Упрощенная модель PGW

Реализовать упрощённую модель PGW (PDN Gateway), которая умеет:

• обрабатывать пользовательский трафик (как uplink, так и downlink);
• создавать и хранить информацию о PDN Connection, EPS Bearers и APN;
• находить абонентов по разным параметрам (таким как: IP Address, выданный абоненту (UE IP Address); CP/DP TEID).

Дополнительно (необязательно) можно реализовать ограничители скорости передачи данных (rate limiter) для каждой сессии в каждую из сторон отдельно (uplink и downlink).

Детали реализации

В данном проекте добавлен шаблон, который может помочь выполнить работу. В нем представлены заголовочные файлы классов, составляющих упрощенную модель PGW. Необходимо по большей части реализовать описанные методы. Также в проекте есть тесты, проверяющие базовую функциональность, которые также могут помочь лучше понять требуемое поведение. Сетевое взаимодействие реализовывать не нужно — считаем, что пакеты "приходят извне".

Упрощённая модель PGW поддерживает следующие возможности:

• Обработка uplink и downlink трафика:
  • Uplink: Пересылка пакетов от пользовательского оборудования (UE) через носитель к шлюзу APN.
  • Downlink: Маршрутизация пакетов от APN к Serving Gateway (SGW) через default bearer PDN-соединения.
• Управление PDN-соединениями:
  • Создание и удаление PDN-соединений, связанных с APN, адресом SGW и CP TEID.
  • Назначение уникальных IP-адресов для UE.
• Управление EPS-носителями:
  • Создание и удаление носителей в рамках PDN-соединения, идентифицируемых DP TEID.
  • Поддержка default и dedicated носителей, где default используется для downlink трафика.
• Управление APN:
  • Хранение имён APN и соответствующих им IP-адресов шлюзов.
• Операции поиска:
  • Поиск PDN-соединений по CP TEID или IP-адресу UE.
  • Поиск носителей по DP TEID.
• Тестовое покрытие:
  • Включает модульные тесты на основе GoogleTest для проверки обработки трафика uplink/downlink, включая случаи с неизвестными носителями или IP-адресами.

Структура проекта

Проект организован следующим образом:

• src/ — исходный код модели PGW:
  • CMakeLists.txt — конфигурация сборки.
  • control_plane.h/.cpp — управляет PDN-соединениями, носителями и APN.
  • data_plane.h/.cpp — обрабатывает пакеты uplink и downlink.
  • pdn_connection.h/.cpp — представляет PDN-соединение, хранит данные об APN, IP UE, SGW и носителях.
  • bearer.h/.cpp — представляет EPS-носитель, связанный с PDN-соединением.
  • main.cpp — простой исполняемый файл, демонстрирующий использование модели (требует конкретной реализации data_plane).
• test/ — содержит модульные тесты с использованием GoogleTest:
  • CMakeLists.txt — конфигурация сборки.
  • data_plane_test.cpp — тесты для проверки обработки пакетов и краевых случаев.
• CMakeLists.txt — конфигурация сборки.

Детали реализации

Компоненты

1. control_plane

Класс control_plane управляет состоянием PGW:

• Структуры данных:
  • _pdns: Хэш-таблица, сопоставляющая CP TEID с PDN-соединениями (std::unordered_map<uint32_t, std::shared_ptr<pdn_connection>>).
  • _pdns_by_ue_ip_addr: Хэш-таблица для поиска PDN-соединений по IP-адресу UE.
  • _bearers: Хэш-таблица, сопоставляющая DP TEID с носителями.
  • _apns: Хэш-таблица, связывающая имена APN с их IP-адресами шлюзов.
• Основные методы:
  • find_pdn_by_cp_teid/find_pdn_by_ip_address: Возвращает PDN-соединение по CP TEID или IP UE.
  • find_bearer_by_dp_teid: Возвращает носитель по DP TEID.
  • create_pdn_connection: Создаёт PDN-соединение для заданного APN, адреса SGW и CP TEID. Использует статический счётчик для генерации уникальных IP-адресов UE (начиная с 10.0.0.1).
  • create_bearer: Создаёт носитель для PDN-соединения, используя входной SGW TEID как DP TEID.
  • delete_pdn_connection/delete_bearer: Удаляет PDN-соединения или носители, очищая связанные отображения.
  • add_apn: Связывает имя APN с IP-адресом шлюза.

Примечание: Из-за ограничения на изменение заголовочных файлов TEID берутся из входных параметров (sgw_cp_teid как cp_teid, sgw_teid как dp_teid), а IP UE генерируется с помощью статического счётчика.

2. data_plane

Класс data_plane — абстрактный базовый класс для обработки пакетов:

• Основные методы:
  • handle_uplink: Находит носитель по DP TEID, получает PDN-соединение и перенаправляет пакет к шлюзу APN через виртуальный метод forward_packet_to_apn.
  • handle_downlink: Находит PDN-соединение по IP UE, использует default bearer и перенаправляет пакет к SGW через виртуальный метод forward_packet_to_sgw.
• Виртуальные методы:
  • forward_packet_to_sgw и forward_packet_to_apn — чисто виртуальные, реализуются в производных классах (например, mock_data_plane_forwarding в тестах или concrete_data_plane в main.cpp).
• Поведение:
  • Игнорирует пакеты для неизвестных носителей или IP UE, как проверено в тестах.
  • Использует control_plane для поиска носителей и PDN-соединений.

3. pdn_connection

Класс pdn_connection представляет PDN-соединение:

• Данные:
  • _apn_gateway: IP-адрес шлюза APN.
  • _ue_ip_addr: IP-адрес, назначенный UE.
  • _cp_teid: TEID контрольной плоскости.
  • _sgw_cp_teid и _sgw_address: TEID и адрес SGW.
  • _bearers: Хэш-таблица, сопоставляющая DP TEID с носителями.
  • _default_bearer: Указатель на default bearer.
• Основные методы:
  • create: Статический метод для создания shared_ptr<pdn_connection>.
  • Геттеры и сеттеры для TEID, IP-адресов и default bearer.
  • add_bearer/remove_bearer: Управляет картой носителей и обновляет default bearer при необходимости.

4. bearer

Класс bearer представляет EPS-носитель:

• Данные:
  • _sgw_dp_teid: TEID данных SGW.
  • _dp_teid: TEID данных для носителя.
  • _pdn: Ссылка на родительское PDN-соединение.
• Основные методы:
  • Геттеры и сеттеры для TEID.
  • get_pdn_connection: Возвращает shared_ptr на родительское PDN-соединение через shared_from_this.

Обработка трафика

• Uplink:
  • Пакет поступает с DP TEID.
  • data_plane использует control_plane для поиска носителя по DP TEID.
  • Если носитель найден, извлекается PDN-соединение, и пакет перенаправляется к шлюзу APN через forward_packet_to_apn.
  • Если носитель или PDN не найдены, пакет игнорируется.
• Downlink:
  • Пакет поступает с IP-адресом UE.
  • data_plane находит PDN-соединение по IP UE.
  • Если найдено, используется default bearer для пересылки пакета к SGW через forward_packet_to_sgw.
  • Если PDN или default bearer не найдены, пакет игнорируется.

Операции поиска

• По CP TEID: control_plane::find_pdn_by_cp_teid возвращает PDN-соединение.
• По IP UE: control_plane::find_pdn_by_ip_address возвращает PDN-соединение.
• По DP TEID: control_plane::find_bearer_by_dp_teid возвращает носитель.

Тестовое покрытие

Тесты (data_plane_test.cpp) проверяют:

• Пересылку uplink-пакетов к APN для default и dedicated носителей.
• Пересылку downlink-пакетов к SGW через default bearer.
• Обработку неизвестных носителей или IP UE (пакеты игнорируются).
• Корректное хранение и извлечение пакетов в мок-классе (mock_data_plane_forwarding).

Инструкции по сборке и запуску

Требования

• CMake: Версия 3.15 или выше.
• Компилятор C++: Поддержка C++23 (например, GCC 13 или новее).
• Зависимости:
  • Boost.Asio (версия 1.87, загружается автоматически через CMake).
  • GoogleTest (версия 1.17.0, загружается автоматически через CMake).

Работа тестов

diminas@diminas-G5-ME:~/CLionProjects/simple-pgw/cmake-build-release/test$ ./simple_pgw_tests 
Running main() from /home/diminas/CLionProjects/simple-pgw/cmake-build-release/_deps/googletest-src/googletest/src/gtest_main.cc
[==========] Running 5 tests from 1 test suite.
[----------] Global test environment set-up.
[----------] 5 tests from data_plane_test
[ RUN      ] data_plane_test.handle_downlink_for_pdn
[       OK ] data_plane_test.handle_downlink_for_pdn (0 ms)
[ RUN      ] data_plane_test.handle_uplink_for_default_bearer
[       OK ] data_plane_test.handle_uplink_for_default_bearer (0 ms)
[ RUN      ] data_plane_test.handle_uplink_for_dedicated_bearer
[       OK ] data_plane_test.handle_uplink_for_dedicated_bearer (0 ms)
[ RUN      ] data_plane_test.didnt_handle_uplink_for_unknown_bearer
[       OK ] data_plane_test.didnt_handle_uplink_for_unknown_bearer (0 ms)
[ RUN      ] data_plane_test.didnt_handle_downlink_for_unknown_ue_ip
[       OK ] data_plane_test.didnt_handle_downlink_for_unknown_ue_ip (0 ms)
[----------] 5 tests from data_plane_test (0 ms total)

[----------] Global test environment tear-down
[==========] 5 tests from 1 test suite ran. (0 ms total)
[  PASSED  ] 5 tests.