CN105517066B - 一种lte s1-mme接口的海量数据用户识别的方法 - Google Patents

一种lte s1-mme接口的海量数据用户识别的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种LTE S1‑MME接口的海量数据用户识别的方法，首先在深入分析了解S1‑MME接口协议和信令流程的基础上，提出一组可用的用户标识；其次制定这组用户标识的初始化、更新、关联的规则；最后组织实现用户标识的查找、存储，实现用户识别。本发明仅通过采集S1‑MME一个接口的数据就能够完整再现用户在S1‑MME的接口的所有流程，满足了LTE网络业务分析需要完整流程的需要，为LTE网络优化和分析提供了可靠的支撑。

Description

一种LTE S1-MME接口的海量数据用户识别的方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，特别涉及一种LTE S1-MME接口的海量数据用户识别的方法。
背景技术
3GPP长期演进技术(LTE)作为目前最热门的移动通信技术，相比第三代移动通信(3G)技术，LTE具有更高数据速率和更安全的通信方式，同时LTE的网络结构也发生了很大变化，LTE***的网络结构示意图如图1所示。
LTE的无线接入部分仅由多个演进后的增强节点eNodeB(Enhanced Node B)组成，核心网部分主要由移动管理实体(Mobility Management Entity，MME)、服务网关(ServingGateway，S-GW)、分组数据网络网关(Packet Date Network Gateway，P-GW)、归属签约用户服务器(Home Subscriber Server，HSS)及策略和计费控制单元(Policy and ChargingRules Function，PCRF)等组成。
本发明中实时信令监测分析***的信令采集点正是基于图1的S1-MME接口进行的，S1-MME接口是eNodeB和MME之间的接口，S1-MME接口协议层如图2所示，其中主要的协议层有非接入层(Non-Access-Stratum，NAS，3GPP TS 24.301)和S1应用协议(S1ApplicationProtocol，S1AP，3GPP TS 36.413)，本发明的用户识别主要针对这两个协议层进行用户识别。
在S1-MME接口实时采集到的海量信令中，不同用户的信令是交叉发生的。为了实现用户信令消息的完整关联，为了实现用户信令的正确处理，都必须识别具体的用户，通过信令了解用户经历了哪些信令过程。
发明内容
为了解决S1-MME接口用户识别问题，本发明提出了一种LTE的S1-MME接口的用户识别的方法，提出了一组用户识别标识以及标识的存储、查找、更新规则和关联关系。
本发明采用如下技术方案实现：
一种LTE S1-MME接口的海量数据用户识别的方法，包括以下步骤；
步骤1，在深入分析了解S1-MME接口协议和信令流程的基础上，提出一组可用的用户标识；
步骤2，制定这组用户标识的初始化、更新、关联的规则；
步骤3，组织实现用户标识的查找、存储，实现用户识别。
所述步骤1中提出的用户标识包括MME UE S1AP ID+MME IP、eNB UE S1AP ID+eNBIP、S-TMSI、IMSI、SGW IP+SGW TEID；以MME UE S1AP ID+MME IP为最主要的用户标识，MMEUE S1AP ID+MME IP同时要关联用户X2切换前后的消息；eNB UE S1AP ID+eNB IP用来关联INITIAL UE MESSAGE和它的响应消息；S-TMSI、IMSI用来关联两次不同的S1连接之间用户标识的转换或者关联寻呼消息和它的响应；SGW IP+SGW TEID关联S1切换前后的用户标识；同时需要维护S-TMSI和SGW IP+SGW TEID的变化和更新。
所述步骤2和步骤3的具体实现过程如下；
(1)用MME UE S1AP ID+MME IP为键值建立哈希表1，利用S-TMSI为键值建立哈希表2，利用IMSI为键值建立哈希表3，利用eNB UE S1AP ID+eNB IP为键值建立哈希表4，利用SGW IP+SGW TEID为键值建立哈希表5；
(2)识别消息列队中消息的类型：如为非UE相关消息，则结束识别过程；如为UE相关消息，则根据不同消息类型分别利用用户标识查询相应哈希表，寻找用户。
所述(2)中，根据不同消息类型分别利用用户标识查询相应哈希表，寻找用户的具体实现过程如下；
(2.1)如为寻呼消息，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，进入状态机处理；查询不到返回；
(2.2)如为INITIAL UE MESSAGE，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文的eNB UES1AP ID，进入状态机处理；查询不到，用消息中的S-TMSI或IMSI新建哈希表2或哈希表3的节点，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文，进入状态机处理，返回；
(2.3)如为除上述两类消息之外的其他消息，使用消息中的MME UE S1AP ID+MMEIP查询哈希表1；
如找到用户，获取用户上下文，按照如下规则更新：如为attach accept、TAUaccept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI；如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGW IP+SGW TEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理；
如找不到用户，用MME UE S1AP ID+MME IP新建哈希表1的节点，如为HANDOVERREQUEST，用SGW IP+SGW TEID查找用户，找到用户则更新上下文，如找不到，再用eNB UES1AP ID+eNB IP查找用户，如找到用户，按照如下规则更新：如为attach accept、TAUaccept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI；如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGW IP+SGW TEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理。
对用户标识提出了使用多个哈希表加用户上下文智能指针的存储方法，以每种用户标识为键值建立一个哈希表，所有哈希表都包含唯一的用户上下文指针—智能指针，用户上下文包含用户的所有标识和关键信息。
在S1-MME接口的S1AP消息中，存在UE无关消息和UE相关消息两种。本发明不考虑UE无关消息，因为它是与用户无关的。UE相关消息可用来维护UE相关的逻辑S1连接，UE相关的逻辑SI连接使用标识符MME UE S1AP ID和eNB UE S1AP ID来识别。用户识别过程中主要使用的是UE相关的信令进行用户识别。用来标识用户的IE很多，有些是固定的，如IMSI，但大部分都是临时的、可变的。如S-TMSI，有些是在一定范围内唯一，如MME UE S1AP ID和eNBUE S1AP ID可以唯一标识一个S1连接，但S1连接释放了或发生切换就会改变等。同时在S1-MME接口中标识用户的IE有的存在S1AP协议层中，有的存在于NAS协议层中，NAS协议层总是通过S1-AP协议层来承载的。本申请仅考虑LTE网内信令流程。
本发明以MME UE S1AP ID+MME IP为最主要的用户标识，因为它在绝大部分UE相关消息中都会出现，不像S-TMSI、IMSI、SGW IP+SGW TEID仅在有限的几条消息中出现。eNBUE S1AP ID+eNB IP在消息中出现的频度与MME UE S1AP ID+MME IP相当，但它变化过于频繁，在LTE网络MME管辖的范围可以达到省市级，而eNB覆盖的范围可能只有几百米；LTE网内切换中最多的X2切换eNB UE S1AP ID+eNB IP是改变的，而MME UE S1AP ID+MME IP没有发生改变；eNB UE S1AP ID仅24bit，发生重用的机会比MME UE S1AP ID(32bit)大很多。所以eNB UE S1AP ID+eNB IP是作为MME UE S1AP ID+MME IP一种补充或过渡。当消息中同时存在几种用户标识时，优先以MME UE S1AP ID+MME IP来进行查找用户，当不存在MME UES1AP ID+MME IP才用其他标识来识别用户。eNB UE S1AP ID+eNB IP仅用来关联INITIALUE MESSAGE和它的响应消息。S-TMSI、IMSI主要用来关联两次不同的S1连接之间用户标识的转换或者关联寻呼消息和它的响应。SGW IP+SGW TEID主要关联S1切换前后的用户标识。同时需要维护S-TMSI和SGW IP+SGW TEID的变化和更新。
为了实现S1-MME接口网内的用户识别，需要重点解决以下几个问题：
1、寻呼消息和它的响应消息的关联问题。
2、一次S1连接的初始消息(INITIAL UE MESSAGE)和它的响应的关联问题。
3、同一用户两次S1连接之间的关联问题。
4、用户X2切换的切换前后关联问题。
5、用户S1切换的切换前后关联问题。
6、标识的变化和更新问题。
本发明把UE相关消息分为几种：
1、既不含MME UE S1AP ID又不含eNB UE S1AP ID，这类消息有PAGING。
2、只含eNB UE S1AP ID，这类消息有INITIAL UE MESSAGE、PATH SWITCHREQUEST。
3、既含MME UE S1AP ID又含eNB UE S1AP ID，这类消息为绝大多数。
4、只含MME UE S1AP ID，这类消息有HANDOVER REQUEST、HANDOVER FAILURE。
下面将分别针对这四类消息来逐个分析：
1、paging消息，当网络不知道用户的具***置，有消息要给用户时，网络会在用户所在的跟踪区(Tracking Area)广播寻呼消息(paging)，从寻呼消息中可以获得要寻呼的用户的S-TMSI或者IMSI，如果为正常寻呼可以获得S-TMSI，如果为非正常寻呼，可以获得IMSI；
2、关注paging消息及它的响应可以将S-TMSI或者IMSI的用户标识与其他用户标识关联起来。如果paging消息中带的是S-TMSI，响应应该为initue msg+service request或init ue msg+extended service request消息，消息中会携带对应的S-TMSI。如果paging消息中带的是IMSI，响应消息应该为init ue msg+attach request消息，而且在attach request消息中携带的用户标识为IMSI。通过检查用户标识，就可以知道他们是否是同一个用户。而且init ue msg消息中会携带eNB UE S1AP ID，我们需要保存eNB UES1AP ID+eNB IP地址的组合用作以后使用。建立S-TMSI、IMSI和eNB UE S1AP ID+eNB IP之间的对应关系。
3、当eNB发起建立S1逻辑连接时，要向MME传递第一条UL NAS消息时，eNB将向MME传输INITIAL UE MESSAGE，eNB将为该UE分配唯一的eNB UE S1AP ID。INITIAL UE MESSAGE消息中会携带用户正在使用的S-TMSI，同时INITIAL UE MESSAGE消息中会携带NAS消息，NAS消息中也会有用户标识S-TMSI或者IMSI。通过这条消息就可以建立S-TMSI、IMSI和eNBUE S1AP ID+eNB IP之间的对应关系。
4、在对INITIAL UE MESSAGE消息的响应中会携带eNB UE S1AP ID及MME UE S1APID，通过eNB UE S1AP ID+eNB IP可以将INITIAL UE MESSAGE消息和它的响应关联起来，从而建立了eNB UE S1AP ID+eNB IP与MME UE S1AP ID+MME IP之间的对应关系。只要S1逻辑连接不释放或不发生切换，用户的eNB UE S1AP ID+eNB IP与MME UE S1AP ID+MME IP用户标识就不会发生改变。通过eNB UE S1AP ID+eNB IP或MME UE S1AP ID+MME IP就可以识别该用户的其他消息了。
5、在NAS的attach accept消息、TAU accept消息或GUTI重分配消息中可能会分配新的S-TMSI，需要更新新的S-TMSI与其他用户标识的对应关系，删除旧的S-TMSI的对应关系。
6、在用户默认建立承载的过程中，我们可以得到用户的另一种用户标识SGW IP+SGW TEID，建立它与其他标识的对应关系，在默认承载释放的过程中清空SGW IP+SGWTEID。
7、如果发生了S1逻辑连接释放，我们保存的eNB UE S1AP ID+eNB IP或MME UES1AP ID+MME IP就都失效了。用户要使用LTE网络需要重新建立S1逻辑连接和空口RRC连接。建立新的S1逻辑连接时，通过INITIAL UE MESSAGE消息中携带的S-TMSI或者IMSI就可以找回原来的用户，建立新的eNB UE S1AP ID+eNB IP或MME UE S1AP ID+MME IP用户标识。
8、LTE的网内切换分为X2切换和S1切换两种。X2切换是eNB之间的切换，X2切换在S1-MME接口的第一条消息为PATH SWITCH REQUEST，由eNB发起，只有eNB UE S1AP ID会发生变化，MME UE S1AP ID不会改变，在该消息中会携带新的目标eNB中为用户分配的eNB UES1AP ID，同时会存在Source MME UE S1AP ID字段，它表示该用户在MME中原来的MME UES1AP ID，我们可以用Source MME UE S1AP ID+MME IP的用户标识找到原来的用户，同时更新原来的eNB UE S1AP ID+eNB IP为新的eNB UE S1AP ID+eNB IP。
9、在S1切换中MME UE S1AP ID和eNB UE S1AP ID都会发生改变，S1切换在S1-MME接口的第一条消息为HANDOVER REQUEST，该消息中只携带有新的MME UE S1AP ID，无法通过它找回原来的用户。该消息中同时携带有SGW IP+SGW TEID的用户标识。虽然发生了S1切换，这个用户标识不会改变，可以通过SGW IP+SGW TEID来找回原来的用户。建立用户新的eNB UE S1AP ID+eNB IP或MME UE S1AP ID+MME IP标识。在S1切换中用户会同时存在两种eNB UE S1AP ID+eNB IP或MME UE S1AP ID+MME IP标识，一组是原来的，一组是新的，如果切换成功，在释放原来的S1逻辑连接时就可以删除原来的，如果切换失败，就可以删除新的，继续使用原来的组合。
本发明仅通过采集S1-MME一个接口的数据就能够完整再现用户在S1-MME的接口的所有流程，满足了LTE网络业务分析需要完整流程的需要，为LTE网络优化和分析提供了可靠的支撑。现有技术主要是通过多接口关联来实现的，需要接入的接口较多，分析复杂，成本较高。
附图说明
图1为本发明实施例的LTE***的网络结构示意图。
图2为本发明实施例的LTE的S1-MME接口协议层图。
图3为本发明实施例的LTE的S1-MME接口用到的用户标识。
图4为本发明实施例的S1-MME接口的用户标识处理流程图。
图5为本发明实施例的S1-MME接口的用户识别***示意图。
具体实施方式
本实施例提供的LTE核心网S1-MME接口的用户识别***如图5所示，包括：数据采集模块、数据预处理模块、S1AP解析模块、NAS解析模块、用户识别模块。
数据采集模块从S1-MME接口采集数据，从网口抓包，打上时间戳和接口信息，然后将数据发送数据预处理模块。
数据预处理模块负责SCTP/IP协议的解析、协议过滤、重组等，将完整的S1AP包交给S1AP解析模块。
S1AP解析模块负责解析S1AP PDU，提取出NAS PDU。
NAS解析模块负责解析NAS PDU。
用户识别模块负责从S1AP和NAS解析结果中获取用户标识，建立用户上下文，实现用户标识的建立、完善、更新、识别。
本发明包括以下步骤：
第一步，在深入分析了解S1-MME接口协议和信令流程的基础上，提出了一组可用的用户标识。
第二步，制定这组用户标识的初始化、更新、关联的规则。
第三步，组织实现用户标识的查找、存储，实现用户识别。
如图3所示，第一步中提出的用户标识包括MME UE S1AP ID+MME IP、eNB UE S1APID+eNB IP、S-TMSI、IMSI、SGW IP+SGW TEID。
参见图4，是本实施例提供的用户标识处理流程，按照该流程图的步骤详细介绍本发明的用户标识识别方法。
分析S1-MME口的数据包，根据本发明的上述分析，用MME UE S1AP ID+MME IP为键值建立哈希表1，利用S-TMSI为键值建立哈希表2，利用IMSI为键值建立哈希表3，利用eNBUE S1AP ID+eNB IP为键值建立哈希表4，利用SGW IP+SGW TEID为键值建立哈希表5，五个哈希表中均存储唯一的用户上下文指针，这个指针最好是智能指针，用户上下文是一个用户标识的集合，也可以包含一些其他的关键信息，如NAS加解密信息。
第一步、如为非UE相关消息，返回。
第二步、如为寻呼消息，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，进入状态机处理；查询不到返回。
第三步、如为INITIAL UE MESSAGE，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文的eNB UES1AP ID，进入状态机处理；查询不到，用消息中的S-TMSI或IMSI新建哈希表2或哈希表3的节点，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文，进入状态机处理，返回。
第四步、如为其他消息，使用消息中的MME UE S1AP ID+MME IP查询哈希表1，如找到用户，获取用户上下文，按照如下规则更新：如为attach accept、TAU accept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI。如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGW IP+SGWTEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理；
如找不到用户，用MME UE S1AP ID+MME IP新建哈希表1的节点，如为HANDOVERREQUEST，用SGW IP+SGW TEID查找用户，找到用户则更新上下文，如找不到，再用eNB UES1AP ID+eNB IP查找用户，如找到用户，按照如下规则更新：如为attach accept、TAUaccept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI。如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGW IP+SGW TEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理。
上述实施例流程描述仅为了清楚说明本发明的基本方法和装置，但本发明并不仅限于上述实施例；凡是依据本发明的技术实质上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种LTE S1-MME接口的海量数据用户识别的方法，其特征在于：包括以下步骤；
步骤1，在深入分析了解S1-MME接口协议和信令流程的基础上，提出一组可用的用户标识；
步骤2，制定这组用户标识的初始化、更新、关联的规则；
步骤3，组织实现用户标识的查找、存储，实现用户识别；
所述步骤1中提出的用户标识包括MME UE S1AP ID+MME IP、eNB UE S1AP ID+eNB IP、S-TMSI、IMSI、SGW IP+SGW TEID；以MME UE S1AP ID+MME IP为最主要的用户标识，MME UES1AP ID+MME IP同时要关联用户X2切换前后的消息；eNB UE S1AP ID+eNB IP用来关联INITIAL UE MESSAGE和它的响应消息；S-TMSI、IMSI用来关联两次不同的S1连接之间用户标识的转换或者关联寻呼消息和它的响应；SGW IP+SGW TEID关联S1切换前后的用户标识；同时需要维护S-TMSI和SGW IP+SGW TEID的变化和更新；所述步骤2和步骤3的具体实现过程如下；
(1)用MME UE S1AP ID+MME IP为键值建立哈希表1，利用S-TMSI为键值建立哈希表2，利用IMSI为键值建立哈希表3，利用eNB UE S1AP ID+eNB IP为键值建立哈希表4，利用SGWIP+SGW TEID为键值建立哈希表5；
(2)识别消息列队中消息的类型：如为非UE相关消息，则结束识别过程；如为UE相关消息，则根据不同消息类型分别利用用户标识查询相应哈希表，寻找用户；
所述(2)中，根据不同消息类型分别利用用户标识查询相应哈希表，寻找用户的具体实现过程如下；
(2.1)如为寻呼消息，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，进入状态机处理；查询不到返回；
(2.2)如为INITIAL UE MESSAGE，使用消息中的S-TMSI或IMSI查询哈希表2或哈希表3，如找到用户，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文的eNB UE S1APID，进入状态机处理；查询不到，用消息中的S-TMSI或IMSI新建哈希表2或哈希表3的节点，用eNB UE S1AP ID+eNB IP新建哈希表4的节点，更新上下文，进入状态机处理，返回；
(2.3)如为除上述两类消息之外的其他消息，使用消息中的MME UE S1AP ID+MME IP查询哈希表1；
如找到用户，获取用户上下文，按照如下规则更新：如为attach accept、TAU accept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI；如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGWIP+SGW TEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理；
如找不到用户，用MME UE S1AP ID+MME IP新建哈希表1的节点，如为HANDOVERREQUEST，用SGW IP+SGW TEID查找用户，找到用户则更新上下文，如找不到，再用eNB UES1AP ID+eNB IP查找用户，如找到用户，按照如下规则更新：如为attach accept、TAUaccept、GUTI重配消息且分配了新的S-TMSI的，则将保存新的S-TMSI，删除旧的S-TMSI；如为认证消息且携带IMSI的，如上下文不存在IMSI，则保存IMSI，如上下文存在IMSI且与消息中不同的，报错返回，上下文存在IMSI且与消息中相同的不作处理，如为承载相关消息，更新SGW IP+SGW TEID，如为新建承载的消息则新增新的SGW IP+SGW TEID对，如为释放承载消息，则删除对应的SGW IP+SGW TEID对，进入状态机处理。
2.根据权利要求1所述的一种LTE S1-MME接口的海量数据用户识别的方法，其特征在于：对用户标识提出了使用多个哈希表加用户上下文智能指针的存储方法，以每种用户标识为键值建立一个哈希表，所有哈希表都包含唯一的用户上下文指针—智能指针，用户上下文包含用户的所有标识和关键信息。
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