一种分组数据服务节点间的集群方法 【技术领域】
本发明涉及一种分组数据服务节点(Packet Data Serving Node，以下简称PDSN)之间的集群方法。属于CDMA2000-1x分组数据软件领域。背景技术
随着无线通讯网络和IP网络的不断融合与发展，分组数据业务在CDMA网络中的运用将越来越广泛，它在人们的日常生活和工作中的地位和作用将越来越高。随着新业务的不断推广和应用，分组业务的数据量将会越来越大，作为CDMA2000-1x的无线分组业务接入网关的PDSN也将会越来越多，如何把这些PDSN有机地整合为一体，使它们之间做到负载均衡、减少移动台在不同PDSN间的切换等就显得尤其重要了。
目前已经有了一些实施PDSN间集群的技术，例如专门提供一个名叫FACN(Foreign Agent Control Node)的PDSN接入选择设备，当分组控制功能节点(Packet Control Function，以下简称PCF)为移动台新建R-P(Radio Network-PDSN)连接前，首先必须接入到FACN那里， FACN根据内部各集群PDSN地信息为移动台(Mobile Station，以下简称MS)选择一个合适的PDSN，然后PCF再根据此选择结果重新连接到那个新选择的PDSN。这样做也能达到PDSN集群的目的，但是它存在以下一些缺点：
每次移动台接入的时候，PCF都必须首先连接到FACN那里，然后再根据FACN的推荐结果连接到合适的PDSN，这将势必延长了移动台的接入时间，增大了网络的负担；
必须为PDSN集群增加一个预选择设备，例如FACN，增加了运营成本；
对FACN的依赖性太大，当FACN工作异常以后，整个PDSN的集群工作将无法继续，集群群组内的各个PDSN将变成一个个各自独立的实体；
参加集群的PDSN必须在一个物理子网范围内，它不提供异地(即不在一个物理子网内)PDSN之间的集群。发明内容
针对以上现有技术的缺点，本发明提出了一个新的分组数据服务节点间集群方法，使集群群组内的所有PDSN同时具有负载均衡和智能选择的功能，本方法实现方法简单、可靠、各集群PDSN间关联性小。
本发明的技术方案是基于这样的思路：
首先，分组数据服务节点PDSN选择一个要加入的集群群组并加入该群组，以便在本群组内实施集群策略、交换集群信息；
其次，群组内各PDSN定时或不定时通告自己的集群信息，包括自己的负荷能力、当前的负荷情况、近期接入和离线的MS等等，PDSN把其他PDSN发来的这些信息记录在“集群PDSN表”和“集群MS表”中；
当一个MS接入到PDSN中时，PDSN首先查询集群MS表，如果在表中查到了该MS，那么说明该MS是从本集群群组内其他PDSN切换来的用户，PDSN将该用户推荐回刚才接入的那个PDSN，否则说明该MS是新接入的用户；
如果是新接入的用户，PDSN将查询集群PDSN表，从集群PDSN表中找出一个负荷最轻的PDSN，并且把这个新接入的用户推荐给负荷最轻的PDSN接入。
本发明提供的这种通过软件的方式实现PDSN的集群，实现方法简单，通过标准、开放的R-P接口实现了集群内的PDSN之间的负载均衡和智能选择，避免了各PDSN间的负荷不均的现象的发生，同时避免了移动台的不必要的切换，减少了移动台在移动过程中的通讯中断。附图说明图1是本发明所述集群方法的流程示意图；图2是集群时推荐新PDSN的A11注册过程序列图；图3(a)是本发明方法中PDSN负载均衡的处理流程图；图3(b)是本发明方法中PDSN智能选择的处理流程图；图4是本发明的PDSN刚启动时集群报文的交互序列图；图5是本发明的通讯异常情况下集群报文的交互序列图；图6是本发明的PDSN重启时的集群报文交互序列图。具体实施方式
如图1所示，本发明所描述分组数据服务节点间的集群方法的工作过程是这样的：
首先，PDSN选择一个要加入的集群群组并加入该群组，以后实施集群策略、交换集群信息等均将在本群组内进行；
其次，群组内各PDSN定时或不定时通告自己的集群信息，包括自己的负荷能力、当前的负荷情况、近期接入和离线的MS等等，PDSN把其他PDSN发来的这些信息记录在“集群PDSN表”和“集群MS表”中。其中，“集群PDSN表”的作用是记录集群群组内所有PDSN的负荷情况信息，从该表中可以找出负荷最轻的PDSN，该表在负载均衡时非常有用，“集群MS表”的作用是记录接入到本集群群组内的所有MS的基本情况，该表在智能选择时非常有用；
当一个MS接入到PDSN中时，PDSN首先查询集群MS表，判断该MS是从本集群群组内其他PDSN切换来的用户还是新接入的用户，如果在表中查到了该MS，那么说明该MS是从本集群群组内其他PDSN切换来的用户，否则说明该MS是新接入的用户；
对于从本集群群组内其他PDSN切换来的用户，PDSN将把该MS推荐回刚才接入的PDSN，避免MS产生不必要的切换，这种策略就叫智能选择；
对于新接入的用户，PDSN将查询集群PDSN表，从集群PDSN表中找出一个负荷最轻的PDSN，倘若自己的负荷是目前最轻的，那么PDSN将接受该MS的接入，否则将把这个新接入的MS推荐给负荷最轻的PDSN，这种策略就叫负载均衡，又称负荷分担。
PDSN对接入用户进行智能选择或负载均衡的算法如图3所示，后面我们将详细介绍该算法。集群群组中，各PDSN的集群算法相同，且各自独立运算，即使参加集群的某个PDSN发生了异常，也不会影响到其他PDSN。
当MS接入到某PDSN时，经过该PDSN的智能选择或者负载均衡运算以后，如果MS接入到其他PDSN更合适的话，那么该PDSN需要把该MS推荐给其他更合适的PDSN，推荐方法如图2所示。PDSN在把MS推荐给其他PDSN时，没有另外新增接口，而是巧妙地利用了标准的R-P接口中A11注册应答报文(A11Registration RePly，简称A11-RRP)的错误代码表达(错误代码等于136，含义是未知PDSN的IP地址)，这样可以做到实施PDSN集群策略时并不需要PCF修改任何接口。
在图2描述的集群时推荐新PDSN的A11注册过程中，MS和无线网络之间建立好空中链路后，PCF将向PDSN_1发送A11注册请求(A11 RegistrationReQuest，简称A11-RRQ)，A11-RRQ中已指明归属代理(Home Agent，简称HA)等于PDSN_1的IP地址，PDSN将根据前面描述的策略进行负载均衡和智能选择，如果需要把MS推荐给群组内其他PDSN，那么PDSN_1将向PCF发送一个A11-RRP，报文中包含的拒绝代码等于136，同时给出接入的最佳PDSN为PDSN_2(HA＝2.1.1.1)，随后PCF将根据此推荐结果重新向PDSN_2发送一个新的A11-RRQ，等PDSN_2回应了A11-RRP报文后，A11通道就建立完成了。
图3(a)给出了本发明方法中PDSN负载均衡的处理流程图；图3(b)给出本发明方法中PDSN智能选择的处理流程图。
在实际运用当中，当一个MS接入到PDSN时，PDSN首先进行的将是智能选择，在智能选择不成功时才进行负载均衡，下面将结合图3分别介绍一下负载均衡和智能选择。
在集群群组内实施负载均衡的目的在于避免有些PDSN负荷太重，而有些PDSN负荷太轻的情况发生，充分地利用网络资源，为MS提供稳定可靠地接入服务。
结合图3(a)，负载均衡的工作思路如下：
1.集群PDSN定时向外界通知(组播和单播)自己的主机名称、IP地址、目前的负荷情况、自己的负荷能力等信息；
2.计算各个集群PDSN的负荷百分比，负荷百分比＝目前的负荷/总的负荷能力；
3.当PCF为新接入MS新建R-P连接时，如果发现有PDSN的负荷百分比比自己的负荷百分比低10％以上，那么该PDSN就可以把MS推荐给那个负荷百分比最低的PDSN，否则就自己接纳该新接入的用户；
4.为了避免某个PDSN负荷突然过载的情况发生，集群PDSN也可以向外界不定时地主动通知自己的负荷情况；
5.如果PDSN有多个R-P网口，集群PDSN也可以在自己的几个R-P网口之间进行负载均衡，即接受PCF的建立A10/A11的请求，但同时推荐另外一个负荷较轻的R-P网口。
智能选择的目的在于避免MS在集群群组内产生不必要的切换，保证MS的通讯不被中断。例如，有PDSN1、PDSN2、PCF1、PCF2共4个网元，其中PCF1优选连接到PDSN1，PCF2优选连接到PDSN2，PDSN1和PDSN2在一个集群分组内。原先MS通过PCF1接入到PDSN1，后来MS切换到PCF2，但PCF2优先选择了PDSN2，由于PDSN1和PDSN2是同一个集群分组的，所以此时MS通过PCF2连接的最优PDSN应该是PDSN1，因为这样MS可以不用再进行PPP、移动IP(Mobile IP，简称MIP)等会话的重建，这样可以加快MS的切换速度，若MS采用的是简单IP接入方式，这样还可以保证MS的通讯不被中断。
结合图3(b)，智能选择的工作思路如下：
1.所有参与集群的PDSN都记录一段时间内所有接入和离线MS的IMSI；
2.当定时器到时时就向群组内其他PDSN通知最近接入和离线MS的IMSI，如果接入或离线的MS达到一定数量时，PDSN也可以不定时地主动发送该信息；
3.各个PDSN把其他集群PDSN发送来的MS接入信息以及接入到自己的MS记录在集群MS表中；每当有新的MS接入时都要查询该集群MS表，如果查出MS刚才接入的是集群PDSN内的其他PDSN，那么PDSN将把MS重新推荐回旧的接入PDSN。
如果新接入的MS未出现在集群MS表中，说明本PDSN只需要考虑负载均衡就可以了，无需考虑智能选择。如果PDSN当前的负荷未超过了集群的门限，那么PDSN将接受PCF发出的A11-RRQ，否则将查询集群PDSN表，从中选择一个负荷最轻的PDSN，选择出来的结果可能是自己，也可能是其他集群PDSN。这里提的负载均衡不仅仅是PDSN间的负载均衡，还包括PDSN的几个R-P网口之间的负载均衡。在收到PCF的A11-RRQ报文后，PDSN发现自己的几个R-P网口的负荷不均衡时，可以接受PCF的A11-RRQ，但同时在应答报文中推荐一个负荷较轻的R-P网口，PCF会在以后传送A10报文时将向PDSN推荐的新R-P网口发送。如果新接入的MS出现在了集群MS表中，此时就需要考虑智能选择了，因为此时应该将MS推荐回刚才接入的PDSN，这样MS无需重建先前建立的PPP连接以及MIP连接等等。如果先前接入的是PDSN自己，那么说明MS发生了PCF间、PDSN内的切换，PDSN将接受PCF发出的A11注册请求。如果先前MS接入的是其他集群PDSN，并且该PDSN工作正常，那么PDSN将根据集群IMSI表，将MS推荐回先前接入的PDSN。
当移动台接入到PDSN后，PDSN将修改集群MS表，同时把移动台信息保存起来，在合适的时候把接入的移动台的IMSI通告给其他集群PDSN。当接入到本PDSN的移动台离线时，PDSN也需要把移动台的信息保存起来，在合适的时候把近期离线的移动台的IMSI也通告给其他PDSN。
本发明通过不同的通讯端口来区分不同的集群分组，不同分组的PDSN间不相互通讯，PDSN的集群仅在本分组内进行，一个PDSN不能同时参加两个集群分组。另外，还根据参加集群的PDSN的位置的不同提供两种集群方式：紧邻集群和异地集群。
所谓紧邻集群是指所有参与集群的PDSN在一个物理子网中，一般来说，紧邻集群的PDSN通常在一个机房内。所谓异地集群是指参与集群的PDSN可以来自不同地方，它们的IP地址属于不同的物理子网，彼此之间可以有多个路由器、交换机等。
PDSN之间的集群采用UDP作为通讯的承载协议，紧邻集群采用组播方式通讯：IP＝224.0.0.224、Port＝10224+(nGroup-1)×10，异地集群采用单播方式通讯：IP＝对端PDSN的地址、Port＝10225+(nGroup-1)×10，其中nGroup为集群分组编号，范围一般为1～16。
前面描述了集群的基本算法，下面再描述一下用于交换集群信息的集群报文，以及这些集群报文的交互过程。
本发明涉及的PDSN集群报文主要有8类，如表一所示。为了保证集群报文的安全性，本发明所有参与集群的PDSN均配置一个相同的用于认证集群报文的密钥，认证算法可以采用HMAC-MD5算法。表一PDSN集群的报文类型及其说明报文类型报文功能说明Hello报文向集群群组内的其他PDSN通告本PDSN已经启动并开始加入到集群群组中。通告负荷能力报文向集群群组内的其他PDSN通告自己的负荷能力。通告接入、离线的MS报文向集群群组内的其他PDSN通告在本PDSN中接入和离线的用户信息。通告在线报文向集群群组内的其他PDSN通告自己在线。PDSN更名报文当PDSN更改自己的主机名时，通过此报文通告自己的新名称。终止集群报文当PDSN需要离开某集群群组时，通过此报文通知其他PDSN。索要集群信息请求报文主动向集群群组内的其他PDSN索要对方的所有与集群相关的信息。索要集群信息应答报文索要集群信息请求报文的应答报文。
下面将结合图4、图5、图6讲述集群报文的交互过程。
图4描述的是正常情况下PDSN刚启动时报文的发送情况。
当PDSN刚刚启动时，它还无法得到其他集群PDSN的集群信息，此时PDSN将主动向外界发布Hello报文，发布的次数一般为连续3次。其他PDSN在收到该Hello报文后随机产生一个时延(0～3秒)，然后再主动地向新启动的PDSN通告自己的负荷能力以及所有已接入MS的信息，通讯方式一般采用单播的方式。PDSN在回答Hello报文时，之所以有一个时延，主要是为了避免出现所有集群PDSN同时回应Hello报文的情况发生。
随后，这个刚启动的PDSN将启动3个定时器，分别是通告PDSN在线报文定时器(t1)、通告PDSN负荷能力报文的定时器(t2)和通告近期接入和离线的MS报文定时器(t3)。集群群组内的所有PDSN均需定时发送自己在线的报文，各PDSN可以根据此报文判断哪些PDSN工作正常，哪些PDSN已经失去了联系，如果在一段时间内(一般为30秒)未收到某集群PDSN的在线报文就可以判定该集群PDSN已经工作不正常了，以后所有的智能选择以及负载均衡将把这个工作异常的PDSN排除在外。如果在更长时间内(一般为20分钟)该异常PDSN还未恢复正常工作，那么该异常PDSN的所有集群信息将被删除，其中包括在集群PDSN表中的记录和集群MS表中接入到该PDSN的所有记录。PDSN定时地向外通告自己目前的负荷情况，在执行负载均衡时，优先选择的将是集群群组内负荷最轻的PDSN，如果某个PDSN发现自己的负荷增长太快，它也可以主动地向外发布自己的负荷情况报文，而不一定要等到定时器到时时才发布。每当有MS接入或者离线时，PDSN均会把这些MS的IMSI记录下来，等通告近期接入和离线的MS报文定时器到时时再把这些IMSI通告给其他集群PDSN。
前面描述了正常情况下的报文交互顺序，在实际运用过程当中可能还会出现一些异常情况，下面我们再讨论一下在异常情况下如何实施PDSN集群报文的交互。
图5描述的是一种异常情况，即由于某种原因(例如网络通讯异常)PDSN_1、PDSN_2启动一段时间后，均未收到对方的Hello等报文，也就是说PDSN_1和PDSN_2均不知对方的存在，尽管它们工作在同一个集群分组中。一段时间后PDSN_1收到了PDSN_2的一个任意集群报文，PDSN_1在集群PDSN表中未找到PDSN_2的相关信息，那么PDSN_1将主动向PDSN_2发送一条索要集群信息请求报文，PDSN_2在收到此报文后将给PDSN_1先发送一条索要集群信息应答报文，随后PDSN_2还会发送通告负荷能力报文和通告所有已接入MS的报文，从此以后，PDSN_1和PDSN_2的集群就恢复正常了。
图6描述的是另一种异常情况，即最初PDSN_1、PDSN_2均加入了一个集群群组，并且它们之间均建立了正常的集群通讯，后来PDSN_2出现异常后重启，并向外发布一条Hello报文，PDSN_1在收到Hello报文后，将清除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当成新启动的PDSN，并向PDSN_2发送通告负荷能力报文和通告MS接入信息报文。