LTE—Advanced網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測和分析技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

【摘要】 實(shí)現(xiàn)LTE-Advanced（LTE-A）網(wǎng)絡(luò)的流量監(jiān)測和分析具有重要的意義。本文應(yīng)用深度包檢測技術(shù)（DPI）和DFI技術(shù)對應(yīng)用層業(yè)務(wù)進(jìn)行精細(xì)化識(shí)別， 并設(shè)計(jì)了基于傳輸流的業(yè)務(wù)呼叫/事務(wù)詳細(xì)記錄（xDR）合成方法，實(shí)現(xiàn)了對業(yè)務(wù)流量的精確監(jiān)測以及統(tǒng)計(jì)分析。

【關(guān)鍵詞】 移動(dòng)分組網(wǎng) 深度包檢測 流量分析 流量監(jiān)測

一、引言

隨著國內(nèi)4G牌照的發(fā)放，國內(nèi)LTE網(wǎng)絡(luò)商用已經(jīng)拉開帷幕。LTE-A是LTE的演進(jìn)版本，其網(wǎng)絡(luò)峰值傳輸速率達(dá)到下行1G bit/s、上行500 M bit/s。其目的是為滿足未來幾年內(nèi)無線通信市場的更高需求和更多應(yīng)用，滿足和超過IMT-Advanced的需求，同時(shí)還保持對LTE較好的后向兼容性。本文將重點(diǎn)研究LTE-A網(wǎng)絡(luò)S1接口業(yè)務(wù)的精確識(shí)別和準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了一套基于傳輸層數(shù)據(jù)的xDR合成技術(shù)和DPI與自學(xué)習(xí)功能結(jié)合的業(yè)務(wù)識(shí)別技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對業(yè)務(wù)精細(xì)識(shí)別和準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。

二、LTE-A網(wǎng)絡(luò)S1-U接口

LTE-A網(wǎng)絡(luò)由用戶設(shè)備（UE）、演進(jìn)的接入網(wǎng)（E-UTRAN）和演進(jìn)的核心網(wǎng)（EPC）組成，E-UTRAN僅由基站（e Node B）組成，EPC僅由分組交換域組成。S1接口在網(wǎng)絡(luò)中處于核心位置是E-UTRAN和EPC之間連接的橋梁，承載了所有E-UTRAN和EPC之間的信令和數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析可以全面地獲取LTE-A網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，因此選取S1口作為監(jiān)測點(diǎn)尤為重要。S1接口控制面采用SCTP提供可靠的傳輸，SCTP承載S1應(yīng)用協(xié)議S1AP，S1AP協(xié)議之上承載非接入層協(xié)議NAS，因此本方案選取S1-U作為采集點(diǎn)。

三、監(jiān)測方案

基于LTE-A網(wǎng)絡(luò)S1接口業(yè)務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將不同協(xié)議的解碼、合成、DPI統(tǒng)計(jì)封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL），以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的松耦合。LTE-A網(wǎng)絡(luò)流量分析系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、協(xié)議棧解碼、xDR合成、業(yè)務(wù)識(shí)別統(tǒng)計(jì)等功能。

3.1 S1-U接口解碼技術(shù)

在監(jiān)測系統(tǒng)中，協(xié)議數(shù)據(jù)解碼的任務(wù)是將采集過來的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成具有邏輯意義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為業(yè)務(wù)識(shí)別和xDR合成提供上下文。本方案中，協(xié)議數(shù)據(jù)解碼采用提取關(guān)鍵信息字段的簡單解碼。解碼的過程采用從接口協(xié)議棧中從底到頂?shù)闹饘咏獯a的思想，提取完本層協(xié)議關(guān)鍵字段后，根據(jù)上層協(xié)議標(biāo)識(shí)調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議解碼器，將協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）遞交上層協(xié)議解碼接口，以此遞歸，直到?jīng)]有上層協(xié)議。S1用戶面解碼需要依次進(jìn)行Ethernet協(xié)議、IP、UDP、GTP-U，用戶面IP、TCP/UDP、 HTTP、FTP、POP3、SMTP、域名解析（DNS）、實(shí)時(shí)流傳輸協(xié)議（RTSP）、無線傳輸 （WTP）、無線會(huì)話（WSP）等協(xié)議，對每一次協(xié)議或者用戶數(shù)據(jù)，都要逐層提取關(guān)鍵信息。

3.2業(yè)務(wù)識(shí)別統(tǒng)計(jì)

業(yè)務(wù)識(shí)別主要針對通用業(yè)務(wù)和HTTP業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)識(shí)別的關(guān)鍵在于建立特征庫。特征庫是一個(gè)特征字段與應(yīng)用類型值的對應(yīng)關(guān)系表。結(jié)合LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大的特點(diǎn)，本文提出了一種自學(xué)習(xí)的方法，結(jié)合DPI技術(shù)，能夠大幅度的減輕服務(wù)器的壓力，提升數(shù)據(jù)包識(shí)別速度。

基本步驟如下：1、根據(jù)IP五元組構(gòu)造Key，向統(tǒng)計(jì)信息表查詢統(tǒng)計(jì)應(yīng)用類型信息，如果查詢得到結(jié)果，更新統(tǒng)計(jì)信息表；2、未查詢到結(jié)果，則通過服務(wù)端IP、服務(wù)端端口號(hào)和承載協(xié)議向已確定的應(yīng)用類型表查詢應(yīng)用類型；3、如果待處理鏈表中有需要處理的節(jié)點(diǎn)，調(diào)用特征識(shí)別模塊進(jìn)行識(shí)別更新統(tǒng)計(jì)項(xiàng)中的各種應(yīng)用類型，識(shí)別步驟為（4）-（6）；4、逐個(gè)匹配特征庫，只到得到應(yīng)用服務(wù)類型，得到應(yīng)用類型；5、如果匹配不成功，查找層三IP特征庫。層三IP特征庫匹配失敗，則匹配數(shù)字特征庫，得到數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型信息；6、根據(jù)（4）-（6）中查詢結(jié)果，學(xué)習(xí)應(yīng)用類型與IP三元組對應(yīng)表，以后識(shí)別相同應(yīng)用數(shù)據(jù)流，則可省去（4）-（6）步驟。

3.3 xDR合成

xDR能夠完整的反應(yīng)出一次呼叫或鏈接從建立到結(jié)束的全部過程，是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)。xDR合成的過程是將屬于同一交互流程的消息關(guān)聯(lián)起來，對該流程的消息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)形成xDR。實(shí)現(xiàn)過程是采用哈希算法，利用合成關(guān)鍵值Key完成消息和所屬流程的關(guān)聯(lián)。本方案業(yè)務(wù)xDR合成均選取源IP、源端口號(hào)、目的IP、目的端口號(hào)作為關(guān)鍵信息Key。一個(gè)xDR的合成有三種操作，即創(chuàng)建、更新和結(jié)束。當(dāng)接收到一個(gè)正常的傳輸流建立請求消息時(shí)創(chuàng)建新的xDR；流結(jié)束消息或者超時(shí)觸發(fā)xDR結(jié)束操作，其他消息更新xDR。對于本流程非鏈路結(jié)束消息，可以通過關(guān)鍵Key值，關(guān)聯(lián)到合成中的xDR，更新xDR內(nèi)容和統(tǒng)計(jì)信息。

四、流量分析

將從S1-U接口采集到的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)發(fā)送到處理模塊，經(jīng)過解碼后分別遞交DPI模塊和合成模塊，得到業(yè)務(wù)識(shí)別統(tǒng)計(jì)出表和合成xDR及其出表文件。進(jìn)一步的通過使用爬蟲技術(shù)的二次DPI，可以了解到用戶請求的詳細(xì)內(nèi)容。

五、小 結(jié)

本文提出了基于LTE-A網(wǎng)絡(luò)S1接口的流量監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)，首先分析了LTE-A網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量監(jiān)測的面臨的調(diào)整，然后在傳統(tǒng)IP五元組解碼的基礎(chǔ)上，通過DPI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對業(yè)務(wù)的準(zhǔn)確識(shí)別和統(tǒng)計(jì)。隨后，改進(jìn)了傳統(tǒng)的基于應(yīng)用層消息合成業(yè)務(wù)xDR的方法，提出并實(shí)現(xiàn)了基于傳輸流的業(yè)務(wù)xDR合成方法。整個(gè)系統(tǒng)基于Linux平臺(tái)，經(jīng)過現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)測試，能夠穩(wěn)定、可靠的實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的識(shí)別與統(tǒng)計(jì)，對即將商用的LTE-A網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測和分有重要的指導(dǎo)意義。

聯(lián)系方式：董志明 重慶市南岸區(qū)重慶郵電大學(xué)信息與通信學(xué)院 15340524845

參 考 文 獻(xiàn)

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