基于OSPF的LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計分析

李烜焱

摘要隨著通信技術(shù)的發(fā)展與普及，人們對于高速無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加。4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)滿足了這樣的發(fā)展要求，當前新興的LTE技術(shù)標準則是通向4G的必由之路。為了保證LTE網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸要求和整體性能，可以利用開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）路由協(xié)議進行LTE的傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計。文章介紹了LTE內(nèi)涵，并通過對MME域間的OSPF區(qū)域組網(wǎng)進行討論，以有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。

關(guān)鍵詞LTE；OSPF；MME

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0014-02

3G技術(shù)為人們帶來了翻天覆地的變化，但用戶也切身感覺到了其技術(shù)水平的限制及不足之處。這些不足與缺陷促使著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。而LTE的出現(xiàn)恰如其分地滿足了高數(shù)據(jù)交互的移動互聯(lián)網(wǎng)要求。LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進。

在核心組網(wǎng)方面，LTE標準采用了EPS（Evolved Packet System）演進分組系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)，并由MME（Mobility Management Entity）移動管理實體作為eNB（Evolved Node B）演進型基站的實體管理單元。MME可以在實際應用中組成相互對等的組網(wǎng)關(guān)系，并形成特定的MME域池。在MME域池中，不同的MME可以實現(xiàn)快速信息交互。為了保證其傳輸質(zhì)量，可以采用OSPF協(xié)議進行組網(wǎng)設(shè)計，以達到良好的網(wǎng)絡(luò)交互能力。

1EPS系統(tǒng)架構(gòu)

為了提升4G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，3GPP組織在研制R8標準時啟動了長期演進（LTE）與系統(tǒng)架構(gòu)演進（SAE）項目，項目采用了全IP的LTE/SAE系統(tǒng)架構(gòu)（SAE后更名為EPC），并標準化了架構(gòu)中的無線關(guān)鍵技術(shù)、接口協(xié)議、信令流程、系統(tǒng)安全等。OFDM、MIMO等無線關(guān)鍵技術(shù)也被應用于LTE系統(tǒng)的空中接口，新技術(shù)的應用使得上/下行峰值速率分別達到了50Mbps和100Mbps。扁平化結(jié)構(gòu)的LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）可使數(shù)據(jù)傳輸時延大幅降低。核心網(wǎng)中的分組核心網(wǎng)架構(gòu)更可以支持EPS與UMTS系統(tǒng)間的互操作，并使EPS可以接入多種非3GPP無線子系統(tǒng)。

圖1EPS實體與接口

由圖1可以看到在一個完整的EPS模型[1]中，MME是管理核心。而在實際應用中，整個網(wǎng)絡(luò)則是由許多MME構(gòu)成。而同等的MME可以構(gòu)成一個MME域池，在域池中，網(wǎng)絡(luò)信息高速交換。在實際不同地域的用戶可以通過同一個MME域池的快速鑒權(quán)實現(xiàn)資源共享，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，提升了整個網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

圖2EPS中的幀結(jié)構(gòu)

在EPS中的幀結(jié)構(gòu)則含有多種包頭，其中L1、L2可以實現(xiàn)eNodeB與MME之間的實際數(shù)據(jù)傳輸可以通過ATM等方式實現(xiàn)。這也為我們使用OSPF協(xié)議進行MME組網(wǎng)提供了先決條件。

2OSPF路由協(xié)議

1）開放最短路徑優(yōu)先。OSPF協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。[2]作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其主要實現(xiàn)在同一個AS（Autonomous System）自治系統(tǒng)中的路由器之間交換路由信息并實現(xiàn)其互聯(lián)互通的功能。采用OSPF協(xié)議的路由器將保存保存整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息，實現(xiàn)彼此交換，并在全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中獨立計算路由。著名的Dijkstra算法被用來計算最短路徑樹，其會產(chǎn)生一個無環(huán)路徑圖表。作為一種鏈路狀態(tài)協(xié)議，其適合組建大型網(wǎng)絡(luò)，帶寬利用率高，這也是對于MME域組網(wǎng)最為關(guān)鍵的因素。因此選用OSPF為組網(wǎng)方案。

2）OSPF工作過程。OSPF工作主要可以分為五個步驟：①通過發(fā)送Hello報文在路由器之間建立鄰居關(guān)系。②每臺路由器接收其鄰接路由器發(fā)送的LSA（Link-State Advertisement）鏈路狀態(tài)通告。并在接收到LSA之后再向其鄰接的其他路由器轉(zhuǎn)發(fā)這些LSA。③所有的路由器通過在一個區(qū)域內(nèi)傳遞相同的LSA構(gòu)建一個相同的LSDB（Link-State Database，鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）。④在鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完成后，每臺路由器基于本地的LSDB，執(zhí)行SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法。以本地路由器為根，生成一個SPF樹。⑤通過生成的SPF樹，計算每一個目的路由的最短路徑，即路由表，通過路由表可以找到各個目的路由的最優(yōu)選擇路徑。

3）多區(qū)域OSPF模型。OSPF設(shè)計多用于分層的結(jié)構(gòu)中，使用OSPF可以將大型的網(wǎng)絡(luò)分割成一些小的地區(qū)網(wǎng)絡(luò)[3]。

圖3典型自治系統(tǒng)模型

如圖3所示，OSPF必須要有一個地區(qū)0，作為主干網(wǎng)工作，每個自治區(qū)域均需要與自己的地區(qū)0相連。而那些沒有直接連接到地區(qū)0的地區(qū)可以使用虛擬鏈路進行連接。而那些在一個AS內(nèi)部直接與主干網(wǎng)相連的路由器，被稱為地區(qū)邊界路由器（ABR）。OSPF協(xié)議一般都是在某個自治系統(tǒng)內(nèi)部獨立運行的，但是多個自治系統(tǒng)也是可以互相連接的。將這些獨立運行的自治系統(tǒng)連接到一起的路由器被稱為自治系統(tǒng)邊界路由器（ASBR）[4]。

4）OSPF在EPS中的應用。LTE的無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）在去掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，這樣基站就承接了很多原來RNC的功能。eNodeB和核心網(wǎng)的接口為S1，包括S1-MME（與MME相連的接口）和S1-U（與SGW相連的接口）。S1-U主要承擔了話音和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)交互，由于LTE中話音和數(shù)據(jù)都是走的分組域的IP包，那么話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就可以歸一化交互了。這樣，在傳輸中即可主要考慮信令的傳輸[5]。

MME（移動性管理實體），負責位置更新、鑒權(quán)加密等工作，同時也承擔部分無線資源管理（切換、功控等）功能。

圖4扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)接入結(jié)構(gòu)給OSPF的應用提供了空間。由于OSPF會聚快，并且由地區(qū)和自治系統(tǒng)組成，這樣對基站和MME之間的互通提供了有利條件。并且由對等MME組成的MME域池也可看成是一個OSPF地區(qū)的邏輯末端，這樣可以靈活實現(xiàn)MME域擴展[6]。

在圖5中可以看到一個由兩個MME組成的MME域。在這個模型中，有兩個ABR和兩個ASBR（這里僅說明簡單的MME域，現(xiàn)網(wǎng)中可能采用多個MME疊加）。于是就可以將MME域的傳輸管理轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€自治系統(tǒng)的疊加管理。

圖5一個利用OSPF組網(wǎng)的MME域

3模擬OSPF組網(wǎng)

1）模擬OSPF多區(qū)域的組網(wǎng)。運用Cisco Packet Tracer可以模擬組建一個OSPF多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，其中選用Cisco 7200系列的路由器模型[7]。如圖6所示，主要地區(qū)0主要集中在140.140.0.0網(wǎng)段，地區(qū)1和地區(qū)2分別為150.150.0.0和150.151.0.0。

圖6模擬OSPF拓撲圖

其中主要針對邊界路由器A和B進行配置說明。邊界路由器構(gòu)成了不同地區(qū)間的互聯(lián)，并可以實現(xiàn)跨區(qū)域的交互。這樣就能夠?qū)outer A和Router B進行基本連通配置，如圖7所示。其中主要配置了IP地址和時鐘速率。

圖7Router A和Router B的基本連通配置

在完成邊界路由器的基本配置后，可以配置OSPF路由協(xié)議。如圖8所示，其中定義了地區(qū)0、地區(qū)1和地區(qū)2的關(guān)系。

圖8Router A和Router B的OSPF基本配置

2）虛鏈路。虛鏈路是指一條通過一個區(qū)域連接到另外一個區(qū)域的鏈路。使用虛鏈路可以實現(xiàn)不同區(qū)域的互聯(lián)，這種做法對MME域的快速擴展有著十分重要的意義。一方面，可以減少網(wǎng)絡(luò)的開銷；另一方面，可以增加MME域中NAS信令的廣播。這里可以不考慮地區(qū)0的骨干區(qū)域的作用，因為MME域中的MME是對等的，所以非骨干區(qū)域的互聯(lián)更有意義。

圖9Router A和Router B的虛鏈路配置

如圖9，即完成了Router A和Router B的虛鏈路配置。在完成配置后，基本就可以實現(xiàn)MME間的交互。最后可以在特權(quán)模式下，對兩臺路由器使用“show ip route”命令查看個路由器的路由信息。從顯示的結(jié)果中可以看到兩臺路由器都可以獲得每個目的網(wǎng)段的拓撲信息。

4結(jié)論

OSPF層次結(jié)構(gòu)可以減少路由選擇的開銷，加速匯聚，以單一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)縮小整體網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中還支持縮放，擁有不受限的跳計數(shù)和不同類型設(shè)備的集成組網(wǎng)。這些優(yōu)點恰恰是EPS中的MME域集成所需要的。通過對OSPF路由協(xié)議和MME域的組合應用模擬，有助于提高現(xiàn)實組網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的效率，大大提高網(wǎng)絡(luò)管理能力。

參考文獻

[1] Qualcomm. LTE Call Processing[R].80-W2598-1 REVH，2013.

[2]崔北亮.CCNA認證指南（640-802）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]沈海媚.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)——路由與交換[M].杭州：浙江大學出版社，2005.

[4]劉忠慶.CCNP實戰(zhàn)指南：路由[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[5]中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) http：//www.cnii.com.cn .

[6]胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[7]黃偉.Packet Tracer軟件在網(wǎng)絡(luò)實驗教學中的應用[J].科技廣場，2009.

endprint

摘要隨著通信技術(shù)的發(fā)展與普及，人們對于高速無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加。4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)滿足了這樣的發(fā)展要求，當前新興的LTE技術(shù)標準則是通向4G的必由之路。為了保證LTE網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸要求和整體性能，可以利用開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）路由協(xié)議進行LTE的傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計。文章介紹了LTE內(nèi)涵，并通過對MME域間的OSPF區(qū)域組網(wǎng)進行討論，以有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。

關(guān)鍵詞LTE；OSPF；MME

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0014-02

3G技術(shù)為人們帶來了翻天覆地的變化，但用戶也切身感覺到了其技術(shù)水平的限制及不足之處。這些不足與缺陷促使著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。而LTE的出現(xiàn)恰如其分地滿足了高數(shù)據(jù)交互的移動互聯(lián)網(wǎng)要求。LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進。

在核心組網(wǎng)方面，LTE標準采用了EPS（Evolved Packet System）演進分組系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)，并由MME（Mobility Management Entity）移動管理實體作為eNB（Evolved Node B）演進型基站的實體管理單元。MME可以在實際應用中組成相互對等的組網(wǎng)關(guān)系，并形成特定的MME域池。在MME域池中，不同的MME可以實現(xiàn)快速信息交互。為了保證其傳輸質(zhì)量，可以采用OSPF協(xié)議進行組網(wǎng)設(shè)計，以達到良好的網(wǎng)絡(luò)交互能力。

1EPS系統(tǒng)架構(gòu)

為了提升4G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，3GPP組織在研制R8標準時啟動了長期演進（LTE）與系統(tǒng)架構(gòu)演進（SAE）項目，項目采用了全IP的LTE/SAE系統(tǒng)架構(gòu)（SAE后更名為EPC），并標準化了架構(gòu)中的無線關(guān)鍵技術(shù)、接口協(xié)議、信令流程、系統(tǒng)安全等。OFDM、MIMO等無線關(guān)鍵技術(shù)也被應用于LTE系統(tǒng)的空中接口，新技術(shù)的應用使得上/下行峰值速率分別達到了50Mbps和100Mbps。扁平化結(jié)構(gòu)的LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）可使數(shù)據(jù)傳輸時延大幅降低。核心網(wǎng)中的分組核心網(wǎng)架構(gòu)更可以支持EPS與UMTS系統(tǒng)間的互操作，并使EPS可以接入多種非3GPP無線子系統(tǒng)。

圖1EPS實體與接口

由圖1可以看到在一個完整的EPS模型[1]中，MME是管理核心。而在實際應用中，整個網(wǎng)絡(luò)則是由許多MME構(gòu)成。而同等的MME可以構(gòu)成一個MME域池，在域池中，網(wǎng)絡(luò)信息高速交換。在實際不同地域的用戶可以通過同一個MME域池的快速鑒權(quán)實現(xiàn)資源共享，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，提升了整個網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

圖2EPS中的幀結(jié)構(gòu)

在EPS中的幀結(jié)構(gòu)則含有多種包頭，其中L1、L2可以實現(xiàn)eNodeB與MME之間的實際數(shù)據(jù)傳輸可以通過ATM等方式實現(xiàn)。這也為我們使用OSPF協(xié)議進行MME組網(wǎng)提供了先決條件。

2OSPF路由協(xié)議

1）開放最短路徑優(yōu)先。OSPF協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。[2]作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其主要實現(xiàn)在同一個AS（Autonomous System）自治系統(tǒng)中的路由器之間交換路由信息并實現(xiàn)其互聯(lián)互通的功能。采用OSPF協(xié)議的路由器將保存保存整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息，實現(xiàn)彼此交換，并在全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中獨立計算路由。著名的Dijkstra算法被用來計算最短路徑樹，其會產(chǎn)生一個無環(huán)路徑圖表。作為一種鏈路狀態(tài)協(xié)議，其適合組建大型網(wǎng)絡(luò)，帶寬利用率高，這也是對于MME域組網(wǎng)最為關(guān)鍵的因素。因此選用OSPF為組網(wǎng)方案。

2）OSPF工作過程。OSPF工作主要可以分為五個步驟：①通過發(fā)送Hello報文在路由器之間建立鄰居關(guān)系。②每臺路由器接收其鄰接路由器發(fā)送的LSA（Link-State Advertisement）鏈路狀態(tài)通告。并在接收到LSA之后再向其鄰接的其他路由器轉(zhuǎn)發(fā)這些LSA。③所有的路由器通過在一個區(qū)域內(nèi)傳遞相同的LSA構(gòu)建一個相同的LSDB（Link-State Database，鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）。④在鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完成后，每臺路由器基于本地的LSDB，執(zhí)行SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法。以本地路由器為根，生成一個SPF樹。⑤通過生成的SPF樹，計算每一個目的路由的最短路徑，即路由表，通過路由表可以找到各個目的路由的最優(yōu)選擇路徑。

3）多區(qū)域OSPF模型。OSPF設(shè)計多用于分層的結(jié)構(gòu)中，使用OSPF可以將大型的網(wǎng)絡(luò)分割成一些小的地區(qū)網(wǎng)絡(luò)[3]。

圖3典型自治系統(tǒng)模型

如圖3所示，OSPF必須要有一個地區(qū)0，作為主干網(wǎng)工作，每個自治區(qū)域均需要與自己的地區(qū)0相連。而那些沒有直接連接到地區(qū)0的地區(qū)可以使用虛擬鏈路進行連接。而那些在一個AS內(nèi)部直接與主干網(wǎng)相連的路由器，被稱為地區(qū)邊界路由器（ABR）。OSPF協(xié)議一般都是在某個自治系統(tǒng)內(nèi)部獨立運行的，但是多個自治系統(tǒng)也是可以互相連接的。將這些獨立運行的自治系統(tǒng)連接到一起的路由器被稱為自治系統(tǒng)邊界路由器（ASBR）[4]。

4）OSPF在EPS中的應用。LTE的無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）在去掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，這樣基站就承接了很多原來RNC的功能。eNodeB和核心網(wǎng)的接口為S1，包括S1-MME（與MME相連的接口）和S1-U（與SGW相連的接口）。S1-U主要承擔了話音和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)交互，由于LTE中話音和數(shù)據(jù)都是走的分組域的IP包，那么話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就可以歸一化交互了。這樣，在傳輸中即可主要考慮信令的傳輸[5]。

MME（移動性管理實體），負責位置更新、鑒權(quán)加密等工作，同時也承擔部分無線資源管理（切換、功控等）功能。

圖4扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)接入結(jié)構(gòu)給OSPF的應用提供了空間。由于OSPF會聚快，并且由地區(qū)和自治系統(tǒng)組成，這樣對基站和MME之間的互通提供了有利條件。并且由對等MME組成的MME域池也可看成是一個OSPF地區(qū)的邏輯末端，這樣可以靈活實現(xiàn)MME域擴展[6]。

在圖5中可以看到一個由兩個MME組成的MME域。在這個模型中，有兩個ABR和兩個ASBR（這里僅說明簡單的MME域，現(xiàn)網(wǎng)中可能采用多個MME疊加）。于是就可以將MME域的傳輸管理轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€自治系統(tǒng)的疊加管理。

圖5一個利用OSPF組網(wǎng)的MME域

3模擬OSPF組網(wǎng)

1）模擬OSPF多區(qū)域的組網(wǎng)。運用Cisco Packet Tracer可以模擬組建一個OSPF多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，其中選用Cisco 7200系列的路由器模型[7]。如圖6所示，主要地區(qū)0主要集中在140.140.0.0網(wǎng)段，地區(qū)1和地區(qū)2分別為150.150.0.0和150.151.0.0。

圖6模擬OSPF拓撲圖

其中主要針對邊界路由器A和B進行配置說明。邊界路由器構(gòu)成了不同地區(qū)間的互聯(lián)，并可以實現(xiàn)跨區(qū)域的交互。這樣就能夠?qū)outer A和Router B進行基本連通配置，如圖7所示。其中主要配置了IP地址和時鐘速率。

圖7Router A和Router B的基本連通配置

在完成邊界路由器的基本配置后，可以配置OSPF路由協(xié)議。如圖8所示，其中定義了地區(qū)0、地區(qū)1和地區(qū)2的關(guān)系。

圖8Router A和Router B的OSPF基本配置

2）虛鏈路。虛鏈路是指一條通過一個區(qū)域連接到另外一個區(qū)域的鏈路。使用虛鏈路可以實現(xiàn)不同區(qū)域的互聯(lián)，這種做法對MME域的快速擴展有著十分重要的意義。一方面，可以減少網(wǎng)絡(luò)的開銷；另一方面，可以增加MME域中NAS信令的廣播。這里可以不考慮地區(qū)0的骨干區(qū)域的作用，因為MME域中的MME是對等的，所以非骨干區(qū)域的互聯(lián)更有意義。

圖9Router A和Router B的虛鏈路配置

如圖9，即完成了Router A和Router B的虛鏈路配置。在完成配置后，基本就可以實現(xiàn)MME間的交互。最后可以在特權(quán)模式下，對兩臺路由器使用“show ip route”命令查看個路由器的路由信息。從顯示的結(jié)果中可以看到兩臺路由器都可以獲得每個目的網(wǎng)段的拓撲信息。

4結(jié)論

OSPF層次結(jié)構(gòu)可以減少路由選擇的開銷，加速匯聚，以單一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)縮小整體網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中還支持縮放，擁有不受限的跳計數(shù)和不同類型設(shè)備的集成組網(wǎng)。這些優(yōu)點恰恰是EPS中的MME域集成所需要的。通過對OSPF路由協(xié)議和MME域的組合應用模擬，有助于提高現(xiàn)實組網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的效率，大大提高網(wǎng)絡(luò)管理能力。

參考文獻

[1] Qualcomm. LTE Call Processing[R].80-W2598-1 REVH，2013.

[2]崔北亮.CCNA認證指南（640-802）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]沈海媚.網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)——路由與交換[M].杭州：浙江大學出版社，2005.

[4]劉忠慶.CCNP實戰(zhàn)指南：路由[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[5]中國信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) http：//www.cnii.com.cn .

[6]胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[7]黃偉.Packet Tracer軟件在網(wǎng)絡(luò)實驗教學中的應用[J].科技廣場，2009.

endprint

摘要隨著通信技術(shù)的發(fā)展與普及，人們對于高速無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益增加。4G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)滿足了這樣的發(fā)展要求，當前新興的LTE技術(shù)標準則是通向4G的必由之路。為了保證LTE網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸要求和整體性能，可以利用開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）路由協(xié)議進行LTE的傳輸網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計。文章介紹了LTE內(nèi)涵，并通過對MME域間的OSPF區(qū)域組網(wǎng)進行討論，以有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。

關(guān)鍵詞LTE；OSPF；MME

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0014-02

3G技術(shù)為人們帶來了翻天覆地的變化，但用戶也切身感覺到了其技術(shù)水平的限制及不足之處。這些不足與缺陷促使著移動通信技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。而LTE的出現(xiàn)恰如其分地滿足了高數(shù)據(jù)交互的移動互聯(lián)網(wǎng)要求。LTE（Long Term Evolution）是由3GPP組織制定的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)標準的長期演進。

在核心組網(wǎng)方面，LTE標準采用了EPS（Evolved Packet System）演進分組系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)，并由MME（Mobility Management Entity）移動管理實體作為eNB（Evolved Node B）演進型基站的實體管理單元。MME可以在實際應用中組成相互對等的組網(wǎng)關(guān)系，并形成特定的MME域池。在MME域池中，不同的MME可以實現(xiàn)快速信息交互。為了保證其傳輸質(zhì)量，可以采用OSPF協(xié)議進行組網(wǎng)設(shè)計，以達到良好的網(wǎng)絡(luò)交互能力。

1EPS系統(tǒng)架構(gòu)

為了提升4G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性，3GPP組織在研制R8標準時啟動了長期演進（LTE）與系統(tǒng)架構(gòu)演進（SAE）項目，項目采用了全IP的LTE/SAE系統(tǒng)架構(gòu)（SAE后更名為EPC），并標準化了架構(gòu)中的無線關(guān)鍵技術(shù)、接口協(xié)議、信令流程、系統(tǒng)安全等。OFDM、MIMO等無線關(guān)鍵技術(shù)也被應用于LTE系統(tǒng)的空中接口，新技術(shù)的應用使得上/下行峰值速率分別達到了50Mbps和100Mbps。扁平化結(jié)構(gòu)的LTE無線接入網(wǎng)絡(luò)（E-UTRAN）可使數(shù)據(jù)傳輸時延大幅降低。核心網(wǎng)中的分組核心網(wǎng)架構(gòu)更可以支持EPS與UMTS系統(tǒng)間的互操作，并使EPS可以接入多種非3GPP無線子系統(tǒng)。

圖1EPS實體與接口

由圖1可以看到在一個完整的EPS模型[1]中，MME是管理核心。而在實際應用中，整個網(wǎng)絡(luò)則是由許多MME構(gòu)成。而同等的MME可以構(gòu)成一個MME域池，在域池中，網(wǎng)絡(luò)信息高速交換。在實際不同地域的用戶可以通過同一個MME域池的快速鑒權(quán)實現(xiàn)資源共享，節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)開銷，提升了整個網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

圖2EPS中的幀結(jié)構(gòu)

在EPS中的幀結(jié)構(gòu)則含有多種包頭，其中L1、L2可以實現(xiàn)eNodeB與MME之間的實際數(shù)據(jù)傳輸可以通過ATM等方式實現(xiàn)。這也為我們使用OSPF協(xié)議進行MME組網(wǎng)提供了先決條件。

2OSPF路由協(xié)議

1）開放最短路徑優(yōu)先。OSPF協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。[2]作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其主要實現(xiàn)在同一個AS（Autonomous System）自治系統(tǒng)中的路由器之間交換路由信息并實現(xiàn)其互聯(lián)互通的功能。采用OSPF協(xié)議的路由器將保存保存整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路信息，實現(xiàn)彼此交換，并在全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中獨立計算路由。著名的Dijkstra算法被用來計算最短路徑樹，其會產(chǎn)生一個無環(huán)路徑圖表。作為一種鏈路狀態(tài)協(xié)議，其適合組建大型網(wǎng)絡(luò)，帶寬利用率高，這也是對于MME域組網(wǎng)最為關(guān)鍵的因素。因此選用OSPF為組網(wǎng)方案。

2）OSPF工作過程。OSPF工作主要可以分為五個步驟：①通過發(fā)送Hello報文在路由器之間建立鄰居關(guān)系。②每臺路由器接收其鄰接路由器發(fā)送的LSA（Link-State Advertisement）鏈路狀態(tài)通告。并在接收到LSA之后再向其鄰接的其他路由器轉(zhuǎn)發(fā)這些LSA。③所有的路由器通過在一個區(qū)域內(nèi)傳遞相同的LSA構(gòu)建一個相同的LSDB（Link-State Database，鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）。④在鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫完成后，每臺路由器基于本地的LSDB，執(zhí)行SPF（Shortest Path First，最短路徑優(yōu)先）算法。以本地路由器為根，生成一個SPF樹。⑤通過生成的SPF樹，計算每一個目的路由的最短路徑，即路由表，通過路由表可以找到各個目的路由的最優(yōu)選擇路徑。

3）多區(qū)域OSPF模型。OSPF設(shè)計多用于分層的結(jié)構(gòu)中，使用OSPF可以將大型的網(wǎng)絡(luò)分割成一些小的地區(qū)網(wǎng)絡(luò)[3]。

圖3典型自治系統(tǒng)模型

如圖3所示，OSPF必須要有一個地區(qū)0，作為主干網(wǎng)工作，每個自治區(qū)域均需要與自己的地區(qū)0相連。而那些沒有直接連接到地區(qū)0的地區(qū)可以使用虛擬鏈路進行連接。而那些在一個AS內(nèi)部直接與主干網(wǎng)相連的路由器，被稱為地區(qū)邊界路由器（ABR）。OSPF協(xié)議一般都是在某個自治系統(tǒng)內(nèi)部獨立運行的，但是多個自治系統(tǒng)也是可以互相連接的。將這些獨立運行的自治系統(tǒng)連接到一起的路由器被稱為自治系統(tǒng)邊界路由器（ASBR）[4]。

4）OSPF在EPS中的應用。LTE的無線接入網(wǎng)（E-UTRAN）在去掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，這樣基站就承接了很多原來RNC的功能。eNodeB和核心網(wǎng)的接口為S1，包括S1-MME（與MME相連的接口）和S1-U（與SGW相連的接口）。S1-U主要承擔了話音和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)交互，由于LTE中話音和數(shù)據(jù)都是走的分組域的IP包，那么話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)就可以歸一化交互了。這樣，在傳輸中即可主要考慮信令的傳輸[5]。

MME（移動性管理實體），負責位置更新、鑒權(quán)加密等工作，同時也承擔部分無線資源管理（切換、功控等）功能。

圖4扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

扁平化的LTE網(wǎng)絡(luò)接入結(jié)構(gòu)給OSPF的應用提供了空間。由于OSPF會聚快，并且由地區(qū)和自治系統(tǒng)組成，這樣對基站和MME之間的互通提供了有利條件。并且由對等MME組成的MME域池也可看成是一個OSPF地區(qū)的邏輯末端，這樣可以靈活實現(xiàn)MME域擴展[6]。

在圖5中可以看到一個由兩個MME組成的MME域。在這個模型中，有兩個ABR和兩個ASBR（這里僅說明簡單的MME域，現(xiàn)網(wǎng)中可能采用多個MME疊加）。于是就可以將MME域的傳輸管理轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€自治系統(tǒng)的疊加管理。

圖5一個利用OSPF組網(wǎng)的MME域

3模擬OSPF組網(wǎng)

1）模擬OSPF多區(qū)域的組網(wǎng)。運用Cisco Packet Tracer可以模擬組建一個OSPF多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，其中選用Cisco 7200系列的路由器模型[7]。如圖6所示，主要地區(qū)0主要集中在140.140.0.0網(wǎng)段，地區(qū)1和地區(qū)2分別為150.150.0.0和150.151.0.0。

圖6模擬OSPF拓撲圖

其中主要針對邊界路由器A和B進行配置說明。邊界路由器構(gòu)成了不同地區(qū)間的互聯(lián)，并可以實現(xiàn)跨區(qū)域的交互。這樣就能夠?qū)outer A和Router B進行基本連通配置，如圖7所示。其中主要配置了IP地址和時鐘速率。

圖7Router A和Router B的基本連通配置

在完成邊界路由器的基本配置后，可以配置OSPF路由協(xié)議。如圖8所示，其中定義了地區(qū)0、地區(qū)1和地區(qū)2的關(guān)系。

圖8Router A和Router B的OSPF基本配置

2）虛鏈路。虛鏈路是指一條通過一個區(qū)域連接到另外一個區(qū)域的鏈路。使用虛鏈路可以實現(xiàn)不同區(qū)域的互聯(lián)，這種做法對MME域的快速擴展有著十分重要的意義。一方面，可以減少網(wǎng)絡(luò)的開銷；另一方面，可以增加MME域中NAS信令的廣播。這里可以不考慮地區(qū)0的骨干區(qū)域的作用，因為MME域中的MME是對等的，所以非骨干區(qū)域的互聯(lián)更有意義。

圖9Router A和Router B的虛鏈路配置

如圖9，即完成了Router A和Router B的虛鏈路配置。在完成配置后，基本就可以實現(xiàn)MME間的交互。最后可以在特權(quán)模式下，對兩臺路由器使用“show ip route”命令查看個路由器的路由信息。從顯示的結(jié)果中可以看到兩臺路由器都可以獲得每個目的網(wǎng)段的拓撲信息。

4結(jié)論

OSPF層次結(jié)構(gòu)可以減少路由選擇的開銷，加速匯聚，以單一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)縮小整體網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性。并且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中還支持縮放，擁有不受限的跳計數(shù)和不同類型設(shè)備的集成組網(wǎng)。這些優(yōu)點恰恰是EPS中的MME域集成所需要的。通過對OSPF路由協(xié)議和MME域的組合應用模擬，有助于提高現(xiàn)實組網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的效率，大大提高網(wǎng)絡(luò)管理能力。

參考文獻

[1] Qualcomm. LTE Call Processing[R].80-W2598-1 REVH，2013.

[2]崔北亮.CCNA認證指南（640-802）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[4]劉忠慶.CCNP實戰(zhàn)指南：路由[M].北京：人民郵電出版社，2003.

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[6]胡宏林，徐景.3GPP LTE無線鏈路關(guān)鍵技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[7]黃偉.Packet Tracer軟件在網(wǎng)絡(luò)實驗教學中的應用[J].科技廣場，2009.

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