LTE網(wǎng)絡(luò)GTPv2協(xié)議監(jiān)測技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

程 方，楊 力，黃 建，蒲 偉

（重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室 重慶 400065）

1 引言

LTE是3G項(xiàng)目的長期演進(jìn)，是3G和4G技術(shù)之間的一個(gè)過渡[1]。目前，中國移動(dòng)正在主導(dǎo)建設(shè)LTE-TDD，并稱為TD-LTE。在2011年2月巴塞羅那舉辦的移動(dòng)世界大會(huì)上，中國移動(dòng)聯(lián)合全球多家主流運(yùn)營商發(fā)起了全球TD-LTE發(fā)展倡議（GTI），這一倡議旨在促進(jìn)TD-LTE的多方國際合作，共同解決TD-LTE發(fā)展的關(guān)鍵問題，加速推動(dòng)TD-LTE的規(guī)模商用，實(shí)現(xiàn)TD-LTE在全球的應(yīng)用和部署。隨著中國移動(dòng)7個(gè)地市LTE規(guī)模實(shí)驗(yàn)網(wǎng)開始建設(shè)，LTE已經(jīng)成為目前通信網(wǎng)絡(luò)的大熱門[2]。

對(duì)于有序排列的消息來講，兩個(gè)相鄰的可選或條件性可選信元不可以是相同類型的信元，這是因?yàn)橐坏┢渲腥魏我粋€(gè)信元不在，就無法確定另一個(gè)信元究竟是哪個(gè)參數(shù)。GTPv2協(xié)議引入了實(shí)例部分，很好地解決了這個(gè)問題：無論是信元有序還是無序，信元的定義順序不再受類型限制[3]。GTPv2協(xié)議運(yùn)用在S5/S8/S4/S11等多個(gè)EPC重要接口，因此GTPv2的研究具有深遠(yuǎn)而重要的意義。

本文的研究目的在于研究和實(shí)現(xiàn)一種LTE網(wǎng)絡(luò)GTPv2協(xié)議的監(jiān)測技術(shù)，該項(xiàng)目來源于重慶某通信技術(shù)公司的LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀，該測試儀采用模塊化思想，使軟件易于移植、維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)降低了開發(fā)難度、測試的復(fù)雜度及開發(fā)成本，本文的工作是其中GTPv2模塊的實(shí)現(xiàn)。論文采用了一種將消息標(biāo)識(shí)、偏移量結(jié)合起來標(biāo)識(shí)某個(gè)上層信息分組的數(shù)學(xué)模型，有效地解決了定位消息所屬呼叫流程、高效存儲(chǔ)CDR、原始信令消息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等問題。

2 GTPv2監(jiān)測模塊

2.1 GTPv2協(xié)議概述

控制面GTPv2消息頭格式如圖1所示[4]。

控制面GTPv2消息頭采用可變長度消息頭。

（1）T

TEID 標(biāo)識(shí)。當(dāng) T=0時(shí)，TEID 域不存在，k=0，m=0，n=5；當(dāng) T=1 時(shí)，TEID 域存在，k=1，m=5，n=9。

（2）Version

消息的版本標(biāo)識(shí)，這里的值應(yīng)為“010”。

（3）P

攜帶消息標(biāo)識(shí)符。當(dāng)P=0時(shí)，無攜帶消息；當(dāng)P=1時(shí)，本條消息緊接著存在另一條GTPv2-C消息，即為當(dāng)前消息的攜帶消息。

（4）Spare

發(fā)送端設(shè)置為0，接收端忽略該域。

GTP負(fù)責(zé)提供所有流程及隧道管理（創(chuàng)建、修改、釋放隧道）、位置管理消息等，UDP層協(xié)議則用于負(fù)責(zé)傳送信令消息[5]。每個(gè)GTP-C消息使用的源地址和目標(biāo)IP地址以及UDP端口的值，取決于消息在消息交換中的作用。這條消息可以是一個(gè)初步的消息，或觸發(fā)的消息，觸發(fā)消息的觸發(fā)回復(fù)消息。一個(gè)初始消息包含發(fā)送方選擇的序列號(hào)，發(fā)送給對(duì)等GTP實(shí)體。發(fā)送觸發(fā)消息以響應(yīng)初始消息。觸發(fā)回復(fù)消息可能被發(fā)送，用于響應(yīng)觸發(fā)信息。

2.2 GTPv2協(xié)議監(jiān)測模塊的總體設(shè)計(jì)

由圖2可知，GTPv2協(xié)議監(jiān)測模塊主要由GTPv2解碼模塊及GTPv2協(xié)議分析模塊組成，通過接口提供外部需要的不同功能?，F(xiàn)網(wǎng)采集卡完成對(duì)不同鏈路實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的捕獲。采集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后保存到數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，并由主控模塊調(diào)用GTPv2解碼模塊、GTPv2協(xié)議分析模塊進(jìn)行相應(yīng)的處理。為了提高網(wǎng)絡(luò)測試儀的處理效率，便于實(shí)現(xiàn)儀表功能升級(jí)，該測試儀采用模塊化思想，將GTPv2與下層各承載協(xié)議分離。

GTPv2解碼模塊由GTPv2簡單解碼、GTPv2詳細(xì)解碼、GTPv2合成解碼3個(gè)部分組成。其中，GTPv2簡單解碼及GTPv2合成解碼指嚴(yán)格按照消息到達(dá)的先后順序依次解碼分析處理，可以完成分片重組，在一個(gè)流程的不同消息之間傳遞較多的關(guān)聯(lián)信息，因此可以積累較多的信息，這些信息需要存儲(chǔ)下來，以供CDR過濾、消息過濾、CDR流程查看使用。GTPv2詳細(xì)解碼由用戶觸發(fā)，具有隨機(jī)性，可以先訪問第1條消息，接著訪問第70條消息。

GTPv2協(xié)議分析模塊由主控觸發(fā)，主要完成GTPv2消息流程的合成、統(tǒng)計(jì)功能以及完成多段關(guān)聯(lián)。解碼模塊以及協(xié)議分析模塊將自己相應(yīng)的信息存入解碼過程中的永久信息緩沖區(qū)及CDR記錄緩沖區(qū)，并由應(yīng)用進(jìn)程通過接口調(diào)用對(duì)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)。

3 GTPV2監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

3.1 GTPv2解碼功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

對(duì)于GTPv2的承載協(xié)議，GTPv2解碼按照 GTPv2協(xié)議對(duì)應(yīng)的消息類型進(jìn)行解碼。消息解碼在整個(gè)信令優(yōu)化分析系統(tǒng)中占據(jù)舉足輕重的地位，是進(jìn)行后續(xù)解析和合成的前提。對(duì)協(xié)議棧的消息進(jìn)行解碼依據(jù)協(xié)議棧消息結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行。解碼設(shè)計(jì)流程如圖3如示。

簡單解碼的目的是根據(jù)待解碼的數(shù)據(jù)，填充解碼結(jié)果表，并取出上層協(xié)議的分組交給協(xié)議棧，簡單解碼是為消息列表顯示和消息過濾時(shí)用的，外部對(duì)簡單解碼調(diào)用時(shí)，消息標(biāo)識(shí)MSGID參數(shù)具有隨機(jī)性。

合成解碼的目的是根據(jù)待解碼的數(shù)據(jù)，為后臺(tái)CDR合成服務(wù)。外部在調(diào)用合成解碼時(shí)，會(huì)逐條按順序調(diào)用合成解碼，在被調(diào)用方式上與簡單解碼存在不同。理論上說，在注冊(cè)時(shí)，注冊(cè)過的字段，如果對(duì)合成沒有幫助，合成解碼可以不解碼，不填充；在注冊(cè)時(shí)還可注冊(cè)一些專門為合成解碼服務(wù)的自定義字段，在簡單解碼時(shí)可以不填充。這也是合成解碼與簡單解碼的區(qū)別。如果存在分片重組情況，合成解碼需要進(jìn)行分片重組。

詳細(xì)解碼用于用戶詳細(xì)分析一個(gè)數(shù)據(jù)分組，需要依據(jù)協(xié)議，逐字節(jié)、逐比特進(jìn)行解碼，并能生成解碼結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)于分片重組的情況，詳細(xì)解碼只依據(jù)合成解碼分片重組處理的結(jié)果進(jìn)行，如果存在重組，此時(shí)詳細(xì)解碼需要拼裝出新的PDU，以完成解碼結(jié)果與原始數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)。詳細(xì)解碼主要由用戶觸發(fā)，用戶想查看某個(gè)消息，就對(duì)某個(gè)消息進(jìn)行詳細(xì)解碼，因此，調(diào)用詳細(xì)解碼時(shí)，消息標(biāo)識(shí)MSGID具有隨機(jī)性。

3.2 GTPV2合成功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

合成的本質(zhì)是對(duì)消息的處理，通過采集卡采集到核心網(wǎng)的消息只有時(shí)間順序和消息編號(hào)，如何在數(shù)百萬條中查找和定位與用戶業(yè)務(wù)相關(guān)或與信令相關(guān)的消息成為難點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用了散列索引合成方法。對(duì)GTPv2消息來說，不同的消息流程可以通過TEID（tunnel endpoint identifier）、IP地址、端口號(hào)來區(qū)分[6]。因此，以源、目的TEID，源、目的IP地址以及源、目的端口號(hào)作為散列索引的關(guān)鍵字段key值，該設(shè)計(jì)采用了除留余數(shù)法的散列方式。在合成模塊中，CGTPv2 CallInfor類用于提取消息的關(guān)鍵字段值，并提交給多段關(guān)聯(lián)模塊和統(tǒng)計(jì)出表模塊，是消息過程的基本表征載體。各接口的信令流程CDR類的字段值各有所不同，但也有相同的地方。將相同的字段提取為CDR基類，記錄消息的共同信息，如cdrid和各時(shí)間值等信息。再由CDR基類派生出各過程CDR子類，有助于明確各CDR所特有的字段。

對(duì)于每一條消息的分析流程如圖4所示。

步驟1：首先檢查消息是否超時(shí)，若超時(shí)刪除對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵字段key值，并將該CDRID對(duì)應(yīng)的信息存盤。并根據(jù)CGTPv2CallInfor傳送過來的解析信息建立散列的關(guān)鍵字段key值。

步驟2：判斷該消息是否是創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求消息，并根據(jù)關(guān)鍵字key值查找散列表，判斷CDR是否存在。若是創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求消息轉(zhuǎn)到步驟3，不是會(huì)話請(qǐng)求消息并且能找到對(duì)應(yīng)的CDR，轉(zhuǎn)到步驟5。

步驟3：如果沒找到對(duì)應(yīng)的CDR，創(chuàng)建新的 CDR，填寫基類信息，用于記錄消息的共同信息；如果找到對(duì)應(yīng)的 CDR，將關(guān)鍵字key值刪掉，并將該條信息存入 CDR緩存區(qū)。

步驟4：創(chuàng)建會(huì)話過程子CDR，轉(zhuǎn)到步驟7。

步驟5：取出該CDR信息，根據(jù)消息類型判斷是否是創(chuàng)建會(huì)話響應(yīng)消息，如果是，修改父CDR中源、目的TEID的值。

步驟6：提取父CDR的屬性值，將相對(duì)應(yīng)的父CDR屬性值賦給關(guān)鍵字段作為新的key值。

步驟7：結(jié)束本條消息的合成，進(jìn)行下一條消息的合成。

3.3 GTPv2多段關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

LTE核心網(wǎng)絡(luò)中GTPv2協(xié)議運(yùn)用于多個(gè)接口，如何將這些接口關(guān)聯(lián)是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。其工作原理跟CDR合成的原理類似，負(fù)責(zé)將接收到的CDR信息進(jìn)行整合。多段關(guān)聯(lián)的工作原理如圖5所示。

同一個(gè)流程CDR的不同消息之間存在關(guān)鍵的字段，不同接口的GTPv2協(xié)議中存在共同的源、目的TEID，源、目的IP地址，源、目的端口號(hào)。因此，在建立散列索引時(shí)只要將相同字段作為索引key值，每條消息到來時(shí)提取相應(yīng)的key值，然后進(jìn)行查詢，若存在關(guān)聯(lián)CDR將該CDR存儲(chǔ)，并更新CDR狀態(tài)。

4 監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及分析

通過與原始數(shù)據(jù)及協(xié)議進(jìn)行比對(duì)，詳細(xì)解碼準(zhǔn)確地對(duì)選定消息進(jìn)行了逐字逐比特的分析。儀表對(duì)過程結(jié)果可以根據(jù)手機(jī)IMSI、源TEID、目的TEID等識(shí)別號(hào)進(jìn)行過濾，準(zhǔn)確、快速捕捉。

如圖6所示為合成的結(jié)果，471 s SGW向PDN GW發(fā)起創(chuàng)建會(huì)話請(qǐng)求消息過程，IMSI號(hào)為460089990000015的移動(dòng)臺(tái)建立S5/S8接口的隧道，用于傳輸用戶數(shù)據(jù)。而在645 s的時(shí)候，用戶業(yè)務(wù)終止，又由PDN GW向MME發(fā)起刪除會(huì)話消息過程，刪除用戶的使用隧道標(biāo)志。S5/S8接口建立隧道的時(shí)長為2.94 s。通過具體分析各CDR合成流程圖，證明了該合成技術(shù)的正確性與有效性。

5 結(jié)束語

本文介紹了GTPv2協(xié)議監(jiān)測儀的功能設(shè)計(jì)方案，具體分析了GTPv2協(xié)議監(jiān)測解碼模塊、協(xié)議分析模塊的具體實(shí)現(xiàn)形式。傳統(tǒng)的合成一般使用IP網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，使用源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)和序號(hào)來標(biāo)識(shí)CDR過程，而在GTPv2協(xié)議監(jiān)測消息中增加了源TEID、目的TEID關(guān)鍵字段，且不同的消息對(duì)應(yīng)的TEID個(gè)數(shù)以及意義有所不同，GTPv2協(xié)議在LTE核心網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用于多個(gè)接口，因此選取關(guān)聯(lián)字段、關(guān)鍵字段是本方案的難點(diǎn)。

最后將方案編程實(shí)現(xiàn)，得到測試結(jié)果。測試結(jié)果表明：方案能正確有效地進(jìn)行協(xié)議解碼、協(xié)議分析、消息合成、CDR過濾、查找、導(dǎo)出等，且程序穩(wěn)定可靠，監(jiān)測效率較高。本方案已經(jīng)用于重慶中天重郵通信技術(shù)有限公司的LTE測試儀中，效果良好。

1 唐海.TD-LTE的標(biāo)準(zhǔn)化工作及進(jìn)展.電信科學(xué)，2009（1）

2 林輝.LTE-Advanced的標(biāo)準(zhǔn)化情況.電信科學(xué)，2009（1）

3 黃韜，劉韻潔，張智江等.LTE/SAE移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).北京：人民郵電出版社，2009

4 3GPP TS 29.274 V8.4.0.Evolved General Packet Radio Service(GPRS)Tunnelling Protocol for Control plane(GTPv2-C)

5 夏韃，雒江濤，張治中.TD-SCDMA測試儀中Iub接口CDR合成方案.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，19（1）：35～38

6 Manjua M,Varaprasad G.Implementation of Decoders for LTE Inferface Message.Journal of Ubiquitous Systems&Pervasire Networks,2011,2(3):55～58