專利名稱：一種分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間的集群方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點(Packet Data Serving Node，以下簡稱PDSN)之間的集群方法。屬于CDMA2000-1x分組數(shù)據(jù)軟件領域。
目前已經(jīng)有了一些實施PDSN間集群的技術，例如專門提供一個名叫FACN(Foreign Agent Control Node)的PDSN接入選擇設備，當分組控制功能節(jié)點(Packet Control Function，以下簡稱PCF)為移動臺新建R-P(Radio Network-PDSN)連接前，首先必須接入到FACN那里， FACN根據(jù)內(nèi)部各集群PDSN的信息為移動臺(Mobile Station，以下簡稱MS)選擇一個合適的PDSN，然后PCF再根據(jù)此選擇結果重新連接到那個新選擇的PDSN。這樣做也能達到PDSN集群的目的，但是它存在以下一些缺點每次移動臺接入的時候，PCF都必須首先連接到FACN那里，然后再根據(jù)FACN的推薦結果連接到合適的PDSN，這將勢必延長了移動臺的接入時間，增大了網(wǎng)絡的負擔；必須為PDSN集群增加一個預選擇設備，例如FACN，增加了運營成本；對FACN的依賴性太大，當FACN工作異常以后，整個PDSN的集群工作將無法繼續(xù)，集群群組內(nèi)的各個PDSN將變成一個個各自獨立的實體；
參加集群的PDSN必須在一個物理子網(wǎng)范圍內(nèi)，它不提供異地(即不在一個物理子網(wǎng)內(nèi))PDSN之間的集群。
本發(fā)明的技術方案是基于這樣的思路首先，分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點PDSN選擇一個要加入的集群群組并加入該群組，以便在本群組內(nèi)實施集群策略、交換集群信息；其次，群組內(nèi)各PDSN定時或不定時通告自己的集群信息，包括自己的負荷能力、當前的負荷情況、近期接入和離線的MS等等，PDSN把其他PDSN發(fā)來的這些信息記錄在“集群PDSN表”和“集群MS表”中；當一個MS接入到PDSN中時，PDSN首先查詢集群MS表，如果在表中查到了該MS，那么說明該MS是從本集群群組內(nèi)其他PDSN切換來的用戶，PDSN將該用戶推薦回剛才接入的那個PDSN，否則說明該MS是新接入的用戶；如果是新接入的用戶，PDSN將查詢集群PDSN表，從集群PDSN表中找出一個負荷最輕的PDSN，并且把這個新接入的用戶推薦給負荷最輕的PDSN接入。
本發(fā)明提供的這種通過軟件的方式實現(xiàn)PDSN的集群，實現(xiàn)方法簡單，通過標準、開放的R-P接口實現(xiàn)了集群內(nèi)的PDSN之間的負載均衡和智能選擇，避免了各PDSN間的負荷不均的現(xiàn)象的發(fā)生，同時避免了移動臺的不必要的切換，減少了移動臺在移動過程中的通訊中斷。
PDSN對接入用戶進行智能選擇或負載均衡的算法如圖3所示，后面我們將詳細介紹該算法。集群群組中，各PDSN的集群算法相同，且各自獨立運算，即使參加集群的某個PDSN發(fā)生了異常，也不會影響到其他PDSN。
當MS接入到某PDSN時，經(jīng)過該PDSN的智能選擇或者負載均衡運算以后，如果MS接入到其他PDSN更合適的話，那么該PDSN需要把該MS推薦給其他更合適的PDSN，推薦方法如圖2所示。PDSN在把MS推薦給其他PDSN時，沒有另外新增接口，而是巧妙地利用了標準的R-P接口中A11注冊應答報文(A11Registration RePly，簡稱A11-RRP)的錯誤代碼表達(錯誤代碼等于136，含義是未知PDSN的IP地址)，這樣可以做到實施PDSN集群策略時并不需要PCF修改任何接口。
在圖2描述的集群時推薦新PDSN的A11注冊過程中，MS和無線網(wǎng)絡之間建立好空中鏈路后，PCF將向PDSN_1發(fā)送A11注冊請求(A11 RegistrationReQuest，簡稱A11-RRQ)，A11-RRQ中已指明歸屬代理(Home Agent，簡稱HA)等于PDSN_1的IP地址，PDSN將根據(jù)前面描述的策略進行負載均衡和智能選擇，如果需要把MS推薦給群組內(nèi)其他PDSN，那么PDSN_1將向PCF發(fā)送一個A11-RRP，報文中包含的拒絕代碼等于136，同時給出接入的最佳PDSN為PDSN_2(HA＝2.1.1.1)，隨后PCF將根據(jù)此推薦結果重新向PDSN_2發(fā)送一個新的A11-RRQ，等PDSN_2回應了A11-RRP報文后，A11通道就建立完成了。
圖3(a)給出了本發(fā)明方法中PDSN負載均衡的處理流程圖；圖3(b)給出本發(fā)明方法中PDSN智能選擇的處理流程圖。
在實際運用當中，當一個MS接入到PDSN時，PDSN首先進行的將是智能選擇，在智能選擇不成功時才進行負載均衡，下面將結合圖3分別介紹一下負載均衡和智能選擇。
在集群群組內(nèi)實施負載均衡的目的在于避免有些PDSN負荷太重，而有些PDSN負荷太輕的情況發(fā)生，充分地利用網(wǎng)絡資源，為MS提供穩(wěn)定可靠地接入服務。
結合圖3(a)，負載均衡的工作思路如下1.集群PDSN定時向外界通知(組播和單播)自己的主機名稱、IP地址、目前的負荷情況、自己的負荷能力等信息；2.計算各個集群PDSN的負荷百分比，負荷百分比＝目前的負荷/總的負荷能力；3.當PCF為新接入MS新建R-P連接時，如果發(fā)現(xiàn)有PDSN的負荷百分比比自己的負荷百分比低10％以上，那么該PDSN就可以把MS推薦給那個負荷百分比最低的PDSN，否則就自己接納該新接入的用戶；4.為了避免某個PDSN負荷突然過載的情況發(fā)生，集群PDSN也可以向外界不定時地主動通知自己的負荷情況；5.如果PDSN有多個R-P網(wǎng)口，集群PDSN也可以在自己的幾個R-P網(wǎng)口之間進行負載均衡，即接受PCF的建立A10/A11的請求，但同時推薦另外一個負荷較輕的R-P網(wǎng)口。
智能選擇的目的在于避免MS在集群群組內(nèi)產(chǎn)生不必要的切換，保證MS的通訊不被中斷。例如，有PDSN1、PDSN2、PCF1、PCF2共4個網(wǎng)元，其中PCF1優(yōu)選連接到PDSN1，PCF2優(yōu)選連接到PDSN2，PDSN1和PDSN2在一個集群分組內(nèi)。原先MS通過PCF1接入到PDSN1，后來MS切換到PCF2，但PCF2優(yōu)先選擇了PDSN2，由于PDSN1和PDSN2是同一個集群分組的，所以此時MS通過PCF2連接的最優(yōu)PDSN應該是PDSN1，因為這樣MS可以不用再進行PPP、移動IP(Mobile IP，簡稱MIP)等會話的重建，這樣可以加快MS的切換速度，若MS采用的是簡單IP接入方式，這樣還可以保證MS的通訊不被中斷。
結合圖3(b)，智能選擇的工作思路如下1.所有參與集群的PDSN都記錄一段時間內(nèi)所有接入和離線MS的IMSI；2.當定時器到時時就向群組內(nèi)其他PDSN通知最近接入和離線MS的IMSI，如果接入或離線的MS達到一定數(shù)量時，PDSN也可以不定時地主動發(fā)送該信息；3.各個PDSN把其他集群PDSN發(fā)送來的MS接入信息以及接入到自己的MS記錄在集群MS表中；每當有新的MS接入時都要查詢該集群MS表，如果查出MS剛才接入的是集群PDSN內(nèi)的其他PDSN，那么PDSN將把MS重新推薦回舊的接入PDSN。
如果新接入的MS未出現(xiàn)在集群MS表中，說明本PDSN只需要考慮負載均衡就可以了，無需考慮智能選擇。如果PDSN當前的負荷未超過了集群的門限，那么PDSN將接受PCF發(fā)出的A11-RRQ，否則將查詢集群PDSN表，從中選擇一個負荷最輕的PDSN，選擇出來的結果可能是自己，也可能是其他集群PDSN。這里提的負載均衡不僅僅是PDSN間的負載均衡，還包括PDSN的幾個R-P網(wǎng)口之間的負載均衡。在收到PCF的A11-RRQ報文后，PDSN發(fā)現(xiàn)自己的幾個R-P網(wǎng)口的負荷不均衡時，可以接受PCF的A11-RRQ，但同時在應答報文中推薦一個負荷較輕的R-P網(wǎng)口，PCF會在以后傳送A10報文時將向PDSN推薦的新R-P網(wǎng)口發(fā)送。如果新接入的MS出現(xiàn)在了集群MS表中，此時就需要考慮智能選擇了，因為此時應該將MS推薦回剛才接入的PDSN，這樣MS無需重建先前建立的PPP連接以及MIP連接等等。如果先前接入的是PDSN自己，那么說明MS發(fā)生了PCF間、PDSN內(nèi)的切換，PDSN將接受PCF發(fā)出的A11注冊請求。如果先前MS接入的是其他集群PDSN，并且該PDSN工作正常，那么PDSN將根據(jù)集群IMSI表，將MS推薦回先前接入的PDSN。
當移動臺接入到PDSN后，PDSN將修改集群MS表，同時把移動臺信息保存起來，在合適的時候把接入的移動臺的IMSI通告給其他集群PDSN。當接入到本PDSN的移動臺離線時，PDSN也需要把移動臺的信息保存起來，在合適的時候把近期離線的移動臺的IMSI也通告給其他PDSN。
本發(fā)明通過不同的通訊端口來區(qū)分不同的集群分組，不同分組的PDSN間不相互通訊，PDSN的集群僅在本分組內(nèi)進行，一個PDSN不能同時參加兩個集群分組。另外，還根據(jù)參加集群的PDSN的位置的不同提供兩種集群方式緊鄰集群和異地集群。
所謂緊鄰集群是指所有參與集群的PDSN在一個物理子網(wǎng)中，一般來說，緊鄰集群的PDSN通常在一個機房內(nèi)。所謂異地集群是指參與集群的PDSN可以來自不同地方，它們的IP地址屬于不同的物理子網(wǎng)，彼此之間可以有多個路由器、交換機等。
PDSN之間的集群采用UDP作為通訊的承載協(xié)議，緊鄰集群采用組播方式通訊IP＝224.0.0.224、Port＝10224+(nGroup-1)×10，異地集群采用單播方式通訊IP＝對端PDSN的地址、Port＝10225+(nGroup-1)×10，其中nGroup為集群分組編號，范圍一般為1～16。
前面描述了集群的基本算法，下面再描述一下用于交換集群信息的集群報文，以及這些集群報文的交互過程。
本發(fā)明涉及的PDSN集群報文主要有8類，如表一所示。為了保證集群報文的安全性，本發(fā)明所有參與集群的PDSN均配置一個相同的用于認證集群報文的密鑰，認證算法可以采用HMAC-MD5算法。表一PDSN集群的報文類型及其說明

下面將結合圖4、圖5、圖6講述集群報文的交互過程。
圖4描述的是正常情況下PDSN剛啟動時報文的發(fā)送情況。
當PDSN剛剛啟動時，它還無法得到其他集群PDSN的集群信息，此時PDSN將主動向外界發(fā)布Hello報文，發(fā)布的次數(shù)一般為連續(xù)3次。其他PDSN在收到該Hello報文后隨機產(chǎn)生一個時延(0～3秒)，然后再主動地向新啟動的PDSN通告自己的負荷能力以及所有已接入MS的信息，通訊方式一般采用單播的方式。PDSN在回答Hello報文時，之所以有一個時延，主要是為了避免出現(xiàn)所有集群PDSN同時回應Hello報文的情況發(fā)生。
隨后，這個剛啟動的PDSN將啟動3個定時器，分別是通告PDSN在線報文定時器(t1)、通告PDSN負荷能力報文的定時器(t2)和通告近期接入和離線的MS報文定時器(t3)。集群群組內(nèi)的所有PDSN均需定時發(fā)送自己在線的報文，各PDSN可以根據(jù)此報文判斷哪些PDSN工作正常，哪些PDSN已經(jīng)失去了聯(lián)系，如果在一段時間內(nèi)(一般為30秒)未收到某集群PDSN的在線報文就可以判定該集群PDSN已經(jīng)工作不正常了，以后所有的智能選擇以及負載均衡將把這個工作異常的PDSN排除在外。如果在更長時間內(nèi)(一般為20分鐘)該異常PDSN還未恢復正常工作，那么該異常PDSN的所有集群信息將被刪除，其中包括在集群PDSN表中的記錄和集群MS表中接入到該PDSN的所有記錄。PDSN定時地向外通告自己目前的負荷情況，在執(zhí)行負載均衡時，優(yōu)先選擇的將是集群群組內(nèi)負荷最輕的PDSN，如果某個PDSN發(fā)現(xiàn)自己的負荷增長太快，它也可以主動地向外發(fā)布自己的負荷情況報文，而不一定要等到定時器到時時才發(fā)布。每當有MS接入或者離線時，PDSN均會把這些MS的IMSI記錄下來，等通告近期接入和離線的MS報文定時器到時時再把這些IMSI通告給其他集群PDSN。
前面描述了正常情況下的報文交互順序，在實際運用過程當中可能還會出現(xiàn)一些異常情況，下面我們再討論一下在異常情況下如何實施PDSN集群報文的交互。
圖5描述的是一種異常情況，即由于某種原因(例如網(wǎng)絡通訊異常)PDSN_1、PDSN_2啟動一段時間后，均未收到對方的Hello等報文，也就是說PDSN_1和PDSN_2均不知對方的存在，盡管它們工作在同一個集群分組中。一段時間后PDSN_1收到了PDSN_2的一個任意集群報文，PDSN_1在集群PDSN表中未找到PDSN_2的相關信息，那么PDSN_1將主動向PDSN_2發(fā)送一條索要集群信息請求報文，PDSN_2在收到此報文后將給PDSN_1先發(fā)送一條索要集群信息應答報文，隨后PDSN_2還會發(fā)送通告負荷能力報文和通告所有已接入MS的報文，從此以后，PDSN_1和PDSN_2的集群就恢復正常了。
圖6描述的是另一種異常情況，即最初PDSN_1、PDSN_2均加入了一個集群群組，并且它們之間均建立了正常的集群通訊，后來PDSN_2出現(xiàn)異常后重啟，并向外發(fā)布一條Hello報文，PDSN_1在收到Hello報文后，將清除PDSN_2的所有集群信息，包括集群MS表中所有接入到PDSN_2中所有的MS信息，然后再把PDSN_2當成新啟動的PDSN，并向PDSN_2發(fā)送通告負荷能力報文和通告MS接入信息報文。
權利要求
1.一種分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點PDSN選擇一個要加入的集群群組并加入該群組，以便在本群組內(nèi)實施集群策略、交換集群信息；步驟二、群組內(nèi)各PDSN定時或不定時廣播通告自己的集群信息，PDSN把其他PDSN發(fā)來的這些信息記錄在“集群PDSN表”和“集群MS表”中；步驟三、當一個MS接入到PDSN中時，PDSN首先查詢集群MS表，如果在表中查到了該MS，則說明該MS是從本集群群組內(nèi)其他PDSN切換來的用戶，PDSN將該用戶推薦給剛才接入的那個PDSN，否則說明該MS是新接入的用戶；步驟四、如果是新接入的用戶，PDSN將查詢集群PDSN表，從集群PDSN表中找出一個負荷最輕的PDSN，將把這個新接入的用戶推薦給負荷最輕的PDSN接入。
2.根據(jù)權利要求1所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述步驟二群組內(nèi)各PDSN定時或不定時廣播通告自己的集群信息，包括自己的負荷能力、當前的負荷情況、近期接入和離線的MS等信息。
3.據(jù)權利要求1所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述步驟三中PDSN將該用戶推薦給剛才接入的那個PDSN，包括如下步驟所有參與集群的PDSN都記錄一段時間內(nèi)所有接入和離線MS的IMSI；設定定時器，定時向群組內(nèi)其他PDSN通知最近接入和離線MS的IMSI，如果接入或離線的MS達到一定數(shù)量時，PDSN也可以不定時地主動發(fā)送該信息；各個PDSN把其他集群PDSN發(fā)送來的MS接入信息以及接入到自己的MS記錄在集群MS表中；每當有新的MS接入時都要查詢該集群MS表，如果查出MS剛才接入的是集群PDSN內(nèi)的其他PDSN，那么PDSN將把MS重新推薦回舊的接入PDSN。
4.根據(jù)權利要求1、2、3之一所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述步驟四將把這個新接入的用戶推薦給負荷最輕的PDSN接入，包括集群PDSN定時向外界組播或單播自己的主機名稱、IP地址、目前的負荷情況、自己的負荷能力等信息；計算各個集群PDSN的負荷百分比，負荷百分比＝目前的負荷/總的負荷能力；如果發(fā)現(xiàn)有PDSN的負荷百分比比自己的負荷百分比低10％以上，就將該新接入的用戶推薦到其中負荷百分比最低的PDSN上，否則就自己接納該新接入的用戶。
5.根據(jù)權利要求4所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述推薦到那個負荷百分比較低的PDSN是通過分組控制功能節(jié)點PCF建立A10/A11請求實現(xiàn)的。
6.根據(jù)權利要求4所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，如果PDSN有多個R-P網(wǎng)口，集群PDSN也可以在自己的幾個R-P網(wǎng)口之間進行負載均衡，即接受PCF的建立A10/A11的請求，但同時推薦另外一個負荷較輕的R-P網(wǎng)口。
7.根據(jù)權利要求1所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述步驟一的集群群組包括緊鄰群組和異地群組；所述緊鄰群組是指所有參與集群的PDSN在一個物理子網(wǎng)中；所述異地群組是指參與集群的PDSN來自不同地方，它們的IP地址屬于不同的物理子網(wǎng)。
8.根據(jù)權利要求7所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，PDSN之間的集群采用UDP作為通訊的承載協(xié)議，緊鄰群組采用組播方式通訊；異地群組采用單播方式通訊。
9.根據(jù)權利要求1所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，當PDSN剛剛啟動時，它還無法得到其他集群PDSN的集群信息，此時PDSN將主動向外界連續(xù)3次發(fā)布Hello報文，其他PDSN在收到該Hello報文后隨機產(chǎn)生一個0～3秒的時延，然后采用單播的通訊方式，主動地向新啟動的PDSN通告自己的負荷能力以及所有已接入MS的信息。
10.根據(jù)權利要求1所述的分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，其特征在于，所述剛啟動的PDSN將啟動3個定時器，分別是通告PDSN在線報文定時器t1、通告PDSN負荷能力報文的定時器t2和通告近期接入和離線的MS報文定時器t3；集群群組內(nèi)的所有PDSN定時發(fā)送自己在線的報文，如果在28-32秒的時間內(nèi)未收到某集群PDSN的在線報文，則判定該集群PDSN已經(jīng)工作不正常，暫時將把這個工作異常的PDSN排除在外；如果在18-22分鐘內(nèi)，該異常PDSN還未恢復正常工作，則將該異常PDSN的所有集群信息將被刪除，其中包括在集群PDSN表中的記錄和集群MS表中接入到該PDSN的所有記錄。
全文摘要
本發(fā)明提出一種分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點間集群方法，屬于CDMA移動通訊領域，方法包括分組數(shù)據(jù)服務節(jié)點PDSN選擇并加入的集群群組；群組內(nèi)各PDSN定時或不定時廣播自己的集群信息，PDSN把其他PDSN發(fā)來的信息記錄在“集群PDSN表”和“集群MS表”中；當用戶接入到PDSN中時，PDSN首先查詢集群MS表，如果在表中查到了該用戶，PDSN將該用戶推薦給剛才接入的那個PDSN，否則說明該MS是新用戶；對新用戶，PDSN查詢集群PDSN表，找出負荷最輕的PDSN，把這個新用戶推薦給負荷最輕的PDSN接入。本發(fā)明方法簡單，可實現(xiàn)集群內(nèi)PDSN之間的負載均衡和智能選擇，避免了各PDSN間的負荷不均的現(xiàn)象的發(fā)生和不必要的切換，減少了移動臺在移動過程中的通訊中斷。
文檔編號H04W28/08GK1479466SQ0213675
公開日2004年3月3日 申請日期2002年8月29日 優(yōu)先權日2002年8月29日
發(fā)明者耿兆森, 康西巧, 王華火 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司