多板卡LTE网关的报文处理方法及系统与流程

本案是以申请日为2014年09月02日，申请号为201410442828.2，名称为“基于atca硬件的多板卡lte网关处理方法及系统”的发明专利为母案而进行的分案申请。

本发明涉及一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理方法及系统。

背景技术：

smallcell是指工作在许可频段的低功率接入点，由运营商管理并具有基于边缘智能特征。smallcell源于最初为家庭设计的femtocell(飞蜂窝)技术，现今延伸到企业picocell(小蜂窝)、城市metrocell(宏蜂窝)和microcell(微蜂窝)，可以帮助家庭、企业以及城市和乡村公共区域改善蜂窝网络的覆盖、容量及应用，提高用户质量，降低宏基站的负荷。

4g网络的lte技术的主要频段分布在2ghz，相对于3g网络是工作在“高频”，所以相同的基站数量条件下4g网络的覆盖范围将会大不如前。除了合理地利用室分系统进行室内的网络覆盖外，smallcell组网技术的大量应用也是一种关键的举措。smallcell组网网元结构大致如图1所示。

图1中，insecurelink表示在安全保护下的链路，operator’scorenetwork表示移动网络运营商的核心网络。从图1可以看出，无论ltesmallcell安全网关(segw)还是ltesmallcell的小基站网关(henbgw)都是一个汇聚网关设备。电信运营商网络通常是一个大型网络，无论是小基站henb设备的数量还是移动终端ue的数量都是非常庞大，这就要求segw和henbgw具备非常强大的处理性能。

目前电信设备厂商开发制造的ltesmallcell网关产品(segw和henbgw)基本上是单板形态，或者是atca机架上的单个业务处理板形态其中，并且在atca机架上的业务处理板相互之间是独立的，每个业务板都能独立处理转发报文，各个业务板之间没有任何信息交互的，网关产品的处理性能和容量会受到单颗cpu处理器性能的限制。目前主流的网络设备产品cpu处理器是10gbps平台，也有部分的40gbps平台。想要获得比单颗cpu处理器性能更高的网关产品，需要部署和维护多台网关产品设备。

其中，lte:longtermevolution，长期演进，是3gpp制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进，是第四代移动通信系统的接入协议标准。

atca:advancedtelecomcomputingarchitecture，先进的电信计算平台标准，定义了基于模块化结构的具有广泛兼容性的可扩展硬件构架。

smallcell:移动通信网的小蜂窝基站覆盖组网方式，其中的基站设备是低功耗的，射频信号覆盖范围一般为10米到200米之间。

ue:移动通信的用户终端设备，比如手机等。

h(e)nb:lte技术标准下移动网络中的家庭小基站设备，特点是低功耗，射频信号覆盖范围一般为10米到200米之间。

segw:ltesmallcell组网下的安全网关设备，为成千上万个h(e)nb设备安全接入移动网络提供认证和加密支持。

h(e)nb-gw:ltesmallcell组网下的小基站网关设备，为成千上万个h(e)nb设备接入移动网络提供信令链路的汇聚和分发支持。

h(e)ms:ltesmallcell组网下的小基站网管系统，提供管理配置界面，监控和统计数据收集等功能。

aaaserver/hss:移动用户接入的安全认证授权计费系统。

modid：交换芯片的模块编号，用于多块交换芯片堆叠时查找具体的某块交换芯片。

higig:是指一种串行总线互联方案和协议，可以用于多块交换芯片堆叠。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理方法，使得各业务板能相互通信，增加网关的转发数据能力，并增加了产品的可靠性降低了产品的实现成本。

本发明之一是这样实现的：一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理方法，本方法需提供一种多板卡lte网关，所述多板卡lte网关包括一主控板、交换板及复数个业务板，包括如下步骤：

步骤10、将多板卡lte网关连接至网络中，交换板接收到报文，分析报文类型，若报文为ip报文，进入步骤20，否则，转发报文至主控板，进入步骤30；

步骤20、业务板接收ip报文，则根据负载均衡算法定向发送到业务板，并根据ip报文中的信息与业务板中的转发缓存信息表中的信息进行匹配，若匹配则转发ip报文，否则，将该ip报文发送至主控板，进入步骤30；

步骤30、主控板接收报文，若报文为ip报文，则对ip报文进行全路径转发，并将学习到的转发缓存信息同步给各个业务板中的转发缓存信息表中，进入步骤40，若报文不为ip报文，主控板对报文进行处理；

步骤40、主控板通过负载均衡算法将ip报文定向发送至业务板，业务板根据缓存信息表中的信息进行转发ip报文。

进一步地，所述主控板包括主控板处理器及主控交换芯片，每个所述业务板包括一业务板处理器及业务交换芯片，为主控板处理器、主控交换芯片、业务板处理器及业务交换芯片分别分配编号，根据报文的目标编号及堆叠协议将报文转发至指定业务板或主控板。

进一步地，每个所述业务板还包括一业务处理器，所述负载均衡算法具体步骤为：将某个物理端口的报文数据分配给以动态方式绑定的某张业务板，当进入交换板的报文数据量大于一个物理端口的带宽容量时，则剩余的报文数据分配给下一个物理端口并绑定到对应的业务板，以此类推，直至将数据分配完毕。

进一步地，所述交换板包括复数个物理端口及第一交换芯片，所述动态方式为：搜集交换板物理端口信息及业务板信息并监控交换板物理端口的link-up事件，若第一个物理端口处于活动状态，则把第一个物理端口进入的报文数据绑定到第一块业务板；若第一个物理端口处于不活动状态，则继续查看第二个物理端口的活动状态；依次类推，把所有活动的物理端口的报文数据，绑定到系统的相应业务板上。

进一步地，所述多板卡lte网关还包括atca机箱，所述主控板、复数个业务板及交换板通过atca机箱相互连接。

进一步地，所述转发缓存信息包括：数据流的五个关键字段、对应的下一跳邻接表项、对应的ip层服务质量优先级、对应的nat转换信息、对应的ipsec隧道封装方式、对应的ipsec加密解密密钥、对应的统计限速数据及对应发送业务端口。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理系统，使得各业务板能相互通信，增加网关的转发数据能力，并降低了客户成本。

本发明之二是这样实现的：一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理系统，本系统需提供一种多板卡lte网关，所述多板卡lte网关包括一主控板、交换板及复数个业务板，包括如下模块：

分析报文模块，将多板卡lte网关连接至网络中，交换板接收到报文，分析报文类型，若报文为ip报文，进入步骤业务板处理模块，否则，转发报文至主控板，进入主控板处理模块；

业务板处理模块，业务板接收ip报文，则根据负载均衡算法定向发送到业务板，并根据ip报文中的信息与业务板中的转发缓存信息表中的信息进行匹配，若匹配则转发ip报文，否则，将该ip报文发送至主控板，进入主控板处理模块；

主控板处理模块，主控板接收报文，若报文为ip报文，则对ip报文进行全路径转发，并将学习到的转发缓存信息同步给各个业务板中的转发缓存信息表中，进入报文处理模块，若报文不为ip报文，主控板对报文进行处理；

报文处理模块，主控板通过负载均衡算法将ip报文定向发送至业务板，业务板根据缓存信息表中的信息进行转发ip报文。

进一步地，所述主控板包括主控板处理器及主控交换芯片，每个所述业务板包括一业务板处理器及业务交换芯片，为主控板处理器、主控交换芯片、业务板处理器及业务交换芯片分别分配编号，根据报文的目标编号及堆叠协议将报文转发至指定业务板或主控板。

进一步地，每个所述业务板还包括一业务处理器，所述负载均衡算法具体步骤为：将某个物理端口的报文数据分配给以动态方式绑定的某张业务板，当进入交换板的报文数据量大于一个物理端口的带宽容量时，则剩余的报文数据分配给下一个物理端口并绑定到对应的业务板，以此类推，直至将数据分配完毕。

进一步地，所述交换板包括复数个物理端口及第一交换芯片，所述动态方式为：搜集交换板物理端口信息及业务板信息并监控交换板物理端口的link-up事件，若第一个物理端口处于活动状态，则把第一个物理端口进入的报文数据绑定到第一块业务板；若第一个物理端口处于不活动状态，则继续查看第二个物理端口的活动状态；依次类推，把所有活动的物理端口的报文数据，绑定到系统的相应业务板上。

进一步地，所述多板卡lte网关还包括atca机箱，所述主控板、复数个业务板及交换板通过atca机箱相互连接。

进一步地，所述转发缓存信息包括：数据流的五个关键字段、对应的下一跳邻接表项、对应的ip层服务质量优先级、对应的nat转换信息、对应的ipsec隧道封装方式、对应的ipsec加密解密密钥、对应的统计限速数据及对应发送业务端口。

本发明具有如下优点：

效果一、实现整机多板卡统一管理并行处理的ltesmallcell小基站接入网关产品，使其更加便于使用。

效果二、由于业务板业务转发缓存信息同步形成相互冗余备份，提高了系统和产品的可靠性，避免单张业务板硬件故障引起网络中断。

效果三、可以根据转发负载情况以及电力能源使用情况动态地对网关产品进行扩容或者节能操作，业务板卡可以热插拔，实现灵活可扩展的网关产品。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为ltesmallcell的组网示意图。

图2为本发明业务处理流程图。

图3为本发明动态绑定流程图。

图4为本发明整机逻辑结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，一种基于atca硬件的多板卡lte网关处理方法，本方法需提供一种多板卡lte网关，所述多板卡lte网关包括一主控板、交换板及复数个业务板，所述多板卡lte网关还包括atca机箱，所述主控板、复数个业务板及交换板通过atca机箱相互连接，包括如下步骤：

步骤10、将多板卡lte网关连接至网络中，交换板接收到报文，分析报文类型，若报文为ip报文，进入步骤20，否则，转发报文至主控板，进入步骤30；

步骤20、业务板接收ip报文，则根据负载均衡算法定向发送到业务板，并根据ip报文中的信息与业务板中的转发缓存信息表中的信息进行匹配，若匹配则转发ip报文，否则，将该ip报文发送至主控板，进入步骤30，所述转发缓存信息包括：数据流的五个关键字段(即源ip、目的ip、传输层协议类型、源端口、目的端口)、对应的下一跳邻接表项、对应的ip层服务质量优先级、对应的nat转换信息、对应的ipsec隧道封装方式、对应的ipsec加密解密密钥、对应的统计限速数据及对应发送业务端口；

步骤30、主控板接收报文，若报文为ip报文，则对ip报文进行全路径转发，并将学习到的转发缓存信息同步给各个业务板中的转发缓存信息表中，进入步骤40，若报文不为ip报文，主控板对报文进行处理；

步骤40、主控板通过负载均衡算法将ip报文定向发送至业务板，业务板根据缓存信息表中的信息进行转发ip报文。

本发明处理方法中，所述主控板包括主控板处理器及主控交换芯片，每个所述业务板包括一业务板处理器及业务交换芯片，为主控板处理器、主控交换芯片、业务板处理器及业务交换芯片分别分配编号，根据报文的目标编号及堆叠协议将报文转发至指定业务板或主控板。

如图3所示，本发明处理方法中，每个所述业务板还包括一业务处理器，所述负载均衡算法具体步骤为：将某个物理端口的报文数据分配给以动态方式绑定的某张业务板，当进入交换板的报文数据量大于一个物理端口的带宽容量时，则剩余的报文数据分配给下一个物理端口并绑定到对应的业务板，以此类推，直至将数据分配完毕。

本发明处理方法中，交换板包括复数个物理端口及第一交换芯片，所述动态方式为：搜集交换板物理端口信息及业务板信息(即搜集交换板物理端口的个数，并为每个物理端口进行编号，搜集业务板信息即为搜集业务板个数，并为每个业务板进行编号，便于后面的配对)并监控交换板物理端口的link-up事件，若第一个物理端口处于活动状态，则把第一个物理端口进入的报文数据绑定到第一块业务板；若第一个物理端口处于不活动状态，则继续查看第二个物理端口的活动状态；依次类推，把所有活动的物理端口的报文数据，绑定到系统的相应业务板上。

本发明基于atca硬件的多板卡lte网关处理系统，本系统需提供一种多板卡lte网关，所述多板卡lte网关包括一主控板、交换板及复数个业务板，所述多板卡lte网关还包括atca机箱，所述主控板、复数个业务板及交换板通过atca机箱相互连接，包括如下模块：

分析报文模块，将多板卡lte网关连接至网络中，交换板接收到报文，分析报文类型，若报文为ip报文，进入步骤业务板处理模块，否则，转发报文至主控板，进入主控板处理模块；

业务板处理模块，业务板接收ip报文，则根据负载均衡算法定向发送到业务板，并根据ip报文中的信息与业务板中的转发缓存信息表中的信息进行匹配，若匹配则转发ip报文，否则，将该ip报文发送至主控板，进入主控板处理模块，所述转发缓存信息包括：数据流的五个关键字段(即源ip、目的ip、传输层协议类型、源端口、目的端口)、对应的下一跳邻接表项、对应的ip层服务质量优先级、对应的nat转换信息、对应的ipsec隧道封装方式、对应的ipsec加密解密密钥、对应的统计限速数据及对应发送业务端口；

主控板处理模块，主控板接收报文，若报文为ip报文，则对ip报文进行全路径转发，并将学习到的转发缓存信息同步给各个业务板中的转发缓存信息表中，进入报文处理模块，若报文不为ip报文，主控板对报文进行处理；

报文处理模块，主控板通过负载均衡算法将ip报文定向发送至业务板，业务板根据缓存信息表中的信息进行转发ip报文。

本发明处理系统中主控板包括主控板处理器及主控交换芯片，每个所述业务板包括一业务板处理器及业务交换芯片，为主控板处理器、主控交换芯片、业务板处理器及业务交换芯片分别分配编号，根据报文的目标编号及堆叠协议将报文转发至指定业务板或主控板。

本发明处理系统中每个所述业务板还包括一业务处理器，所述负载均衡算法具体步骤为：将某个物理端口的报文数据分配给以动态方式绑定的某张业务板，当进入交换板的报文数据量大于一个物理端口的带宽容量时，则剩余的报文数据分配给下一个物理端口并绑定到对应的业务板，以此类推，直至将数据分配完毕。

本发明处理系统中交换板包括复数个物理端口及第一交换芯片，所述动态方式为：搜集交换板物理端口信息及业务板信息(即搜集交换板物理端口的个数，并为每个物理端口进行编号，搜集业务板信息即为搜集业务板个数，并为每个业务板进行编号，便于后面的配对)并监控交换板物理端口的link-up事件，若第一个物理端口处于活动状态，则把第一个物理端口进入的报文数据绑定到第一块业务板；若第一个物理端口处于不活动状态，则继续查看第二个物理端口的活动状态；依次类推，把所有活动的物理端口的报文数据，绑定到系统的相应业务板上。

本发明中atca机箱的作用是给各个业务板卡供电并提供背板通道、其中交换板的作用是提供最终的业务物理接口并汇聚进出的业务数据流、其中业务板的作用是做流量转发以及隧道业务和各种接入业务的处理、其中主控板的作用是配置与监控整机设备并同步不同业务板之间的转发缓存信息表。

板卡间业务数据的同步问题由控制管理平面和报文转发平面的的分离和合理布局来实现；板卡间负载均衡分配的问题由交换板的策略转发功能和higig堆叠协议来实现。higig堆叠协议是由博通公司(broadcom)在其交换机芯片里实现的一种用于多颗芯片堆叠的一种技术。本发明的说明中使用的堆叠协议以higig协议作为具体的实现方式，如果具体方案实现中用到了其它厂商的交换机芯片，则可以使用对应的堆叠协议。

业务板只根据当前的业务转发缓存信息进行报文处理，一旦无法匹配成功就会重定向报文给主控板进行完整的全路径转发处理。这个设计是根据网络流量的一个重要事实进行的，99％的网络流量都是ip业务包且在网关设备内部的转发策略和路径是相同的。所以，业务板能够直接根据业务转发缓存信息表的内容处理绝大多数的网络流量。

如图4所示，现在的atca业务板的设计可以达到较高的密度，常常会在一张业务板上放置两颗高性能的cpu处理器。为了让一张业务板的两颗cpu处理器可以并行处理业务报文，可以把单颗cpu处理器作为逻辑业务板，由主控板统一分发业务转发缓存信息表。另外，为了确保业务报文从交换板的端口精确重定向到某张业务板卡的cpu处理器，不需要关心背板以及中间的交换过程的路径，需要在板卡内部互联的接口上应用higig堆叠协议。在软件系统初始化的过程为每个交换机芯片单元和cpu处理器单元都分配独立的modid(模块编号)，higig堆叠协议在内部互联接口上直接根据报文的目标modid进行转发。软件为整机各个板卡的每个处理单元都分配了独立的modid。在交换板的交换芯片报文进入的端口处应用转发策略，为接收到的报文指定目标modid，这样业务报文就会在higig堆叠协议的作用下顺利地到达对应的业务板的cpu处理器。其中逻辑业务板是软件虚拟的管理对象，负载均衡算法将为每个逻辑业务板分配合理的处理任务。

各个逻辑业务板之间的负载均衡算法可以有多种实现方法，一般的做法有静态物理端口绑定逻辑业务板、动态物理端口绑定逻辑业务板、根据报文源ip哈希值重定向到某张逻辑业务板、根据报文目的ip哈希值重定向到某张逻辑业务板。从应用过程反馈的结果看，动态物理端口绑定逻辑业务板的负载算法是最佳实现方案。

动态物理端口绑定逻辑业务板的负载算法，是指主控板的管理控制面根据交换板的面板物理端口的link-up事件动态地为它分配和绑定逻辑业务板处理单元。按照这种算法，第一个link-up(插入网线和其它网络设备连通)的交换板面板物理端口，将分配到第一张逻辑业务板处理单元，依次类推。这种算法的事实依据是，通常交换板的面板物理端口能支持的数据速率为10gbps或者40gbps，而对应的一颗高性能的网络处理器能够转发的数据吞吐量不止10gbps或者40gbps，所以为物理端口绑定一张逻辑业务板(cpu处理器)可以确保业务转发顺利进行不丢包。

如图2所示，报文进入整机设备后，首先到达交换板。交换板对报文进行初步筛选，ip报文根据负载均衡算法投递给相应的业务板，非ip报文(通常是arp报文)投递给主控板。ip报文到达业务板后，从报文的报头信息里提取五个关键字段，和已经存在的缓存信息表进行查找匹配，如果匹配到则按照转发缓存信息表项的内容进行报文转换和发送，如果没有匹配到则投递给主控板进行完整路径转发和缓存信息学习。在业务板上转发面基于转发缓存信息进行转发，根据缓存信息的内容替换报文的ip报头信息和mac报头信息，有的数据流还要根据缓存的ipsec密钥信息进行报文数据内容的加密和解密操作。在主控板上转发面按照tcp/ip协议栈的处理方式分别对报文进行二层mac报头信息处理、三层ip报头信息处理、四层tcp/udp报头信息处理。在进行完整路径的转发处理过程，如果发现某一层的报头信息异常则丢弃报文并做异常信息日志记录，如果发现报文最终的目标地址是本设备则把报文投递到相应的管理控制面应用程序做进一步处理。如果整个完整路径转发处理顺利完成，报文最终从某个业务端口发送出去，则记录这个报文所对应的数据流的转发缓存信息。

本发明具有如下优点：

效果一、实现整机多板卡统一管理并行处理的ltesmallcell小基站接入网关产品，使其更加便于使用。

效果二、由于业务板业务转发缓存信息同步形成相互冗余备份，提高了系统和产品的可靠性，避免单张业务板硬件故障引起网络中断。

效果三、可以根据转发负载情况以及电力能源使用情况动态地对网关产品进行扩容或者节能操作，业务板卡可以热插拔，实现灵活可扩展的网关产品。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。