CN113784374A - 一种用于基站的深度数据处理的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于基站的深度数据处理的装置及方法，属于电通信的技术领域。本发明在基站和UPF/SGW//SGW/核心网之间部署深度学习和处理信令控制报文、IMS协议报文和数据报文的深度数据处理装置，保持移动通信的移动性管理能力和IMS通话能力，通过管理面组件在控制面组件中设置各接口传递数据报文的格式并预设用于加载透传和本地转发处理信息的全局配置表、分配表，控制面组件深度学习报文并生成转发表，用转发面组件实现GTP报文在基站侧做本地处理和极低延时的转发，在有限基站频谱带宽内实现接入更多移动终端，并以更低的延时接入到本地网络或基站运营商网络，大幅提升移动终端的本地访问质量，大幅提升基站频谱利用率，推进移动网络达到碳中和及碳达峰指标。

Description

一种用于基站的深度数据处理的装置及方法

技术领域

本发明公开一种用于基站的深度数据处理的装置(Deep Data Processing Unit，DDPU)及方法，涉及移动通信网络技术，属于电通信的技术领域。

背景技术

多接入边缘计算以及移动网本地数据中心将密集型计算任务迁移到基站附近的移动网络边缘服务器，减轻移动核心网和移动传输网的拥塞与负担，实现数据在近端计算和处理，减缓移动承载网络带宽压力，实现低时延，大带宽，提高万物互联时代数据处理效率，能够在基站侧快速响应移动终端用户的数据请求并显著提升服务质量。

GTP协议(GPRS Tunnelling Protocol)在GPRS骨干网中的GSNs之间(如SGSN和GGSN)提供协议信道，所有的分组数据协议的PDUs应由GTP协议进行封装。如何在基站侧快速转发GTP报文是提高移动终端接入数量的关键问题，服务器设备由于冯*诺伊曼架构的限制，对报文的转发和处理的速度相对实际需求有着1000倍的差距，无法达到网络低延时的特性要求。交换机和集线器、分流器、TAP等常规的二层或三层路由交换设备不具备报文深度处理分类能力，不具备基站侧4G/5G移动通信协议信令报文的解析和处理，不具备IMS协议信令报文的解析和处理，不具备同时实现基站侧数据报文深度处理后的本地转发和本地低时延通信的功能。此外，传统的分流器和TAP设备对信令报文/IMS协议报文执行的强行分流处理导致控制信令丢失，这必然导致移动终端掉线掉话，影响移动终端入网附着；还有一些提高报文转发和处理速度的技术方案需要对基站、终端、核心网、UPF/SGW、移动承载网络重新配置，通过在UPF/SGW或核心网侧重新配置分流报文，这无疑增加了实现的复杂度。本申请旨在提出一种不影响移动终端业务(上网和打电话)和对基站、终端、核心网、UPF/SGW、移动承载网络零配置的前提下实现并加速移动终端的数据流量在基站侧本地极低延时的转发和处理的技术方案。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种用于基站的深度数据处理的装置及方法，在不影响移动终端入网附着、上网、打电话以及对基站、终端、核心网、UPF/SGW、移动承载网络零配置的前提下，解决现有二、三层转发设备、SDN设备、TAP设备、服务器等不适用于通过GTP协议处理4G/5G协议报文的无线通信网络场景的技术问题，实现最大化基站频谱利用率，可接入更多用户终端的同时实现超低延时的发明目的，从对基站进出的数据做深度学习和处理的角度，推动和促进工业和民用移动互联网巨量链接、大带宽、极低延时的4G/5G/6G边缘计算应用场景实现。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种用于基站的深度数据处理的装置，包括：与基站通信的N31接口、与UPF/SGW通信的N32接口、与本地出口路由器通信的LB接口、用于网络管理的M接口、控制面组件、转发面组件、管理面组件；控制面组件接收N31接口、N32接口、LB接口输入的数据，深度学习基站与UPF/SGW/核心网之间的传输的报文后生成转发表，同时，控制面预设的用于加载透传和本地处理信息的全局配置表、分配表通过管理面组件更新；转发面组件通过查询全局配置表和转发表对N31接口、N32接口、LB接口输入的数据进行透传或本地转发。

对基站和UPF/SGW/核心网之间传输的GTP数据包进行解析，数据包为信令报文/IMS协议报文时，DDPU学习N1/N2/N3/S1/IMS协议报文并刷新DDPU的转发表，做透传处理。

GTPU数据包为数据报文且满足数据报文本地处理条件时，DDPU剥去GTP报文头并通过LB接口发送IP数据包至本地数据中心以及本地出口路由器A，反向DDPU则将LB来的IP报文加上GTP头发送给基站，实现移动终端和本地数据中心及出口路由器A之间的双向直接通信。

DDPU对发送给远端路由器B的GTPU包进行解析，不满足数据报文本地处理条件时，透传基站和UPF/SGW/核心网之间的GTPU包。

对本地出口路由器A发送的ARP包进行解析，出口路由器A请求与其通信接口IP的MAC时，DDPU定制并发送基于本地出口路由器通信接口的MAC地址构造的ARP至出口路由器。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，控制面组件存储有全局配置表、本地处理用户地址段分配表、服务器地址段分配表以及转发表，全局配置表存储有使能开关状态信息、出口路由器A的MAC地址、本地出口IP、上行端口、下行端口、分流端口，转发表存储有：用户终端报文IPv4/IPv6地址、地址类型、基站地址、基站MAC地址、基站侧全量隧道端点标识、封装标记、UPF/SGW地址、虚拟局域网地址、时间戳、分流状态标记。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，判断满足数据报文本地处理条件的方法为：在分流用户地址段分配表里能够查询到用户终端报文IPv4/IPv6地址，或者，在服务器地址段分配表里能否查询到用户终端报文IPv4/IPv6地址。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，GTPU数据报文包含：外层以太网数据包、外层IPv4/IPv6数据包、UDP数据包、GTPU数据包、内层IPv4/IPv6数据包、封装原始数据报文的内层UDP数据包，所述GTPU信令报文包含：IPv4/IPv6数据包、UDP数据包、GTPU数据包。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，控制面组件和转发面组件同时支持：用于承载UE与AMF/MME之间信令传递的N1/S1协议、用于承载基站与AMF之间信令传递的N2协议、用于承载RAN与UPF/SGW之间信令传递的N3/S1协议、用于承载UE与IMS之间VoLTE业务的IMS协议。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，S1协议、N1协议、N2协议、IMS协议、N31接口和N32接口传输的报文支持802.1Q封装，且各协议和接口传输的GTPU数据包都包含有用于识别各接口所属VLAN的VLAN TAG。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，N31接口和N32接口同时支持4G网络和5G网络，接收4G网络的GTPU数据报文和5G网络的GTPU数据报文，同时支持VoLTE语音业务。同时通过升级协议字段可以支持后续移动通信的演进制式。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，4G网络的GTPU数据报文包含：标志位、数据报文类型、长度、全量隧道端点标识，所述5G网络的GTPU数据报文包含：标志位、数据报文类型、长度、全量隧道端点标识、PDU会话容器扩展信息。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，控制面组件实现DDPU深度学习引擎功能，对基站和UPF/SGW/核心网之间的传输的报文进行被动学习：上行方向深度学习基站发出的告警报文，下行深度学习基站和UPF/SGW/核心网之间的GTPU报文，学习得到TEID/IP/vlan tag/时间戳等字段和3GPP协议的关联关系后，经过DPDU识别处理后记录到DDPU的转发表内，在若干时钟脉冲周期内刷新DDPU的转发表，以维持移动终端和基站之间的上网业务连续可用性。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，DDPU深度学习引擎还具备主动学习功能：深度学习引擎周期性主动向N32接口发送报文，收到UPF/SGW/PGW的回包后学习之，同样达到维护移动终端和移动核心网的移动性管理能力，经过DPDU识别处理后记录到DDPU的转发表内，在若干时钟脉冲周期内刷新DDPU的转发表，以维持移动终端和基站之间的上网业务连续可用。

进一步地，一种用于基站深度数据处理的装置，DDPU可以学习终端发出的DNS请求报文，由于本地出口路由器A的DNS服务器和核心网的DNS服务器存在不一致的情况，根据CDN的业务需要，实现DNS请求在本装置处理或转发到LB口或者直接透传DNS请求给远端核心网，实现移动终端的域名的正确和快速解析。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，DDPU对外提供软件API和硬件的网络管理M接口，供管理员配置分配表和配置表，查询DDPU的流量、带宽、QoS级别、SLA参数，以便管理员做管理和计费的用途。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，写入目标服务器地址段分配表实现移动终端访问基站侧本地网络，对网络架构和运维零配置，只需要通过DDPU的管理口把服务器或数据中心的IP地址范围写入DDPU的服务器地址段分配表即可实现移动终端和基站侧的本地服务器或数据中心的双向通信

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，写入移动终端的源IP段实现访问基站侧本地网络，对网络架构和运维零配置，通过管理口把移动终端的IP地址范围写入DDPU的分流用户地址段分配表即可实现移动终端和基站侧的本地服务器或本地数据中心或者远端运营商网络的双向通信。移动终端的源IP段范围不在DDPU的移动终端，按照运营商规划的原路访问网络，不受DDPU控制。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，支持移动终端同时访问公网和本地私有网络，对网络架构和运维零配置，通过管理口把移动终端的需要访问的目标IP地址范围写入DDPU的服务器地址段分配表即可实现移动终端同时和基站侧的本地私有网络以及基站的公共承载网络的双向通信。

进一步地，一种用于基站的深度数据处理的装置，通过LB口把基站所有流量转发到本地数据中心，实现核心网/IMS本地冗余备份，在运营商网络发生火灾等不可抗力的应用场景中，保障本地移动网络的上网业务和VoLTE业务正常工作。

一种用于基站的深度数据处理的方法，在基站和UPF/SGW/核心网之间部署上述装置后，由该装置处理基站传输的上行GTPU数据包、UPF/SGW/核心网传输的下行GTPU数据包、本地出口路由器传输的IP数据包。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明对基站侧数据报文进行深度学习和处理后，实现基站侧数据业务的本地处理，通过部署在基站与UPF/SGW/核心网之间的装置处理信令报文和控制报文、IMS协议报文并实时处理本地数据报文，在软件控制面上设置了各接口传递数据报文的报文格式并预设用于加载透传和本地处理信息的全局配置表，通过深度学习基站与UPF/SGW/核心网之间传输的报文后实时更新转发表，通过网络管理接口更新配置表及分配表，实现加速移动终端的数据流量在基站侧本地极低延时的转发和处理，在有限的基站频谱带宽内实现更多用户终端以更低的延时接入本地生产网络，通过提升基站频谱利用率达到碳中和碳达峰指标。采用本发明的深度数据处理装置本地处理基站数据业务时，用户移动终端一直在线，上网和VoLTE业务不中断，并且达到比5G的3GPP R16标准里要求的更低的延时。

(2)本发明通过通信管理接口将双向通信所需的源端IP及目的IP写入本地处理用户地址段分配表、服务器地址段分配表，即可在零配置网络架构的前提下，实现移动终端访问本地网络、访问公网、同时访问公网及本地私有网络，与对基站、终端、核心网、UPF/SGW、移动承载网络重新配置实现报文分流的方案相比，具有简洁且易于实现的技术优势。

附图说明

图1为本发明实现基站深度数据处理的网络架构。

图2为DDPU本地处理4IN4隧道报文后转发的示意图。

图3为DDPU本地处理4IN6隧道报文后转发的示意图。

图4为4/5G同时接入DDPU的典型组网架构。

图5为DDPU支持802.1Q封装报文传递的示意图。

图6为DDPU功能模块框图。

图7为DDPU处理N31接口上行数据包的流程图。

图8为DDPU处理N32接口下行数据包的流程图。

图9为DDPU处理LB接口下行数据包的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明采用在基站(如5G基站gNB)与UPF(User Plane Function，用户面功能)/SGW之间的深度数据处理设备DDPU实现GTP报文本地处理和极低延时的转发。该DDPU：用于承载UE与AMF/MME之间信令传递的N1/S1协议、用于承载基站与AMF之间信令传递的N2协议、用于承载RAN与UPF/SGW之间信令传递的N3/S1协议、用于承载UE与IMS之间VoLTE业务的IMS协议，包括：对接基站的N31接口、对接UPF/SGW的N32接口、对接本地出口路由器A的LB接口(即下文的本地处理出口Local Breakout)、网络管理M接口，用于把基站和UPF/SGW之间传输的手机用户的数据报文本地处理，如图1所示，把移动终端原本从电信出口路由器B出入的数据报文进行本地处理后传输至本地数据中心和服务器以及联通本地出口路由器A。

DDPU从N31接口接收到上行GTPU数据报文后，判断是否需要Local Breakout，如果需要，则剥去GTPU数据报文的头部，将GTPU载荷(即手机发出的原始数据包)从LocalBreakout接口发送到本地出口路由器A。

对于基站与UPF/SGW之间的原始数据包，判断一个GTPU数据报文是否需要本地处理的方式有两种，一种是依据终端用户的IP地址是否在配置的终端IP地址段里，一种是依据终端访问的服务器IP地址是否在配置的服务器地址段配置表里。如果服务器地址段配置表为空，表示所有的移动终端用户的数据报文都需要本地处理。

对于基站与UPF/SGW之间的GTPU信令报文，DDPU对GTPU信令报文/IMS协议报文只做深度学习和透传处理不做本地转发处理。例如，上行GTPU数据报文从N31接口接收后被判断为信令报文和IMS协议报文，则从N32接口二层透传到UPF/SGW；下行GTPU数据报文从N32接口接收之后被判断为GTPU信令报文和IMS协议报文，则从N31接口二层透传到gNB基站。

在UE的移动过程中gNB切换或无线信号强度变化过程中，gNB基站侧的FTEID(Full-scale Tunnel Endpoint Identification，全量隧道端点标识)在UE空闲时释放，FTEID在UE和gNB恢复连接态时重新分配，因此需要跟踪FTEID的变化。DDPU每隔一定时间深度学习基站和UPF/SGW/核心网之间的GTPU报文。

如图6所示，DDPU由控制面和转发面以及管理面三部分构成。控制面通过制定4G/5G的协议报文学习和协商通信，本发明在控制面设计了上述各接口传递数据报文的格式并预设用于加载各接口地址信息的全局配置表以及加载本地处理信息的转发表，接收基站或UPF/SGW/核心网的业务数据后，查询预设的配置表及转发表，实时学习基站和UPF/SGW/核心网之间的数据包后刷新转发表；转发面查询全局配置表及转发表后本地转发或透传数据至对应的接口，IMS协议报文、N1/S1协议、N2协议、N3协议、N31接口、N32接口、LB接口透传报文或本地处理基站的无线终端用户数据报文；管理面响应网络管理M接口输入的控制指令更新全局配置表及分配表，且可供管理员查询DDPU的状态。控制面和转发面以及管理面通过软件实现，也可以通过FPGA和ASIC芯片技术实现各接口的硬件电路并通过逻辑控制实现控制面及转发面的功能。

配置表包括全局配置表、本地处理用户地址段分配表、服务器地址段分配表。全局配置表如表1所示，记录有使能开关状态信息SWITCH、出口路由器A的MAC地址、本地处理出口IP、上行端口、下行端口、本地处理端口；转发用户地址段分配表如表2所示；服务器地址段分配表如表3所示；转发表如表4所示，记录有用户终端报文IPv4/IPv6地址UE-IPv4/IPv6-Addr(key)、地址类型ADDR-Type、基站地址GNB-ADDR、基站MAC地址GNB-MAC、基站侧全量隧道端点标识GNB-TEID、封装标记QFI、UPF/SGW地址UPF/SGW-ADDR、虚拟局域网地址VLAN-ID、时间戳TimeStamp、本地处理状态标记STATE。QFI为000表示当前接入DDPU的基站为4G基站，此时，需要封装QFI信息至GTPU数据包；QFI为001表示当前接入DDPU的基站为5G基站，此时，不需要封装QFI信息至GTPU数据包。平滑支持后续演进的移动通信制式，如6G。

表1全局配置表

表2本地处理用户地址段分配表

服务器地址段
	1.2.3.4-2.3.4.5
202.1.1.1-202.1.1.100

表3服务器地址段分配表

表4转发表

本发明公开的深度数据处理装置通过控制面、转发面以及管理面实现以下功能：(1)使能开关，开启或关闭DDPU；(2)查询用户信息，使用命令查询DDPU上被本地处理的用户信息，如用户的IP地址、本地处理开始的时间、基站侧FTEID和UPF/SGW侧的FTEID；(3)按需本地处理，根据用户的IP地址或者用户访问的IP地址判断是否需要本地处理，即，查询用户的IP地址是否被用户地址段覆盖或者查询用户访问的IP地址是否被服务器地址段覆盖，覆盖则表示需要本地处理；(4)本地处理v4inv4数据包，从基站侧接收的IPv4隧道封装的IPv4用户报文能够在本地处理，且从本地出口路由器A接收的下行报文能够进行GTPU隧道封装并发送到基站；(5)本地处理v4inv6数据包，从基站侧接收的IPv6隧道封装的IPv4用户报文能够在本地处理后传递至本地出口路由器A，且从本地出口路由器A接收的下行报文能够进行GTPU隧道封装并发送到基站；(6)支持4/5G基站或未来演进的移动通信制式，同时支持4/5G/6G/VoLTE用户接入和报文的本地处理；(7)支持802.1Q封装，支持N3接口上的802.1Q封装报文的本地处理，由于N3接口实际也与S1/N1/N2协议/IMS协议共享物理连接，S1/N1/N2协议/IMS协议也会采用802.1Q封装，能够正常转发S1/N1/N2/IMS协议报文；(8)老化转发表，长时间没有报文经过的转发表需要老化。(9)DNS协议报文的处理，DDPU可以学习终端发出的DNS请求报文，由于本地出口路由器A的DNS服务器和核心网的DNS服务器存在不一致的情况，根据CDN的业务需要，实现DNS请求在本设备处理或转发给LB口或者直接透传DNS请求给远端核心网，实现移动终端的域名的正确快速解析；(10)网络管理，DDPU对外提供软件API和硬件的网络管理M接口，供管理员配置分配表和配置表以及查询DDPU的流量、带宽、QoS级别、SLA参数，以便用户做管理和计费的用途；(11)IMS协议报文的处理，DDPU可以学习终端和IMS网元之间的VoLTE业务报文，实现VoLTE业务在本设备直接透传给远端IMS网元，实现移动终端的VoLTE打电话业务不中断。(12)主核心网/IMS灾备，远端主核心网和IMS出现不可抗力的问题时，DDPU可以切换基站所有流量到本地核心网和IMS上来，确保移动生产网络一直可用。

DDPU转发面在接收到用户报文后查询全局配置表获取使能开关状态，使能开关默认关闭状态，即DDPU只深度学习和透传信令报文和IMS协议报文不对原始数据包进行本地处理，查询到使能开关为开启状态时，则根据深度学习功能更新的转发表透传信令报文和IMS协议报文并对用户数据报文做本地处理和转发。

DDPU支持配置UE访问的目的服务器列表，支持单个地址的配置，同时支持带掩码的配置。DDPU转发面在接收到用户报文且使能开关为开启状态时查看服务器地址段配置表，如果UE访问的IP地址在服务器地址段配置表覆盖范围内，那么，所有的上行用户数据报文都需要在本地处理后转发到本地出口路由器A，否则不需要本地处理直接透传至N32接口。如果服务器地址段配置表为空且使能开关打开，表示所有上行用户数据报文都需要本地处理后转发。

当查询到DDPU转发面接收到的用户报文需要本地处理时，查询转发表中的GNB-ADDR和UPF/SGW-ADDR以及GNB-TEID，根据GTPU隧道地址类型以及基站地址与用户终端地址对报文进行本地处理。

GTPU隧道为IPv4，即基站地址和UPF/SGW的地址均是IPv4地址，用户报文中的源IP地址和目的IP地址是IPv4地址时，4IN4隧道报文的本地处理过程如图2所示，基站接收到的IPV4地址为192.168.100.100的V4 IN V4数据包传递至DDPU后，DDPU学习该数据包并透传信令报文至IPV4地址的UPF/SGW，需要从DDPU转发至本地接口的V4 IN V4数据包剥去外层封装后传递至IPV4地址为192.168.100.101的出口路由器A。

GTPU隧道为IPv6，即基站地址和UPF/SGW的地址均是IPv6地址，用户报文中的源IP地址和目的IP地址仍然是IPv4地址时，4IN6隧道报文的本地处理过程如图3所示，由于本地接口始终是IPv4地址，因此，基站接收的数据包不能直接传输至出口路由器A，DDPU在转发IPV6地址的数据包至出口路由器A前需要给数据包分配一个与出口路由器同网段的虚拟IPv4/IPv6地址。当出口路由器A向虚拟IPv4地址请求MAC时，DDPU支持回应动态ARP(Address Resolution Protocol，地址解析协议)请求；或者，出口路由器A支持配置静态ARP时，DDPU可以不支持静态配置ARP功能。

DDPU支持4/5G基站的同时接入，4/5G同时接入的典型组网如图4所示。从DDPU的N31接口进入的报文类型主要有4G网络的S1/S1-U接口/IMS报文，以及5G网络的N1/N2/N3接口和IMS报文。S1/N1/N2报文都是基于SCTP承载，属于信令报文，DDPU只需要学习并透传即可。

S1-U接口是用户面接口，该接口是4G基站与4G网络的SGW(Serving GateWay，服务网关)之间的接口，该接口的报文也是GTPU封装，和5G网络的GTPU报文格式的区别在于它没有PDU SESSION CONTAINER扩展头，且5G网络的GTPU报文还可以包含支持VoLTE业务的IMS报文。4G网络的GTPU报文格式以及5G网络的GTPU报文格式均为3GPP标准的报文格式，参见表5和表6。对于未来演进的移动通信制式，GTPU报文中增加未来演进的移动通信制式特有数据业务的扩展头即可满足多制式通信网络的接入。

Flags

Message Type

Length

TEID

表5 4G网络的GTPU数据报文封装格式

表6 5G网络的GTPU数据报文封装格式

N1/N2/N3/S1/S1-U/IMS协议或接口的报文都需要支持802.1Q封装。在不同的环境下，可能这些接口归属于不同的VLAN，因此最灵活的实现方式，是DDPU从报文动态的深度学习并感知这些接口归属的VLAN。

对于S1/N1/N2信令报文，以及GTPU信令报文和IMS报文，只需要学习并记录到转发表后做透传处理即可，DDPU在学习信令报文时要能学习并判断是否存在802.1Q封装。

对于S1-U/N3 GTPU数据报文，有支持剥离带有802.1Q封装的报文，并从LB接口发送到出口路由器A。对于从LB接口收到的下行原始报文，在执行GTPU封装后，外层IP报文在执行L2封装时，要同时封装S1-U/N3归属的VLAN tag。DDPU支持802.1Q封装报文传递的示意图如图5所示。

GTPU数据报文的封装格式如表7所示，外层IPv4协议层源地址和目的地址分别是UPF/SGW和基站的地址。外层IPv4/IPv6协议层之后是UDP协议层，UDP协议层的目的端口必须是3GPP标准里约定的，源端口由发送端确定。UDP协议层之后为GTPU协议层，对于4G网络，通常是8个或12个字节，对于5G网络，通常为16个字节。GTPU协议层中的加载有报文类型Message Type，Message Type为特定值时表示当前报文是数据报文，否则为无效数据或者信令报文。在GTPU协议层之后是内层IPv4/IPv6协议层，内层IPv4/IPv6协议层封装有内层UDP，内层UDP封装原始数据报文，即用户终端与Internet之间传输的原始数据报文。

表7 GTPU数据报文的封装格式

GTPU信令报文格式如表8所示。GTPU协议层中加载的报文类型Message Type表示信令报文中不携带用户数据，只是基站与UPF/SGW之间的交换信息，这类型的报文通过DDPU在基站与UPF/SGW之间完成学习并透传，不能转发至本地出口路由器A。通过深度学习这类信令报文刷新转发表使得DDPU实时获取控制信令并及时传递控制信令至目的端，实现移动终端始终附着基站不掉线，这显著区别于传统分流器和TAP设备对信令报文的镜像分流处理。

表8

如图6所示，深度学习过程如下：DDPU深度学习引擎上行方向通过N31接口深度学习基站发出的告警报文，下行方向通过N32接口深度学习基站和UPF/SGW/核心网之间的GTPU报文。学习得到TEID/IP/VLAN tag/时间戳等字段和3GPP协议的关联关系后，经过DDPU识别处理后记录到DDPU的转发表内，在若干时钟脉冲周期内刷新DDPU的转发表，以维持移动终端和基站之间的上网业务连续可用性。转发表由TCAM和RAM/DRAM器件来实现，以维持移动终端和基站之间的上网业务连续可用性，通过DDPU深度学习引擎维护移动终端和移动核心网的移动性管理能力，否则移动终端就会掉线。深度学习引擎周期性主动向N32接口发送报文，收到UPF/SGW的回包后学习之，经过DDPU识别处理后记录到DDPU的转发表内，同样达到维护移动终端和移动核心网的移动性管理能力。

在远端核心网和IMS故障的时候，深度学习引擎学习基站上下行报文的过程中发现控制协议/IMS协议中断无法建立链接，自动或手动刷新转发表切换到本地核心网和IMS，转发面组件转发基站上下行流量到LB口，LB口和本地核心网和本地IMS相连，基站的移动通信业务得以恢复，实现移动通信的冗余保护，确保移动通信的本地生产网络不中断。

N31接口接收到来自基站的上行数据包后，按照图7所示流程进行处理：

转发面查询全局配置表中的使能开关状态，在使能状态开关为关闭状态时学习上行数据包后更新转发表，透传上行数据包至N32接口，在使能状态开关为开启状态时，判断上行数据包是否为数据报文；

在上行数据包为信令报文时，控制面检测N31接口是否接收到基站发出的告警报文，若接收到告警报文，则强制更新转发表中的TEID、时间戳、路由表字段，否则，学习信令报文后透传至N32接口，在上行数据包为数据报文时对上行数据包进行深度处理；

读取转发表中的路由表和时间戳信息，直接透传上行数据包至N32接口，查询配置表判断是否需要对上行数据包进行本地处理；

查询本地处理用户地址段配置表或服务器地址段配置表后可知当前数据报文是否需要进行本地处理，根据GTPU隧道地址类型以及基站地址与用户终端地址对上行数据包进行本地处理；

上行数据包为v4inv4数据包时，上行数据包为无效数据包时透传上行数据包至N32接口，上行数据包为有效数据包时且收到DNS请求时，透传上行数据包至N32接口，上行数据包不包含原始数据包或者上行数据包包含原始数据包但未收到DNS请求时，GTPU报文中记载的源IP地址查找转发表，上行数据包为v4inv6数据包时，对v4inv6数据包本地处理的方法与v4inv4数据包相同，仅在转发至本地出口路由器之前给处理后的报文分配一个虚拟IPv4/IPv6地址，对本地处理后的报文进行转发；

成功查找转发表且转发表信息完整时，从转发表获取出口路由器A的MAC地址并对上行数据包进行L2封装，从LB端口转发经L2封装后的数据包至出口路由器A，转发表不完整时透传上行数据包至N32接口，若根据GTPU报文中记载的源IP地址查找转发表失败，根据GTPU报文中记载的源IP地址新建转发表，初始VLAN ID和UPF/SGW IP，设置STATE为0，透传上行数据包至N32接口。

N32接口接收到来自UPF/SGW的下行IPv4/IPv6数据包后，按照图8所示流程进行处理：

转发面查询全局配置表中的使能开关状态，在使能状态开关为关闭状态时透传下行数据包至N31接口，在使能状态开关为开启状态时判断DDPU是否处于主动学习状态；

若DDPU处于被动学习状态，即深度学习基站和UPF/SGW/核心网之间传递的GTPU报文时，更新转发表中时间戳字段进而一并更新TEID、IP、vlan tag，并在若干时钟脉冲周期内刷新转发表；

与被动学习并行的是通过深度学习引擎周期性向N32接口发送报文进行主动学习，主动学习过程中根据接收的UPF/SGW/PGW回包更新转发表，并在若干时钟脉冲周期内刷新转发表，经过主动学习和被动学习更新的转发表用于后续的本地转发和透传；

判断下行数据包为信令报文时透传下行数据包至N31接口，在下行数据包为数据报文时进行本地处理；

下行数据包为无效数据报文时透传下行数据包至N31接口，下行数据包为有效数据报文时，根据内层IPv4/IPv6目的IP地址成功查找转发表时，更新转发表中的GNB-IPV4-ADDR、GNB-TEID及QFI(仅在下行数据包的GTPU Header中有QFI时进行更新)，修改STATE为本地处理完成状态，透传下行数据报文至N31接口，若根据内层IPv4目的IP地址查找转发表失败，则直接透传下行数据报文至N31接口。

本地出口路由器发送下行IP数据包时，按照图9所示流程进行处理：

由于本地出口路由器和基站无法在二层互通，本地路由器首先向LB接口发送ARP请求以获取LB接口IPv4地址的MAC，DDPU解析ARP请求后回应虚拟MAC地址；

本地出口路由器A接收到来自LB接口的虚拟MAC后，转发面查询全局配置表中的使能开关状态，在使能状态开关为关闭状态时丢弃下行IP数据包，检查下行IP数据包的协议类型；

根据下行IP数据包的协议类型在转发表中查找目的IP地址；

若成功查询目的IP地址则查询转发表的STATE，若根据目的IP地址查找转发表失败则直接透传下行数据至基站；

STATE为本地处理未完成状态时则丢弃下行数据包，STATE为本地处理完成状态时，则对下行数据包进行GTP、UDP、外层IP封装后发送至基站。

GTP封装信息包括基站侧TEID和QFI，4G基站接入DDPU时不需要封装QFI，5G基站接入DDPU时需要封装QFI。外层封装包括L2层封装、L3层封装、L4层封装，L2层封装的信息包括：目的MAC＝基站MAC，源MAC＝路由器MAC，L3层封装的信息包括：目的地址＝基站地址，源地址＝UPF/SGW地址，L4层封装的信息为源和目的端口＝2152。

移动终端访问基站侧本地网络可以通过写入目标服务器地址段实现，通过网络管理M接口把本地数据中心或服务器的IP地址写入服务器地址段分配表，即可实现移动终端与基站侧的本地服务器或数据中心的双向通信。

移动终端访问基站侧本地网络可以通过写入移动终端的源IP地址段实现，通过网络管理M接口把移动终端的源IP地址写入本地处理用户地址段分配表，即可实现移动终端和基站侧的本地服务器或本地数据中心或者远端运营商网络的双向通信。移动终端的源IP段范围不在DDPU的移动终端，按照运营商规划的原路访问网络，不受DDPU控制。

移动终端同时访问公网或本地私有网络可以通过写入移动终端的目的IP地址段实现，通过网络管理M接口把移动终端的目的IP地址写入服务器地址段分配表，即可实现移动终端同时和基站侧的本地私有网络以及基站的公共承载网络的双向通信。

上述三种双向通信均通过网络管理接口修改分配表实现，无需对网络架构和运维参数进行重新配置，实现了对基站侧数据中心和服务器及网络的零配置，对运营商移动承载网络的零配置，对基站及基站侧路由器的零配置，对移动终端的零配置。

以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，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看到本发明揭露的技术方案后，根据本发明的发明构思对技术方案做出的等同替换或改变都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，包括：

控制面组件，对基站和UPF/SGW/核心网之间传输的GTPU数据包进行学习后生成转发表，GTPU数据包为信令报文和IMS协议报文时，学习信令报文后刷新转发表，GTPU数据包为数据报文且满足数据报文本地处理条件时刷新转发表，GTPU数据包为数据报文但不满足数据报文本地处理条件时刷新转发表，学习N32接口反馈的周期性检测报文应答包后刷新转发表，学习本地出口路由器请求LB接口IP的MAC的ARP包，基于LB接口IP的MAC地址构造ARP应答包，学习本地出口路由器发送的IP数据包；

转发面组件，查询全局配置表和转发表，根据查询结果对接收的数据包进行本地转发或透传，GTPU数据包为信令报文、IMS协议报文、转发表不完整时在N31接口和N32接口之间透传GTPU数据包，GTPU数据包为数据报文且满足数据报文本地处理条件时剥去GTP报文头后转发至LB接口，GTPU数据包为数据报文但不满足数据报文本地处理条件时在N31和N32之间透传GTPU数据包，转发控制面组件生成的ARP应答包至LB接口，对IP数据包进行GTPU报文封装后本地转发至N31接口；

管理面组件，更新或配置控制面组件预设的分配表和全局配置表，用于查询装置的工作状态；及，

与基站通信的N31接口，传输基站的上行GTPU数据包至控制面组件及转发面组件，传输转发面组件本地转发的IP数据包至基站；

与UPF/SGW通信的N32接口，传输UPF/SGW/核心网的下行GTPU数据包至控制面组件及转发面组件，传输转发面组件透传的信令报文/IMS协议报文或GTPU数据包至UPF/SGW/核心网；

与本地出口路由器通信的LB接口，传输本地出口路由器发送的IP数据包至控制面组件及转发面组件，传输转发面组件转发的剥去GTP报文头的数据包或ARP应答包至本地出口路由器；

用于网络管理的M接口，传输分配表和全局配置表的更新或配置信息至管理面组件。

2.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述分配表包括本地处理用户地址段分配表和服务器地址段分配表，所述全局配置表存储有使能开关状态信息、本地出口路由器的MAC地址、LB接口IP、上行端口、下行端口、本地处理端口，所述转发表存储有：用户终端报文IPv4/IPv6地址、地址类型、基站地址、基站MAC地址、基站侧全量隧道端点标识、封装标记、UPF/SGW地址、虚拟局域网地址、时间戳、本地处理状态标记。

3.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，数据报文本地处理条件为：在本地处理用户地址段分配表里查询到用户终端报文IPv4/IPv6地址，或者，在服务器地址段分配表里查询到用户终端报文IPv4/IPv6地址；通过M接口把本地数据中心或服务器的IP地址写入服务器地址段分配表，或，通过M接口把移动终端的源IP地址写入本地处理用户地址段分配表，或，通过M接口把移动终端的目的IP地址写入服务器地址段分配表。

4.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述GTPU数据报文包含：外层以太网数据包、外层IPv4/IPv6数据包、UDP数据包、GTPU数据包、内层IPv4/IPv6数据包、封装原始数据报文的内层UDP数据包，所述GTPU信令报文包含：IPv4/IPv6数据包、UDP数据包、GTPU数据包。

5.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，该装置还用于承载UE与AMF/MME之间信令传递的N1/S1协议，用于承载基站与AMF之间信令传递的N2协议，用于承载RAN与UPF/SGW之间信令传递的N3协议，用于承载UE与IMS之间VoLTE业务的IMS业务协议。

6.根据权利要求5所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述S1协议、N1协议、N2协议以及N31接口、N32接口传输的报文支持802.1Q封装，且各接口传输的GTPU数据包都包含有用于识别各协议或接口所属VLAN的VLAN TAG。

7.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述N31接口和N32接口同时支持4G网、5G网络、VoLTE语音业务，接收4G网络的GTPU数据报文和5G网络的GTPU数据报文和VoLTE语音业务报文。

8.根据权利要求7所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述4G网络的GTPU数据报文包含：标志位、数据报文类型、长度、全量隧道端点标识，所述5G网络的GTPU数据报文包含：标志位、数据报文类型、长度、全量隧道端点标识、PDU会话容器扩展信息、以及VoLTE业务的IMS报文。

9.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，该装置还包括API和网络管理接口，所述API和网络管理接口用于查询该装置预设的配置表、状态表、转发表、流量、带宽、QoS级别、SLA参数。

10.根据权利要求1所述一种用于基站的深度数据处理的装置，其特征在于，所述控制面组件对基站和UPF/SGW/核心网之间传输的GTPU数据包进行学习的过程中，一旦学习到控制协议/IMS协议中断时刷新转发表，转发面组件查询转发表后转发基站所有流量至LB接口，LB接口与本地数据中心核心网/本地IMS通信。

11.一种深度处理基站侧上行GTPU数据包的方法，其特征在于，在基站和UPF/SGW/核心网之间部署权利要求1至10中任意一项所述深度数据处理装置，

接收到来自基站的上行GTPU数据包时，学习上行GTPU数据包并透传至UPF/SGW/核心网，学习到基站发送告警报文时，更新转发表中的TEID、时间戳、路由表字段；

根据转发表透传上行GTPU数据包至UPF/SGW/核心网或转发上行GTPU数据包至本地出口路由器。

12.根据权利要求11所述一种深度处理基站侧上行GTPU数据包的方法，其特征在于，深度学习上行GTPU数据包的同时学习用户终端发出的DNS请求，解析DNS请求后，本地处理DNS请求或本地转发DNS请求或透传DNS请求至UPF/SGW/核心网。

13.根据权利要求11所述一种深度处理基站侧上行GTPU数据包的方法，其特征在于，深度学习上行GTPU数据包的同时学习用户终端和IMS之间VoLTE业务的IMS协议报文，刷新转发表，直接透传IMS协议报文至IMS网元。

14.一种深度处理UPF/SGW/核心网侧下行GTPU数据包的方法，其特征在于，在基站和UPF/SGW/核心网之间部署权利要求1至10中任意一项所述深度数据处理装置，

接收到来自UPF/SGW/核心网的下行GTPU数据包时，学习下行GTPU数据包后透传至基站；

深度学习基站和UPF/SGW/核心网之间传递的GTPU报文，更新转发表中的基站侧全量隧道端点标识字段、用户终端报文IPv4/IPv6地址、虚拟局域网地址；在N32接口反馈周期性检测报文应答包时，学习周期性检测报文应答包后更新转发表；

深度学习下行GTPU数据包的目的IP，更新转发表中有关基站的字段，透传下行数据包至基站。

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