CN109257155A - 一种3g、4g手机上网信令集群处理优化*** - Google Patents

一种3g、4g手机上网信令集群处理优化*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，该***采用中心主机HUB接入核心网GGSN发来手机上网3G/4G信令，分发给后端业务集群主机处理业务。HUB至少有一个，可以配置多个。所有HUB按相同规则连接后端业务主机。在HUB主机内，HUB主机资源有限，轻量化处理输入信令，减少深度解析信令，按信令中TE ID做哈希值划分，以将相同用户分发到相同的线程及其绑定的CPU核处理，以减少线程、内存切换开销。同样按哈希值映射到后端信令分发网卡，而HUB的分发网卡与后端集群后端业务主机接受网卡点对点一一连接。这样每台业务主机处理TE ID做哈希值划分的用户集合，相同用户的信令会被分发到同一业务主机。HUB主机和业务主机之间，用改造后的内部总线通讯。

Description

一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***
技术领域
本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***。
背景技术
在3G、4G的网络构架中，手机用户通过3G/4G无线数据通道上网过程中，所有用户的上线、离线、所在基站切换的信令都需要经过GGSN网络。在移动运营商的GGSN网元，用光分多路装置复制分出多路信令数据给第三方应用，应用方可以实现多种增值功能，例如：基于这些信令数据，开发网络质量检测、用户上网行为分析等应用功能。这些光信号中包含了千万级用户的上线、离线、位置更新3G\4G命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPU)。具体从协议来讲，是3G\4G创建会话、更新会话、删除会话、传送上网数据等承载信令，由于信令、的数量是巨量的，特别是用户上网数据信令更是海量，单机无法处理，需要多台主机集群构架才能处理。
针对上述问题目前的解决方案中，最常用的有两种方案：方案一是将多路命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPU)等3G/4G信令接入到一个集中处理的高性能中央主机(HUB)，然后由这台主机将分发到后端的集群各主机。所有信令由一台中心HUB主机接入，为了能分析每个用户的位置、上网相关的信令，而命令信令和上网信令都是上下文相关的，如果简单的将命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPC)分发到集群主机。方案二是将多路命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPU)等3G/4G信令接入到集群各业务主机，再配置一台中心主机(HUB)。各业务主机收到3G/4G命令信令后，转发给HUB主机，HUB主机广播给集群内各主机，每个主机处理所有用户信令的副本，建立用户上下文，并处理接受导的信令数据。但是现有方案一中，所有信令由一台中心HUB主机接入，可以全量地将信令广播给集群内各主机，每台主机上处理所有用户的命令信令数据。这对CPU、内存资源消耗很大，很多台机器在做同样的重复工作。HUB也可以按一定的路由原则分发给集群各主机。HUB主机要对所有信令深度解码，要维护所有用户上下文，对每条注入信令均要做维护上下文、路由分发工作，集群各分机均要求对分发到信令做3G/4G协议编解码工作。
方案二中，所有集群分机收到用户的命令信令要先发送给HUB，再由HUB给各主机。每台集群主机上处理所有用户的命令信令数据，维护所有用户上下文。这对CPU、内存资源消耗很大，很多台机器需要解析处理所有用户的命令信令，在做同样的重复工作。各集群分机通知HUB、以及HUB广播消息量通信量巨大，特别是内存属于重复冗余投资。用户数据被接入到不同主机，即便同一用户的上网数据信令可能分发给不同业务主机，处理的结果必须汇聚方能使用，增加数据管理难度和性能开销。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，接收用户手机端通过核心网发出的3G、4G信令的输入端；
接收所述输入端传送的3G、4G信令的HUB主机，其中3G、4G信令包括命令信令和上网数据信令，其中所述HUB主机将上网数据信令不做理解只提取上网数据GTPU的TE ID字段后直接传送出去，所述HUB主机将命令信令转为自定义PDU格式再发送；
所述HUB主机将接收到的3G、4G信令中TE ID字段进行哈希值划分：用户划分时将相同用户分发到相同的线程或同一个CPU核处理，将相同哈希值的业务信令发送至固定的CPU核和线程处理，按信令中TE ID哈希值映射将信令提交给指定网卡进行分发；
接收所述HUB主机传送的命令信号的集群处理主机，所述集群处理主机的业务主机接受网卡与HUB主机的分发网卡点对点一一连接。
所述HUB主机与其内部的业务主机采用内部设置的总线数据通讯，所述HUB主机将3G/4G标准GTPC转化为PDU模式的数据后再分发，其中3G/4G命令信令用内部PDU协议数据单元承载，3G/4G数据信令采用3G/4G协议信令承载。
所述HUB主机对接收到的3G、4G信令，在TCP/IP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式，其中对于3G/4G上网数据信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，HUB主机在向集群处理主机发送上网数据信令时改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充；其中对于3G/4G命令信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，本***接入省级运营商所有用户3G、4G用户上线、位置更新、离线的命令信令，以及上网信令，采用集中式主机HUB接入所有信令，按信令中TE ID或者号码号段划分用户原则，分发给集群后端若干业务主机。本***提升HUB主机核心网接入处理性能；提升HUB主机分发信令性能、提高HUB主机上下文处理效率、提高集群业务主机处理用户信令的性能和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明***的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，包括输入端、述HUB主机和集群处理主机。由于HUB主机资源有限，必须轻量化处理输入信令，尽可能减少深度解析信令，将相同用户的信令分发到同一的线程和核处理，减少线程、内存切换开销。同理，集群内各主机业务处理量很大，也要求轻量化处理输入信令，部分必须在HUB深度解析的信令，直接转化为内部PDU数据分发给集群主机，这样集群主机可以减少解析信令这个环节，降低***负荷。HUB主机将同一用户的相关信令分配到同一线程处理，而这个线程需要绑定到一个CPU核，以提高性能。命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPU)接入到中央主机(HUB)时，必须全部解析这些信令以建立用户上下文，而解析这些信令需要耗费大量CPU资源。如果在分发信令时直接透传转发，集群主机上将再解析一次分发到的信令，同样要耗费大量资源，增加***的投资。从性能考虑，CPU和的缓存是物理地址相关的，当核心网输入多路3G\4G用户上网信令时，命令信令、数据信令不一定从同一路，即同一网卡输入，需要用特定的CPU核绑定输入网络处理。同样对于分发到集群主机的网卡，也需要对网卡指定专门的CPU核进行处理。提高***吞吐量。
HUB主机将命令信令(GTPC)、上网数据信令(GTPU)分发给集群主机。由于业务需要，HUB主机必须解析命令信令(GTPC),如果透传转发GTPC给集群主机，集群内各主机必须重新解析命令信令(GTPC)，解析信令需要较多CPU开销，这对***资源来讲是一种浪费。我们设计，HUB将3G/4G标准GTPC转化为PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)模式的数据后分发，读取效率非常高。各集群主机直接读取PDU结构，获取用户上线、离线、位置变更信息。HUB将PDU路由分发给集群主机，而PDU已是扁平化信息，能够在O(1)的时间复杂度内解析完毕，让后进一步在业务层面分析处理这些数据。为了将所有用户的上下文PDU数据发往同一集群主机，也为了***结构简单高效率，用信令中TE ID哈希取模，获得计算机集群主机号。该用户上下文相关的信令的TE ID相同，因此所有相关上下文均送往同一集群主机。集群业务主机直接从PDU数据中获得用户命令信令内容，建立或更新该用户的上下文。
HUB主机对3G\4G上网数据信令(GTPU)的处理
对于上网数据信令，HUB无需理解这些信令，也不存在更新上下文，只需直接分发给各集群节点。此时，仅仅需要简单提取上网数据GTPU的TE ID，按哈希取模映射到集群主机号，并发送到该主机。由于提取TE ID仅仅是从GTPU信令头部做浅度解析，也无须更新用户上下文，直接路由转给该用户上下文所在集群主机即可。对于从HUB分发到集群主机的信令，命令信令转为自定义PDU,而上网数据信令可直接透传给集群主机。这里存在一个问题，如果基于标准TCP/IP协议，集群主机对于HUB分发过来的数据，无法区分是PDU格式的命令信令(GTPC)，还是上网数据信令(GTPU)，必须我们在TCP/IP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式。
实施例：
1)对于3G/4G上网数据信令(GTPU)
在Ethernet层,标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE
HUB在向集群主机发送发送上网数据信令(GTPU),必须改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充
2)对于3G/4G命令信令(GTPC)
在Ethernet层,标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF
程序处理时，HUB转发信令给集群主机必须从数据Ethernet层次进行编码，集群主机也必须从数据Ethernet层次进行解码，不能够用传统的TCP/IP的编程模型，因为经过自定义的数据包已不是标准的TCP/IP数据包
Ethernet承载层(自定义)
数据承载层
数据封装规则
1)3G\4G上网数据信令(GTPU)
2)3G\4G命令信令
Ethernet承载层(自定义)
数据承载层(IPV4\IPV6承载自定义的PDU数据)
PDU数据的格式：
创建、更新、删除用户所携带索引字段
IMSI是相对手机卡而言的国际移动用户识别码；
EBI:EPS Bearer ID
LBI:表明承载资源与哪个PDN相关
Receive or Send Flag:终端发送或接受信令
SGSN TEID：SGSN分配的事务号
GGSN TEID:GGSN分配的事务号
USER DATA TEID:用户数据传输的事务号
创建或者更新用户信息携带字段
APN:用来标识GPRS的业务种类，目前分为两大类：CMWAP(通过GPRS访问WAP业务)、CMNET(除了WAP以外的服务目前都用CMNET,比如连接因特网等)。
RATE TYPE:无线接入技术的意思，通过相关信令可以看出来，一般包括了2G、2.75G、3G、WLAN等等
UE Address:终端的IP地址
MSISDN:终端号码
IMEI:国际移动设备识别码
SGSN ADDRESS:访问SGSN的IP地址
GGSN ADDRESS：访问SGSN的IP地址
GGSN BEAR TE ID：访问GGSN的事务号
SGSN BEAR TE ID：访问SGSN的事务号
用户位置信息
MCC移动国家码
MNC移动网络码
Lac:定位区编码
3)Ci:小区标识
本发明公开的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，具体工作过程为：
1、用户开机上线，核心网SGSN网关向GGSN申请上下文资，向输入端发起3G、4G信令，输入端将接受到的信令传送至HUB主机。HUB主机对接收到的信令进行如下处理：
2、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TE ID字段进行哈希值划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，创建并维护上下文。
3、HUB将3G、4G命令信令进行编码，编为PDU格式，MAC层数据自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编解码，可以提高处理效率。
4、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TE ID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。每个网卡要与集群业务主机的网卡一对一连接。
5、集群业务主机收到HUB发来的自定义PDU格式的3G、4G命令信令Create PDPContext 3G命令信令(4G中Create Session或Create Bear命令)，以IMSI国际移动用户识别码、EBI(EPS Bearer ID)、LBI(表明承载资源与哪个PDN相关)3个联合关键字创建上下文，上下文中为每个用户维护最多11个BEAR资源的TE ID、用户地理位置等关键信息。业务主机可以将用户上线的命令记录下来，供局方维护用。
6、用户位置变化，核心网SGSN网关向GGSN资源改变协议，发起Update PDPContext 3G命令信令(4G中Update Bear命令)，申请资源；
7、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TE ID字段进行哈希划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，查找并更新上下文；如果没有查找到上下文，则重建上下文。
8、HUB将3G、4G命令信令进行编码，编为PDU格式，MAC层数据按自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编辑码，可以提高处理效率。
9、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，与创建资源相同，每个用户按TE ID的哈希值划分。每个用户按TE ID的哈希值划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。
10、集群业务主机收到HUB发来的自定义PDU格式的3G、4G命令信令Update PDPContext 3G命令信令(4G中Update Bear命令)，以IMSI国际移动用户识别码、EBI(EPSBearer ID)、LBI(表明承载资源与哪个PDN相关)3个联合关键字关键字查找到上下文，更新用户地理位置等关键信息。业务主机可以将用户地理位置变更的信息记录下来，提供给第三方应用。
11、用户离线，核心网SGSN网关向GGSN释放上下文资源，发起Delete PDP Context3G命令信令(4G中Delete Session或Delete Bear命令)，释放资源；
12、HUB节点要将收到的3G、4G命令信令中TE ID字段进行哈希值划分，送给指定的核及其绑定的线程处理。该线程对命令信令按协议深度解析，释放上下。
13、HUB将3G、4G命令信令进行分发编码，编为PDU格式，MAC层数据自定义格式填写。这样集群业务节点无须进行协议编辑码，可以提高处理效率。
14、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TE ID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。
15、集群业务主机收到HUB发来自定义PDU格式的3G、4G命令信令DELETE PDPContext 3G命令信令(4G中DELETE Bear命令)，以IMSI国际移动用户识别码、EBI(EPSBearer ID)、LBI(表明承载资源与哪个PDN相关)3个联合关键字关键字查找到上下文，以DELETE Bear的TE ID粒度为释放资源做标识，如果所有Bear资源都释放，则释放整体上下文。业务主机可以将离线的信息记录下来，提供给第三方应用。
16、用户上网时，GGSN将GTPU的信令数据给HUB。HUB仅仅做浅解析，将其中TE ID解析出来，GTPU内容直接透传分发GTPU给集群主机，MAC层数据按自定义格式填写。
17、HUB将3G、4G命令信令进行分发处理，每个用户按TE ID划分，通过指定的网卡分发给下游集群业务处理主机。
18、集群业务主机收到HUB发来自定义PDU格式的3G、4G命令信令GTPU信令(大都是HTTP消息和承载数据)，以IMSI国际移动用户识别码、EBI(EPS Bearer ID)、LBI(表明承载资源与哪个PDN相关)3个联合关键字关键字查找到上下文，解析HTTP数据，将其中HTTP URL记录下来，提供给局方做上网行为审计。
本发明公开的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，该***采用中心主机HUB接入核心网GGSN发来手机上网3G/4G信令，分发给后端业务集群主机处理业务。HUB至少有一个，可以配置多个。所有HUB按相同规则连接后端业务主机。业务主机可以无限扩容。在HUB主机内，HUB主机资源有限，轻量化处理输入信令，减少深度解析信令，按信令中TE ID做哈希值划分，以将相同用户分发到相同的线程及其绑定的CPU核处理，以减少线程、内存切换开销。同样按哈希值映射到后端信令分发网卡，而HUB的分发网卡与后端集群后端业务主机接受网卡点对点一一连接。这样每台业务主机处理TE ID做哈希值划分的用户集合，相同用户的信令会被分发到同一业务主机。HUB主机和业务主机之间，用改造后的内部总线通讯。其中3G/4G命令信令用内部PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)承载，而3G/4G数据信令仍用3G/4G协议信令承载。PDU定义协议中，至少包含：索引字段IMSI是相对手机卡而言的国际移动用户识别码、EBI:EPS Bearer ID、LBI:表明承载资源与哪个PDN相关、Receive or Send Flag:终端发送或接受信令、SGSN TEID(SGSN分配的事务号)、GGSN TEID(GGSN分配的事务号)为了使业务主机能够区分命令和数据信令，自定义MAC层数据，对于数据信令，在Ethernet层,标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，在Ethernet层,标准协议共14字节，其中协议类型字段自定义为0xFF0xFF。这样的信令，不会与任何标准TCP/IP协议数据的识别产生冲突。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，其特征在于包括：接收用户手机端通过核心网发出的3G、4G信令的输入端；
接收所述输入端传送的3G、4G信令的HUB主机，其中3G、4G信令包括命令信令和上网数据信令，其中所述HUB主机将上网数据信令不做理解只提取上网数据GTPU的TE ID字段后直接传送出去，所述HUB主机将命令信令转为自定义PDU格式再发送；
所述HUB主机将接收到的3G、4G信令中TE ID字段进行哈希值划分：用户划分时将相同用户分发到相同的线程或同一个CPU核处理，将相同哈希值的业务信令发送至固定的CPU核和线程处理，按信令中TE ID哈希值映射将信令提交给指定网卡进行分发；
接收所述HUB主机传送的命令信号的集群处理主机，所述集群处理主机的业务主机接受网卡与HUB主机的分发网卡点对点一一连接。
2.根据权利要求1所述的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，其特征还在于：所述HUB主机与其内部的业务主机采用内部设置的总线数据通讯，所述HUB主机将3G/4G标准GTPC转化为PDU模式的数据后再分发，其中3G/4G命令信令用内部PDU协议数据单元承载，3G/4G数据信令采用3G/4G协议信令承载。
3.根据权利要求2所述的一种3G、4G手机上网信令集群处理优化***，其特征还在于：所述HUB主机对接收到的3G、4G信令，在TCP/IP更低层的MAC网络层次重新定义协议格式，其中对于3G/4G上网数据信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中目的地址字段头两个字节自定义为0xFE0xFE，HUB主机在向集群处理主机发送上网数据信令时改写Ethernet层,目的地址的头两个字节用0xFE0xFE填充；其中对于3G/4G命令信令在Ethernet层,设定标准协议共14字节，其中协议类型第13、14字段自定义为0xFF0xFF。
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