一种基于无线分组网网关的上网方法

专利名称：一种基于无线分组网网关的上网方法
技术领域：
本发明涉及无线分组业务中的通信技术，尤指一种适用于通用分组无线业务(GPRS)的基于无线分组网网关的上网方法。
理论上，当前的GPRS网络可以提供大约100Kbps左右的传输速率，但在实际应用中，由于频点资源有限、多用户共享、终端能够捆绑的信道数有限等因素，用户得到的带宽要远低于这一数值，目前终端所能支持的最高速率只有40kbps左右，而且这一速率还需要在网络信道资源比较充足的情况下才能达到。
随着用户对无线接入速率的要求越来越高，无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Network)应运而生，它是一种基于802.11b/a标准的，能在较小范围内提供高速无线数据接入的技术。

图1为现有WLAN的典型组网结构示意图，如图1所示，WLAN一般包括接入点(AP，Access Pont)、接入控制器(AC，Access Controller)、鉴权服务器和动态主机配置协议(DHCP，Dynamic Host Configuration Protocol)设备，AC不仅连接所有AP、鉴权服务器和DHCP设备，而且同时通过入口(Portal)服务器连接网际协议(IP)网络。终端用户通过无线方式连接AP，并通过AC接入Internet等数据网络，这里AC对用户的访问进行控制。终端用户的接入过程是这样每个终端用户用自己的账号和口令以无线方式接入，先利用鉴权服务器进行身份认证，然后由DHCP分配IP地址；或是先由DHCP分配IP地址，然后终端在未鉴权的情况下登录Portal服务器，进行账号和口令的鉴权，鉴权通过后，AC就允许该用户访问数据网上的其它站点。该WLAN在距离WLAN AP较近的区域能得到高达11Mbps的传输速率，并且设备价格低廉。
虽然，WLAN能够提供高速局域网接入，但是其覆盖范围非常有限，使用的频段容易受到干扰，并且移动性较差，不适合于进行大范围的移动网络连续覆盖。此外，WLAN目前也不存在GSM/GPRS网络这样一个能够覆盖全球多数国家、可漫游的成熟网络，对于漫游到异地的用户来说，由于没有当地WLAN运营商的上网账号，业务难以使用，并且，在用户认证的安全性上与GPRS也有一定的差距。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种基于无线分组网网关的上网方法，适用于通用分组无线业务(GPRS)，将局域网与无线分组业务网通过接入控制器(AC)和具有双通道功能的无线分组网网关相互连接，并经由该无线分组网网关接入外部数据网络，该接入控制器(AC)为宽带接入服务器(BAS)、或为层三交换机(L3 Switch)；其关键在于该方法包括以下步骤a.终端通过无线分组网通道与无线分组网网关通信，建立终端与无线分组网网关之间的局域网通道，如果该局域网通道建立成功，则进入步骤b，否则，无线分组网网关自动选择无线分组网通道与终端继续通信；b.终端通过局域网通道发送经过封装的上行数据包给无线分组网网关，经无线分组网网关解封装后，转发至外部数据网；c.无线分组网网关将该外部数据网所发的下行数据包经过封装后发给AC，由AC解封装后，通过局域网通道转发给终端。
该方法进一步包括局域网通道连接建立后，终端用户通过局域网通道定时和无线分组网网关进行握手操作，无线分组网网关在每次握手响应中发送新的随机数，终端收到后在随后的封装数据包中生成新的验证字。如果握手连续失败N次且未收到新的上行数据包，则无线分组网网关将PDP上下文中当前局域网通道状态置为不可用。
该方法进一步包括当用户漫游出当前局域网或用户主动切断双通道的关联时，终端将当前局域网通道状态置为不可用，并通知无线分组网网关，无线分组网网关也将当前局域网通道状态置为不可用。
在上述过程中，当局域网通道状态被设置为不可用时，无线分组网网关自动选择无线分组网通道传送数据。
在本发明中，终端用户在确定局域网通道建立后，仍可以继续保持该终端用户的无线分组网通道，那么，当该终端用户在无线分组网与局域网之间或是两个局域网之间切换时，其上层业务直接在无线分组网通道和局域网通道之间连续切换。
该方法要在PDP上下文中增加定义局域网的相关属性，至少包括局域网通道状态、局域网IP地址、AC地址、用户加密键、随机数以及封装密钥。终端在进行封装时，封装密钥由无线分组网网关下发的加密键和随机数生成。
本发明是将通用分组无线业务(GPRS)网与无线局域网(WLAN)通过具有双通道功能的网关GPRS支持节点(GGSN)相互关联，经由该GGSN接入外部数据网络。在此种情况下，步骤a进一步包括a1.终端用户进入WLAN网后，先判断当前的WLAN通道是否可用，如果可用，则通过WLAN通道，采用动态地址分配(DHCP)协议，向AC所管理的WLAN网申请WLAN IP地址；a2.得到WLAN IP地址后，终端通过GPRS信道向GGSN发起关联请求；a3.GGSN收到该请求后，将其中的WLAN IP地址存入包括该终端用户当前所用GPRS IP地址在内的分组数据协议(PDP)上下文中，并返回关联请求响应；a4.终端收到响应后，利用WLAN通道发送测试请求给GGSN；a5.GGSN收到测试请求后，设置WLAN通道状态为可用，确认WLAN通道建立，并返回测试请求响应。
上述方法中所述的封装是指GRE封装，因此，步骤b进一步包括b1.终端对要发送的上行数据进行第一次GRE封装后，发送给AC，其中数据包的外层目的IP地址为GGSN IP地址；b2.AC将收到的GRE封装数据进行二次GRE封装后，发给GGSN，其中GRE数据包的目的地址为配置的GGSN公有IP地址，源地址为AC的公有IP地址；b3.GGSN将收到的上行数据包解封装，保存AC IP地址，如果终端的处理模块在原始报文中使用WLAN IP为源地址，则此时GGSN要将原始报文中源地址由WLAN IP替换为GPRS IP地址，然后将该数据包发给外部数据网，如果终端处理模块在原始报文中直接使用GPRS IP为源地址，则此处GGSN解封装后直接将该数据包发给外部数据网。
因此，本发明所提供的基于无线分组网网关的上网方法，具有以下的优点和特点1)由于本发明将无线分组网络与局域网结合起来，为用户同时提供了无线分组网和局域网两种通道，使用户可以根据需要以及通道的当前状态来选择最佳的通道接入上网，当用户处于局域网覆盖区域的时候能够选择局域网传输数据；当用户处于局域网覆盖区域以外的时候则利用无线分组网络传输数据，以保证最佳的传输效果，既可高速接入，又能高速移动、覆盖更广的区域，且灵活性更高。
2)由于本发明将终端用户的局域网IP地址与其无线分组网IP地址对应起来，只要用户经过无线分组网的安全认证，用户身份的合法性就可以确认，在使用局域网通道时无需再认证身份，从而使局域网终端用户可在两种通道中任意切换，保证了局域网和无线分组网双通道的无缝融合，简化了接入过程，为用户使用提供了方便；而且由于无线分组网通道安全性高，从而保证了用户认证的可靠性。
3)本发明采用一个PDP上下文将局域网终端用户的局域网IP地址与其无线分组网IP地址关联起来，使得控制与实现都非常简单、方便。
4)本发明在数据传输过程中，对数据包进行两次GRE封装，并且只使用GPRS IP地址与外部数据网通信，以保证对外部网络屏蔽当前所有的局域网和无线分组网两种接入通道，从而使通道的切换对外界不产生任何影响。
5)本发明可在使用局域网通道的同时仍保持无线分组网通道接续，从而在不消耗系统信道资源的同时，保证上层业务的连续性，进而保证无线分组网与局域网之间的无缝切换。
6)本发明将无线分组网作为保密通道传送初始的加密键和随机数，终端和无线分组网网关根据初始的加密键和随机数生成GRE数据包头中的Key，用于局域网通道上数据报文的通信验证，从而提高局域网等广播式接入网络不被非法盗用的安全性。
7)本发明对硬件没有特殊要求，终端只要有普通的局域网网卡和普通的无线分组网终端即可使用，终端使用的局域网网卡和无线分组网终端可以是合一的，也可以是分离的；现有局域网的AC、AP等设备也都可以延用，从而保证无线分组网与局域网的相互连接与通信更易于实现。
8)本发明用局域网卸载了热点地区无线分组网的业务流量，降低了对无线分组网频率资源的消耗，同时通过无线分组网网关实现在无线分组网通道和局域网通道之间的平滑切换，在有局域网网络覆盖的地区大大提高数据传输速率和业务质量；而且，本发明还有利于在无线分组网/局域网上进行统一的业务提供，保证业务提供与传输通道的独立性，使局域网高速局域网络和无线分组网低速广域网络的优势充分得以互补。
如图2所示，GPRS骨干网200与WLAN 201通过接入控制器(AC)和GGSN+相互连接，终端用户可以通过WLAN 201接入GPRS骨干网200，进而经由GPRS的GGSN+访问外部数据网络。该AC根据实际组网的不同可以采用不同的设备，比如宽带接入服务器(BAS)、层三交换机(L3Switch)等等，该GGSN+是指具有WLAN/GPRS双通道关联、接入、切换功能的GGSN设备，用以实现WLAN、GPRS两种通道的绑定、选择和切换，本发明正是在原有的GPRS网一侧叠加了少数的增强型GGSN，即增加了少量的GGSN+，专用于GPRS/WLAN双通道方式的接入。在GPRS骨干网200中，CG(Charging Gateway)为计费网关，用于预处理计费信息；与CG相连的域名服务器(DNS)，负责GPRS骨干网络中的域名解析；与GPRS骨干网200相连的计费中心(Billing Center)，用于处理和结算所有的计费记录。
为了使WLAN的终端用户能够通过WLAN接入GPRS骨干网，本发明要在WLAN用户的终端设备中配置WLAN/GPRS双模卡、或是配置独立的WLAN网卡和GPRS卡、或是在设备内只配置普通的WLAN网卡，但同时通过串口、红外等接口连接GPRS移动终端，其中，终端设备是指便携机或PDA。本发明在配置终端设备硬件的同时，相应的在该终端设备上设置有专用的接入处理模块，以实现终端与GGSN之间的交互。
如图3所示，终端用户经由WLAN、GPRS上网的实现过程至少包括以下的步骤，其中，所提到的GGSN均指具有双通道接入功能的GGSN+。
步骤301、终端用户进入到WLAN网络之后，先由接入处理模块判断当前的WLAN通道是否可用，如果WLAN通道不可用，则终端将要发送的数据包按照标准的转发流程经GSM/GPRS无线信道、基站子系统(BSS)、SGSN到达GGSN，由此接入外部数据网络，如Ineternet/Intranet，因为从图2可以看出，终端设备连接WLAN的同时还通过无线方式与GSM/GPRSBSS相连。
如果WLAN通道可用，则通过WLAN通道，采用DHCP协议，由接入处理模块向进行WLAN网络接入控制的AC所管理的WLAN地面网络申请WLAN IP地址，AC通过DHCP给该终端分配相应的WLAN IP地址。
步骤302-303、该终端的接入处理模块通过GPRS通道向具有双通道接入功能的GGSN发起WLAN/GPRS关联请求Start-WLAN-Req，其中包括WLAN IP地址，GGSN将WLAN IP地址存入相应的分组数据协议(PDP)上下文中，表明该WLAN IP和当前的GPRS IP代表同一用户。由于GPRS通道是比较安全可靠的通道，而且GPRS通道上的用户已经经过了安全身份认证，因此，GGSN只要知道终端WLAN IP地址和GPRS IP地址对应着同一用户，相应的用户身份就不需要再进行重复认证，用户身份的合法性也就可以确认，相应的费用也都可以计入同一用户的费用账号中，由此保证了WLAN终端用户身份安全认证的合法性和安全性。
GGSN向终端的接入处理模块返回关联请求响应消息Start-WLAN-Rsp，其中含有GGSN IP地址、加密键和随机数等信息。上面所提到的PDP上下文用来记录用户信息和会话信息，PDP上下文的基本格式如表1所示，由于本发明中PDP上下文用于记录GPRS/WLAN双通道通信的信息，因此，PDP上下文中需要增加相应的属性，所增加的属性格式如表2所示。

表1

表2步骤304-305、该终端通过WLAN通道向GGSN发送通道测试请求Test-WLAN-Req，GGSN收到请求后，确认WLAN通道已经可用，则将PDP上下文中的WLAN通道设置成可用状态，然后向终端返回通道测试响应Test-WLAN-Rsp。
步骤306-308、该终端的接入处理模块将要发送的数据包进行封装，该封装的方式有很多，本实施例中是按照通用路由封装协议(GRE)进行隧道封装，所谓GRE隧道封装就是指在IP包之外封装一个GRE头，GRE头之外再封装一层IP，外层的IP包目的地址或源地址与内层的原始报文不一样，以达到控制、改变IP包转发路径的作用。本发明中，外层目的IP地址为GGSN IP地址，以保证该GRE数据报文的目的地址是GGSN。接入处理模块用GGSN下发的加密键和随机数生成验证字作为GRE头中的密钥(Key)，MSISDN封装在GRE的字段中。该校验字的生成是将加密键和随机数作为输入，GRE Key作为输出，再利用标准的加密算法，比如GSMA8算法，计算得出的。
该封装好的GRE数据包在发送过程中经过AC时，由AC或AC外接的路由器对其进行二次GRE封装，目的地址为配置的GGSN公有IP地址，源地址为AC的公有IP地址，之后，AC再将经过二次封装的数据包发送至GGSN。本实施例中对发送数据包进行两次GRE封装的目的不同，进行第一次封装的目的是使数据包经过GGSN，即目的IP地址为GGSN；第二次封装的目的是将AC地址带给GGSN，这样GGSN知道如何对下行数据包进行封装。
GGSN将收到的上行数据包解封装，保存AC IP地址，并将原始报文中源地址由WLAN IP替换为GPRS IP地址，最后发给Internet网的应用服务器，目的是保证网站返回的数据包目的地址为终端接入处理模块的GPRSIP，经过路由转发能够到达GGSN。实际上，GGSN在解封装上行数据包后是否替换源地址取决于终端处理模块对数据包的封装形式，如果终端处理模块在原始报文中直接使用GPRS IP作为源地址进行封装，那么GGSN在解封装之后就不必再进行源地址转换；如果终端处理模块在原始报文中使用WLAN IP作为源地址进行封装，则GGSN在解封装之后就需要将原始报文中的源地址由WLAN IP转换为GPRS IP之后再将数据包转发出去，无论哪种处理方式，只要保证最后传输给外部数据网中的数据包使用GPRS IP地址作为源地址即可。
步骤309-311、应用服务器向终端发送下行数据包，下行数据包对应的PDP上下文中若指示WLAN通道可用，则该数据包在经过GGSN时，GGSN将该下行数据包中目的地址由GPRS IP替换为WLAN IP地址，用PDP上下文保存的AC IP对该下行数据包进行GRE封装之后，发往AC，由AC解封装之后经WLAN通道发给终端。GGSN中进行地址转换的目的是为了让外部数据网络只需看到GPRS网络，从而保证外部网络返回的数据包必须路经GGSN，同时又使通道的切换对外界不产生任何影响。
步骤312、用户通过WLAN通道定时和GGSN进行握手操作，GGSN在每次握手响应中发送新的随机数，供终端在随后的GRE数据包中生成新的验证字；若握手连续失败N次，并且未收到新的上行数据包，GGSN认为WLAN通道出现故障，则将PDP上下文中当前WLAN通道状态置为不可用，其后的下行数据不再做地址转换和GRE封装，直接将数据包按照标准的GPRS转发流程进行处理，由GPRS通道直接下发给终端，即通过GPRS的SGSN以及无线信道下发。
在上述过程中，如果WLAN通道可用，则GPRS通道作为控制通道，进行连接建立，GGSN自动将下行数据包发往WLAN通道进行传送；如果WLAN通道不可用，则GGSN自动选择GPRS通道传送数据，此时GPRS作为数据传输通道，通道之间的转换对外部网站或上层业务完全透明。
在上述过程中，当用户漫游出WLAN网络，或用户主动切断双通道的关联时，则执行步骤313和314，终端将当前WLAN通道状态置为不可用，并向GGSN发停止关联请求Stop-WLAN-Req，GGSN将当前WLAN通道状态置为不可用，然后返回停止关联响应Stop-WLAN-Rsp给终端，此后的数据包将从GPRS通道传送。
在上网过程中，可以根据终端中接入处理模块的设置确定WLAN通道建立之后是否继续保持GPRS通道，保留GPRS通道并不消耗系统信道资源，如果继续保持，可以使终端用户在两种通道之间进行切换，而且保证用户在WLAN与GPRS、WLAN与WLAN网络(可以不连续)之间切换时上层业务的连续性；当然，该GPRS通道也可以不保持，这样的话用户离开原有的WLAN网络时上层业务将中断，需要重新发起GPRS通道激活过程。
对于WLAN通道转发数据所产生的话单，将在GGSN中生成，采用GSM12.15中GPRS标准的话单格式，并将其中不用的字段，如SGSN地址设置成特殊的取值，以便计费中心能够知道这是一个WLAN话单，从而可以采用与GPRS话单不同的费率进行计费。
由上述过程可以看出，本发明采用WLAN/GPRS双通道切换技术，能够为用户提供高速接入、高速移动、覆盖区域广且可靠性高的服务。而且，本发明不仅适用于GPRS和WLAN，GPRS可以由其它无线分组网取代，比如WCDMA分组核心网(WCDMA PS)；WLAN也可以替换为有线的局域网(LAN)。总之，以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于无线分组网网关的上网方法，适用于通用分组无线业务(GPRS)，将局域网与无线分组业务网通过接入控制器(AC)和具有双通道功能的无线分组网网关相互连接，并经由该无线分组网网关接入外部数据网络，其特征在于该方法包括以下步骤a.终端通过无线分组网通道与无线分组网网关通信，建立终端与无线分组网网关之间的局域网通道，如果该局域网通道建立成功，则进入步骤b，否则，无线分组网网关自动选择无线分组网通道与终端继续通信；b.终端通过局域网通道发送经过封装的上行数据包给无线分组网网关，经无线分组网网关解封装后，转发至外部数据网；c.无线分组网网关将该外部数据网所发的下行数据包经过封装后发给AC，由AC解封装后，通过局域网通道转发给终端。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括局域网通道连接建立后，终端用户通过局域网通道定时和无线分组网网关进行握手操作，无线分组网网关在每次握手响应中发送新的随机数，终端收到后在随后的封装数据包中生成新的验证字。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于该方法进一步包括如果握手连续失败N次且未收到新的上行数据包，则无线分组网网关将PDP上下文中当前局域网通道状态置为不可用。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括当用户漫游出当前局域网时，终端将当前局域网通道状态置为不可用，并通知无线分组网网关，无线分组网网关也将当前局域网通道状态置为不可用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括当用户主动切断双通道的关联时，终端将当前局域网通道状态置为不可用，并通知无线分组网网关，无线分组网网关也将当前局域网通道状态置为不可用。
6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其特征在于该方法进一步包括当局域网通道不可用时，无线分组网网关自动选择无线分组网通道传送数据。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括终端用户在确定局域网通道建立后，仍继续保持该终端用户的无线分组网通道；当该终端用户在无线分组网与局域网之间或是两个局域网之间切换时，其上层业务直接在无线分组网通道和局域网通道之间连续切换。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法进一步包括在PDP上下文中增加定义局域网的相关属性，至少包括局域网通道状态、局域网IP地址、AC地址、用户加密键、随机数以及封装密钥。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于终端在进行封装时，封装密钥由无线分组网网关下发的加密键和随机数生成。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于该方法将通用分组无线业务(GPRS)网与无线局域网(WLAN)通过具有双通道功能的网关GPRS支持节点(GGSN)相互关联，经由该GGSN接入外部数据网络。
11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于步骤a进一步包括a1.终端用户进入WLAN网后，先判断当前的WLAN通道是否可用，如果可用，则通过WLAN通道，采用动态地址分配(DHCP)协议，向AC所管理的WLAN网申请WLAN IP地址；a2.得到WLAN IP地址后，终端通过GPRS信道向GGSN发起关联请求；a3.GGSN收到该请求后，将其中的WLAN IP地址存入包括该终端用户当前所用GPRS IP地址在内的分组数据协议(PDP)上下文中，并返回关联请求响应；a4.终端收到响应后，利用WLAN通道发送测试请求给GGSN；a5.GGSN收到测试请求后，设置WLAN通道状态为可用，确认WLAN通道建立，并返回测试请求响应。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的封装为通用路由封装(GRE)。
13.根据权利要求1、10或12所述的方法，其特征在于步骤b进一步包括b1.终端对要发送的上行数据进行第一次GRE封装后，发送给AC，其中数据包的外层目的IP地址为GGSN IP地址；b2.AC将收到的GRE封装数据进行二次GRE封装后，发给GGSN，其中GRE数据包的目的地址为配置的GGSN公有IP地址，源地址为AC的公有IP地址；b3.GGSN将收到的上行数据包解封装，保存AC IP地址，然后将经过解封装的上行数据包发给外部数据网。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于步骤b3中GGSN保存上行数据包中AC IP地址后，进一步包括将原始报文中源地址由WLANIP替换为GPRS IP地址。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的接入控制器(AC)为宽带接入服务器(BAS)、或为层三交换机(L3 Switch)。
全文摘要
本发明公开了一种基于无线分组网网关的上网方法，将局域网与无线分组业务网通过接入控制器(AC)和具有双通道功能的无线分组网网关相互连接，并经由该无线分组网网关接入外部数据网络，该方法包括终端通过无线分组网通道与无线分组网网关通信，建立局域网通道；如果建立成功，则终端通过局域网通道发送经过封装的上行数据包给无线分组网网关，经其解封装后，转发至外部数据网；无线分组网网关将该外部数据网所发的下行数据包经过封装后发给AC，由AC解封装后，通过局域网通道转发给终端。该方法能够为用户提供双通道进行通信，使终端用户既能享受广域覆盖和高速移动，又能在局部地区保证高速无线接入。
文档编号H04L12/66GK1469604SQ0212418
公开日2004年1月21日 申请日期2002年7月16日 优先权日2002年7月16日
发明者艾伟, 陈鹏, 钟小勇, 艾 伟 申请人:华为技术有限公司