CN109257155B - 一种3g、4g手机上网信令集群处理优化*** - Google Patents
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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
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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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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