通信网络中的动态负载平衡

摘要

公开一种用于提供可与其他网络元件共享的动态和实时负载因素的方法和系统。所述负载因素可用于在一组网络元件中确定相对负载，并用于在该组网络元件上分配新会话请求以及已有会话。所述负载因素也可用于确定用户设备被移交到哪个网络元件。所述动态负载因素也可以在网络元件之间被共享，以确定在例如移动性管理实体(MME)的网络元件之间怎样平衡负载。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请按照条款35U.S.C.§119(e)要求2008年11月17日提交的名为“Dynamic Load Balancing in a Communication Network”(通信网络中的动态负载平衡)的美国临时专利申请第61/115,356号的优先权，这里通过引用将该申请的全部内容合并在本申请中。

技术领域

本发明涉及在通信系统中提供动态负载平衡的系统和方法。

背景技术

无线网络是利用无线电波从网络中的一个节点向网络中的一个或多个接收节点运送信息的电信网络。蜂窝技术的特征在于使用向地理区域提供无线电覆盖的无线电小区，其中多个小区被配置为在更大区域提供连续无线电覆盖。在无线网络的一部分中(例如小区之间或接入点之间)也可以使用有线通信。

第一代无线电话技术使用模拟移动电话，其中调制和发送模拟信息信号。在第二代(2G)系统中，利用数字信息信号来调制载波。这些2G技术使用用于GSM系统的时分多址接入(TDMA)技术，或者使用用于IS-95系统的码分多址接入(CDMA)技术，以区别多个用户。这样的网络被进一步更新，在称为2.5G和3G网络的网络中先后利用GPRS/EDGE、HSPA和CDMA 1x-EVDO来处理更高速的分组数据。下一步进展是4G技术，4G技术称为长期演进系统结构演进(LTE-SAE)，使用正交频分多址接入(OFDMA)技术。其他无线协议也已经发展，包括WiFi(各种IEEE 802.11协议的一实现方式)、WiMAX(IEEE 802.16的一实现方式)和HiperMAN，HiperMAN是基于IEEE 802.16的ETSI替代物的。

无线通信技术结合多种应用来使用，所述应用例如包括卫星通信系统、便携式数字助手(PDA)、笔记本电脑和移动装置(例如蜂窝电话、用户设备)。这些应用的用户只要在这种无线通信技术的范围内，就能连接到网络(例如互联网)。无线通信技术的范围可根据部署而变化。典型地，业务供应商利用宏蜂窝收发器提供跨大约5公里距离的覆盖。极小蜂窝(pico cell)收发器能提供跨大约半公里距离的覆盖，而微蜂窝(femto cell)收发器能提供跨50-200米距离的覆盖。微蜂窝收发器在覆盖上与WiFi(WLAN)接入点类似，可用于提供小范围的网络接入。

发明内容

公开一种可与其他网络元件共享的动态实时负载因素。所述负载因素可用于在一组网络元件中确定相对负载，并用于在该组网络元件上分配新会话请求以及已有会话。所述负载因素也可用于确定用户设备被移交到哪个网络元件。所述动态负载因素也可以在网络元件之间被共享，以确定在诸如例如移动性管理实体(MME)的网络元件之间如何平衡负载。

在一些实施例中，描述了一种通信网络中的网关，其实施了移动性管理实体(MME)功能，其中所述网关包括：处理单元，该处理单元配置为运行软件，以实时监测MME功能上的负载状况，并基于所述负载状况周期性地确定负载容量(load capacity)值，其中所述负载状况包括关于处理单元使用、存储器使用以及活动会话数量的至少其中之一的信息；存储器，该存储器有效地与所述处理单元通信，其中所述负载容量值被存储在所述存储器中，只要所述负载容量值出现变化，所述负载容量值就在所述存储器中被更新；以及所述网关配置为与一个或多个eNodeB以及一个或多个网络元件通信，以允许所述网关向一个或多个eNodeB以及一个或多个网络元件发送包括负载容量值信元(information element)的消息。

在其他实施例中，描述了一种动态地表示负载状况的方法，该方法包括：实时监测在网关上实施的移动性管理实体(MME)上的负载状况；确定负载容量值，以表示所述MME的所述负载状况，当所述MME的负载状况改变时更新所述负载容量值；将所述负载容量值存储在所述网关上的存储器中；向eNodeB发送所述MME的负载容量值；以及向网络元件发送所述MME的负载容量值。

在其他实施例中，描述了一种实施了移动性管理实体(MME)功能的网关，该网关配置为实时监测MME功能上的负载状况，并基于所述负载状况周期性地确定负载容量值，存储所述负载容量值，只要所述负载容量值出现变化就更新所述负载容量值，并且向一个或多个eNodeB以及一个或多个网络元件发送包括负载容量值信元的消息。

附图说明

图1示出根据某些实施例的网络示意图；

图2示出根据某些实施例的具有负载平衡的网络示意图；

图3示出根据某些实施例的网络元件选择的呼叫流程示意图；

图4示出图表，显示根据某些实施例的动态负载调节；

图5示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量减少通知；

图6示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量增加通知；

图7示出网络示意图，显示根据某些实施例的周期性容量更新通知；

图8示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量询问通知；

图9示出根据某些实施例的私有扩展信元的映射；

图10示出曲线图，显示根据某些实施例，在操作中负载平衡怎样运转；

图11示出根据某些实施例的机箱。

具体实施方式

下面描述通信系统中动态负载平衡的系统和方法。在一些实施例中，通过共享一个指示实时消耗在网络元件上的资源量的值来实现负载平衡。这个值是与其他类似的网络元件以及与那些发出分组流量或会话的网络元件一起共享的。通过共享指示特定网络元件上实时可用的资源的值，可以在可用的网络元件之间平衡负载。

图1示出根据某些实施例的网络示意图。图1示出连同LTE网络一起的通用移动电信系统(UMTS)版本8网络。图1的网络示意图包括用户设备(UE)110、演进节点B(eNB)112、节点B 114、无线电网络控制器(RNC)116、移动性管理实体(MME)/用户平面实体(UPE)118、系统体系结构演进网关(SAE GW)120、策略和收费规则功能(PCRF)122、家庭订户服务器(HSS)124、核心IP网络126、互联网128、服务通用分组无线电业务支持节点(SGSN)130以及网络管理系统(NMS)/元件管理系统(EMS)132。MME 118、SGSN 130和SAE GW 120可在网关中实施，如下所述。SAE GW 120可包括服务网关(SGW)以及分组数据网络网关(P-GW)。在一些实施例中，SGW和P-GW可在单独的网络装置中实施。SAE结构的主要元件是演进分组核心(EPC)，又称为SAE核心。EPC包括MME、SGW和P-GW元件。

MME 118是用于LTE接入网络的控制节点。MME 118负责UE 110的跟踪和寻呼(paging)过程，包括重传。MME 118处理承载激活/去激活过程，并且还负责选择初始连接时以及LTE内越区切换(intra-LTE handover)时用于UE 110的SGW。MME 118还通过与HSS 124交互来对用户进行鉴权。MME 118还向UE产生和分配临时身份，以及终止非接入层(NAS)信令。MME 118检查UE 110容宿在业务供应商的公共领地移动网络(PLMN)上的授权，并执行UE漫游限制。MME 118是网络中用于NAS信令的加密(ciphering)/完整性保护的终止点，并处理安全密钥管理。信令的合法拦截也由MME 118支持。MME还利用来自SGSN 130端接于MME 118的S3接口，提供控制平面功能，用于LTE和2G/3G接入网络之间的移动性。MME 118还朝向家庭HSS端接S6a接口，以用于漫游的UE。

SGW对用户数据分组进行路由和转发，同时还充当eNB间越区切换期间用于用户平面的移动性锚点，以及充当LTE与其他3GPP技术(端接S4接口并在2G/3G系统与PDN GW之间中继流量)之间的移动性锚点。对于空闲状态的UE，当用于UE 110的下行链路数据到达时，SGW终止下行链路数据路径并触发寻呼。SGW管理和存储UE上下文，例如IP承载业务的参数和网络内部路由信息。在合法拦截的情况下，SGW还进行用户流量的复制。通过成为用于UE 110的流量退出点和进入点，P-GW为UE 110提供到外部分组数据网络的连接。UE 110可与多于一个的P-GW同时连接，用于接入多个分组数据网络。P-GW进行策略执行、用于每个用户的分组过滤、收费支持、合法拦截和分组筛选(packet screening)。P-GW还提供3GPP与非3GPP技术，例如WiMAX和3GPP2(CDMA1X和EvDO)之间的移动性锚点。

NMS/EMS 132可提供网络化系统的运营管理、监管、维护和供应。运营涉及保持网络(以及网络提供的业务)运行并运行平稳，并包括监测，以检测问题并将网络上的中断最小化。监管涉及保持网络中资源的跟踪和怎样分配资源。维护涉及进行修复和升级——例如，何时必须更换设备，何时路由器需要用于操作系统图像的补丁，何时向网络添加了新交换机。供应涉及配置网络中的资源，以支持给定的业务。例如，这可以包括设置网络，使得新顾客能够接收业务。作为网络管理的一部分执行的功能因此包括控制、计划、分配、部署、协调以及监测网络的资源、网络计划、频率分配、支持负载平衡的预定流量路由、密钥分发授权、配置管理、缺省管理、安全管理、性能管理、带宽管理和账目管理。元件管理系统(EMS)包括这样的系统和应用，它们管理电信管理网络模型的网络元件管理层(NEL)上的网络元件(NE)。

图2示出根据某些实施例的具有负载平衡的演进分组核心(EPC)网络示意图。图2包括UE 110、eNB 112a-112f、MME 118a-118c和EMS/NMS 132。在一些实施例中，动态地提供移动性管理实体(MME)负载平衡。eNB 112a-112f基于负载容量值(称为相对MME容量，可以是MME池中MME 118a-118c的每一个中提供的静态值)选择MME 118a-118c，用于呼入的呼叫。相对MME容量是在会话设置时通过每个MME发送到eNB 112a-112f的信元。相对MME容量(RMC)参数的值提供衡量标准，以比较MME并确定哪个MME适合于处理新会话。在一些实施例中，该参数的值越大，对应的MME相对于其对等方越可能被选择。如图2所示，eNB 112a-112f与多个MME 118a-118c通信。在操作中，如果MME 118a的相对MME容量(RMC)为1，而MME 118c的相对MME容量为3，那么当启动新会话时，更多地选择MME 118c用于UE 110的连接。

图3示出根据某些实施例的网络元件选择的呼叫流程示意图。图3包括UE 110、eNB 112、MME 118和NMS/EMS 132。在150，MME 118与eNB 112交换S1设置消息或MME配置更新消息。S1设置消息可包括eNB 112向MME 118发送S1设置请求，并从MME 118接收带有相对MME容量信息的S1设置响应。S1设置消息用于传输信息，以设置新会话或关联。MME配置更新消息用于传输关于已有会话或关联的更新信息。通过MME配置更新消息，MME 118向eNB 112发送带有相对MME容量信息的MME配置更新消息，eNB 112则响应以MME配置更新确认消息。在152，无线电资源控制(RRC)设置消息在UE 110与eNB 112之间交换。在154，eNB 112基于相对MME容量信息选择MME。在156，S1消息在eNB 112与MME 118之间交换，以将UE 110连接到通过eNB 112选择的MME 118。在158，可选择的性能和容量报告消息可在MME 118与NMS/EMS 132之间交换。

基于特定MME上的实际负载，可动态地调节相对MME容量参数。负载可以是一个或多个因素的合成，例如CPU使用、存储器使用、活动会话的数量以及呼入数据的速率(字节/秒)。在一些实施例中，MME可以从MME向eNB在任何消息中基于实时负载状况发送更新的相对MME容量。该相对MME容量可基于阈值或算法。在阈值实施例中，通过处理单元中运行的硬件或软件监测负载因素，所述处理单元控制相对MME容量的增加和减少。在负载因素减小的情况下，当阈值被超过时，增加相对MME容量，在负载因素增大的情况下，当阈值被超过时，减少相对MME容量。增加和减少可包括在增加之前添加时间延迟，以避免抖动或不稳定性。基于算法的相对MME容量基于时间加权负载值确定是否增加或减少，其中时间加权负载值对应于相对MME容量中表示的整数值。在一些实施例中，也可以例如从命令行接口或其他用户接口手动改变增加或减少相对MME容量的触发。

图4示出图表，显示根据某些实施例的动态负载调节。图表的y轴为负载因素，而x轴为时间的表示。负载线170指示网络元件(例如MME)上的负载。阈值172和174可触发对相对MME容量的修改。如图所示，当负载线170达到阈值172时，相对MME容量减少。当负载线170达到阈值174时，相对MME容量再次减少。图5示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量减少通知。图5包括eNB 112和MME 118a、118b和118c。基于实时负载状况，MME 118a触发减小负载和减少相对MME容量。通过通知消息，变化被更新到eNB 112。因为UE会话正在MME 118a上运行，所以可将消息发送到与MME 118a通信的所有eNB。在一些实施例中，使用包括相对MME容量信元的S1消息来通知eNB 112。减少的相对MME容量也可以传播到MME池中的MME 118b和118c。可使用包括相对MME容量信元的S10消息来通知这些MME。

图6示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量增加通知。图5包括eNB 112和MME 118a、118b和118c。基于实时负载状况，MME 118a触发引入更多负载并增加相对MME容量。通过通知消息，变化被更新到eNB 112。因为UE会话正在MME 118a上运行，所以可将消息发送到与MME 118a通信的所有eNB。在一些实施例中，使用包括相对MME容量信元的S1消息来通知eNB 112。增加的相对MME容量也可以传播到MME池中的MME 118b和118c。可使用包括相对MME容量信元的S10消息来通知这些MME。

也可以将MME设定为周期性地向其他MME更新各自的相对MME容量。周期性更新可基于每个MME中的计时器。在一些实施例中，可使用周期性更新代替基于触发的更新，或者实施这两者。图7示出网络示意图，显示根据某些实施例的周期性容量更新通知。图7包括MME池，MME池包括MME 118a、118b和118c。如图所示，可通过计时器触发MME 118a，以与对等方MME 118b和118c更新相对MME容量值。对等方MME 118b和118c也可以向MME 118a发送它们的相对MME容量值。通知消息可以是带有相对MME容量信元的新的基于S10的消息。图8示出网络示意图，显示根据某些实施例的容量询问通知。图8包括MME池，MME池包括MME 118a、118b和118c。如图所示，MME 118a可询问其他MME 118b和118c，以更新那些MME的相对MME容量值。通知消息可以是带有相对MME容量信元的新的基于S10的消息。

新的基于S10的消息可包括RMC通知请求，RMC通知请求用于向池中的其他MME发送RMC值。RMC通知响应是用于RMC通知请求的确认消息。RMC信息请求消息用于向MME池中的其他MME询问RMC值，RMC信息响应是对RMC信息询问的响应。可利用用于控制平面的GPRS隧道传输协议(GTP-C)来实施上述消息。特别地，S10GTP-C协议在MME之间通过隧道传输信令消息。在一些实施例中，回声(echo)请求的私有扩展(参见图9)可用于询问对等方MME的RMC或者发送特定MME的RMC，例如广播RMC中的变化，例如值的减少。私有扩展是允许超过指定值(参见图9的专有值)的经销商专用扩展。这可以附加到多个不同的S10消息，以在MME之间传递RMC信息。

RMC值可用于从第一MME到第二MME的UE的转发重定位，并且有时第一MME选择第二MME用于UE的转发重定位。当在MME池中共享动态RMC值时，MME可基于对等方MME的RMC信息，拾取适合于接受转发重定位的第二MME。类似地，在一些实施例中，当由eNB联系时MME可基于适合于从eNB接受新会话的实时RMC来通告MME。

在一些实施例中，可根据算法实施eNB请求的转发重定位或重定向。该算法可包括用于选择MME以用于越区切换、失效备援和重定位/重定向的处理。作为该算法的一部分，在整个MME池当中保持可配置的、加权的、池宽的平均RMC值(MME-pool-avg，MME池平均值)。该MME池平均值提供加权平均，用于整个MME池当中进行比较，因此每个单独的MME都可以做出相对确定，并且可以连同负载信息一起使用规则，以在MME装置之间自动进行负载平衡。相对确定可包括将MME自身的RMC值与MME池平均值作比较，以及将接收的RMC值与MME池平均值作比较。然后可基于单独的RMC值与MME池平均值之间的比较，应用规则，用于重定位新的会话和已有的会话，用于越区切换/移交情况，以及用于失效状况。

如上所述，每个MME都可以周期性地与池交换它的RMC值。这可以通过向所有MME多发地址发送信息，或通过将信息转发到对等方MME(例如所接收消息的两跳转发)来实现。所发送负载信息可以嵌入回声消息，例如用于保活(keepalive)机制的那些回声消息中。例如，回声请求可在池中从每个MME到池中的其他MME循环，其中单独MME的负载信息嵌入该回声请求中。除了上面提及的用于RMC的衡量标准之外，还可以通过在MME上运行的分组数据网络(PDN)连接的数量来表达负载容量。例如，RMC值可实施为：(使用中的PDN连接的数量/MME所支持的PDN连接的数量)*100，其中PDN连接是包含下层硬件资源和软件资源这两者的资源单位。PDN连接可视作MME上的会话的一部分，其中，PDN连接提供向网络的分组核心的通信。

在一些实施例中，算法通过将MME池平均值除以单独的MME的RMC值来确定比较结果。这可以表示如下：

N＝MME池平均值/相对MME容量

其中，对于特定MME，当N＞1时，MME变成来自其他MME的重定位的目标；对于特定MME，当N＜1时，MME当新请求到达时选择另一目标MME。或者，该算法可包括将RMC值彼此进行比较，并且当源MME超过某一阈值时，向负载最小的一个或多个MME发送会话重定位。例如，在任一情况下，算法可以以一定的百分比或一定次数将会话重定位到负载较小的MME。在替代性实施例中，这可以通过选择最低的一组RMC值，然后利用算法在负载最小的MME之中分配负载来完成，该组被周期性地更新，以说明改变的负载状况。在MME池平均值实施例中，出现的重定位的百分比可基于相对于加权平均值的MME负载。例如，当MME操作在平均值以上20％时，重定位一定数量的呼入请求。

可实施该算法，在新会话重定位与已有会话重定位之间进行区分。新会话包括新到达的PDN连接请求，例如S1-AP会话设置消息。在这样的实施例中，根据负载，按照比例重定位新的会话请求，一旦MME达到某一负载切断值，就重定位已有的请求。例如，池中N＞1的所有MME可视作重定向候选组的一部分，而N＜1的特定MME开始按照比例从重定向候选组中选择候选者。从重定向候选组中的MME之中的选择可以随机地、按照比例地、轮叫地或根据任何其他算法进行。在按照比例选择的方法中，重定向组中的每个候补与其负载状况成比例地接收新会话。也就是说，负载最小的MME通过与它与MME池平均值的偏离量相关的因素来承担。

可利用接收的对等方MME和MME自身的RMC值来做出这些确定。通过利用N(如上所述)来设定会话重定位的比例，可执行比例用于在源MME处选择其他MME。例如，源MME可选择其他MME候选者(1-N)次，并选择其自己N次(其中N是十进制数)。注意：N值也可以认为是将N乘以100得到的百分比。例如，如果N＝0.9(或90％)，则MME在90％的时间里接受新会话，并在10％的时间里重定向会话。对于N＝0.9，MME自己的负载更接近MME池平均值的负载，而对于N＝0.2，MME自己的负载明显高于MME池平均值。这样，对于N＝0.2，MME在80％的时间里向负载更小的MME重定向新会话。

根据本实施例，也可以重定向MME上的已有会话。例如，MME可配置为在预定值将已有会话移动到其他负载更小的MME。可根据运营商的偏好来配置该预定值，以避免任何过载失效，例如设定的N值或RMC值。此外，可通过其他事件(例如手动关机或失效状况)来触发已有会话的移除。在这些情况下，MME也可将已有会话移动到重定向候选组中的目标MME，以维持MME之间的负载平衡。在一些实施例中，在重定向候选组中的MME的选择可以随机地、按照比例地、轮叫地或根据其他某种算法进行。

在一些实施例中，MME可选择用于UE越区切换/移交情形的目标MME。在这种情况下，可利用RMC值、N值、MME池平均值的其中之一或组合来确定源MME所选择的目标MME。在操作中，源MME可利用例如在S10消息中从其他MME接收的信息，确定要选择哪个MME。在选择目标MME时，源MME可向eNodeB发送目标MME的信息，eNodeB可利用该信息选择目标MME。在越区切换的情况下，源MME可向目标eNodeB(即UE移向的eNodeB)发送目标MME信息。目标eNodeB利用该目标MME信息，请求与目标MME的会话或连接。

图10示出曲线图，显示根据某些实施例，在操作中的负载平衡算法。图10的曲线图示出三个连续的时间区间，其中进行负载测量。如图所示，y轴是“N”值(如上所述)，x轴是时间(每个区间在时间上稍后出现)。在区间1，MME-1和MME-3负载最大，而MME-4和MME-5负载最小。因为MME-3的经缩放的负载值(该值是基于RMC值的)相对于MME池平均值为大值，所以MME-3将其新会话的大部分成比例地发送到池中的其他MME。更接近MME池平均值的MME-1仍然接受它接收的新会话的多数。在区间2，MME-3继续变得负载更大，并超过MME负载切断线。这样触发从MME-3到MME-2、MME-4和MME-5的会话的重置，MME-2、MME-4和MME-5的负载都小于平均负载。在区间3，相比于区间1和区间2，MME-3的负载明显下降，而MME-2、MME-3和MME-5已经基本上恢复到MME池平均值。当确定RMC值时，或者单独地，可以周期性地计算MME池平均值。如图10所示，算法利用与算法相结合的RMC值，在MME池之中提供负载平衡。算法用于保持MME平衡，并且当单独的MME变得更不平衡时采取更激烈的措施。

利用多种接入技术，上述移动装置或用户设备可与多个无线电接入网络(包括eNodeB)通信。用户设备可以是提供更大能力的智能电话，所述能力例如是字处理、web浏览、游戏、电子书能力、操作系统以及完整的键盘。用户设备可以运行操作系统，例如Symbian OS、iPhone OS、RIM的Blackberry、Windows Mobile、Linux、Palm WebOS和Android。屏幕可以是触摸屏，触摸屏可用于向移动装置输入数据，并且可以用屏幕代替完整的键盘。用户设备还可以将全球定位坐标或其他位置信息保持在它的堆栈或存储器中。此外，用户设备可以将从MME接收的相对MME容量值存储在网络中，并利用处理器确定要选择哪个MME。在一些实施例中，这可以通过代表用户设备的eNodeB实现。

用户设备可包括一个或多个天线，天线配置为通过多个无线电接入网络和/或接入技术，发送和接收射频上的数据。所述一个或多个天线可用于通过多种接入技术发送和接收数据流。移动装置可配置有一个或多个处理器，处理器处理指令，以在第一接入技术和第二接入技术上调制数据，以及处理从至少一个天线接收的第一数据流和第二数据流。处理器还可以与计算机可读介质通信，计算机可读介质用于存储，例如可编程只读存储器。处理器可以是任何适用的处理器，例如将CPU、应用处理器和闪存组合在一起的系统上芯片。处理器还可以关于某些类型的数据流怎样发送到移动装置编译用户偏好，并将这些偏好传达给网络，例如接入网关。

在一些实施例中，在机箱中实施上述网关。这种机箱可实施多种不同的集成功能。在一些实施例中，在机箱上可实施移动性管理实体(MME)、PDN网关(P-GW)、服务网关(SGW)、接入网关、分组数据服务节点(PDSN)、外部代理(FA)或归属代理(HA)。在其他实施例中，在机箱中可实施的其他类型的功能是，网关通用分组无线业务支持节点(GGSN)、服务GPRS支持节点(SGSN)、分组数据互配功能(PDIF)、接入服务网络网关(ASNGW)、基站、接入网络、用户平面实体(UPE)、IP网关、接入网关、会话启动协议(SIP)服务器、代理呼叫会话控制功能(P-CSCF)以及询问呼叫会话控制功能(I-CSCF)、服务网关(SGW)和分组数据网络网关(PDN GW)。在某些实施例中，上述其他类型的功能的一个或多个集成在一起，或者由相同的功能提供。例如，接入网络可以与PDSN集成。机箱可包括PDSN、FA、HA、GGSN、PDIF、ASNGW、UPE、IP网关、接入网关或任何其他适用的接入接口装置。在某些实施例中，由位于马萨诸塞州Tewksbury的思达伦特网络公司在ST16或ST40多媒体平台中提供机箱。

下面进一步描述根据一些实施例，实施网关的机箱的特征。图11示出根据一些实施例，机箱中的卡的定位。机箱包括用于装载应用卡990和线路卡992的槽。中间板994可以被用在机箱中，以提供各种安装卡之间的机箱内通信、电源连接、以及传输路径。中间板994可以包括诸如交换架构(switching fabric)、控制总线、系统管理总线、冗余总线、时分复用(TDM)总线之类的总线。交换架构是贯穿机箱的用于用户数据的基于IP的传输路径，其是通过建立应用卡和线路卡之间的卡间通信实现的。控制总线将机箱中的控制和管理处理器相互连接。机箱管理总线提供诸如供电、监控温度、板状况、数据路径错误、卡重置、以及其他失效备援特征之类的系统功能的管理。冗余总线提供硬件失效情况下的用户数据传输和冗余链路。TDM总线为系统上的语音服务提供支持。

机箱至少支持四种类型的应用卡：交换处理器卡、系统管理卡、分组业务卡和分组加速器卡。交换处理器卡充当机箱的控制器，负责诸如启动机箱、将软件配置加载到机箱中的其他卡之类的事情。分组加速器卡提供分组处理和转发能力。每个分组加速器卡都可以支持多个上下文。可通过卡来部署硬件引擎，以支持用于压缩、分类流量调度、转发、分组过滤和统计信息编译的并行分布式处理。系统管理卡是用于管理和控制网关装置中其他卡的系统控制和管理卡。分组业务卡是提供多线程点对点分组数据处理和上下文处理能力以及其它能力的高速处理卡。

分组加速器卡通过使用控制处理器和网络处理单元来执行分组处理操作。网络处理单元确定分组处理要求；从各种物理接口接收用户数据帧/向各种物理接口发送用户数据帧；作出IP转发决定；执行分组过滤、流插入、删除、以及修改；执行流量管理和流量工程；修改/添加/剥离分组报头；以及管理线路卡端口和内部分组传输。控制处理器也位于分组加速器卡上，并且提供基于分组的用户服务处理。线路卡在被装载机箱中时提供输入/输出连接性，并且还可以提供冗余连接。

操作系统软件可以基于Linux软件内核，并且可以在机箱中运行诸如监控任务和提供协议栈之类的特定应用。软件使得机箱资源能够被独立分配给控制和数据路径。例如，某些分组加速器卡可以被专用于执行路由或安全控制功能，而其他分组加速器卡被专用于处理用户会话流量。在一些实施例中，当网络要求改变时，硬件资源可以被动态部署以满足要求。该系统可以被用来支持多种服务的逻辑实例，诸如技术功能(例如，PDN GW、SGW、MME、PDSN、ASNGW、PDIF、HA、GGSN或IPSG)。

机箱的软件可以被划分为执行特定功能的一系列任务。这些任务根据需要相互通信，以共享贯穿机箱的控制和数据信息。任务是执行与系统控制或会话处理有关的特定功能的软件处理。在一些实施例中，机箱中有三种类型的任务运行：关键任务、控制器任务、管理器任务。关键任务控制涉及机箱处理呼叫的能力的功能，诸如机箱初始化、错误检测、以及恢复任务。控制器任务向用户屏蔽软件的分布式特性，并且执行诸如监控一个或多个下级管理器的状态、在同一个子系统中提供管理器内通信、通过与属于其他子系统的一个或多个控制器通信而使能子系统间通信之类的任务。管理器任务可以控制系统资源并且维护系统资源之间的逻辑映射。

在应用卡中的处理器上运行的各任务可以被划分为子系统。子系统是执行特定任务的软件元件或多个其他任务的制高点(culmination)。单个子系统可以包括关键任务、控制器任务、以及管理器任务。可在机箱上运行的一些子系统包括系统启动任务子系统、高可用性任务子系统、恢复控制任务子系统、共享配置任务子系统、资源管理子系统、虚拟专用网子系统、网络处理单元子系统、卡/插槽/端口子系统、以及会话子系统。

系统启动任务子系统负责在系统启动时开启一组初始任务并且根据需要提供各任务。高可用性任务子系统与恢复控制任务子系统联合工作，以通过监控机箱的各种软件和硬件部件维护机箱的操作状态。恢复控制任务子系统负责执行对于机箱中发生的故障的恢复动作，并且从高可用性任务子系统接收恢复动作。共享配置任务子系统向机箱提供设置、检索、以及接收机箱配置参数改变的通知的能力，并且负责存储用于机箱中运行的应用的配置数据。资源管理子系统负责为任务分配资源(例如，处理器和存储器能力)，并且监控任务对资源的使用。

虚拟专用网(VPN)子系统管理机箱中有关VPN的实体的管理和操作方面，其中这些方面包括创建单独的VPN环境、在VPN环境中开启IP服务、管理IP池和订户IP地址、以及在VPN环境中分发IP流信息。在一些实施例中，在机箱中，IP操作是在特定的VPN环境中完成的。网络处理单元子系统负责针对网络处理单元列出的以上功能中的很多功能。卡/插槽/端口子系统负责协调所发生的涉及卡活动性的事件，这些事件诸如为新插入的卡上的端口的发现和配置以及确定线路卡如何映射到应用卡。在一些实施例中，会话子系统负责处理和监控移动订户的数据流。用于移动数据通信的会话处理任务例如包括：用于CDMA网的A10/A11末端、用于GPRS和/或UMTS网的GSM隧道协议末端、异步PPP处理、分组过滤、分组调度、Difserv代码点标记、统计信息收集、IP转发、以及AAA服务。这些项目中每个项目的职责可以在下级任务(称为管理器)中分发，以提供更高效的处理和更大的冗余。单独会话控制器任务充当集成控制节点，以调节并监控管理器并且与其他活动子系统通信。会话子系统还管理诸如负载变换、过滤、统计信息收集、策略制定、以及调度之类的专用用户数据处理。

在一些实施例中，实现处理或数据库所需要的软件包括诸如C、C++、C#、Java、或Perl之类的高级过程语言或面向对象的语言。如果需要，软件也可以由汇编语言实现。机箱中实现的分组处理可以包括取决于环境的任何处理。例如，分组处理可以包括高级数据链路控制(HDLC)成帧、报头压缩、和/或加密。在某些实施例中，软件被存储在诸如只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、可以由通用或专用处理单元读取的磁盘之类的计算机只读介质或设备上，以执行本文中描述的处理。

虽然在前述示例性实施例中描述并示出了本发明，但是应当理解，只是通过示例的方式描述本发明，对于本发明的实施方式的细节可进行不脱离本发明精神和范围的多种改变，本发明的精神和范围只受后附权利要求书所限。