专利名称：通信负荷分担系统及其方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术，特别涉及多个通信节点之间的负荷分担技术。
背景技术：
通用分组无线业务(General Packet Radio Service，简称“GPRS”)是全球移动系统(Global System for Mobile，简称“GSM”)第2.1阶段规范实现的内容之一，它通过在GSM系统中引入GPRS服务支持节点(Serving GPRSSupporting Node，简称“SGSN”)、GPRS网关支持节点(Gateway GPRSSuporting Node，简称“GGSN”)和分组控制单元，使GPRS系统能提供比现有GSM网的9.6kbit/s更高的数据速率。GPRS的优势在于资源利用率高、传输速率高、接入时间短、支持IP协议和X.25协议等。
GPRS移动台与GSM基站通信，将GPRS分组发送到基站。但与电路交换式的呼叫不同，GPRS分组是从基站发送到SGSN，而不是通过移动交换中心连接到语音网络上。SGSN与GGSN进行通信，将GPRS分组发送到GGSN。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如因特网或X.25网络。来自因特网的标识有移动台地址的IP包由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到移动台上。SGSN通过帧中继与基站收发子系统相连，是GSM网络与移动台之间的接口。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM网络和外部分组交换网的网关。GGSN主要是起网关作用，所以也将GGSN称为GPRS路由器。GGSN可以对GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。SGSN和GGSN利用GPRS隧道协议对IP或X.25分组进行封装，实现二者之间的数据传输。
当用户需要使用GPRS提供的无线分组业务时，首先需要在移动台上设定接入点名称(Access Point Name，简称“APN”)，然后向SGSN发出激活请求消息，发起激活流程。APN代表了GPRS接入的分组网络的名称。SGSN收到移动台发来的激活请求消息后，从中提取出APN信息，然后到域名服务器(Domain Name Server，简称“DNS”)查询需要接入到的GGSN网关的地址。当得到GGSN的地址后，SGSN向选定的GGSN发起创建分组数据协议(Packet Data Protocol，简称“PDP”)上下文请求消息，在得到GGSN发回的响应后，逻辑链路被激活，用户就可以通过选定的GGSN执行因特网浏览、多媒体短消息等GPRS提供的分组业务了。
一般一个城市或者局点只需设置一个GGSN即可了；但是随着移动数据业务的发展，移动用户的GPRS分组业务需求量越来越大，这样就有可能某个地区需要设置多个GGSN。此时就存在着多个GGSN节点之间的组网、业务负荷分担的问题。解决这个问题的一种方案是，按不同的接入点名称划分不同的GGSN。在DNS解析域名时，将根据接入点名称给出不同GGSN的地址，从而实现不同的GGSN分担不同网络的负荷。
在实际应用中，上述方案存在以下问题由于大多数情况下各个接入网络的业务量是不均等的，所以这种方法不能实现各个GGSN负荷的均匀分担。此外，每种接入网络使用一个GGSN网关，就不能利用各个GGSN的资源进行互相冗余备份，可靠性得不到保证。
造成这种情况的一个主要原因在于，这种方案简单的将某种接入网络分配给了某个GGSN，造成了各个GGSN的负荷不均匀，各个GGSN也不能互为备份。
另外一种现有技术是在SGSN和DNS上配置地址轮选功能。在DNS的域名解析表中为每个域名配置多个GGSN的地址，假定有3个GGSN，地址分别为IP1、IP2、IP3，DNS每次进行域名解析的时候依次轮换它给出的地址列表的排列顺序，如第一次给出的是IP1、IP2、IP3(DNS一次返回多个GGSN地址供移动台选择)，第二次给出IP2、IP3、IP1，第三次给出IP3、IP1、IP2，依此类推。同样，也可以在SGSN上依次轮选多个地址中的一个作为选定的GGSN的地址。这样也可以在一定程度上做到各GGSN的负荷分担。
在实际应用中，上述方案存在以下问题多个GGSN之间还是不能达到很好的负荷均匀分担、冗余保护的目的。
造成这种情况的一个主要原因在于，这种方案中的SGSN和多个GGSN之间没有资源信息交互的手段，不能根据各GGSN的负荷状况智能地进行业务量分配。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种通信负荷分担系统及其方法，使得多个GGSN能够有效地分担负荷并提供冗余保护。
为实现上述目的，本发明提供了一种通信负荷分担系统，包含至少两个通用分组无线业务网关支持节点，其中至少有一个为主节点，另外至少有一个为从节点；所述主节点用于维护所述系统中所有通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况，接收到来自通用分组无线业务服务支持节点的创建分组数据协议上下文请求消息时，判断本主节点是否为当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点，如果是则对该请求消息进行处理，否则把该请求消息转发给当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点；所述从节点用于对来自所述主节点的所述请求消息进行处理。
其中，所述系统至少包含两个所述主节点。
所述主节点通过通用无线分组服务隧道协议消息的私有信息单元获得其他通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况信息。
所述资源占用情况可以是激活的用户数或占用的地址池数。
所述通用分组无线业务网关支持节点属于通用分组无线业务系统或宽带码分多址系统。
本发明还提供了一种通信负荷分担方法，所述通用分组无线业务网关支持节点至少有两个，其中至少有一个为主节点，每一个主节点中维护着所有通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况；所述方法包含以下步骤B所述通用分组无线业务服务支持节点向所述主节点发送创建分组数据协议上下文请求消息；C所述主节点判断本主节点是否为当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点，如果是则对所述请求消息进行处理，否则把所述请求消息转发给当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点进行处理；其中，还包含以下步骤D创建分组数据协议上下文成功以后，数据流直接在处理所述请求消息的通用分组无线业务网关支持节点和所述通用分组无线业务服务支持节点之间交互。
在所述步骤B之前，还包含以下步骤A通用分组无线业务服务支持节点向域名服务系统查询并获得所述主节点的地址；其中，所述步骤C中还包含以下子步骤如果是所述主节点处理了所述请求消息，则所述主节点向所述通用分组无线业务服务支持节点发送创建分组数据协议上下文响应消息；如果是其他通用分组无线业务网关支持节点处理了所述请求消息，则该通用分组无线业务网关支持节点向所述主节点发送创建分组数据协议上下文响应消息，所述主节点向所述通用分组无线业务服务支持节点转发该创建分组数据协议上下文响应消息。
所述步骤C中，当所述主节点收到来自其他主节点的创建分组数据协议上下文请求消息时，所述主节点对该请求消息直接进行处理。
所述步骤A还进一步包含以下子步骤A1所述通用分组无线业务服务支持节点向所述域名服务系统查询通用分组无线业务网关支持节点的地址；A2所述域名服务系统向所述通用分组无线业务服务支持节点以随机的次序返回多个所述主节点的地址；A3所述通用分组无线业务服务支持节点从返回的多个所述主节点地址中任意选取一个用于发送所述创建分组数据协议上下文请求消息。
所述通用分组无线业务网关支持节点属于通用分组无线业务系统或宽带码分多址系统。
通过比较可以发现，本发明的技术方案与现有技术的区别在于，引入了主-从GGSN的组网方式，主GGSN可以有多个，在主GGSN上进行功能增强，利用标准GTP协议进行GGSN节点间的信息交互和信令转发，实现了链路检测，并在主GGSN上维护了各GGSN的负荷状态信息。本发明中提到的对负荷状态信息的维护是指不断查询各GGSN的负荷状态信息、用查询到的信息不断刷新本身保存的各GGSN的负荷状态信息。
这种技术方案上的区别，带来了较为明显的有益效果，即因为在主GGSN上维护了各个GGSN的负荷状态信息，因此主GGSN可以在收到信令时找到负荷最轻的GGSN进行转发，实现了多个GGSN的均匀负荷分担；又因为使用了多个主GGSN，每一个主GGSN的功能相同并且和其他GGSN都有连接，因此只要有一个主GGSN还能够正常工作就能够保证整个系统不会完全失效，系统的可靠性得到了保证；这种主-从GGSN的组网模式非常灵活，并可随着网络业务量的增加而继续扩充，满足了大业务量的GPRS和WCDMA网络需求。
图1是根据本发明的一个实施例的多个GGSN以主从(单主GGSN)方式组网结构图；图2是根据本发明的一个实施例的多个GGSN以主从(多主GGSN)方式组网结构图；图3是根据本发明的一个实施例的多个GGSN以主从方式组网的业务消息流程图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，以单主GGSN方式组网的多GGSN系统由SGSN 11，主GGSN 21，1号从GGSN 31，2号从GGSN 32和DNS 41构成。其中SGSN 11分别和DNS 41以及主GGSN 21相连接。主GGSN21分别和从GGSN 31和从GGSN 32相连接。在SGSN 11看来，只存在主GGSN 21。在本发明的另一个实施例中，可以有两个以上的从GGSN，所有的从GGSN都和主GGSN连接。
SGSN 11负责接收来自用户的GPRS业务请求，将该请求转变为相应的创建PDP上下文请求消息后根据DNS返回的GGSN地址将其发往主GGSN21。主GGSN 21除了具备普通GGSN的所有功能之外，还维护了从GGSN 31和从GGSN 32的资源占用信息。主GGSN 21不断通过链路检测消息了解每个从GGSN的资源占用情况(包括激活的用户数、占用的地址池数等)并更新信息。需要说明的是，链路检测采用的是标准GPRS隧道协议(GPRS TunnelProtocol，简称“GTP”)握手消息，利用消息的私有信息单元扩展GGSN节点间需要交互的信息。当主GGSN 21收到创建PDP上下文请求消息之后，根据自己维护的信息选择最空闲的GGSN转发，从而有效地实现了负荷分担。转发消息也采用标准的GTP消息，目的是为了保证从GGSN能够正常处理。
从GGSN 31和从GGSN 32只需要告知主GGSN 21自身的资源占用信息以及处理转自主GGSN 21的创建PDP上下文请求消息，他们本身不需要维护资源占用信息。
DNS 41主要负责向SGSN 11提供合适的GGSN的地址，采用图1所示的系统结构，只需将该地址固定为主GGSN 21的地址即可。
图1所示的系统结构能够很好地实现多个GGSN之间的负荷分担，但是一旦SGSN 11和主GGSN 21之间或者主GGSN 21和任一从GGSN之间的链路发生故障将会造成大范围的影响。出于安全性考虑，本发明又对图1所示系统结构作了如下改进在本发明的一个较佳实施例中增加了另一个主GGSN 32，如图2所示，以多个主GGSN方式组网的多GGSN系统由SGSN 11、主GGSN 21、主GGSN22、从GGSN 31、从GGSN 32和DNS 41构成。其中SGSN 11除了与DNS 41相连之外，还分别与主GGSN 21和主GGSN 22相连接。主GGSN 21和主GGSN 22分别与从GGSN 31和从GGSN 32相连接，两个主GGSN也相互连接。在SGSN11看来，只存在主GGSN 21和主GGSN 22。而对主GGSN 21而言，主GGSN 22、从GGSN 31和从GGSN 32都是它的从GGSN；同样地，主GGSN 22也将主GGSN 21、从GGSN 31和从GGSN 32视为它的从GGSN。
图2中各实体(包含DNS、SGSN、主GGSN、从GGSN)的功能以及相互之间的消息与图1中相同，只是SGSN 11在用户上网过程中，可以根据DNS 41的解析结果任意选择主GGSN 21或者主GGSN 22接入，而这两个主GGSN可以根据自己所维护的资源的忙闲信息选择自己处理或者转发给自己所连3个从GGSN(另一个主GGSN也被当前GGSN视为从GGSN)中任意一个进行处理。但是需要注意的是，每个PDP上下文请求消息最多只能被转发一次，否则可能导致PDP上下文请求消息被无限制地转发。相对于图1所示的系统，改进后的系统除了能够有效地进行负荷分担之外还有了一定的冗余度，从而提高了系统的可靠性。
值得一提的是，随着网络规模的扩大，当原有的系统的GGSN负荷都过重时，可以按照图2所示的结构方便地进行扩容，增加主GGSN和从GGSN，从而建立超大GGSN节点。例如主GGSN可以扩展为3个，从GGSN可以扩展为6个。熟悉本领域的技术人员可以知道，WCDMA网络和GPRS网络都拥有SNSN和GGSN节点，功能也一致，因此本发明提出的结构同时适用于GPRS网络和WCDMA网络。
以上说明了本发明的通信负荷分担系统，下面结合该系统说明本发明的通信负荷分担方法。
如图3所示，在步骤101，当SGSN 11接收到用户上网请求后，向DNS41发起DNS查询请求消息，查询所需接入的主GGSN的地址。
接着进入步骤102，DNS 41向SGSN 11返回DNS查询响应消息，消息中带有全部或部分可供接入的主GGSN的地址。这些地址信息通常是预先配置在DNS 41中。例如对于图2所示的系统，DNS 41中保存了各主GGSN(GGSN 21和GGSN 22)的地址。
接着进入步骤103，SGSN 11根据DNS 41返回的地址，选择主GGSN 21进行接入并向其发起创建PDP上下文请求消息，通常消息中包含所采用的协议类型、接入点名称、服务质量等信息。主GGSN的选择是随机的，也可以选择GGSN 22，这里以GGSN 21为例进行说明。
接着进入步骤104，主GGSN 21根据自己所维护的各GGSN节点资源使用情况，将发自SGSN 11的创建PDP上下文请求消息转发给较为空闲的从GGSN 31。需要说明的是，主GGSN 21中包含本身和所有与其相连接的从GGSN节点的资源占用信息，如果采用多主GGSN方式，那么还包括其他与其相连的主GGSN节点资源占用信息。除了本身的信息之外，其他各个节点的信息都是通过链路检测机制获得的。除了图示的情况外，如果主GGSN 21本身就是最空闲的，则可以不转发该消息而自己处理该次会话，直接向SGSN11回复创建PDP上下文响应消息，进入步骤106。
接着进入步骤105，从GGSN 31接收到主GGSN 21转发来的创建PDP上下文请求消息后，向主GGSN 21发送创建PDP上下文响应消息，该消息中包含从GGSN 31的地址。
接着进入步骤106，主GGSN 21将发自从GGSN 31的创建PDP上下文响应消息转发给SGSN11，由SGSN 11反馈给用户。对于主GGSN 21自己处理的会话，则不是转发而是主动向SGSN 11发出创建PDP上下文响应消息。
步骤103到步骤106中，如果主GGSN21对创建PDP上下文请求消息需要转发，可以采用申请号为02129375.9的中国专利中提出的技术。在该专利中，假定系统中有代号为A的SGSN，代号为B的GGSN和代号为C的GGSN，如果要通过B的转发实现A和C的连接，则可以采用以下步骤首先A向B发送激活PDP上下文请求消息，该消息的IP头中源地址为A，目的地址为B，该消息中包含两个信元“SGSN Address for signalling”和“SGSN Address for user traffic”，分别代表该PDP上下文使用的SGSN信令地址和数据地址。该消息关键信息如下
IP headerA-＞BSGSN Address for signallingASGSN Address for user trafficA其次B将该消息向C转发。其中IP头中源地址为B，目的地址为C，GTP包的内容不做任何修改。该消息关键信息如下IP headerB-＞CSGSN Address for signallingASGSN Address for user trafficA再次C接收到激活请求消息之后将会建立一个PDP上下文，根据GTP协议，其中SGSN信令地址应该为激活请求消息中携带的信元SGSN Addressfor signallingA，SGSN数据地址为消息中携带的信元SGSN Address for usertrafficA，并指定GGSN信令和数据地址为本身的地址C，然后返回一个激活响应消息，根据GTP协议，该消息IP头中源地址应该为C，目的地址为B。激活响应消息中包含两个信元“GGSN Address for signalling”和“GGSNAddress for user traffic”，分别代表该PDP上下文使用的GGSN信令地址和数据地址，其值为C。该消息关键信息如下IP headerC-＞BGGSN Address for signallingCGGSN Address for user trafficC接着B接收到激活响应消息之后向A转发，消息IP头中源地址为B，目的地址为A，B对激活响应消息中的内容不关心也不做任何修改。该消息关键信息如下IP headerB-＞A
GGSN Address for signallingCGGSN Address for user trafficC最后A接收到激活响应消息，建立一个PDP上下文，根据GTP协议，PDP上下文中的SGSN地址应该是其自身指定的地址A，GGSN信令地址应该是激活响应消息中携带的信元GGSN Address for signallingC，GGSN数据地址为消息中携带的信元GGSN Address for user trafficC；这样在A和C之间就建立了一对PDP上下文，其中SGSN地址为A、GGSN地址为C，相当于就是在A和C之间建立了一条GTP消息传输的逻辑通道，后续的GTP信令消息以及GTP数据包，都是在A和C之间直接交互，不再涉及B。
接着进入步骤107，用户获取到从GGSN 31的地址后，便将从GGSN 31作为网关，开始上网，进行数据传输过程。需要说明的是，数据流不再需要经过主GGSN 21转发，而是在SGSN 11和真正激活的从GGSN 31之间直接交互。
当用户结束上网时，进入步骤108。SGSN 11直接向从GGSN 31发起删除PDP上下文请求消息，告之数据传送结束。
接着进入步骤109，从GGSN 31向SGSN 11回送删除PDP上下文响应消息，至此完整的一次GPRS上网过程结束。
虽然通过参照本发明的某些优选实施例，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种通信负荷分担系统，其特征在于，包含至少两个通用分组无线业务网关支持节点，其中至少有一个为主节点，另外至少有一个为从节点；所述主节点用于维护所述系统中所有通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况，接收到来自通用分组无线业务服务支持节点的创建分组数据协议上下文请求消息时，判断本主节点是否为当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点，如果是则对该请求消息进行处理，否则把该请求消息转发给当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点；所述从节点用于对来自所述主节点的所述请求消息进行处理。
2.根据权利要求1所述的通信负荷分担系统，其特征在于，所述系统至少包含两个所述主节点。
3.根据权利要求2所述的通信负荷分担系统，其特征在于，所述主节点通过通用无线分组服务隧道协议消息的私有信息单元获得其他通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况信息。
4.根据权利要求2所述的通信负荷分担系统，其特征在于，所述资源占用情况可以是激活的用户数或占用的地址池数。
5.根据权利要求1至3中任意一条所述的通信负荷分担系统，其特征在于，所述通用分组无线业务网关支持节点属于通用分组无线业务系统或宽带码分多址系统。
6.一种通信负荷分担方法，其特征在于，所述通用分组无线业务网关支持节点至少有两个，其中至少有一个为主节点，每一个主节点中维护着所有通用分组无线业务网关支持节点的资源占用情况；所述方法包含以下步骤B通用分组无线业务服务支持节点向所述主节点发送创建分组数据协议上下文请求消息；C所述主节点判断本主节点是否为当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点，如果是则对所述请求消息进行处理，否则把所述请求消息转发给当前资源占用最少的通用分组无线业务网关支持节点进行处理。
7.根据权利要求6所述的通信负荷分担方法，其特征在于，还包含以下步骤D创建分组数据协议上下文成功以后，数据流直接在处理所述请求消息的通用分组无线业务网关支持节点和所述通用分组无线业务服务支持节点之间交互。
8.根据权利要求7所述的通信负荷分担方法，其特征在于，在所述步骤B之前还包含以下步骤A所述通用分组无线业务服务支持节点向域名服务系统查询并获得所述主节点的地址；
9.根据权利要求6所述的通信负荷分担方法，其特征在于，所述步骤C中还包含以下子步骤如果是所述主节点处理了所述请求消息，则所述主节点向所述通用分组无线业务服务支持节点发送创建分组数据协议上下文响应消息；如果是其他通用分组无线业务网关支持节点处理了所述请求消息，则该通用分组无线业务网关支持节点向所述主节点发送创建分组数据协议上下文响应消息，所述主节点向所述通用分组无线业务服务支持节点转发该创建分组数据协议上下文响应消息。
10.根据权利要求6所述的通信负荷分担方法，其特征在于，所述步骤C中，当所述主节点收到来自其他主节点的创建分组数据协议上下文请求消息时，所述主节点对该请求消息直接进行处理。
11.根据权利要求8所述的通信负荷分担方法，其特征在于，所述步骤A还进一步包含以下子步骤A1所述通用分组无线业务服务支持节点向所述域名服务系统查询通用分组无线业务网关支持节点的地址；A2所述域名服务系统向所述通用分组无线业务服务支持节点以随机的次序返回多个所述主节点的地址；A3所述通用分组无线业务服务支持节点从返回的多个所述主节点地址中任意选取一个用于发送所述创建分组数据协议上下文请求消息。
12.根据权利要求6至11中任意一条所述的通信负荷分担方法，其特征在于，所述通用分组无线业务网关支持节点属于通用分组无线业务系统或宽带码分多址系统。
全文摘要
本发明涉及移动通信技术，公开了一种通信负荷分担系统及其方法，使得多个GGSN能够有效地分担负荷并提供冗余保护。这种通信负荷分担系统及其方法使用主从方式对多个GGSN进行组网，其中至少有一个GGSN为主节点，每一个主节点中维护着所有GGSN的资源占用情况，当SGSN向DNS查询时，DNS返回主节点地址，SGSN向主节点发送创建PDP上下文请求消息，主节点判断本地是否资源占用最少的GGSN，如果是则直接处理该请求消息，否则把该请求消息转发给资源占用最少的GGSN，转发不能超过一次；创建PDP上下文成功以后，数据流直接在SGSN和真正激活的GGSN之间交互。
文档编号H04W28/08GK1691796SQ20041003880
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月30日 优先权日2004年4月30日
发明者卢鑫刚 申请人:华为技术有限公司