[0001] 本发明一般地涉及移动分组核心网络。更具体地，本文中所包含的是用于在基于传输控制程序(TCP)的会话通过诸如第二代(2G)/第三代(3G)中的网关通用分组无线电业务(GPRS)支持节点(GGSN)或第四代(4G)移动网络中的PON网关(P-GW)之类的移动分组核心网关时充实基于传输控制程序(TCP)的会话中的上层协议内容的系统和方法。具体而言，本文中的公开内容包括用于使内容充实高效的过程和机制，并且消除了由于在移动网络中执行内容充实而发生TCP信令风暴的可能性。

[0002] GPRS或通用移动电信系统(UMTS)是全球移动通信系统(GSM)标准的演进，以向GSM移动站提供分组交换数据业务。分组交换数据业务用于传送数据块或用于间歇或突发性质的数据传递。第三代合作伙伴计划(3GPP)分组业务的典型应用包括由人类用户所使用的因特网浏览、无线电子邮件、视频流送和信用卡处理等。

[0003] 2G/3G网络中的主要新的网络架构实体是GGSN和服务GPRS支持节点(SGSN)，并且4G网络中的那些网络架构实体是服务网关S-GW和PDN网关P-GW。简而言之，SGSN/S-GW是用于来自无线电接入网络的数据会话的传输目的的附接点，而GGSN/P-GW充当因特网协议(IP)端点和通向外部网络的路由器。GGSN/P-GW包含GPRS移动设备的路由信息，其用于通过基于IP的内部网络将分组隧道传送到正确的SGSN/S-GW。当移动设备希望访问诸如因特网之类的数据业务时，它必须首先附接到移动网络，然后从GGSN/P-GW获得IP地址。这在2G/3G中被称为激活分组数据协议(PDP)上下文，并且在4G中被称为激活承载。

[0004] 通常，首先在用户设备(UE)和超出移动网络网关GGSN/P-GW的服务器之间建立传输控制程序(TCP)会话以允许UE和服务器之间的超文本传输协议(HTTP)会话或使用任何其他适当的上层协议的会话。GGSN/P-GW充当移动网络和因特网网络之间的透明网关。这允许UE向服务器做出HTTP请求以访问例如因特网地址。注意，尽管其余的公开内容涉及GGSN，但是对于本领域技术人员来说，明显它也适用于P-GW。

[0005] 通过透明代理的TCP行为和内容充实相关问题在通过引用并入于此的现有技术的美国专利公开2013/0024523A1中得到描述。本参考文献的一些文本和附图为了参考和为了提供上下文而在本公开中再现。通常，TCP提供从一个应用程序到另一个应用程序的字节流的可靠、有序的递送。TCP使用序列号来标识每个数据分段。序列号标识从每个计算机发送的分段的次序，使得可以按次序重构数据，而不管在传输期间可能发生的任何碎片、无序或分组丢失。TCP还使用累积确认方案，其中接收器发送确认号，该确认号表示接收器已接收到确认序列号之前的所有数据。TCP消息由报头和主体部分组成。TCP报头包括标识符(诸如源IP地址、目的地IP地址、源端口、目的地端口、协议)、序列号和确认号以及其他TCP报头字段。主体部分跟随报头，并包含为应用程序携带的有效载荷数据。TCP主体部分还可以包含用于应用层协议的报头。TCP分组通过校验和来验证。校验和被包含在每个分组中，以供接收器验证传输的完整性。

[0006] 现在参考现有技术的图1，UE 102发送超文本传输协议(HTTP)请求消息110。TCP序列号(SEQ)被设置为85并且TCP确认号(ACK)被设置为1。GGSN 104接收HTTP请求110并将其透明地转发给服务器106。服务器106处理HTTP请求110，并且基于此，需要为响应计算新的TCP序列号。TCP SEQ被设置为1000并且TCP ACK被设置为85，以确认服务器已经接收到直到序列号85的所有数据。服务器106向GGSN104发送HTTP响应114，该HTTP响应114被转发到UE 102。

[0007] HTTP报头充实(HE)使得GGSN能够实时地将HTTP报头插入到HTTP请求中。HTTP报头充实可以由分组检查规则触发，从而指示信息必须被添加到HTTP请求的报头。HTTP报头中的充实后的内容将被网络中的其他服务器使用以完成特定的授权、记账等。当HTTP报头充实被采用时，GGSN不再能够完全透明地起作用。当将HTTP报头添加到HTTP请求时，将通过向消息添加新内容来改变分组大小。为了处理新的分组大小，GGSN必须调整TCP序列号和确认号。

[0008] 现在参考现有技术的图2，UE 102尝试访问http://address.com并发送HTTP请求120。TCP SEQ号被设置为85并且TCP ACK号被设置为1。GGSN 104接收消息并将HTTP报头插入HTTP请求120。基于新的充实后的报头和内容长度，新的TCP SEQ号被计算为131。包括添加的HTTP报头和调整后的TCP SEQ号的HTTP请求122被发送到服务器106。服务器106处理HTTP请求122，并且基于结果，计算新的TCP SEQ号。TCP SEQ被设置为1000并且TCP ACK被设置为131。HTTP响应124被从服务器106发送到GGSN 104，并在其主体中包含http://address.com的内容。在可以将HTTP响应转发到UE 102之前，必须改变TCP ACK号以匹配原始的TCP SEQ号。GGSN 104还必须重新计算TCP和IP校验和，以确保发送器侧和接收器侧的分组有效性。

[0009] GGSN 104必须存储与充实后的HTTP会话有关的该信息，使得其能够适当地调整TCP序列号和确认号，以便不破坏UE 102与服务器106之间的TCP通信会话。GGSN 104将存储用于所有有效流的该充实后的流信息的表或数据库。该表可以包括会话标识符(即源IP地址、目的地IP地址、源端口号)、对TCP序列做出的目的地调整和/或发送到UE 102和服务器106的消息之间的确认号。返回图2，GGSN 104根据其已经先前存储的流信息来修改HTTP响应124的TCP ACK号，以匹配原始的TCP SEQ号。因此，TCP SEQ被设置为1000并且TCP ACK被从131改变为85。具有这些调整的HTTP响应126被发送到UE 102，并且UE 102接收具有期望的ACK值85的响应126。该流信息的存储需要GGSN上的相当大的存储器和资源。需要GGSN在充实后的流是有效的并且正在运行流量时保持关于所有充实后的流的该信息。然而，一旦这些流空闲达到配置的预定时间量，那么GGSN可以释放这些空闲流占用的存储器资源以用于其他操作。GGSN在删除流信息和释放资源之前等待的空闲时间称为GGSN上的流超时存储器和资源。

[0010] 目前，终止GGSN中的流仅涉及释放GGSN中的资源。存在与被删除的流有关的另外的TCP消息可能仍然源自UE或源自web服务器的可能性。当发生这种情形时，GGSN不再存储有用来在转发消息之前对TCP序列号或确认号进行所需调整的流信息。TCP序列号和确认号中的这种不匹配引起客户端与服务器之间的TCP通信不畅，这可能导致网络中的TCP信令风暴，从而引起GGSN中的高中央处理单元(CPU)利用和网络资源的浪费。

[0011] 图3例示出TCP信令风暴情形的示例。HTTP请求300在GGSN 104处被充实，并且修改后的HTTP请求302以与图2相同的方式被转发到服务器106。同样，HTTP响应304在GGSN 104处被相应地调整，并被作为HTTP响应306转发给UE 102。在步骤308，该流超时期满，并且流信息和资源在GGSN 104处被释放。在期满308之后的某个时间，服务器106试图将TCP FIN消息310例如发送到UE 102以拆卸TCP会话。由于流信息已经在GGSN 104处被删除，所以GGSN将不对内容充实过程的TCP序列和确认进行必要的调整。GGSN 104现在将透明地起作用并且以与从服务器106接收到的相同的TCP序列号和确认号将TCP FIN 312转发到UE 102。UE 102未期望接收该消息。根据其TCP会话标识符，UE 102期望TCP确认号为85而不是131。然后，它将发送TCP ACK消息314以向服务器106指示期望的TCP序列号和确认号，SEQ＝85，ACK＝1000。GGSN 104再次简单地将该消息作为TCP ACK 316转发到服务器106，而不调整TCP序列号或确认号。继而，服务器106根据TCP标准未期望接收该消息，并且它将发送另一个TCP FIN消息318以向UE 102指示其期望接收TCP ACK号131。本领域技术人员将认识到，消息318可以是TCP ACK、TCP FIN或TCP FIN-ACK消息，然而TCP FIN在该情形下将用于示例性目的。
TCP FIN 318由GGSN 104和UE 102如上针对TCP FIN 312所述地处理，并且作为TCP FIN 
320而被转发。这引起UE 102与服务器106之间的TCP信令风暴，由于其需要处理和转发的消息的高容量和高速率，这对GGSN 104的CPU利用可能是极其有害的。

[0012] 在描述与内容充实相关联的问题之后，参考文献US 2013/0024523 A1继续提出一种发明，其通过每当流将被从GGSN存储器中删除时向每一端发送RESET(复位)来避免信令风暴情形，如图4所示。

[0013] 本文中的公开的各方面包括用于处理网络的消息流的网络元件，包括：接入网络接口单元，被配置为从移动设备发送和接收通信；以及处理器，具有与网络接口单元相关联的存储器并且适于：从移动设备接收HTTP请求并且识别该HTTP请求是否需要被充实；如果是，则创建重定向URL，包括：i)原始请求的URL；和ii)替代字符串；以及将重定向URL发送回到移动设备。

[0014] 本公开的其他方面包括在具有接入网络接口单元、处理器和存储器的网络元件内执行的方法，所述网络元件被配置为处理分组核心网络的网络信令，该方法包括：从移动设备接收HTTP请求并识别该HTTP请求是否需要被充实；如果是，则创建重定向URL，包括：i)原始请求的URL；和ii)替代字符串；以及将重定向URL发送回到移动设备。

[0015] 本公开的其他方面包括用于处理网络的消息流的网络元件，包括：接入网络接口单元，被配置为从移动设备发送和接收通信；以及处理器，具有与网络接口单元相关联的存储器并且适于：从移动设备接收HTTP请求并识别该HTTP请求是否需要被充实；如果是，则创建重定向URL，包括：i)原始请求的URL；和ii)替代字符串，其中如果网络元件要充实HTTP请求，则替代字符串的大小等于充实后的报头的预测大小；将重定向URL发送回到移动设备；识别具有替代字符串的HTTP请求；用充实后的报头取代HTTP请求中的替代字符串；以及将修改后的HTTP请求传送到服务器。

[0016] 在附图的各图中通过示例而非限制的方式例示出了本发明，在附图中类似的附图标记指示类似的元件。

[0017] 图1是例示出透明GGSN的信号流(现有技术)；

[0018] 图2是例示出报头充实处理的信号流(现有技术)；

[0019] 图3是例示出TCP信令风暴情形的信号流(现有技术)；

[0020] 图4是例示出如在现有技术参考文献US 2013/0024523 A1中描述的TCP会话的终止的信号流；

[0021] 图5是例示出具有修改后的URL的HTTP重定向和通过网络元件(例如，GGSN)的后续内容充实的信号流；

[0022] 图6是例示出由网络元件(例如，GGSN)执行的方法的流程图；以及[0023] 图7是诸如GGSN之类的示例性核心网络元件的框图。

[0024] 下面可以参考根据附图编号的特定元件。下面的讨论应被认为在性质上是示例性的，而不是限制本发明的范围。本发明的范围在权利要求中被限定，并且不应被视为受下面描述的实现细节限制，如本领域技术人员将认识到的，所述实现细节可以通过用等效的功能性元件取代元件来修改。

[0025] 虽然现有技术参考文献US 2013/0024523 A1解决了信令风暴情形，但是它对GGSN中的根据流的序列存储没有帮助。流序列号的存储和根据数千万流的TCP分组在两个方向上改变序列号的任务的开销相当可观。本公开提出了不同的系统和方法，借此诸如GGSN之类的网络元件利用其代理角色并利用HTTP重定向机制来消除上述开销。因此，应当容易认识到，为了克服现有解决方案的缺陷和缺点，具有用于在内容充实期间消除根据流的开销并且还防止TCP信令风暴的解决方案将是有益的。如所讨论的，内容充实的问题是当内容被充实(即，修改)时，TCP分组大小改变并且反映在该分组中发送的字节数的TCP序列号变得与保持在用户端和服务器端的计数器不同步的事实。

[0026] 本公开一般地针对用于消除路径中的网关为通过该网关并且经受内容充实过程的每个流维护并更改TCP相关计数器的需要的系统和方法。由于网关不需要更改TCP计数器，因此本文中公开的内容充实的该系统和方法不容易受到TCP信令风暴影响。

[0027] 图5例示出本公开的示例性处理的信号流。将认识到，为了简单起见，未示出激活PDP所涉及的步骤。TCP会话508的建立在图5中被示为在经受内容充实的HTTP信令之前的单个双向线路。网络元件(例如，网关GGSN)504从UE 502接收HTTP请求510。分析统一资源定位符(URL)，它确定该请求需要被充实512。GGSN 504计算在这种情况下所需的充实后的报头的大小。它然后创建如在下面解释的将被放置在重定向URL中的该大小的替代字符串。替代字符串直接携带标识符或者其被暗示。重定向URL使得重定向URL＝原始请求的URL+替代字符串。替代字符串可包括：i)标记；或ii)标记+HE占位符。

[0028] GGSN 504然后以此作为重定向URL向UE 502发出重定向514。接着，它发送TCP FIN以指示该TCP连接需要被终止。TCP连接利用RST-ACK 516被终止。在接收到HTTP重定向时，UE 502向重定向的URL发出新的HTTP请求518，其再次到达GGSN 504。GGSN 504识别标记并且意识到URL中的标记和HE占位符需要被适当的X报头(X-Header)取代。在步骤520中，它着手恢复原始URL并向其增加X报头。标记+HE占位符恰好总计是X报头的大小。该操作不需要改变TCP序列号。GGSN 504可以通过预先计算X报头来减少由重定向引起的延迟，并使用标记作为插入正确X报头的键。由此得到的请求522然后被发送到服务器506。服务器506然后将确认(ACK)接收到的TCP序列号105。该信号现在可以未修改地流经GGSN，因为这也是UE 502期望的。从这一点开始，正常的TCP流继续，并且无论会话终止还是持续很长时间，GGSN的报头充实没有影响。

[0029] 图6是例示出由诸如GGSN之类的网络元件执行的方法的流程图。GGSN是用户与因特网服务器之间的TCP通信的路径中的网关。在步骤602中，在GGSN处从源节点(即，移动设备)接收发给目的地节点(即，服务器)的消息。在步骤604中，GGSN识别该请求是否需要被充实(即，报头充实)。在步骤606中，GGSN通过添加X报头和标记来计算填充的大小，即通过用标记+HE大小占位符增强原始URL来创建重定向URL。在步骤608中，它向源节点发送重定向消息。在步骤610中，GGSN从源节点接收具有增强的URL(即，具有标记)的发给目的地节点的消息。在步骤612中，GGSN从URL移除标记+HE填充；在报头中插入HE信息。在步骤614中，将报头充实后的消息发送到目的地。

[0030] 在本公开的一个方面，诸如GGSN之类的网络元件利用其更改诸如HTTP重定向之类的上层构造的能力。此外，GGSN可以预计到其需要进行的充实而改变URL。例如，如在上面讨论的，它可以将标记和占位符作为后缀添加到原始URL。可以使标记和占位符的大小恰好匹配需要完成的充实文本的大小。当用户浏览器接收到重定向URL时，它将发起与HTTP分组中的重定向后的URL的另一个TCP连接。由于该URL包含标记和占位符的额外字节，因此TCP序列号也将包括它们。

[0031] 在本公开的另一方面中，当重定向后的HTTP请求到达GGSN时，URL中的标记告诉GGSN该URL已经为了内容充实而被预先调整。因此，GGSN现在可以安全地移除标记和占位符并在HTTP分组中添加内容充实信息。从而，原始URL被恢复，并且GGSN可以将其转发到因特网服务器而不修改TCP序列，因为TCP序列对于整个HTTP分组已经是正确的。不知道原始请求、重定向和内容充实的服务器继续处理该请求，并确认在TCP分组中接收到的所有字节。这对于用户来说将是好的，因为那是所预期的。从这一点开始，用户和服务器可以继续通信，而不需要GGSN更改TCP序列号。在本发明的另一方面，TCP会话的重新开始或终止将不会引起信令风暴，因为UE和服务器相对于确认已经是同步的。

[0032] 如在上面讨论的，当基于TCP的会话通过诸如2G/3G网络中的GGSN或4G移动网络中的P-GW之类的移动分组核心网关时，本文中所公开的实施例允许在这些会话中充实上层协议内容。

[0033] 如上所述并在图7中进一步例示出的网络元件700优选地位于核心网络中(包括与MME集成在一起)，或者本文中所描述的功能可以在核心网络中的多个网络元件之间划分。然而，在其他实施例中，网络元件不是物理地位于核心网络处，而是逻辑上位于核心网络和eNodeB(eNB)之间。网络元件可以具有可以使用如图7所示配置的任何合适的硬件、软件和/或固件来实现的控制器、逻辑、存储器、接口和输入/输出。图7包括与(一个或多个)处理器
702、系统存储器706、网络接口708(包括收发器708a)和输入/输出(i/o)设备710中的至少一个或全部耦接的一个或多个系统控制逻辑704。(一个或多个)处理器702可以包括一个或多个单核或多核处理器。(一个或多个)处理器702可以包括通用处理器和专用处理器(例如，图形处理器、应用处理器、基带处理器等)的任意组合。一个实施例的系统控制逻辑704可以包括任何适当的接口控制器，以向(一个或多个)处理器702中的至少一个和/或向与系统控制逻辑704通信的分组核心网络中的任何合适的设备或组件提供任何合适的接口。一个实施例的系统控制逻辑704可以包括用来提供与系统存储器706的接口的一个或多个存储器控制器。系统存储器706可以用于加载并存储数据和/或指令，诸如在上面讨论的知识数据库和记录器功能。例如，一个实施例的系统存储器706可以包括任何合适的易失性存储器，诸如合适的动态随机存取存储器(DRAM)。系统存储器706还可以包括非易失性存储器，其包括用来存储例如诸如本文中所述的实施例的数据和/或指令的一个或多个有形的、非暂态的计算机可读介质。例如，非易失性存储器可以包括闪速存储器，并且/或者可以包括任何合适的(一个或多个)非易失性存储设备，诸如一个或多个硬盘驱动器(HDD)、一个或多个紧凑盘(CD)驱动器和/或一个或多个数字通用盘(DVD)驱动器。存储器706可以包括物理上为设备的一部分的存储资源。例如，存储器704可以经由网络接口708和/或通过输入/输出(i/o)设备710在网络上被访问。网络接口708中的收发器可以提供无线电接口以通过一个或多个网络通信和/或与任何其他合适的设备通信。网络接口708还可以包括任何合适的硬件和/或固件。网络接口708还可以包括多个天线以提供多输入多输出无线电接口。一个实施例的网络接口708可以包括例如有线网络适配器、无线网络适配器、电话调制解调器和/或无线调制解调器。对于一个实施例，(一个或多个)处理器702中的至少一个可以与系统控制逻辑704的一个或多个控制器的逻辑一起封装。对于一个实施例，(一个或多个)处理器702中的至少一个可被与系统控制逻辑704的一个或多个控制器的逻辑集成在相同管芯上。在各种实施例中，I/O设备710可以包括被设计为使得能够与被设计为实现外围组件交互的外围组件接口和/或被设计为确定与网络元件或系统有关的环境条件和/或位置信息的传感器进行用户交互的用户接口。在各种实施例中，外围组件接口可以包括但不限于非易失性存储器端口、通用串行总线(USB)端口、音频插孔和电源接口。

[0034] 替代地，上面讨论的一些实施例和方法可以通过存储用于执行该处理的程序的非暂态计算机可读介质来实现。计算机可读介质可以(以任何适当的格式)存储适合于执行该方法的那些程序元素。术语“非暂态计算机可读介质”指的是参与提供可被计算机、处理器或类似设备读取的数据(例如，指令、数据结构)的任何介质、多个相同介质或不同介质的组合。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质可以包括例如光盘或磁盘以及其他持久存储器。易失性介质可以包括通常构成主存储器的动态随机存取存储器(DRAM)。常见形式的计算机可读介质包括例如软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁介质、CD-ROM、DVD、任何其他光学介质、随机存取存储器(RAM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪速电可擦除可编程只读存储器(FLASH-EEPROM)、任何其他存储器芯片或盒、如在下文中描述的载波或者计算机可以从中读取的任何其他介质。

[0035] 在实施例中，服务器计算机、网络元件或中央授权机构可能不是必需或希望的。例如，实施例可以在没有中央授权机构的一个或多个设备上实践。在这样的实施例中，本文中被描述为由服务器计算机执行的任何功能或被描述为存储在服务器计算机上的数据可以代替地由一个或多个这样的设备执行或存储在一个或多个这样的设备上。

[0036] 尽管可以以特定的顺序次序描述或要求保护处理(或方法)步骤，但是这些处理可以被配置为以不同的次序工作。换句话说，可以被明确描述或要求保护的步骤的任何顺序或次序并不一定指示要求所述步骤以该次序执行，除非特别指出。此外，尽管被描述或暗示为非同时发生(例如，因为在其他步骤之后描述了一个步骤)，但是一些步骤可以被同时执行，除非特别指出。此外，通过其在附图中的描绘的处理的例示不意味着所例示的处理不包括其他变型和对其的修改，不一定意味着所例示的处理或其任何步骤对于(一个或多个)实施例是必需的，并且不意味着所例示的处理是优选的。

[0037] 在本公开中，除非另外明确指定，否则被描述为彼此“通信”或彼此“耦接”的设备或联网元件不需要彼此连续通信或直接物理接触。

[0038] 在前述说明书中，已经参照实施例的具体示例性实施例描述了实施例。将会明显的是，在不脱离如在以下权利要求中阐述的本发明的更广阔的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改。说明书和附图因此要被认为是例示性的而不是限制性的。