匡 紅，葉 猛

（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074）

LTE中基于S1接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

匡 紅，葉 猛

（武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074）

首先簡單介紹了LTE的發(fā)展現(xiàn)狀以及技術(shù)特點(diǎn)，定位了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的入口S1接口。接著提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體框架，然后針對數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了詳細(xì)論述，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊包括采集信令、采集數(shù)據(jù)、信令和數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，最后提出了數(shù)據(jù)分析模塊中的均衡策略。

LTE;S1接口;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);數(shù)據(jù)分析模塊;數(shù)據(jù)采集模塊;均衡策略

目前，全球的移動用戶已經(jīng)突破60億，雖然3G市場呈現(xiàn)快速增長的趨勢，但是國內(nèi)外對其后續(xù)演進(jìn)技術(shù)的研發(fā)早已展開［1］，有以下三大演進(jìn)路線:一是WCDMA和TDSCDMA，演進(jìn)到 LTE;二是 IEEE 802.16m的 WiMAX路線;三是CDMA2000演進(jìn)到UMB［2］。因此，有必要對LTE計(jì)劃及其技術(shù)發(fā)展投入足夠的關(guān)注［3-5］。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文的重點(diǎn)是研究LTE中基于S1接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成，獲取數(shù)據(jù)的入口在MME/S-GW和eNodeB之間，即S1接口。其中數(shù)據(jù)分析模塊的作用是把LTE網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)平均分配到數(shù)據(jù)采集模塊;數(shù)據(jù)采集模塊是由多臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器組成，也就是把數(shù)據(jù)平均地分配到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上，然后數(shù)據(jù)采集服務(wù)器把用戶一次上網(wǎng)行為的信令和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到一起，這樣才能正確采集用戶上網(wǎng)行為，比如瀏覽網(wǎng)頁是基于HTTP協(xié)議，F(xiàn)oxmail發(fā)郵件是基于SMTP協(xié)議等。所以，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是從LTE核心網(wǎng)獲取上網(wǎng)用戶的信令和數(shù)據(jù)，采集用戶的上網(wǎng)行為。

2 數(shù)據(jù)采集模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文介紹，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)采集模塊組成。數(shù)據(jù)分析模塊主要是進(jìn)行均衡，把數(shù)據(jù)平均分配到數(shù)據(jù)采集模塊，均衡策略將在后文詳述。數(shù)據(jù)采集模塊需要考慮的問題是采集用戶的哪些信令，如何采集用戶的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和信令是如何關(guān)聯(lián)起來的，下面針對數(shù)據(jù)采集模塊分析以上問題。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊采集信令

圖2所示為用wireshark抓包軟件獲取的LTE網(wǎng)絡(luò)信令包。針對用戶的一次上網(wǎng)行為，會有多種信令消息。本節(jié)將簡單闡述用戶一次上網(wǎng)行為涉及到的信令類型，然后說明數(shù)據(jù)采集模塊需要截獲到的幾種信令類型和協(xié)議字段。

圖2 wireshark抓包LTE網(wǎng)絡(luò)中信令消息（截圖）

1）UE開機(jī)后首先進(jìn)行小區(qū)選擇，接收系統(tǒng)信息，然后開機(jī)附著。

2）eNodeB向MME發(fā)起請求初始化UE消息（Initial UE Message），信令里包括5個(gè)單元，即id-eNB-UE-S1APID，id-NAS-PDU，id-TAI，id-EUTRAN-CGI，id-RRC-Establishment-Cause。其中id-eNB-UE-S1AP-ID用來唯一地標(biāo)識該eNodeB中含有的UE集合。

3）核心網(wǎng)會創(chuàng)建默認(rèn)的EPS承載，然后發(fā)送上下文建立的信令（Initial Context Setup Request），請求建立一個(gè)UE上下文。信令中包括8個(gè)單元，其中id-E-RABToBe-SetupListCtxtSUReq單元中最關(guān)鍵的IE有TEID-GTP，是信令創(chuàng)建隧道后，唯一標(biāo)識這個(gè)隧道，適用于數(shù)據(jù)和信令的關(guān)聯(lián)，transportLayerAddress為傳輸層的IP地址。

4）如果想創(chuàng)建專用的EPS承載，MME會向eNodeB發(fā)送一條E-RAB Setup Request，然后eNodeB上傳一個(gè)ERab Setup Response。請求信令中有3個(gè)單元，即id-MMEUE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP-ID以及id-E-RABToBe-SetUpListBearerSUReq。同樣id-E-RABToBeSetUpListBearerSUReq中有TEID-GTP和transportLayerAddress。

5）在eNodeB還沒有發(fā)起創(chuàng)建UE上下文的響應(yīng)之前，會發(fā)送一條帶有UE無線能力信息的信令（UE Capability Info Indication）。信令里包含3個(gè)單元，即 id-MME-UE-S1AP-ID，id-eNB-UE-S1AP，id-UERadioCapability。其中id-UERadioCapability包含UE的無線承載能力。

6）eNodeB向MME發(fā)起創(chuàng)建UE上下文的響應(yīng)信令（Initial Context Setup Response）。確認(rèn)建立一個(gè)UE上下文。信令中E-RAB Setup List中會返回一個(gè)E-RAB ID，唯一標(biāo)識特定的UE無線承載。

7）這時(shí)MME可以向eNodeB發(fā)送下行的NAS傳輸信令（Downlink NAS Teansport），然后eNodeB向MME發(fā)送上行的NAS傳輸信令（Uplink NAS Teansport），更新承載。兩個(gè)信令中需要采集id-eNB-UE-S1AP-ID和id-MME-UE-S1AP-ID，id-MME-UE-S1AP-ID表示該MME下S1接口上的UE集合［6］。

8）當(dāng)檢測到用戶inactive時(shí)，eNodeB會向MME發(fā)送一條釋放UE上下文的信令（UE Context Release Request），用于請求釋放與UE相關(guān)的邏輯連接。然后EPC更新承載后，會發(fā)給eNodeB一條UE上下文釋放命令（UE Context Release Command），釋放掉相關(guān)用戶的數(shù)據(jù)和信令資源。最后，eNodeB確定后，會發(fā)一條完成釋放信令（UE Context Release Complete），其中E-RAB ID就是建立無線承載時(shí)分配的 E-RAB ID［7］。

表1展示了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要采集的信令消息和重要字段。

表1 LTE常用信令消息類型以及需要采集的字段

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)

LTE網(wǎng)絡(luò)中通過S1接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用的是GTPU協(xié)議。如圖3所示，數(shù)據(jù)Data承載在UDP協(xié)議上，所謂采集數(shù)據(jù)，即截獲這里的Data數(shù)據(jù)。比如瀏覽網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)承載在HTTP協(xié)議之上，F(xiàn)oxmail發(fā)郵件的數(shù)據(jù)承載在SMTP協(xié)議之上，foxmail收郵件的數(shù)據(jù)承載在POP3協(xié)議之上。無論是基于哪種應(yīng)用，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只需要截獲這里的Data數(shù)據(jù)。

圖3 wireshark抓包LTE網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)消息（截圖）

2.3 數(shù)據(jù)與信令的關(guān)聯(lián)

基于上述介紹，可以成功地采集信令和數(shù)據(jù)消息，數(shù)據(jù)采集模塊需要把一個(gè)用戶一次上網(wǎng)行為產(chǎn)生的信令和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到一起。信令在建立隧道的時(shí)候會分配一個(gè)隧道號GTP TEID，如圖3所示，在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，GTP-U的頭部也會帶有一個(gè)TEID字段。TEID字段是隧道標(biāo)識符，用于識別一個(gè)隧道，數(shù)據(jù)中的TEID字段標(biāo)識這條數(shù)據(jù)是屬于哪一條隧道。那么通過這個(gè)字段，就可以成功地把數(shù)據(jù)和信令關(guān)聯(lián)起來了。

3 數(shù)據(jù)分析模塊的均衡策略

數(shù)據(jù)分析模塊的作用是把LTE核心網(wǎng)截獲的數(shù)據(jù)平均分配給數(shù)據(jù)采集模塊的采集服務(wù)器。如何做到平均，類似銀行的叫號系統(tǒng)，對于普通用戶有普通區(qū)，對于貴賓用戶，則有貴賓區(qū)。目前，服務(wù)器的網(wǎng)口物理IO能力是1 Gbit/s，北京的電信網(wǎng)數(shù)據(jù)流量就達(dá)到了20 Gbit/s，全國的核心網(wǎng)數(shù)據(jù)流量高達(dá)幾百吉比特每秒，一個(gè)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器是不可能處理的，所以對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)分析模塊是必不可少的。只有確保每臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器處理800 Mbit/s～1 Gbit/s的數(shù)據(jù)流量，才能保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。根據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，信令和數(shù)據(jù)的比例大致為1∶100。

根據(jù)以上的表述，制定了數(shù)據(jù)分析模塊的均衡策略:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中開始傳輸信令時(shí)，所有的信令包都發(fā)往固定的信令板;而傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，則是根據(jù)數(shù)據(jù)包的IP對其進(jìn)行分發(fā)，保證每塊數(shù)據(jù)采集服務(wù)器處理的流量一致，僅800 Mbit/s～1 Gbit/s的數(shù)據(jù)流量。其中，根據(jù)IP分發(fā)，32位IP地址除以數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（除充當(dāng)信令板的服務(wù)器）個(gè)數(shù)的余數(shù)，決定該數(shù)據(jù)要發(fā)送到哪一塊固定的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上。通過這種方式均衡，每一臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器處理的流量應(yīng)該是均等的，這樣才能保持比較高的數(shù)據(jù)處理能力。如圖4所示，以上的描述都是單板部署，即只有一臺數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，單板部署只能處理流量小于10 Gbit/s的情況。但是在實(shí)際處理過程中，流量往往都是大于10 Gbit/s的，所以有以下多板部署策略。

圖4 數(shù)據(jù)分析模塊的均衡策略

當(dāng)數(shù)據(jù)流量大于10 Gbit/s的時(shí)候，就要考慮配置多個(gè)負(fù)載均衡服務(wù)器。比如數(shù)據(jù)流量為10 Gbit/s，分配兩個(gè)負(fù)載均衡服務(wù)器，每個(gè)負(fù)責(zé)5 Gbit/s數(shù)據(jù)，信令都發(fā)往信令板，數(shù)據(jù)包根據(jù)IP分發(fā)，然后處理的時(shí)候，信令板處理信令包，接著獲取接口結(jié)構(gòu)，廣播到每一個(gè)數(shù)據(jù)板。需要強(qiáng)調(diào)的是，廣播的不是信令包，而是信令的接口結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)采集模塊需要獲取的信令關(guān)鍵字，因?yàn)閺V播數(shù)據(jù)包會降低系統(tǒng)的效率。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過TEID把數(shù)據(jù)和信令關(guān)聯(lián)起來，創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)中就包含了某個(gè)用戶一次上網(wǎng)行為的信令和數(shù)據(jù)，這樣就達(dá)到了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的目的。

4 結(jié)語

隨著3G技術(shù)成熟和3G網(wǎng)絡(luò)的逐漸普及，給人們的生活帶來了前所未有的體驗(yàn)，但是人們的需求并沒有因此停滯，為了滿足更高的帶寬和更低的時(shí)延，LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。在LTE網(wǎng)絡(luò)成立試點(diǎn)的同時(shí)，它的安全性也備受關(guān)注。在本論文中，提出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，即從LTE核心網(wǎng)S1接口中獲取數(shù)據(jù)。首先是通過數(shù)據(jù)分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的均衡，把LTE的數(shù)據(jù)平均分配給數(shù)據(jù)采集模塊，然后數(shù)據(jù)采集模塊截獲信令和數(shù)據(jù)，以及把用戶的信令和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，這樣就可以采集到某個(gè)用戶的一次上網(wǎng)行為。

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［2］包興異.3GPP LTE接入網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與空中接口協(xié)議［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，12（22）:39-40.

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Data Collection System Research Based on S1 Interface in LTE

KUANG Hong，YE Meng

（Wuhan Research Institute of Post and Telecommunication，Wuhan 430074，China）

At first，status of development and technology feature of LTE are introduced.And the entrance of data collection system called S1 interface is located.Secondly，the overall framework of data collection system is put forward.And then，data collection and data analysis module are discussed in detail.The collection and association between signal and data plays an important role in data collection module.At last，the balance of strategy is analyzed in data analysis module.

LTE;S1 interface;data collection system;data analysis module;data collection module;balance of strategy

TN929

B

【本文獻(xiàn)信息】匡紅，葉猛.LTE中基于S1接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2012BAH38B05）

匡 紅（1987— ），女，碩士生，主研網(wǎng)絡(luò)信息安全及通信協(xié)議;

葉 猛（1975— ），博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)信息安全及通信協(xié)議。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－06－13