EPC网络中MME模拟器的设计与实现.doc

EPC 网络中 MME 模拟器的设计与实现徐宇，曾志民，夏海轮，李文鸿*（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）510152025303540摘要：演进分组核心网（EPC）是 4G 时代核心网分组域的演进目标，作为 LTE 通信系统的核心网,可以很好的满足下一代无线通信的需求。移动管理实体（MME）是 EPC 网络中唯一的控制平面设备，涉及 S1-AP，NAS 与 GTP 等重要协议。本文首先介绍了 EPC 网络结构，然后对相关协议进行研究与分析，在此基础上提出了一套 MME 模拟器的纯软件实现方案，介绍了该 MME 模拟器的设计方案的总体架构，详细说明了各子模块实现的功能与及其基本流程，最后搭建了一套模拟的 EPC 网络环境，对 MME 模拟器进行了相关测试，分析了测试结果，证明了 MME 模拟的可行性与正确性。关键词：通信与信息系统；演进分组核心网；移动管理实体；软件模拟中图分类号：TN929.531Design and Implementation of MME simulator in EPCXU Yu, ZENG Zhimin, XIA Hailun, LI Wenhong(School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts andTelecommunications, Beijing 100876)Abstract: Evolved Packet Core (EPC) is the evolution goal of the packet domain core network in the4G. As the core network in the LTE communication system, EPC can satisfy the needs of the nextgeneration of wireless communication system. Mobility Management Entity (MME) is the only controlplane equipment in EPC network, involving S1-AP, NAS, GTP and other important protocols. Thispaper introduces the EPC network architecture, and conduct research and analysis of the relevantprotocols. On this basis, a realization of the MME simulator based on software is presented. Theintroduction the architecture design of the MME simulator and detailed description of each sub modulefunction and its basic process are given. Finally, an environment to simulate the EPC network is builtso that the MME simulator can be tested. The feasibility and correctness of the MME simulator hasbeen proved after analyzing the test results.Key words: Communication and Information Systems; Evolved Packet Core; Mobility ManagementEntity；Software Simulation0 引言演进型分组网络(Evolved Packet Core, EPC)是 SAE 体系架构中的重要组成部分，与上一代系统相比，EPC 网络中没有 RNC 节点，而是采用了全 IP 化的扁平网络架。EPC 网络支持更高的网络吞吐量与无线接入延迟，并且能够与多个异构接入网络互通，这不仅包括了LTE/LTE-A 接入网，还支持以往的 3GPP 系统和非 3GPP 系统1。EPC 网络中网元主要包括移动性管理实体(MME)，PDN 网关(P-GW)，服务网关(S-GW)和归属用户服务器(HSS)。MME 是 EPC 网络中一个关键的控制节点，其功能包括对用户设备的寻呼和跟踪的接入控制，终端切换时的移动性管理，以及会话管理和选择网元等功能。MME 网元是 EPC 核心网中仅有的控制平面设备2，对于 MME 进行模拟是研究与实现EPC 网络的重要组成部分。MME 模拟器中相关协议的实现，可以作为进一步开发与这些协议相关的网元设备的基础，另外，MME 模拟器配合其他网元，可用来提供一个仿真的 EPC作者简介：徐宇（1989-），男，硕士研究生，主要研究方向：移动通信通信联系人：夏海轮（1980-），男，讲师，主要研究方向：移动通信. E-mail: -1-网络环境，供相关的测试与研究使用，比如针对 EPC 网络的拨打测试系统，可以通过该系统来精确定位故障网元，对网络进行有效的测试和监控。4550551 EPC 网络与 MME 网元EPC 网络中的主要网元与接口如图 1 所示，本文研究的 MME 模拟器涉及其与 eNodeB相连 S1-MME 接口，与 S-GW 相连 S11 接口，与 SGSN 相连的 S3 接口和用于访问 HSS 的S6a 接口3，本文中 MME 模拟器主要实现了其主体功能涉及的 S1-MME 接口和 S11 接口。图 1 EPC 网络结构图Fig. 1 EPC network structure实现 MME 模拟器涉及的相关协议有 S1-MME 接口的 S1-AP 协议、S11 接口的 GTP-C协议以及非接入层(Non-Access Stratum, NAS)协议4。其中非接入层协议主要包含两个功能实体，EPS 移动性管理实体(EPS Mobility Management, EMM)和 EPS 会话管理实体(EPSSession Management, ESM)。MME 模拟器实现的协议栈见图 2。图 2 MME 网元协议栈Fig. 2 MME protocol stack2 MME 模拟器的设计与实现602.1MME 模拟器整体设计MME 模拟器的具体模块化设计参照图 3 实现，主体功能分为三个模块：NAS，S1-AP与 GTP 模块，分别实现对应协议的相关功能，模块之间可以通过各种方式实现通信，共同组成 MME 模拟器的核心部分。65图 3 MME 模拟器设计模块Fig. 3 MME simulator module design-2-MME 模拟器使用 Linux 操作系统作为基础，公共支撑库包含模拟器实现需要的操作系统的支持。Socket 机制用以实现底层协议的通信，如 UDP 和 SCTP。Select 机制、Linux 系统定时器机制、多线程机制、文件操作和内核链表都是支撑 MME 模拟器实现的必要工具5。70参数配置模块主要实现 MME 模拟器的初始化和基本参数的输入，如 MME 与 S-GW 的IP 地址以及通信涉及到的计算机端口和模拟日志文件保存设置等。在 MME 模拟器中，也需要实现 NAS 层、S1-AP 协议和 GTP-C 协议之间通信的参数。2.2NAS 层协议模块实现在 EPC 系统中，NAS 层主要实现与接入无关的功能，因为 EPC 中只有分组域，所以7580MME 中 NAS 只包括移动性管理(EPS mobility management, EMM)和会话管理(EPS sessionmanagement, EMM)两个部分。ESM 用于处理承载的上下文和控制用户等功能，具有默认承载激活，默认承载去激活等功能。EMM 支持用户注册，寻呼，去注册，进行业务请求以及跟踪去更新等功能，包含多种过程6。MME 模拟器实现了身份识别过程，用户附着注册过程，分离过程，跟踪区更新过程和业务请求过程，完成了 MME 模拟器的基本功能。图 4 NAS 模块总体流程Fig. 4 Overall process of NAS module模块总体流程如图 4 所示，NAS 同时需要与 S1-AP 模块和 GTP 模块传送消息，再对它们的消息进行检查之后，进行相应的处理和状态机的改变。85图 5EMM 状态转移模型图 6ESM 状态转移模型Fig. 5 EMM state transition modelFig. 6 ESM state transition modelMME 中 EMM 与 ESM 模型包含多种状态，所以 MME 模拟器需要建立响应的状态机来体现他们的状态变化过程，EMM 包含 EMM-DEREGISTERED 与 EMM-REGISTERED 两种90状体。ESM 包含 BEARER-CONTEXT-ACTIVE，BEARER-CONTEXT-INACTIVE 与-3-BEARER-CONTEXT-ACTIVE-PENDING 状态，状态转移图如上图所示，所以在 MME 模拟器中的 NAS 模块不仅要能够处理其他模块发来的消息，触发各种 EMM 与 ESM 过程，还要能够保存相关的状态信息，严格按照过程执行情况触发状态的转变7。以激活默认承载过程为例，说明 NAS 模块的基本工作流程。初始 MME 中默认承载处95100于未激活状态 BEARER-CONTEXT-INACTIVE，当接 EMM 收到对端发来的 PDN 连接请求时，会告知 ESM 要求激活默认承载，因为在 EPC 中默认承载是伴随着 PDN 连接一起建立的，UE 在激活之后会一直保持这个默认承载。ESM 会检查 EMM 发送的消息如果消息解析成功，ESM 会通知 EMM，然后发送 ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXTREQUEST 给 UE，ESM 状态就进入了 BEARER-CONTEXT-ACTIVE-PENDING，等待 UE的返回消息，如果 UE 成功返回了 ACCEPT，那么 ESM 状态就可以进入了BEARER-CONTEXT-ACTIVE-ACTIVE 状态。2.3S1-AP 协议模块实现MME 与 eNodeB 之间的接口称之为 S1 接口，S1 接口分为控制面和用户面，分别对应S1-MME 与 S1-U。S1-MME 中包含了 S1-AP，SCTP 与 IP 协议，以支持 MME 与 eNodeB 之105110115间一系列的功能和信令过程。SCTP 是一种在 IP 协议之上，提供可靠的数据传输的协议， 它能为上层的 S1-AP 控制平面协议信息提供有保证的可靠传输8。在 MME 模拟使用的 Linux系统中，包含有 SCTP 相关的实现，可以通过调用相关接口实现。S1-AP 协议是 S1 接口的应用层协议，用来完成 eNodeB 与 MME 之间的各种信令交互，主要包括用户的上下文管理，承载管理，切换和 NAS 层信令的传输等功能。S1-AP 模块不仅需要接收来自下层的消息，还需要与 GTP 和 NAS 模块进行原语交互，各模块之间配合以完成相关的流程，S1-AP 模块的整体实现流程见图 7。图 7 S1-AP 模块整体实现流程图Fig. 7 S1-AP module overall flow chartS1-AP 模块可能接收到由下层传来的消息，收到消息后，需要进行类型的检查与判断，-4-根据不同的消息类型触发相应的处理。同时它也可能收到来自 S-GW 的 GTP-C 消息，比如当 MME 发送过创建会话请求后，会收到 S-GW 的回应 GTP_CREATE_SESSION_RSP，需要进行相关的处理，比如保存关于此会话的相关信息。同时 S1-AP 也有传输 NAS 协议数据的功能，MME 模拟器工作时能接受 NAS 层的原语，进行 NAS 协议的传输。1202.4GTP-C 协议模块实现S11 接口位于 MME 与 S-GW 之间，主要用于传输承载控制与会话控制消息，其接口采用 GPRS 隧道协议控制面协议 GTP-C。GTP-C 主要用于核心网内的承载的建立与维护，以及各个节点之间的相关信息交互。GTP-C 消息可以分为两类：会话控制消息与承载控制消息，分别用来实现对会话与承载的控制，包括创建会话请求，删除会话请求，创建承载请求，125130135修改承载请求和删除承载请求。MME 模拟器实现了以上功能，能够实现对 EPC 网络中的会话与承载进行控制，下面以创建会话请求为例，说明 GTP-C 的基本工作流程。创建会话请求和创建会话想要主要用来在节点之间创建 GTP 会话，主要在两种情况下使用，首先是 PDN 连接初始建立时，对应 UE 发起的附着流程和 UE 发起 PDN 连接建立过程，另外一种场景是移动性引起的伴随着改变 S-GW 的路由区更新和切换过程9。建立会话之前，MME 中 GTP 连接属于 GTP-DEREGISTERED 状态，收到 NAS 发来的创建会话请求消息之后，GTP 模块会启动建立承载上下文的过程，并根据 GTPv2 协议组成CREATE_SESSION_REQUSET 包，完成创建会话请求的数据包，然后将该数据包发送至S-GW，同时启动一个定时器，在该定时器超时之前，MME 如果收到对端的对于此请求的响应 GREATE_SESSION_RESP 数据包，如果数据包满足条件，GTP 模块会发消息告知 S1-AP和 NAS 模块，完成此次会话建立过程。如果超时仍未收到 S-GW 的回复，则会激活重传，重传超过一定次数则会报告给 NAS 模块，创建会话请求流程如图 8 所示。图 8创建会话请求过程Fig. 8 Create session request process1403 MME 模拟器测试MME 模拟器功能各模块功能的实现，需要 eNodeB，S-GW 与 UE 网元的参与，为了能够测试验证 MME 模拟器，需要搭建可供测试的 EPC 网络环境。搭建测试环境实际上就是模拟实现一个基本的 EPC 网络，这就包括实现 UE，eNodeB、S-GW 和 P-GW 这四个部分。-5-MME 模拟器测试采用图 9 所示的结构，配合 Wireshark 工具抓取网络上传输的数据包，并145150155160165170对数据包进行分析。图 9 MME 模拟器测试网元结构图Fig. 9 MME emulator test network structureUE 的实现涉及到 LTE-Uu 这个无线接口，考虑到本模拟系统是主要用来对 MME 进行测试，所以为了减小实现的复杂度，在不影响网元与协议功能的前提下，我们将 UE 部分的上层 NAS 协议进行了搬移，这样就避开了 LTE-Uu 接口，不用去实现无线接口底层的复杂协议，具体协议实现如图 10 所示，LTE-Uu 接口底层的 RRC，PDCP，RLC 和 MAC 都没有做具体实现，因为这几个接入层协议，都是为了将 NAS 协议传输到核心网，对于 MME 来说本身就是不可见的。这样既减少的系统的复杂度，又使其更加稳定。eNodeB 的实现也因为跨过无线接口而得到简化，如图 10 所示，eNodeB 与 UE 通信的相关协议也省略了，只需要实现与 MME 通信的这一部分，相关的协议同样是 S1-AP，NAS与 GTP 协议，所以实现时可以重用 MME 模拟器的部分代码。而 eNodeB 侧的 NAS 协议主要就是保存 UE 的 ESM 和 EMM 状态，与 MME 的 NAS 协议构成对等实体。S-GW 实现了会话管理，数据转发等功能。P-GW 网关进行会话管理，IP 地址分配和进行数据转发等功能，这两个网元的实现主要参考开源代码，进行修改配置，能够配合 MME实现其功能。实际测试时 eNodeB，S-GW， P-GW 和业务层模块分别运行在不用的计算机上，通过以太网连接各个网元，利用 Socket 进行数据包的传输，可以对 WAP 网关和多个应用服务器发起业务。图 10 MME 模拟器测试协议栈Fig. 10 MME simulator test protocol stack测试去除了无线环境的影响，可以精确的反映出模拟器的功能和性能情况。测试时，业务模块会不断的模拟多个用户附着，进行业务与去附着流程。系统会首先仿真出信令，通过S1-AP 与 GTP-C 等协议打通信令面，然后通过数据面的 GTP-U 发送相关的用户数据。-6-Fig. 11图 11 MME 模拟器测试数据包Data package of MME simulator tesing目前已经进行了模拟器的测试工作，上图为 MME 模拟器参与的一个用户 ATTACH 请175180185190195求的过程时抓取的数据包。从图中可以看到 eNodeB(IP 地址：53)发送 Initial UEMessage 消息给的 MME 模拟器(IP 地址：41)，该消息中还携带了 NAS 协议 AttachRequest 的附着请求消息。然后 MME 模拟器开始认证流程，发送 IDENTITY REQUEST 给UE，收到 UE 回复之后，发送与 S-GW 开始与 UE 有 NAS 层消息的交互，之后 MME 向 S-GW发送创建会话的 GTP-C 消息，经过一系列的交互后，完成用户附着过程。4 结论本文给出了 EPC 网络中 MME 模拟器