LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀中S6a接口Diameter協(xié)議監(jiān)測方案研究*

王朝陽，曹龍漢，張治中

（1.重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測試技術(shù)重點實驗室 重慶 400065；2.重慶通信學(xué)院控制工程重點實驗室 重慶 400035）

1 引言

中國移動LTE試驗商用網(wǎng)已經(jīng)在上海、廣州、深圳等城市實現(xiàn)了主城區(qū)的全覆蓋，LTE基站數(shù)已達(dá)到2萬個左右，LTE網(wǎng)絡(luò)也將逐漸在全國各個城市布局[1]。為了保證LTE網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測顯得非常重要。LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀通過對LTE網(wǎng)絡(luò)中各個接口信令數(shù)據(jù)的采集與分析，實現(xiàn)對整個LTE網(wǎng)絡(luò)運行狀況的監(jiān)測。LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀采用分布式、模塊化、可組合的架構(gòu)體系，易于維護(hù)和擴展，能夠針對不同的需求進(jìn)行快速的個性化設(shè)計，對網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測更加高效、可靠、穩(wěn)定[2,3]。LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、故障定位和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，為LTE網(wǎng)絡(luò)的運行維護(hù)提供強大的技術(shù)支撐，從而加速LTE網(wǎng)絡(luò)的推廣和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。S6a接口Diameter協(xié)議的監(jiān)測方案是LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀中重要的組成部分，本文重點介紹監(jiān)測方案的設(shè)計，包括整體方案設(shè)計、協(xié)議解碼設(shè)計、CDR合成設(shè)計，并利用LTE現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)對監(jiān)測方案進(jìn)行了測試。

2 Diameter協(xié)議監(jiān)測方案設(shè)計

S6a接口是 LTE網(wǎng)絡(luò)中 MME（mobility management entity，移動性管理實體）與 HSS（home subscriber server，歸宿用戶服務(wù)器）之間的接口，Diameter協(xié)議是S6a接口的應(yīng)用層協(xié)議，是支持基于IP技術(shù)的AAA框架的AAA協(xié)議。AAA包括認(rèn)證、計費和鑒權(quán)。認(rèn)證是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對用戶身份的確認(rèn)；計費是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)用戶對資源的使用情況進(jìn)行收費；鑒權(quán)是指用戶在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)授權(quán)的情況下以特定的方式使用其資源。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對特定用戶資源使用情況的準(zhǔn)確記錄是依靠認(rèn)證、計費、鑒權(quán)實現(xiàn)的，這樣既保障了合法用戶的權(quán)益，又保障了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全可靠地運行。Diameter協(xié)議包括基礎(chǔ)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)協(xié)議、可擴展鑒別協(xié)議等，其作用是對用戶認(rèn)證、計費和鑒權(quán)等相關(guān)信息進(jìn)行處理[4]。

根據(jù)相關(guān)測試規(guī)范的要求，Diameter協(xié)議監(jiān)測主要包括以下幾個功能:Diameter協(xié)議簡單解碼、詳細(xì)解碼和CDR合成。Diameter協(xié)議監(jiān)測流程如圖1所示。

圖1 Diameter協(xié)議監(jiān)測流程

根據(jù)原始數(shù)據(jù)的不同來源，監(jiān)測模式可分為實時監(jiān)測模式和數(shù)據(jù)回放模式[6]。在實時監(jiān)測模式下，原始數(shù)據(jù)來源于采集卡捕獲的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)回放模式下，原始數(shù)據(jù)來源于從現(xiàn)網(wǎng)上采集并已保存的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過S6a接口的篩選，將消息保存到消息緩存中。S6a接口解碼模塊從消息緩存中取出消息，逐跳逐層次地解碼，詳細(xì)解碼模塊獲得消息每一個比特的詳細(xì)信息，簡單解碼模塊只提取消息的關(guān)鍵字段，如消息特征字段信息等，并把關(guān)鍵字段封裝到CDR合成信息類中。CDR合成模塊的功能是把同一用戶同一業(yè)務(wù)中相關(guān)聯(lián)的信息組合在一起，形成一個完整的信令流程，如認(rèn)證、位置更新等。用戶在界面上可以根據(jù)需要觸發(fā)解碼、CDR合成等流程，或檢查網(wǎng)絡(luò)運行情況。

對各個模塊進(jìn)行獨立設(shè)計，并以動態(tài)鏈接庫的形式進(jìn)行連接，模塊之間耦合度低，功能獨立，從而既能防止故障擴散，又能縮短軟件開發(fā)周期，并具有良好的擴展性。

3 Diameter協(xié)議監(jiān)測分析及實現(xiàn)

3.1 Diameter協(xié)議解碼

Diameter協(xié)議解碼由簡單解碼和詳細(xì)解碼兩部分組成。簡單解碼是CDR合成的基礎(chǔ)，對信令消息進(jìn)行部分解析，主要包括消息ID、消息來源、消息接收時間、消息類型等基本信息，便于界面上的消息索引；詳細(xì)解碼是對消息進(jìn)行逐比特地解碼，將Diameter消息的所有字段全部解析出來，并將解碼結(jié)果反饋給顯示模塊用于界面呈現(xiàn)。解碼思路是采用逐跳逐層次的方式對消息進(jìn)行解析，將解碼函數(shù)模塊化、定義和實現(xiàn)相分離，從而提高代碼的獨立性和可移植性。

Diameter消息結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]，從功能上可以劃分為Diameter消息頭和一個或多個屬性值字段——AVP（attribute value pair，屬性值對）。Diameter消息頭包括版本號、消息長度、命令標(biāo)識位、命令字、應(yīng)用ID、逐跳標(biāo)識符和端對端標(biāo)識符；AVP字段用于封裝協(xié)議應(yīng)用的信息，如路由消息、計費消息等。

圖2 Diameter消息結(jié)構(gòu)

圖3 詳細(xì)解碼流程

針對Diameter消息結(jié)構(gòu)的特點，設(shè)計Diameter詳細(xì)解碼流程如圖3所示。在詳細(xì)解碼線程啟動后，詳細(xì)解碼函數(shù)通過函數(shù)入?yún)@取待解碼消息的數(shù)據(jù)長度和頭指針，然后函數(shù)會進(jìn)行數(shù)據(jù)是否有效的判斷，如Diameter的消息頭占20 byte，如果數(shù)據(jù)的長度小于20 byte，那么數(shù)據(jù)無效，解碼結(jié)束并返回解碼數(shù)據(jù)出錯的提示；如果數(shù)據(jù)有效，解碼函數(shù)獲取內(nèi)存池句柄和顯示語言的種類，同時調(diào)用diameter_fdecode函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，解碼函數(shù)采用逐層解析的方式，首先解析Diameter的消息頭，然后解析Diameter消息體AVP字段。如果顯示的語言種類為中文，將調(diào)用中文的解碼函數(shù)；如果是英文，將調(diào)用英文的解碼函數(shù)。

3.2 Diameter協(xié)議CDR合成

3.2.1 CDR合成算法設(shè)計

CDR合成是將消息按信令流程歸類，并按照特定關(guān)系將其關(guān)聯(lián)起來，還原出真實的通信流程，為流程查詢、網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)統(tǒng)計和故障定位等功能提供數(shù)據(jù)支撐，是信令監(jiān)測中非常重要的環(huán)節(jié)[6]。

CDR合成通常采用紅黑樹索引合成算法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量比較小時，使用此算法是高效、準(zhǔn)確的，但隨著網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量急劇增加，繼續(xù)使用此算法會導(dǎo)致合成效率低下，部分合成結(jié)果不準(zhǔn)確。針對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量龐大的問題，在CDR合成時提出了高效的緩存索引算法，以空間換時間，實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)的高效、準(zhǔn)確處理。緩存索引算法采用以特定的key值為索引、CDRID為映射值的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式，對key值和待查找信息的存儲地址建立映射關(guān)系，并且映射關(guān)系是唯一的，這樣就可以通過key值直接找到其對應(yīng)的存儲地址，從而大大提高了合成效率。

3.2.2 CDR超時處理機制

采集數(shù)據(jù)時可能會出現(xiàn)分組丟失、設(shè)備故障等問題，從而有可能導(dǎo)致信令數(shù)據(jù)不完全等異常情況出現(xiàn)，信令數(shù)據(jù)不完全會導(dǎo)致CDR合成無法結(jié)束，最終導(dǎo)致CDR合成錯誤。針對此問題，提出了超時處理機制，原理是通過建立鏈表記錄緩存索引中每個CDR的key值和超時時間，創(chuàng)建每個CDR時都在超時鏈表中添加一個節(jié)點，該節(jié)點的結(jié)構(gòu)體包括該CDR對應(yīng)的key值和預(yù)設(shè)的超時時間。每當(dāng)有新的消息進(jìn)入CDR合成模塊時，合成模塊都會調(diào)用CheckTimeCdr函數(shù)查詢并處理超時鏈表中的超時節(jié)點。在對鏈表中的超時節(jié)點處理完成后，合成模塊會刪除鏈表中的超時節(jié)點，這樣就消除了緩存索引表中超時的CDR。

3.2.3 CDR合成實現(xiàn)

根據(jù)Diameter協(xié)議的特點，S6a接口Diameter的CDR合成關(guān)鍵字采用目的IP地址、目的SCTP端口號、源IP地址、源SCTP端口號，四者均能唯一標(biāo)識傳送雙方，會話ID在同一個信令流程中是相同的，因此通過這幾個參數(shù)就能確定同一個信令流程。CDR合成建立在簡單解碼的基礎(chǔ)上，簡單解碼為CDR合成提供必要的信息，如Diameter的應(yīng)用ID、消息。CDR合成流程如圖4所示，具體分為如下幾步。

（1）簡單解碼結(jié)束，將合成所需的信息提交給合成模塊，并觸發(fā)合成。

（2）合成開始后，檢查緩存中的CDR是否存在超時的情況，如果有，則對超時的CDR進(jìn)行處理。

（3）從簡單解碼結(jié)果中提取Diameter的應(yīng)用ID進(jìn)行判斷。

（4）根據(jù)判定的結(jié)果進(jìn)入不同的應(yīng)用分支并進(jìn)行相應(yīng)的處理，以S6a接口的合成為例進(jìn)行說明。

（5）S6a合成模塊從簡單解碼的結(jié)果中提取建立合成緩存區(qū)所需要的key值。

（6）在S6a合成模塊的CDR緩存中查找是否有與當(dāng)前key值對應(yīng)的CDR，如果不存在，則進(jìn)行第（7）步，如果存在，就進(jìn)行第（8）步。

（7）在合成緩存區(qū)中插入key值，同時創(chuàng)建一個新的CDR，并為其分配一個CDR ID，同時將簡單解碼的結(jié)果填入對應(yīng)的CDR屬性中。

（8）在合成緩存區(qū)中找到與CDR ID對應(yīng)的CDR，并利用簡單解碼的結(jié)果更新該CDR，更新完成后判斷該CDR是否結(jié)束，如果沒有結(jié)束則進(jìn)行第（9）步，如果結(jié)束就進(jìn)行第（10）步。

（9）設(shè)置CDR超時時間，并將其放入S6a模塊的CDR緩存中，重復(fù)上述Diameter協(xié)議合成流程。

圖4 合成流程

（10）關(guān)閉該CDR，刪除超時節(jié)點，合成完成。

4 測試結(jié)果與分析

利用LTE網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)對監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試，包括解碼測試和CDR合成測試。LTE網(wǎng)絡(luò)測試儀中詳細(xì)解碼的界面顯示為用戶提供了中文和英文兩種語言，解碼結(jié)果以樹型結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)。一條消息的中文解碼結(jié)果如圖5所示，在消息列表的消息特征欄中顯示這是一條位置更新消息，將Diameter協(xié)議展開，顯示Diameter協(xié)議的版本號、消息分組的長度以及命令標(biāo)識、命令碼、應(yīng)用標(biāo)識、跳到跳標(biāo)識、端到端標(biāo)識和一系列AVP值。從請求消息標(biāo)識位的值可知，該消息為update location request（即位置更新請求消息）。由解碼結(jié)果的樹型結(jié)構(gòu)可知，協(xié)議最上層為Diameter協(xié)議，底層依次是SCTP、IP、Ethernet協(xié)議，界面上對消息中的字段名、字段值、解釋及位掩碼等信息進(jìn)行了詳細(xì)說明。通過與原始數(shù)據(jù)及協(xié)議進(jìn)行對比，證實解碼結(jié)果是完整、正確的。

S6a接口上一次位置更新消息的CDR流程如圖6所示。首先MME向HSS發(fā)送一條認(rèn)證請求消息authentication information request，合成模塊提取這條消息的會話ID、源IP地址和目的IP地址、源STCP端口號和目的STCP端口號等信息，并創(chuàng)建CDR。HSS收到認(rèn)證請求消息后，向MME回復(fù)一條認(rèn)證響應(yīng)消息authentication information answer，合成模塊判斷該消息攜帶的key值后，對CDR進(jìn)行填充。在收到HSS發(fā)送的認(rèn)證響應(yīng)消息后，MME向HSS發(fā)送位置更新請求消息update location request，HSS又向MME發(fā)送位置更新響應(yīng)消息update location answer。在收到位置更新響應(yīng)消息后，合成模塊填充了位置更新結(jié)束時間，CDR合成結(jié)束。

在此次CDR合成中，用戶在HSS中注冊的IMSI為404309990000002，通過消息編號查找這4條消息的詳細(xì)解碼結(jié)果，這4條消息的會話ID一致，再結(jié)合相關(guān)協(xié)議規(guī)范中Diameter同一個信令流程中會話ID相同的原則，證明該CDR合成正確。

圖5 Diameter協(xié)議解碼結(jié)果

圖6 CDR合成流程

5 結(jié)束語

通過對LTE網(wǎng)絡(luò)S6a接口Diameter協(xié)議的研究，提出了針對Diameter協(xié)議的監(jiān)測方案，即協(xié)議解碼和CDR合成方案。監(jiān)測方案在開發(fā)時使用VS2010開發(fā)環(huán)境，利用面向?qū)ο蟮乃枷耄O(shè)計了模塊化的解碼方案和高效的CDR合成方案。該監(jiān)測方案已通過LTE現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)的測試，取得良好的監(jiān)測效果。該監(jiān)測方案的設(shè)計方法對于設(shè)計LTE網(wǎng)絡(luò)中其他協(xié)議的監(jiān)測方案具有指導(dǎo)和推廣意義。

1 黃海峰.4G為移動互聯(lián)網(wǎng)帶來變革 中國移動TD-LTE發(fā)展思路明確.通信世界,2012(21)

2 李艷，張治中.LTE網(wǎng)絡(luò)S1AP監(jiān)測方案的研究與實現(xiàn).電信科學(xué),2013,29(1):31～38

3 李丹鳳，張治中.LTE網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中DHCP協(xié)議的解碼方案研究.電視技術(shù),2012,36(9):69～73

4 3GPP TS 29.272.Evolved Packet System (EPS);Mobility Management Entity(MME)and Serving GPRS Support Node(SGSN)Related Interfaces Based on Diameter Protocol(Release 12),2013

5 IETF RFC5516.Diameter Command Code Registration for Third Generation Partnership Project (3GPP)Evolved Packet System(EPS),2009

6 楊理想,張治中.GSM用戶感知系統(tǒng)中BTSM協(xié)議監(jiān)測方案研究.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,24(6):751～755