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摘要随着通信技术的发展与普及，人们对于高速无线通信网络的需求日益增加。4G网络的出现满足了这样的发展要求，当前新兴的LTE技术标准则是通向4G的必由之路。为了保证LTE网络的高速传输要求和整体性能，可以利用开放式最短路径优先（OSPF）路由协议进行LTE的传输网络组网设计。文章介绍了LTE内涵，并通过对MME域间的OSPF区域组网进行讨论，以有效提高网络性能。
关键词LTE；OSPF；MME
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0014-02
3G技术为人们带来了翻天覆地的变化，但用户也切身感觉到了其技术水平的限制及不足之处。这些不足与缺陷促使着移动通信技术的不断发展和进步。而LTE的出现恰如其分地满足了高数据交互的移动互联网要求。LTE（Long Term Evolution）是由3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。
在核心组网方面，LTE标准采用了EPS（Evolved Packet System）演进分组系统的组网架构，并由MME（Mobility Management Entity）移动管理实体作为eNB（Evolved Node B）演进型基站的实体管理单元。MME可以在实际应用中组成相互对等的组网关系，并形成特定的MME域池。在MME域池中，不同的MME可以实现快速信息交互。为了保证其传输质量，可以采用OSPF协议进行组网设计，以达到良好的网络交互能力。
1EPS系统架构
为了提升4G网络的优越性，3GPP组织在研制R8标准时启动了长期演进（LTE）与系统架构演进（SAE）项目，项目采用了全IP的LTE/SAE系统架构（SAE后更名为EPC），并标准化了架构中的无线关键技术、接口协议、信令流程、系统安全等。OFDM、MIMO等无线关键技术也被应用于LTE系统的空中接口，新技术的应用使得上/下行峰值速率分别达到了50Mbps和100Mbps。扁平化结构的LTE无线接入网络（E-UTRAN）可使数据传输时延大幅降低。核心网中的分组核心网架构更可以支持EPS与UMTS系统间的互操作，并使EPS可以接入多种非3GPP无线子系统。
图1EPS实体与接口
由图1可以看到在一个完整的EPS模型[1]中，MME是管理核心。而在实际应用中，整个网络则是由许多MME构成。而同等的MME可以构成一个MME域池，在域池中，网络信息高速交换。在实际不同地域的用户可以通过同一个MME域池的快速鉴权实现资源共享，节省了网络开销，提升了整个网络资源的利用率。
图2EPS中的帧结构
在EPS中的帧结构则含有多种包头，其中L1、L2可以实现eNodeB与MME之间的实际数据传输可以通过ATM等方式实现。这也为我们使用OSPF协议进行MME组网提供了先决条件。
2OSPF路由协议
1）开放最短路径优先。OSPF协议是一种链路状态路由协议。[2]作为内部网关协议，其主要实现在同一个AS（Autonomous System）自治系统中的路由器之间交换路由信息并实现其互联互通的功能。采用OSPF协议的路由器将保存保存整个网络的链路信息，实现彼此交换，并在全网拓扑结构中独立计算路由。著名的Dijkstra算法被用来计算最短路径树，其会产生一个无环路径图表。作为一种链路状态协议，其适合组建大型网络，带宽利用率高，这也是对于MME域组网最为关键的因素。因此选用OSPF为组网方案。
2）OSPF工作过程。OSPF工作主要可以分为五个步骤：①通过发送Hello报文在路由器之间建立邻居关系。②每台路由器接收其邻接路由器发送的LSA（Link-State Advertisement）链路状态通告。并在接收到LSA之后再向其邻接的其他路由器转发这些LSA。③所有的路由器通过在一个区域内传递相同的LSA构建一个相同的LSDB（Link-State Database，链路状态数据库）。④在链路状态数据库完成后，每台路由器基于本地的LSDB，执行SPF（Shortest Path First，最短路径优先）算法。以本地路由器为根，生成一个SPF树。⑤通过生成的SPF树，计算每一个目的路由的最短路径，即路由表，通过路由表可以找到各个目的路由的最优选择路径。
3）多区域OSPF模型。OSPF设计多用于分层的结构中，使用OSPF可以将大型的网络分割成一些小的地区网络[3]。
图3典型自治系统模型
如图3所示，OSPF必须要有一个地区0，作为主干网工作，每个自治区域均需要与自己的地区0相连。而那些没有直接连接到地区0的地区可以使用虚拟链路进行连接。而那些在一个AS内部直接与主干网相连的路由器，被称为地区边界路由器（ABR）。OSPF协议一般都是在某个自治系统内部独立运行的，但是多个自治系统也是可以互相连接的。将这些独立运行的自治系统连接到一起的路由器被称为自治系统边界路由器（ASBR）[4]。
4）OSPF在EPS中的应用。LTE的无线接入网（E-UTRAN）在去掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，这样基站就承接了很多原来RNC的功能。eNodeB和核心网的接口为S1，包括S1-MME（与MME相连的接口）和S1-U（与SGW相连的接口）。S1-U主要承担了话音和数据的业务交互，由于LTE中话音和数据都是走的分组域的IP包，那么话音和数据业务就可以归一化交互了。这样，在传输中即可主要考虑信令的传输[5]。
MME（移动性管理实体），负责位置更新、鉴权加密等工作，同时也承担部分无线资源管理（切换、功控等）功能。
图4扁平化的LTE网络结构
扁平化的LTE网络接入结构给OSPF的应用提供了空间。由于OSPF会聚快，并且由地区和自治系统组成，这样对基站和MME之间的互通提供了有利条件。并且由对等MME组成的MME域池也可看成是一个OSPF地区的逻辑末端，这样可以灵活实现MME域扩展[6]。
在图5中可以看到一个由两个MME组成的MME域。在这个模型中，有两个ABR和两个ASBR（这里仅说明简单的MME域，现网中可能采用多个MME叠加）。于是就可以将MME域的传输管理转变为多个自治系统的叠加管理。
图5一个利用OSPF组网的MME域
3模拟OSPF组网
1）模拟OSPF多区域的组网。运用Cisco Packet Tracer可以模拟组建一个OSPF多区域网络，其中选用Cisco 7200系列的路由器模型[7]。如图6所示，主要地区0主要集中在140.140.0.0网段，地区1和地区2分别为150.150.0.0和150.151.0.0。
图6模拟OSPF拓扑图
其中主要针对边界路由器A和B进行配置说明。边界路由器构成了不同地区间的互联，并可以实现跨区域的交互。这样就能够对Router A和Router B进行基本连通配置，如图7所示。其中主要配置了IP地址和时钟速率。
图7Router A和Router B的基本连通配置
在完成边界路由器的基本配置后，可以配置OSPF路由协议。如图8所示，其中定义了地区0、地区1和地区2的关系。
图8Router A和Router B的OSPF基本配置
2）虚链路。虚链路是指一条通过一个区域连接到另外一个区域的链路。使用虚链路可以实现不同区域的互联，这种做法对MME域的快速扩展有着十分重要的意义。一方面，可以减少网络的开销；另一方面，可以增加MME域中NAS信令的广播。这里可以不考虑地区0的骨干区域的作用，因为MME域中的MME是对等的，所以非骨干区域的互联更有意义。
图9Router A和Router B的虚链路配置
如图9，即完成了Router A和Router B的虚链路配置。在完成配置后，基本就可以实现MME间的交互。最后可以在特权模式下，对两台路由器使用“show ip route”命令查看个路由器的路由信息。从显示的结果中可以看到两台路由器都可以获得每个目的网段的拓扑信息。
4结论
OSPF层次结构可以减少路由选择的开销，加速汇聚，以单一的网络架构缩小整体网络的不稳定性。并且网络结构中还支持缩放，拥有不受限的跳计数和不同类型设备的集成组网。这些优点恰恰是EPS中的MME域集成所需要的。通过对OSPF路由协议和MME域的组合应用模拟，有助于提高现实组网中的网络拓扑结构的效率，大大提高网络管理能力。
参考文献
[1] Qualcomm. LTE Call Processing[R].80-W2598-1 REVH，2013.
[2]崔北亮.CCNA认证指南（640-802）[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]沈海媚.网络互联技术——路由与交换[M].杭州：浙江大学出版社，2005.
[4]刘忠庆.CCNP实战指南：路由[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[5]中国信息产业网 http：//www.cnii.com.cn .
[6]胡宏林，徐景.3GPP LTE无线链路关键技术[M].电子工业出版社，2008.
[7]黄伟.Packet Tracer软件在网络实验教学中的应用[J].科技广场，2009.
关键词LTE；OSPF；MME
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0014-02
3G技术为人们带来了翻天覆地的变化，但用户也切身感觉到了其技术水平的限制及不足之处。这些不足与缺陷促使着移动通信技术的不断发展和进步。而LTE的出现恰如其分地满足了高数据交互的移动互联网要求。LTE（Long Term Evolution）是由3GPP组织制定的通用移动通信系统技术标准的长期演进。
在核心组网方面，LTE标准采用了EPS（Evolved Packet System）演进分组系统的组网架构，并由MME（Mobility Management Entity）移动管理实体作为eNB（Evolved Node B）演进型基站的实体管理单元。MME可以在实际应用中组成相互对等的组网关系，并形成特定的MME域池。在MME域池中，不同的MME可以实现快速信息交互。为了保证其传输质量，可以采用OSPF协议进行组网设计，以达到良好的网络交互能力。
1EPS系统架构
为了提升4G网络的优越性，3GPP组织在研制R8标准时启动了长期演进（LTE）与系统架构演进（SAE）项目，项目采用了全IP的LTE/SAE系统架构（SAE后更名为EPC），并标准化了架构中的无线关键技术、接口协议、信令流程、系统安全等。OFDM、MIMO等无线关键技术也被应用于LTE系统的空中接口，新技术的应用使得上/下行峰值速率分别达到了50Mbps和100Mbps。扁平化结构的LTE无线接入网络（E-UTRAN）可使数据传输时延大幅降低。核心网中的分组核心网架构更可以支持EPS与UMTS系统间的互操作，并使EPS可以接入多种非3GPP无线子系统。
图1EPS实体与接口
由图1可以看到在一个完整的EPS模型[1]中，MME是管理核心。而在实际应用中，整个网络则是由许多MME构成。而同等的MME可以构成一个MME域池，在域池中，网络信息高速交换。在实际不同地域的用户可以通过同一个MME域池的快速鉴权实现资源共享，节省了网络开销，提升了整个网络资源的利用率。
图2EPS中的帧结构
在EPS中的帧结构则含有多种包头，其中L1、L2可以实现eNodeB与MME之间的实际数据传输可以通过ATM等方式实现。这也为我们使用OSPF协议进行MME组网提供了先决条件。
2OSPF路由协议
1）开放最短路径优先。OSPF协议是一种链路状态路由协议。[2]作为内部网关协议，其主要实现在同一个AS（Autonomous System）自治系统中的路由器之间交换路由信息并实现其互联互通的功能。采用OSPF协议的路由器将保存保存整个网络的链路信息，实现彼此交换，并在全网拓扑结构中独立计算路由。著名的Dijkstra算法被用来计算最短路径树，其会产生一个无环路径图表。作为一种链路状态协议，其适合组建大型网络，带宽利用率高，这也是对于MME域组网最为关键的因素。因此选用OSPF为组网方案。
2）OSPF工作过程。OSPF工作主要可以分为五个步骤：①通过发送Hello报文在路由器之间建立邻居关系。②每台路由器接收其邻接路由器发送的LSA（Link-State Advertisement）链路状态通告。并在接收到LSA之后再向其邻接的其他路由器转发这些LSA。③所有的路由器通过在一个区域内传递相同的LSA构建一个相同的LSDB（Link-State Database，链路状态数据库）。④在链路状态数据库完成后，每台路由器基于本地的LSDB，执行SPF（Shortest Path First，最短路径优先）算法。以本地路由器为根，生成一个SPF树。⑤通过生成的SPF树，计算每一个目的路由的最短路径，即路由表，通过路由表可以找到各个目的路由的最优选择路径。
3）多区域OSPF模型。OSPF设计多用于分层的结构中，使用OSPF可以将大型的网络分割成一些小的地区网络[3]。
图3典型自治系统模型
如图3所示，OSPF必须要有一个地区0，作为主干网工作，每个自治区域均需要与自己的地区0相连。而那些没有直接连接到地区0的地区可以使用虚拟链路进行连接。而那些在一个AS内部直接与主干网相连的路由器，被称为地区边界路由器（ABR）。OSPF协议一般都是在某个自治系统内部独立运行的，但是多个自治系统也是可以互相连接的。将这些独立运行的自治系统连接到一起的路由器被称为自治系统边界路由器（ASBR）[4]。
4）OSPF在EPS中的应用。LTE的无线接入网（E-UTRAN）在去掉RNC后，就剩下基站（eNodeB）了，这样基站就承接了很多原来RNC的功能。eNodeB和核心网的接口为S1，包括S1-MME（与MME相连的接口）和S1-U（与SGW相连的接口）。S1-U主要承担了话音和数据的业务交互，由于LTE中话音和数据都是走的分组域的IP包，那么话音和数据业务就可以归一化交互了。这样，在传输中即可主要考虑信令的传输[5]。
MME（移动性管理实体），负责位置更新、鉴权加密等工作，同时也承担部分无线资源管理（切换、功控等）功能。
图4扁平化的LTE网络结构
扁平化的LTE网络接入结构给OSPF的应用提供了空间。由于OSPF会聚快，并且由地区和自治系统组成，这样对基站和MME之间的互通提供了有利条件。并且由对等MME组成的MME域池也可看成是一个OSPF地区的逻辑末端，这样可以灵活实现MME域扩展[6]。
在图5中可以看到一个由两个MME组成的MME域。在这个模型中，有两个ABR和两个ASBR（这里仅说明简单的MME域，现网中可能采用多个MME叠加）。于是就可以将MME域的传输管理转变为多个自治系统的叠加管理。
图5一个利用OSPF组网的MME域
3模拟OSPF组网
1）模拟OSPF多区域的组网。运用Cisco Packet Tracer可以模拟组建一个OSPF多区域网络，其中选用Cisco 7200系列的路由器模型[7]。如图6所示，主要地区0主要集中在140.140.0.0网段，地区1和地区2分别为150.150.0.0和150.151.0.0。
图6模拟OSPF拓扑图
其中主要针对边界路由器A和B进行配置说明。边界路由器构成了不同地区间的互联，并可以实现跨区域的交互。这样就能够对Router A和Router B进行基本连通配置，如图7所示。其中主要配置了IP地址和时钟速率。
图7Router A和Router B的基本连通配置
在完成边界路由器的基本配置后，可以配置OSPF路由协议。如图8所示，其中定义了地区0、地区1和地区2的关系。
图8Router A和Router B的OSPF基本配置
2）虚链路。虚链路是指一条通过一个区域连接到另外一个区域的链路。使用虚链路可以实现不同区域的互联，这种做法对MME域的快速扩展有着十分重要的意义。一方面，可以减少网络的开销；另一方面，可以增加MME域中NAS信令的广播。这里可以不考虑地区0的骨干区域的作用，因为MME域中的MME是对等的，所以非骨干区域的互联更有意义。
图9Router A和Router B的虚链路配置
如图9，即完成了Router A和Router B的虚链路配置。在完成配置后，基本就可以实现MME间的交互。最后可以在特权模式下，对两台路由器使用“show ip route”命令查看个路由器的路由信息。从显示的结果中可以看到两台路由器都可以获得每个目的网段的拓扑信息。
4结论
OSPF层次结构可以减少路由选择的开销，加速汇聚，以单一的网络架构缩小整体网络的不稳定性。并且网络结构中还支持缩放，拥有不受限的跳计数和不同类型设备的集成组网。这些优点恰恰是EPS中的MME域集成所需要的。通过对OSPF路由协议和MME域的组合应用模拟，有助于提高现实组网中的网络拓扑结构的效率，大大提高网络管理能力。
参考文献
[1] Qualcomm. LTE Call Processing[R].80-W2598-1 REVH，2013.
[2]崔北亮.CCNA认证指南（640-802）[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3]沈海媚.网络互联技术——路由与交换[M].杭州：浙江大学出版社，2005.
[4]刘忠庆.CCNP实战指南：路由[M].北京：人民邮电出版社，2003.
[5]中国信息产业网 http：//www.cnii.com.cn .
[6]胡宏林，徐景.3GPP LTE无线链路关键技术[M].电子工业出版社，2008.
[7]黄伟.Packet Tracer软件在网络实验教学中的应用[J].科技广场，2009.