行数据包，首先对承载在GPRS隧道协议用户面隧道上的IP报文进行解封装，然后交由Gi接口将该报文发送到外部网络中。由于每个分组数据协议上下文的数据包都采用一个单独的GPRS隧道协议用户面隧道进行数据传输，所以GPRS隧道协议用户面隧道的标识TEID也就唯一标识了该数据包所对应的数据流。每个数据包的GPRS隧道协议用户面封装中都包含有TEID域，因此网关GPRS支持节点可以根据每个数据包的原来的GPRS隧道协议用户面封装中的TEID来确定该数据包所对应的数据流，进而确定该数据包对应的流量监管规则。
对于下行数据包，根据3GPP标准，网关GPRS支持节点也需要根据Gi输入的IP数据包的目的地址确定该数据包对应的分组数据协议上下文，然后根据该分组数据协议上下文所对应的GPRS隧道协议用户面隧道的TEID，进行相应的GPRS隧道协议用户面封装操作，然后转发给对应的服务GPRS支持节点(SGSN)。显然，流量监管操作也可采用上述过程中的TEID来确定数据包所对应的流量监管规则，从而避免了采用基于IP五元组进行流分类的必要性。
下面参考图4的流程图说明根据本发明的实施例对每个分组数据协议上下文进行流量监管的方法。在步骤S1，获得每个数据包对应的隧道端点标识，例如，对于上行数据包，可以通过对GPRS隧道协议用户面报头的绝对偏移量获得这32位的数据，对于下行数据包，则进行GTP-U封装前，即可知该数据根据隧道端点标识。采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则。在步骤S2，计算处理当前数据包所对应的流量监管规则数据的起始地址。根据3GPP协议，TEID是GPRS支持节点设备在GPRS隧道协议控制面协议协商时分配的。假定TEID分配的起始数值为start_value，令S是实现每个流量监管规则所需要的存储空间的大小(用于存储流量监管规则的参数和实现过程中的中间结果)。假设流量监管存储空间的起始地址为start_a，根据以下公式可以计算出处理当前数据包所对应的流量监管规则数据的起始地址：
address＝start_address+(TEID-start_value)*S。
在步骤S3，启动相应的计量算法，例如令牌桶算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量。在步骤S4，根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。
另外，在确定是丢弃该数据包还是继续转发后，如果继续转发该数据包，则执行3GPP标准规定的操作，对下行数据包进行GPRS隧道协议用户面封装，然后通过服务GPRS支持节点与网关GPRS支持节点之间的Gn/Gp接口转发出去；对于上行数据包，则将数据包从Gi网关GPRS支持节点与网络之间的Gi接口转发出去。
至此已结合具体实施例描述了本发明的对每个分组数据协议上下文流量进行监管的装置和方法。基于TEID的单域流分类在具体实现中仅仅是一次索引的查表操作，根本不存在随流分类规则数目增加而增加操作的开销的可能性，即避免了基于IP五元组进行传统流分类操作的可扩展性问题，从而避免了采用基于IP五元组进行流分类的必要性。

Claims (6)

1.一种在网关通用无线分组业务(GPRS)支持节点中进行数据流流量监管的装置，其特征在于装置包括：
基于隧道端点标识的流分类装置，用于获得每个数据包对应的隧道端点标识，根据隧道端点标识采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则；
流量计量装置，启动计量算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量；和
流量监管操作装置，根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。
2.根据权利要求1所述的网关通用无线分组业务(GPRS)支持节点中进行数据流流量监管的装置，其特征在于流分类装置还包含用于存储流量监管规则的参数和实现过程中的中间结果的存储器。
3.一种在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的方法，其特征在于方法包括步骤：
获得每个数据包对应的隧道端点标识，根据隧道端点标识采用流分类算法确定该隧道端点标识所对应的数据流及对应的流量监管规则；
启动相应的计量算法对该数据包作出计量，判断当前数据包是否超过额定流量；和
根据流量计量装置的判断结果和基于隧道端点标识的流分类装置确定的对应流量监管规则来确定是丢弃该数据包还是继续转发该数据包。
4.根据权利要求3所述的在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的方法，其特征在于在获得每个数据包对应的隧道端点标识的步骤中，对于上行数据包，通过对GPRS隧道协议用户面报头的绝对偏移量获得隧道端点标识的数据；对于下行数据包，在进行GPRS隧道协议用户面封装前，即可获得隧道端点标识的数据。
5.根据权利要求3所述的在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的方法，其特征在于在获得每个数据包对应的隧道端点标识的步骤中，进一步包括通过将分配给隧道端点标识的起始值与实现每个流量监管规则所需的存储空间的大小的乘积结果和流量监管存储空间的起始地址start_address相加计算出当前数据包所对应的流量监管规则数据的起始地址。
6.根据权利要求3所述的在网关GPRS支持节点中进行数据流流量监管的方法，其特征在于在确定是丢弃该数据包还是继续转发后，如果继续转发该数据包，则执行3GPP标准规定的操作，对下行数据包进行GPRS隧道协议用户面封装，然后通过服务GPRS支持节点与网关GPRS支持节点之间的Gn/Gp接口转发出去；对于上行数据包，则将数据包从Gi网关GPRS支持节点与网络之间的Gi接口转发出去。
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