IXIA 3G分组核心网GGSN设备测试方案

摘要　介绍了3GPP 第7版本的主要组成部分及其主要功能，对GTP-C和GTP-U协议做了分析，着重阐述了IxLoad最新支持的GGSN测试方案与特点，对IxLoad所得到的测试结果与技术优势进行了总结。

1  引言

随着移动通信新技术的发展，移动通信网络的容量越来越大，系统越来越复杂。网络也越来越多地承载多媒体业务，包括高速上网、彩信、文件传输与下载、IP语音业务以及视频业务等。不断提高网络对这些业务的承载与处理能力主要考验的是网络中的服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Nodes，SGSN）和GPRS网关支持节点（GPRS Gateway Support Nodes，GGSN）设备的性能，这些都是3G网络中的分组交换域（Packet Switch Area）的核心设备。

IXIA测试平台所提供的最新测试方案可以通过业界领先的4~7层测试工具IxLoad进行软件升级来实现高性能通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）中GGSN设备，以及应用于无线网络中深度包检测（Deep Packet Inspection，DPI）设备的性能测试。

2  相关技术点介绍

UMTS是国际标准化组织3GPP制定的全球3G标准之一。作为一个完整的3G移动通信技术标准，UMTS并不仅限于定义空中接口，它的主体包括CDMA接入网络和分组化的核心网络等一系列技术规范和接口协议。除WCDMA作为首选空中接口技术获得不断完善外，UMTS还相继引入了TD-SCDMA和HSDPA技术。目前，主流采用的标准是3GPP第7版本（R7），用于4G无线通信标准第8版本（R8）的长期演进（Long Term Evolution，LTE）技术目前也在标准化进程中。图1是一个简化的3GPP第7版本的示意图，主要包括无线接入网络（Radio Access Network，RAN），核心网和IMS网络。本文主要关注3G分组核心网中GGSN设备的性能测试。

图1  3GPP 第7版本网络结构示意图

GGSN是GSM/GPRS/EDGE网络核心网(Core Network，CN)的网元，是为了在GSM网络中提供GPRS业务功能而引入的一个网元功能实体，提供数据包在GPRS网和外部数据网之间的网关接口功能。用户选择哪一个GGSN作为网关，是在PDP Contexts激活过程中根据用户的签约信息以及用户请求的接入点确定的。GGSN的主要功能是通过Gi接口与外部IP分组网络连接，对GPRS会话进行管理，建立与外部网络的通信。通过Gn接口与SGSN连接，并能够输出与外部数据网络使用相关的计费信息。另外，目前的GGSN设备一般都具有深度包检测（DPI）功能。

SGSN作为GPRS/WCDMA核心网分组域设备重要组成部分，主要完成分组数据包的路由转发、移动性管理、会话管理、逻辑链路管理、鉴权和加密、话单产生和输出等功能。

SGSN与GGSN配合，共同承担WCDMA的数据包交换（Packet Switch，PS）功能。当作为GPRS网络的一个基本组成网元时，通过IP接口和BSS设备相连。其主要的作用就是为本SGSN服务区域的MS进行移动性管理，并转发输入/输出的IP分组，其地位类似于GSM电路网中的VMSC。此外，SGSN中还集成了类似于GSM网络中VLR的功能，当用户处于GPRS附着（GPRS Attach）状态时，SGSN中存储了同分组相关的用户信息和位置信息。当SGSN作为WCDMA核心网的PS域功能节点，它通过Iu_PS接口与UTRAN相连，主要提供PS域的路由转发、移动性管理、会话管理、鉴权和加密等功能。GGSN主要提供PS与外部分组数据网（Packet Data Network，PDN）的接口，承担网关或路由器的功能。SGSN和GGSN形成数据包交换网的核心部分，一般合称为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之间直接建立GTP-U信道的能力（见图2）。该信道由SGSN建立，并且保持GTP-C节点到GGSN之间的所有控制信令。当没有使用直接信道功能时，为每个用户所建立的GTP-U信道时在SGSN和GGSN之间的，使用直接信道功能。lu-PS信令代表用户在SGSN和GGSN设备之间触发SGSN创建PDP Context，这个流程通过GTP-C的创建PDP Context请求/回应步骤来完成。当直接信道生效时，SGSN会立即发起更新PDP Context消息步骤以标识信道改变为从SGSN到RNC。可以有效减少SGSN处于中间时所引入的额外延时，提高设备处理分组数据时的效率，IxLoad可以很好地支持该功能。

图2  RNC和GGSN直接信道功能示意图

在3G分组核心网测试中，最重要的协议之一是Gn接口上的GTP（GPRS Tunneling Protocol）协议。GTP协议有两种，即GTP-C（Control Plane）和GTP-U (User Plane)。GTP-C是信令协议，主要功能是路径管理、信道管理、位置管理、移动性管理和移动广播与组播业务（Mobile Broadcast/Multicast Service，MBMS）。GTP-U主要功能是负责SGSN和GGSN之间IP PDUs信道的建立与数据传送。这两种GTP协议都是在UDP/IPv4协议之上进行传送的。相应的协议栈和仿真的用户之间交换过程参见图3。

图3  GTP协议栈与用户之间协议分层模型

GTP-C的消息是在同一路径上GSN/RNC之间进行交换的，这些消息用于转发GSN的容量信息，可以创建、更新和删除GTP信道，也可以用于路径管理。所有GTP-C发往GGSN的请求消息使用目的端口号2123，所有从GGSN收到的请求消息使用同样的目的端口，所以在一个特定的物理接口上，所有GTP-C控制消息通常从同一个IP和端口上发送和接收。

GTP-U消息是在GSN对之间或者在同一路径上GSN/RNC对之间进行交换，这些消息同时承载用户数据包和信息消息，用于路径管理和错误指示。GTP-U请求消息在接收端会发送到2152端口，因此所有用户终端的GTP-U信道都发送到目的GSN设备的同一端口上；为了提高效率，所有单独的信道可以复用到同一个端口和IP地址。

无线网络的一个最重要特点就是移动性，IxLoad完全可以支持该特性的仿真，在3G核心网Gn接口上的定义中，是指移动终端从当前SGSN服务的服务区移动到另外一个新的SGSN服务区里面；当移动终端移动到一个新的服务区时，新的SGSN要重新创建一个PDP Context，并且和移动终端相关的数据都要从以前的SGSN转移到新的SGSN设备上。在这个数据转移过程中，更新的PDP Context请求/回应消息会在相应SGSNs和GGSN之间传送。

3  IXIA IxLoad 3G核心网测试特点和优势介绍

IXIA IxLoad目前的GGSN测试方案是基于3GPP版本7进行实现的。随后会根据用户需求，提供下一代无线系统4G的LTE测试方案。IXIA为分组核心交换网络设备提供领先测试方案，也就是图1中的核心数据包交换网络部分。

在IXIA推出该测试方案之前，设备制造商和运营商基本都采用无状态的数据流量或者有限的应用协议进行GGSN设备的性能测试，IxLoad是业界第一个用于移动网络测试的真实三重播放流量仿真（Real-Word Triple-Play）工具，并于2008年2月在"移动世界大会"展会上做现场展示（http://www.ixiacom.com/news_and_events/press_releases/display.php?skey=175）。IxLoad可以仿真成千上万个三重播放（数据、语音和视频）用户以及GTP相关协议，用于移动核心网分组域GGSN设备的压力测试。这也是IXIA公司正式进入无线核心网测试市场的标志，所具有的显著特点和长期以来的技术优势必将很快被广大用户所接受和认可。

在IxLoad当前测试方案中，GGSN是被测设备（见图4），IxLoad可以仿真网络中的其它组成部分，包括SGSN，GERAN，UTRAN，终端用户，Gi接口和IP网络。需要说明的是，IxLoad一个物理端口可以同时仿真多个SGSN和用户，这些用户可以处于不同的地址范围内。这主要得益于IXIA高性能测试模块每个端口都有独立CPU和独立内存的领先设计结构，也是IXIA在传统有线IP性能测试领域的显著优势。

图4  IxLoad测试GGSN示意图