（信息与通信工程专业论文）基于fpga的tdscdma核心网数据包分流系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信技术的高速发展，网络已经广泛应用到科学研究、工程设计、娱乐、日常 生活等各个方面。数据包分类是许多英特网应用的关键技术，如q o s 、安全、监控、多 媒体通信等。本文基于f p g a 平台，将数据包分类技术应用于t d s c d m a 核心网的协 议分析系统之中，有效降低对于单台协议分析主机的带宽要求，实现整个系统的线速处 理。全文的主要工作如下： 1 ) 分析了t d s c d m a 核心网的结构以及运用于电路域功能实体s g s n 与g g s n 之间的g t p 隧道协议的工作原理，在此基础之上提出了本系统分流规则集所应 具有的形式。 2 ) 设计了以v i n e x 5f p g a 为核心的网络处理前置机硬件平台，该平台具有良好的 软硬件升级特性，主要模块有：电源、时钟、以太网接口、串口、f l a s h 、s d r a m 、 l c d 等。同时分析了高速p c b 布线中电源分配、传输信号线、耦合干扰等问题， 并给出了p c b 设计解决方案。 3 ) 分析了逻辑电路中的异步时钟域亚稳态现象以及传统字节型f i f o 的结构，在此 基础上设计了异步以太网帧型f i f o ，使用格雷码有效降低地址比较电路中出现 亚稳态的概率。 4 ) 在分析常用数据包分类算法的基础上提出了基于i 强c 算法的分流模块逻辑设计 方案，将关键查询延时减少为2 个时钟周期。使用s m a n b i t s 网络性能分析系统 对分流模块进行了测试，实验表明该方案达到了l g b p s 数据的线速处理能力。 5 ) 基于x i l i n xf p g a 平台构建m i c r o b l a z e 嵌入式系统，并在该系统上进行从驱动 层到应用层的软件设计，完成了分流系统的规则配置功能。 关键词：t d s c d m a 核心网，数据包分流，f p g a ，f i f o ，嵌入式系统 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt c c h n o i o g y ，n e t w o r kh a sb e c nw i d e i yu s e di n s c i e n t i f i c 代s e a r c h ，e n t e 唿i n m e 鸭d a i l yl i f c 弧d 帆p a c k e tc l a s s i f i c a t i o n i sak e y t e c h n o l o g y i l i m 鲫yi n t e m e ta p p l i c a t i o n ss u c h 嬲q o s ，s e c u r i 劬m o n i t o r ，m u i t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hn o wi sa p p l i e db yt t l i sp a p e ri i lt l l ep r o t o c o la n a i y z i n gs y s t c mo ft h e 1 1 d l s c d m a c o r cn e t 、r kb a s i n go nf p ( i a t h em a i nc o n t c n t sa r c 硒f o l l o w s ： 1 ) t h e1 r i ) 一s c d m ac o r cn e t w o r ka n dg t pt u n n e lp r o t o c o lu s e db e t 、v e e ns g s n 觚d g g s na r e 粕a l y z e d ，u p o n 、v h i c ht h ef 0 瑚o ft i l er u l es e ti sp r o p o s e d 2 ) t h e r t e x - 5f p g ab a s e dn e 附o r kp r o c e s s i n gh a r d w a r ep l a t f o mi sd e s i g n e d ，w h i c h h 船g o o du p g r a d ea b i l i t yi i lb o t hs 0 胁a r c 觚dh a r d w a r e 1 tc o n t a i n sm o d u l e s i n c i u d i n gp o w e r ，c 1 0 c l ( e t h e m e ti n t e r f a c e ，f l a s h ，s d r a m ，l c d ，锄ds o n e p o w e rd i s t r i b u t i o i i 仃a n s m i s s i o ns i g n a li i n e c r o s s t a l kp r o b l e m si nh i g hs p e e dp c b d e s i g na r ca l s oi n t 川u c e da n da n a l y z e d ，锄dt h e np c bd e s i g ns o l u t i o ni sp r o p o s e d 3 )a s y n c h r o n o u se t h e m e t 疗a m ef i f oi sd e s i g n e db a s i n go n 觚d i t i o n a lb y t cf i f o m e t a s t a b l ep h e n o m e n o ni nl o g i cc i r c u i ti sa l s 0d i s c u s s e da 1 1 dg r a yc o d ei su s c dt 0 r e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fm e t a s t a b i l i t ) ， 4 )a i g o r i t h m su s e di nt h ep a c k e tc i a s s i f i c a t i o na r c 锄a i y z e da n dc o m p a r e d ，a n dt h e na r f cb 私e dl o g i cr c a l i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hr e d u c et h ek e yq u e 口d e l a yt 0 铆oc l o c kc y c l e s i ti sp r 0 v e dt ol i a v e1 g b p sw i r es p e e dp r o c e s s i n ga b i l i t ya 船r s o m ee x 锄i n a t i o n su s i n gt l l es m 眦b i t sn e t 、v o r kp e r f o r m a n c ea n a i y s i ss y s t e m 5 )i n0 r d e rt oe 鼬et h ed e s i g no ft h em i ec o n 6 9 u r a t i o nm o d u l eo ft h ec l a s s i f i c a t i o n s y s t e m ，锄e m b e d d e ds y s t e mn a m e dm i c r i o b l a z ei sc o n s t r u c t e di nt h ex i i i n xf p g a p l a t f o n n ，o nw h i c hs o r w a r ef 两md r i v e rl a y e rt oa p p l i c a t i o nl a y e ri sd e s i g n e d k 唧o r d s ：t d s c d m ac o r cn e t 、o 如p a c k c tc l 够s i f i c a t i o n ，f p g a ，f i f o ，e m b e d d e d s y s t e m 插图目录 插图目录 图2 1 r d s c d m a 系统核心网部分的功能单元5 图2 - 2g p r s 协议框架7 图2 3g t p 报头结构7 图2 4 协议分析系统框图8 图2 5 网络处理前置机功能逻辑框图9 图2 6 业务分流方案逻辑框图。l o 图2 7 网络模型图1l 图2 8 以太网报头结构1 2 图2 9i p 报头结构。1 2 图2 1 0u d p 报头结构1 3 图2 1 lt c p 报头结构1 3 图2 1 2g t p c 数据包结构图1 5 图2 1 3g t p u 数据包结构图1 5 图3 - l 硬件系统功能框图2 2 图3 2 电源分配结构图2 3 图3 35 v 转1 o vf p g a 核心电源稳压电路一2 3 图3 45 v 转1 8 v 稳压电源2 3 图3 55 v 转3 3 v 稳压电源电路2 4 图3 6 开关电源时钟同步电路2 4 图3 7d d r 2 稳压电源2 5 图3 8m g t 稳压电源。2 5 图3 9m i c r o b l a 趵嵌入式系统l o o m 时钟产生电路2 6 图3 - l o 系统时钟发生电路2 6 图3 1 ls g m i i1 2 5 m 差分时钟产生电路2 6 图3 1 2 千兆以太网物理层接口原理图2 7 图3 1 3r s 2 3 2 接口原理图2 8 图3 1 4u s b 接口原理图2 9 图3 153 2 m 字节线性f l 舔h 原理图3 0 图3 1 63 2 m 字节z b t 同步s r a m 3 0 图3 1 7j t a g 配置链。3 l 图3 1 8s y s t c m a c e 与c f 接口原理图。3 l 图3 1 9p i a t f 0 咖f l 孙h 与f p g a 接口原理图3 2 图3 2 0p l a t f o n ns p if l 私h 与f p g a 接口原理图3 2 图3 2 ll c d 接口原理图3 2 图3 2 2d d r 2 接口原理图3 3 图3 - 2 3 电源分配系统3 4 图3 - 2 4 电流闭合回路的几个方法3 4 图3 - 2 5 前置机p c b 电源分配。3 5 图3 2 6 电源层电源分配分布图3 5 图3 - 2 7 信号通过过孔的返回路径。3 5 图3 - 2 8 信号反射产生振铃3 6 图3 2 9 可控阻抗线模型3 6 图3 - 3 0 带状线与微带线地结构3 7 图3 3 l 减少断点的布线方法3 8 图3 3 2 分支线的处理3 8 图3 3 3 布线容性干扰示意图3 9 图奎3 4 电感性干扰3 9 东南大学硕士学位论文 图3 3 5 感性干扰及其解决方案3 9 图4 1 分流系统逻辑框图4 l 图4 2i e e e 8 0 23 2 0 0 2 以太网模型4 2 图4 3 以太网数据包帧格式4 3 图4 _ 4e m a c 块功能框图4 3 图4 5e m a c 内部功能结构图4 4 图4 - 6g t p 功能结构图4 5 图4 7 以太网m a c 核外部接口。4 6 图4 8 触发器的建立和保持时间4 7 图4 9 电平同步器及其时序4 8 图4 1 0 边沿检测同步器4 9 图4 1 l 传统字节型f i f o 结构。4 9 图4 1 2 接收f i f o 及其与以太网m a c 的接口5 l 图4 1 3 发送f i f 0 及其与以太网m a c 的接口5 l 图4 1 4 以太网接收f i f o 内部逻辑结构图。5 2 图4 1 5 以太网发送f l f o 内部逻辑结构图5 2 图4 - 1 62 - d 分层查找树实例5 4 图4 1 72 d 集合归并查找树实例5 4 图4 18 格栅查找树实例5 5 图4 1 9 表4 3 规则集的几何表示。5 6 图4 - 2 0c r o s s p r o d u c t i n g 的几何表示5 6 图4 2 l2 d 数据包分类方案5 7 图4 2 2a q t 算法中的空间划分5 7 图4 2 3a ( ) t 算法实例5 8 图4 2 4r f c 的基本思想5 8 图4 2 5r f c 算法的数据包流5 9 图4 2 6h i c u t 算法的空间划分与决策树6 0 图4 - 2 7t u p l e 空间划分及其哈希表6 0 图4 2 8t c a m 在路由器中的应用6 l 图4 2 9 降维并行处理的逻辑电路结构6 3 图4 3 0h 【l 】h 【5 】域处理模块逻辑。6 3 图4 3 l 单级r a m 映射方案。6 4 图4 3 2 两级r a m 映射方案“ 图4 3 3 端口号拆分索引方案6 5 图4 3 4 规则配置模块逻辑及其接口6 6 图4 3 5 分流模块结构图6 7 图4 3 6 分流模块控制状态转移图6 7 图4 3 7 逻辑设计的波形仿真测试6 8 图4 3 8 接收f i f o 波形仿真图6 8 图4 3 9 分流模块波形仿真图6 8 图4 - 4 0 数据包分流模块测试平台6 8 图4 4 ls m a n b i t 构造数据包6 9 图4 - 4 2s m a r t b i t s 发包及收包统计数据6 9 图4 4 3 收到的g t p c 数据包7 0 图4 4 4 收到的g t p u 数据包。7 0 图5 1m i c r o b i a 笳处理器核结构7 3 图5 2m i c r o b l a 冼指令流水线7 3 图5 3c o r e c o n n e c t 总线架构7 4 图5 4 嵌入式系统硬件结构7 6 图5 5 系统基本设置7 6 图5 6 配置r s 2 3 2 及g p l 0 核7 7 插图目录 图5 7 配置s y s a c e 与e m c 核及最后的系统信息汇总。7 8 图5 - 8 软件开发流程。7 8 图5 - 9f p g a 上电至应用程序运行的流程7 9 图5 1 0 串口中断执行流程8 2 图5 1 l 串口数据帧格式8 3 图5 1 2 应用层软件流程图8 4 图5 1 3 本地主机规则配置测试软件8 5 图5 1 4 规则配置测试结果。8 5 9 l 表格目录 表格目录 表l - 1 规则集样例1 表2 1g t p 数据包报头各域定义8 表2 2i p 数据包报头各域定义。1 2 表2 3t c p 数据包报头各域定义1 4 表2 - 4 常用端口号及其对应业务类型1 4 表2 5 数据包分流所依据的域。1 5 表2 6 论文分流系统规则集1 5 表3 1v i n e x 5 系列器件资源列表2 l 表3 2 系统时钟列表2 5 表3 3 以太网物理层接口信号定义2 7 表4 1 以太网数据包帧域说明4 3 表4 2 以太网m a c 与g t p 端口连接表4 6 表4 - 3 规则实例5 3 表4 - 4 各种数据包分类算法比较6 2 表5 1 本地主机发送帧“指令类型”域定义8 3 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：迎物z 独。日期：型型! 三1 7 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：甏龇 导师签名：日期：2 翌：2 ：! ! 第l 章绪论 第1 章绪论 随着通信技术的高速发展，网络已经广泛应用到科学研究、工程设计、娱乐、日常 生活等各个方面。数据包分类是许多英特网应用的关键技术，如q o s 、安全、监控、多 媒体通信等。在我们的课题中，将数据包分类技术应用于t d s c d m a 核心网的协议分 析系统，有效降低对于单台协议分析主机的带宽要求，实现整个系统的线速处理。 1 1 数据包分流系统概述 数据包分类的目的就是根据预先定义的标准把数据包分成若干组，这样对不同类型 的数据包可以分别进行处理【lj ，处理可能是如本论文中的把数据包按业务类型转发出去， 也可能是由于缺少缓冲资源而把数据包丢掉。目前分类的标准有很多，数据包在进入系 统前，可以根据以下条件分类：( 1 ) i p 地址；( 2 ) t c m p 端口号；( 3 ) l p 优先级( 在 i p 数据包的头部，有3 比特表示服务类型) ；( 4 ) u r l 和子u i 也；( 5 ) m a c 地址；( 6 ) 时间；等等。在根据以上条件把数据包分类之后，找到这一类数据包对应的处理规则进 行处理。 1 1 1 数据包分类定义 数据包分类的功能是将到达的数据包包头的若干个区域作为搜寻的关键字与预设的 规则集相比较来决定数据包所属数据流，转发引擎将根据分类结果采用相应的方法来处 理数据包。 表1 1 规则集样例 规则 f lf 2 f da c t i o n r 2 0 l o1 0 0 1 - 0 1 0 d e n y r n p e 册i t 规则集r 在数据包分类的过程中起关键作用，它是数据包分类的依据，由n 条规则 构成，表1 i 所示为是一种可能的规则集。每条规则r ；( j = l ，2 ，n ) 都关联一个业 务流类别，每个流类别都具有唯一的标识( f l o w i d ) ，并且对应于一种特定的处理方法 ( a c t i o n ) 。若一个到达的数据包p 匹配了某规则r ；。p 就应被划分为r ；所对应的流类 别。因此，分类过程的实质就是对特定的数据包p 在r 中搜索与之匹配的规则，确定p 的流类别，并将相应的处理方法应用于p 。分类过程必须依据p 报头中的d 个域h 【l 】， l 东南大学硕士学位论文 h 【2 】，h 【d 】进行，此时规则集称为d 维规则集。其中规则r j 也可以用一个d 维向量( f l ， f 2 ，f d ) 来表示。r i 中的每个分量f i 是与h 【i 】相对应的表达式。 数据包p 匹配规则r i 被定义为：对任意的i ( i - l ，2 ，d ) ，p 报头中的第i 个域 h 【i 】匹配规则ri 的第i 个分量f i ，其中h 【i 】匹配f i 的形式主要有精确匹配( h 【i 】= f i ) 、 前缀匹配( f i 是h 【i 】的前缀) 和范围匹配( h 【i 】属于f i 所定义的范围) 这三种方式。一 般r i 的任一分量f i 定义整数集上的一个范围，p 匹配r 。意味着对任意i ( 滓l ，2 ， d ) 有h 【i 】f i 。因此，任意规则的包分类问题可归结为在多维空间中点的定位问题：d 维空间中有n 个d 维长方体( 规则r ；) ，包分类问题是确定给定点( 数据包p ) 位于哪 个长方体中。 1 1 2 数据包分类算法评价原则 数据包分类问题的核心是高效的查找方法。方法的好坏通常使用如下评价原则【2 】= 1 ) 查找速度 这是数据包分类方法的一个重要指标，通常要求查找能够以线速进行。例如，l o g b p s 的链路速度要求能够每秒钟处理3 1 2 5 兆的数据包( 假定数据包的最小长度为4 0 字节的 l p 包计算) 。在算法的实际复杂度上有三种评价指标：( 1 ) 最坏情况：对于一个数据包 进行分类的查找时间的最坏可能情况：( 2 ) 平均时间：在随机情况下，对一个包进行分 类的查找时间的平均值；( 3 ) 统计情况：在符合某种预先指定包或过滤规则匹配率的分 布下，对一个包进行分类的查找时间的平均值。一般使用访问内存次数来衡量一个查找 算法的速度。 2 ) 存储空间 在查找过程中，一个算法所需要占用的内存大小也是需要考虑的因素。这个占用的 内存不仅包括过滤规则数据库本身所消耗的，还包括算法为了保证高速度的查找建立的 各种数据结构所消耗的内存。 3 ) 快速更新 共有三种可能的更新：( 1 ) 完全更新：是指初始化过程中从过滤规则数据库中建立 查找数据结构，或者是以后的重新建立全部查找树结构的过程。( 2 ) 增量更新：在查找 数据结构中增加或删除一条过滤规则。( 3 ) 重组或平衡：随着过滤规则的不断增加或删 除，可能会造成查找的数据结构效率降低，因此在适当的时候需要进行重组使其恢复原 来的效率。 钔规则的适应性 2 一个好的包分类算法应能支持各种形式的规则匹配，包括数据包头各个域的精确匹 配、前缀匹配和范围匹配，同时还要能使用不同的规则集规模、规则空间分布等。 目前的大多数解决方案都比较重视前两个因素，即查找的时间效率和空间效率，而 这两个因素往往互相制约，或者说他们之间存在一种权衡。 1 2 国内外应用与研究动态 数据包分类算法的研究开始的比较晚，大概在9 0 年代中后期才陆续有学者研究这一 领域，不过在短短1 0 年间，数据包分类算法的研究取得了很大的突破，目前已经有基 于不同思想和数据结构的算法及其该进算法达十多种。研究数据包分类的学者大多先前 都是研究i p 路由查找，并且积累了路由查找算法的各种思想和经验后开拓这一领域的。 实质上，可以把i p 路由查找问题看成一个一维数据举报分类问题，不同的下一跳端口 即是不同的类别。 在这个研究领域主要有两大学派：以g e o 唱ev a 唱h e 教授及其弟子s r i n i v a s 锄为首 的圣路易斯华盛顿大学( w 酤h i n 甜0 nu n i v e r s i 妙i ns t l o u i s ) 学派以及以n i c km c k e o w n 教授及其弟子p 锄k a jg u p t a 为首的斯坦福大学学派。前者主要的合作伙伴是b e l l 实验室 和微软研究院，后者的合作伙伴是c i s c o 公司。近几年来经典的数据包分类算法基本都 出自这两大学派，而且两大学派在数据包分类算法的设计上都有着各自明显的偏向。华 盛顿大学喜欢使用尝试数据结构和h a s h 函数，不看好c a m 的使用。而斯坦福大学的 重点在于多维的数据包分类，t c a m 是其算法设计中的一个选择。 现有的数据包分类算法主要有四类【1 】：l 基本数据结构算法，其中代表性的算法有： 线性查找、分层查找树、集合归并查找树、格栅查找树等：2 、基于计算几何算法，包 括c r o s s p r o d u c t i n g 、2 d 数据包分类方案、基于区间划分的四树算法、f i s 树；3 、启发 式算法，包括递归数据包分类算法、只能分层查找树、元组空间查找；4 、硬件实现算 法，典型的有三元c a m 和位图交集算法。 1 3 本论文的研究背景 近年来，3 g 移动通讯技术迅猛发展，移动用户的数量成爆炸式增长。在我国，中兴 中标中国移动拉开了3 g 快速发展的序幕。日前国家发改委与信产部联合发布的 信息 产业“十一五”规划称，目前移动用户即将突破5 亿，预计到2 0 l o 年，总数将达6 亿，4 5 部百人。由于3 g 网络的带宽可以达2 m 左右，峰值数据传输速率2 8 m b p s ，从 而固定网络上的大多数业务都可以移植到3 g 网络上。 可见3 g 网络将在数字通讯中占据不可替代的地位，其移动特性同时也给国家安全 3 东南大学硕士学位论文 和社会稳定带来了很大隐患。在这样的大背景下，急需要大规模的用户信息监管系统实 现核心网数据业务的分析。 本论文研究内容属于国家8 6 3 项目“大规模移动用户信息监管技术 的前端部分， 主要实现数据包的按业务分流，从而有效降低对分析系统的带宽要求，实现实时的大规 模协议分析。 1 4 本论文主要工作与组织结构 本文在研究t d s c d m a 核心网结构及其分组交换域g t p 隧道协议的基础上，提出 了针对数据包业务类型进行分流的f p g a 实现方案。主要工作有： a ) t d s c d m a 核心网结构及其隧道协议分析，g t p 数据流的规则集形式研究 b ) 高速网络处理前置机的硬件平台设计； c ) 以太网数据帧型f i f o 逻辑设计； d ) 数据包分流算法研究以及基于r f c 算法的f p g a 逻辑实现； c ) 基于f p g a 的嵌入式系统设计。 第二章首先分析了t d s c d m a 核心网结构、协议等内容，然后简单介绍背景项目 系统构架以及本论文所承担的研究内容，最后分析了g t p 数据包分流的基本原理。 第三章主要涉及高速网络处理机的硬件设计，包括方案比较、硬件原理设计、p c b 布线注意事项等内容。 第四章主要内容为f p g a 内部逻辑设计，包括千兆以太网m a c 层及其与物理层芯 片接口设计、以太网f i f o 逻辑设计、数据包分流算法及其逻辑实现，最后为系统的仿 真与测试。 第五章主要完成f p g a 内部嵌入式系统构建，以及m i c r o b i a z c 系统上的软件设计， 并且介绍了软件仿真调试，给出了实际的测试结果。 论文最后一章对全文进行了回顾和总结，并对进一步研究进行了展望。 4 第2 章t d s c d m a 植j 0 网赦据包分泷系坑 第2 章t d s c d m a 核心网数据包分流系统 2 1t d 。s c d m a 核心网介绍 t d s c d m a 系统结构完全遵循3 g p p 指定的u m t s ( u n i v e r 姐】m o b ij e k l e c o m m u n i t i o ns y s l e m ) 嘲络结构，可以分为u m t s 地面无线接入网( u t r a n ，u t m s t c m s t r i a ir a d i oa c c e s sn e f w o r k ) 和核心网c n ( c o 陀n e t w o 水) l “。事实上，按照现有 3 g p p 的t d - s c d m al c r 标准，t d - s c d m a 核心网，甚至业务平台与w c d m a 是相 同的因此t d - s c d m a 和w c d m a 可以共用核心网。唯一的区别是在无线接口协议两 处消息中对两个比特分别进行了赋值，咀表明系统类型为t d s c d m a 还是w c d m a 。 2 1 ，lt d s c d m a 核心网功能单元 核心网( c n ) 逻辑上分为c s 域( 电路交换域) 、p s 域( 分组交换域) 在r 5 规范 中x 引入了i p 多媒体予系统。核心网l l 包含了支持网络特性和电信业务的物理实体， 提供用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令和用户产牛的信息的传送机制， 负责建立终端和相关固定电话网络之间，以及终端和终端之问的通信， g a i c v “s o 圈2 1f ds c d m a 系统核心同部h 的功能单元 陶2 1 所示为t d - s c d m a 系统核心网部分的功能单元结构图，从图中可卧看出 t d s c d m a 可以将用户接人到各种外部网络以及业务平台，宴：电路交换语音网、包 5 东南大学硕士学位论文 交换语音网( i p 语音网) 、数据网、i n t e m e t 、i n t 啪e t 、电子商务、短信中心等。 核心网中的主要功能实体有： 1 ) p s 域和c s 域的公共实体 归属用户服务器( h s s ) ：负责存储用户信息，包括支持网络实体呼叫、会议处 理的相关签约信息。h s s 包括h l r ( 归属位置寄存器) 和a u c ( 鉴权中心) 访问位置寄存器( v l r ) ：负责用户的位置登记和位置信息的更新，存储位于管 辖区内的移动用户信息。 设备标识寄存器( e i r ) ：负责存储国际移动设备标识( i m e i ) 的数据库，用于 对移动设备的鉴别和监视，并拒绝非法终端入网。 短信服务网关( s m s - g m s c ) ：短消息业务中心和p l m n 之间的接口，是短消 息能够从业务中心( s c ) 传送到终端( m s ) 。 短信服务互联( s m s i w m s c ) ：p l m n 和短消息业务中心之间的接口，是短消 息能够从终端( m s ) 传送到业务中心( s c ) 。 2 ) c s 域的实体 移动业务交换中心( m s c ) ：c s 域的核心，执行所有的必需的功能来处理和终 端之间的电路交换业务，是一个对位于本m s c 控制区域内的移动用户执行信令 和交换功能的交换机。 网关m s c ( g m s c ) ：负责转接相关网络间的呼叫。当网络传递一个呼叫到p l m n ， 但无法查询h l r 时，该呼叫将被路由到g m s c ，由g m s c 查询h l r ，并将呼 叫路由转接到m s 所处的m s c 。 3 ) p s 域的实体 服务g p r s 支持节点( s g s n ) ：主要完成分组的路由寻址和转发，负责跟踪记 录终端的位置信息，执行安全性功能。 网关g p r s 支持节点( g g s n ) ：起网关的作用，主要完成移动性管理、网络接 入控制、路由选择和转发、计费数据的收集和传送，以及网络管理等功能。 2 1 2s g s n 与g g s n 间的g t p 隧道协议 本文的研究对象是核心网中的数据业务，主要涉及到分组交换域。由上面的介绍可 知其功能实体是s g s n 和g g s n 。如图2 1 所示，s g s n 和g g s n 在同一p l m n ( p l l b l i c l 粕dm o b i l e - c o m m u n i c a t i o nn 娟 ，o r k ) 中通过g n 接口互联，不同p l m n 之间通过g p 接口互联。g n 和g p 都使用g t p ( g p r st u n n e l l i n gp r o t o c o i ) 协议进行数据传输【5 1 。图 6 第2 章t d s c d m a 核心网数据包分流系统 2 2 所示为g p r s 的整体协议框架【2 5 l ，由图可见，s g s n 与g g s n 之间的g t p 协议由 u d p 厂r c p 承载，封装了i p 层之上的数据。也就是说，通过g 1 1 p 协议，建立了一条i p 层以上的数据通路，而g t p 协议本身使用u d 胛c p 协议传送。 a p p i i c 砒i 蛐 l p ，x 2 5 l p ，x 2 5 s n d c p 隅液一! ! 型一， g t p g t p l i c l l cu d p n c pu d p 仃c p ：卜墨! ! 些：一 mr l c i u 七 一 一 b s s g p b s s g p伊 n “w o r kn e t w o r k m a c m a cl 2l 2 s e m c es e r v i c e 盯盯l j b i sl i b j sl ll l 图2 - 2 g p 粥协议框架 g 1 1 p 协议由控制面( g t p c ) 和用户面( g 阼u ) 协议组成。g t p c 完成移动台( m s ) 接入分组网络的隧道控制和管理功能，包含建立、修改和删除g s n 之间隧道功能，同 时还负责g s n 节点间的移动性管理、位置管理、路径管理功能；g 盯u 负责数据在隧 道中传输，以及传输隧道的部分维护功能。当g s n 节点发送数据时，先加上g t p 消息 头( 图2 3 ) ，再检查用户数据的q o s 要求。q o s 要求较高时，由t c m p 提供面向连接 的路径进行隧道传输；q o s 较低时，由u d p i p 协议提供无连接路径进行隧道传输。g t p - c 和g 1 1 p u 使用的服务端口号分别为2 1 2 3 和2 1 5 2 。 b l t s 87854321 v e r s i o np t ( 。) es p n m e s s a g et y p e l e n g t h ( 1 ”o c t e t ) l e n g t h ( 2 “。c c l e t ) t u n n e ie n d p o i n tk l e n l j f j e r ( 18o c t e t ) t u n n e ie n d p o i n tl d e n t i f l e r ( 2 7 旧o c t e t ) t u n n e le n d p o i n li d e n l j f i e r ( 3 巾o c t e l ) t u n n e le n d p o i n li d e n t i f i e r ( 4 o c t e t ) s e q u e n c en u m b e r ( 1 轧o c t e t ) 。4 s e q u e n c en u m b e r ( 2 。ho c t e t ) 1 n p d un u m b e 严 n e x te x l e n s i o nh e a d e rt v p e 训 图2 - 3 g t p 报头结构 图2 3 所示g t p 报头结构，各域的定义如表2 一l 所示。g t p 使用t i d ( t u n n e ii d e n t i f i e r ) 标识出不同的m m ( m o b i l i 锣m a n a g e m e n t ) 和p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 上下文。当消息 头中的m e s s a g et y p c 为非2 5 5 的有效值时，为信令消息；否则，传输的是用户p d p 数 据，可根据t i d 找到相应的p d p 上下文，若g t p 在g g s n 一侧，p d p 数据通过p d p 网关发送出去，若g t p 在s n d c p ( s u b n e t 、) v o r kd e p e n d e n tc 仰v e 唱e n c ep r o t i d c 0