IXIA 3G分組核心網(wǎng)GGSN設(shè)備測試方案

摘要　介紹了3GPP 第7版本的主要組成部分及其主要功能，對GTP-C和GTP-U協(xié)議做了分析，著重闡述了IxLoad最新支持的GGSN測試方案與特點(diǎn)，對IxLoad所得到的測試結(jié)果與技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行了總結(jié)。

1  引言

隨著移動(dòng)通信新技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的容量越來越大，系統(tǒng)越來越復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)也越來越多地承載多媒體業(yè)務(wù)，包括高速上網(wǎng)、彩信、文件傳輸與下載、IP語音業(yè)務(wù)以及視頻業(yè)務(wù)等。不斷提高網(wǎng)絡(luò)對這些業(yè)務(wù)的承載與處理能力主要考驗(yàn)的是網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)（Serving GPRS Support Nodes，SGSN）和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GPRS Gateway Support Nodes，GGSN）設(shè)備的性能，這些都是3G網(wǎng)絡(luò)中的分組交換域（Packet Switch Area）的核心設(shè)備。

IXIA測試平臺所提供的最新測試方案可以通過業(yè)界領(lǐng)先的4~7層測試工具IxLoad進(jìn)行軟件升級來實(shí)現(xiàn)高性能通用移動(dòng)通信系統(tǒng)（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）中GGSN設(shè)備，以及應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)中深度包檢測（Deep Packet Inspection，DPI）設(shè)備的性能測試。

2  相關(guān)技術(shù)點(diǎn)介紹

UMTS是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP制定的全球3G標(biāo)準(zhǔn)之一。作為一個(gè)完整的3G移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，UMTS并不僅限于定義空中接口，它的主體包括CDMA接入網(wǎng)絡(luò)和分組化的核心網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)規(guī)范和接口協(xié)議。除WCDMA作為首選空中接口技術(shù)獲得不斷完善外，UMTS還相繼引入了TD-SCDMA和HSDPA技術(shù)。目前，主流采用的標(biāo)準(zhǔn)是3GPP第7版本（R7），用于4G無線通信標(biāo)準(zhǔn)第8版本（R8）的長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）技術(shù)目前也在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中。圖1是一個(gè)簡化的3GPP第7版本的示意圖，主要包括無線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，RAN），核心網(wǎng)和IMS網(wǎng)絡(luò)。本文主要關(guān)注3G分組核心網(wǎng)中GGSN設(shè)備的性能測試。

圖1  3GPP 第7版本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

GGSN是GSM/GPRS/EDGE網(wǎng)絡(luò)核心網(wǎng)(Core Network，CN)的網(wǎng)元，是為了在GSM網(wǎng)絡(luò)中提供GPRS業(yè)務(wù)功能而引入的一個(gè)網(wǎng)元功能實(shí)體，提供數(shù)據(jù)包在GPRS網(wǎng)和外部數(shù)據(jù)網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)接口功能。用戶選擇哪一個(gè)GGSN作為網(wǎng)關(guān)，是在PDP Contexts激活過程中根據(jù)用戶的簽約信息以及用戶請求的接入點(diǎn)確定的。GGSN的主要功能是通過Gi接口與外部IP分組網(wǎng)絡(luò)連接，對GPRS會(huì)話進(jìn)行管理，建立與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。通過Gn接口與SGSN連接，并能夠輸出與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)使用相關(guān)的計(jì)費(fèi)信息。另外，目前的GGSN設(shè)備一般都具有深度包檢測（DPI）功能。

SGSN作為GPRS/WCDMA核心網(wǎng)分組域設(shè)備重要組成部分，主要完成分組數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、邏輯鏈路管理、鑒權(quán)和加密、話單產(chǎn)生和輸出等功能。

SGSN與GGSN配合，共同承擔(dān)WCDMA的數(shù)據(jù)包交換（Packet Switch，PS）功能。當(dāng)作為GPRS網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本組成網(wǎng)元時(shí)，通過IP接口和BSS設(shè)備相連。其主要的作用就是為本SGSN服務(wù)區(qū)域的MS進(jìn)行移動(dòng)性管理，并轉(zhuǎn)發(fā)輸入/輸出的IP分組，其地位類似于GSM電路網(wǎng)中的VMSC。此外，SGSN中還集成了類似于GSM網(wǎng)絡(luò)中VLR的功能，當(dāng)用戶處于GPRS附著（GPRS Attach）狀態(tài)時(shí)，SGSN中存儲(chǔ)了同分組相關(guān)的用戶信息和位置信息。當(dāng)SGSN作為WCDMA核心網(wǎng)的PS域功能節(jié)點(diǎn)，它通過Iu_PS接口與UTRAN相連，主要提供PS域的路由轉(zhuǎn)發(fā)、移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、鑒權(quán)和加密等功能。GGSN主要提供PS與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（Packet Data Network，PDN）的接口，承擔(dān)網(wǎng)關(guān)或路由器的功能。SGSN和GGSN形成數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)的核心部分，一般合稱為GSN（GPRS Support Node）。

另外，在R7版本中增加了直接信道（Direct Tunnel）的功能，其提供了可以在GGSN和RNC之間直接建立GTP-U信道的能力（見圖2）。該信道由SGSN建立，并且保持GTP-C節(jié)點(diǎn)到GGSN之間的所有控制信令。當(dāng)沒有使用直接信道功能時(shí)，為每個(gè)用戶所建立的GTP-U信道時(shí)在SGSN和GGSN之間的，使用直接信道功能。lu-PS信令代表用戶在SGSN和GGSN設(shè)備之間觸發(fā)SGSN創(chuàng)建PDP Context，這個(gè)流程通過GTP-C的創(chuàng)建PDP Context請求/回應(yīng)步驟來完成。當(dāng)直接信道生效時(shí)，SGSN會(huì)立即發(fā)起更新PDP Context消息步驟以標(biāo)識信道改變?yōu)閺腟GSN到RNC�？梢杂行�減少SGSN處于中間時(shí)所引入的額外延時(shí)，提高設(shè)備處理分組數(shù)據(jù)時(shí)的效率，IxLoad可以很好地支持該功能。

圖2  RNC和GGSN直接信道功能示意圖

在3G分組核心網(wǎng)測試中，最重要的協(xié)議之一是Gn接口上的GTP（GPRS Tunneling Protocol）協(xié)議。GTP協(xié)議有兩種，即GTP-C（Control Plane）和GTP-U (User Plane)。GTP-C是信令協(xié)議，主要功能是路徑管理、信道管理、位置管理、移動(dòng)性管理和移動(dòng)廣播與組播業(yè)務(wù)（Mobile Broadcast/Multicast Service，MBMS）。GTP-U主要功能是負(fù)責(zé)SGSN和GGSN之間IP PDUs信道的建立與數(shù)據(jù)傳送。這兩種GTP協(xié)議都是在UDP/IPv4協(xié)議之上進(jìn)行傳送的。相應(yīng)的協(xié)議棧和仿真的用戶之間交換過程參見圖3。

圖3  GTP協(xié)議棧與用戶之間協(xié)議分層模型

GTP-C的消息是在同一路徑上GSN/RNC之間進(jìn)行交換的，這些消息用于轉(zhuǎn)發(fā)GSN的容量信息，可以創(chuàng)建、更新和刪除GTP信道，也可以用于路徑管理。所有GTP-C發(fā)往GGSN的請求消息使用目的端口號2123，所有從GGSN收到的請求消息使用同樣的目的端口，所以在一個(gè)特定的物理接口上，所有GTP-C控制消息通常從同一個(gè)IP和端口上發(fā)送和接收。

GTP-U消息是在GSN對之間或者在同一路徑上GSN/RNC對之間進(jìn)行交換，這些消息同時(shí)承載用戶數(shù)據(jù)包和信息消息，用于路徑管理和錯(cuò)誤指示。GTP-U請求消息在接收端會(huì)發(fā)送到2152端口，因此所有用戶終端的GTP-U信道都發(fā)送到目的GSN設(shè)備的同一端口上；為了提高效率，所有單獨(dú)的信道可以復(fù)用到同一個(gè)端口和IP地址。

無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)最重要特點(diǎn)就是移動(dòng)性，IxLoad完全可以支持該特性的仿真，在3G核心網(wǎng)Gn接口上的定義中，是指移動(dòng)終端從當(dāng)前SGSN服務(wù)的服務(wù)區(qū)移動(dòng)到另外一個(gè)新的SGSN服務(wù)區(qū)里面；當(dāng)移動(dòng)終端移動(dòng)到一個(gè)新的服務(wù)區(qū)時(shí)，新的SGSN要重新創(chuàng)建一個(gè)PDP Context，并且和移動(dòng)終端相關(guān)的數(shù)據(jù)都要從以前的SGSN轉(zhuǎn)移到新的SGSN設(shè)備上。在這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過程中，更新的PDP Context請求/回應(yīng)消息會(huì)在相應(yīng)SGSNs和GGSN之間傳送。

3  IXIA IxLoad 3G核心網(wǎng)測試特點(diǎn)和優(yōu)勢介紹

IXIA IxLoad目前的GGSN測試方案是基于3GPP版本7進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。隨后會(huì)根據(jù)用戶需求，提供下一代無線系統(tǒng)4G的LTE測試方案。IXIA為分組核心交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供領(lǐng)先測試方案，也就是圖1中的核心數(shù)據(jù)包交換網(wǎng)絡(luò)部分。

在IXIA推出該測試方案之前，設(shè)備制造商和運(yùn)營商基本都采用無狀態(tài)的數(shù)據(jù)流量或者有限的應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行GGSN設(shè)備的性能測試，IxLoad是業(yè)界第一個(gè)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)測試的真實(shí)三重播放流量仿真（Real-Word Triple-Play）工具，并于2008年2月在“移動(dòng)世界大會(huì)”展會(huì)上做現(xiàn)場展示（http://www.ixiacom.com/news_and_events/press_releases/display.php?skey=175）。IxLoad可以仿真成千上萬個(gè)三重播放（數(shù)據(jù)、語音和視頻）用戶以及GTP相關(guān)協(xié)議，用于移動(dòng)核心網(wǎng)分組域GGSN設(shè)備的壓力測試。這也是IXIA公司正式進(jìn)入無線核心網(wǎng)測試市場的標(biāo)志，所具有的顯著特點(diǎn)和長期以來的技術(shù)優(yōu)勢必將很快被廣大用戶所接受和認(rèn)可。

在IxLoad當(dāng)前測試方案中，GGSN是被測設(shè)備（見圖4），IxLoad可以仿真網(wǎng)絡(luò)中的其它組成部分，包括SGSN，GERAN，UTRAN，終端用戶，Gi接口和IP網(wǎng)絡(luò)。需要說明的是，IxLoad一個(gè)物理端口可以同時(shí)仿真多個(gè)SGSN和用戶，這些用戶可以處于不同的地址范圍內(nèi)。這主要得益于IXIA高性能測試模塊每個(gè)端口都有獨(dú)立CPU和獨(dú)立內(nèi)存的領(lǐng)先設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也是IXIA在傳統(tǒng)有線IP性能測試領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢。

圖4  IxLoad測試GGSN示意圖