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SDN技术引入对移动核心网的影响
陶峑郡
2014-10-29  来源:中兴通讯技术(简讯)

 

  EPC移动核心网引入SDN技术的驱动力

  从2G/3G分组域到LTE分组域(EPC),移动分组域演进已经历过一次“分离”,即控制面与用户面分离。EPC中的网元MME处理信令面功能,网元SGW和PGW主要负责处理用户面数据转发,这是应对移动带宽高速增长的需求。

  然而,从设备实现的角度,EPC的控制转发分离并不彻底。目前,EPC网关设备中既包含路由转发功能模块,也包含信令处理甚至业务处理相关的功能模块,两类模块是紧耦合的关系,之间的通信取决于内部实现。其设备结构既不同于如ATCA或者Blade Server这类的计算型通用电信设备,也不同于广泛存在于网络中的路由器、交换机设备。设备通用性差导致研发、测试、入网和运维周期长,功能和性能的可扩展性均不理想,且成本难以下降。传统网关的设置总体说来有如下几个问题:

  • 用户数据流处理集中在PDN出口网关,造成网关设备功能繁杂,可扩展性差;
  • 网关类设备控制面与转发面高度耦合,不利于核心网平滑演进;转发面扩容需求频度高于控制面,紧耦合导致控制面转发面同步扩容,设备更新周期短,导致复合成本增加;
  • 用户数据从eNodeB到PGW以overlay的方式传输,网络层数据转发难以识别用户、业务特征,仅能根据上层传递的QoS转发,一方面需要网络资源过度供给,造成网络资源利用低效,另一方面网络难以依据用户、业务特性对数据流进行精细控制;
  • 大量策略需要手工配置,由于难以达到最优,需要不断优化,这增加了出错概率,另一方面导致管理复杂度增加,OPEX居高不下。

  因此,需考虑将分组域网关中的控制功能与转发功能进一步分离,使移动分组域的移动性管理、QoS、计费等功能通过标准接口控制通用转发设备的方式实现,可促使转发面功能演进及性能的提升与移动分组域本身的功能演进去相关,在转发功能层面促进传送网、移动分组域及IP承载网的融合和资源共享,按需在网络中使用通用的转发面,简化网络部署。

  网关控制与转发功能的分离关键问题描述

  关键问题1:隧道功能的实现

  移动分组域最基本的功能之一是在转发面构建GTP隧道,网关设备中进行控制与转发的分离将会围绕隧道功能的实现而引发新的接口定义问题。SGW和PGW在用户面所采用的协议是GTP-U,目前如Openflow等SDN南向接口协议均没有对GTP-U协议的处理功能,包括GTP-U的隧道建立、终结以及监控GTP-U隧道内部的数据流等。无论是采用专用硬件还是虚拟化软件方式来实现支持GTP-U处理的转发面设备,在控制器与转发面设备之间的接口都需要进行标准化。

  关键问题2:转发面QoS功能实现

  传统的移动通信网络以承载为粒度进行QoS处理,依据动态的策略控制能够提供高质量的业务保证。移动软网络架构下应保证与现有网络具有相同等级的QoS处理能力,需考虑基于如承载、业务流粒度的QoS处理。

  移动软网络交换机如何根据移动通信网络的QoS策略执行数据路由和转发,同时给上层应用提供与传统网络等同的用户体验是需要研究的问题。

  关键问题3:网关功能重划分

  传统的EPC网关设备除了IP报文隧道封装和转发功能外,还包括一些会话管理和移动性管理功能,如IP地址分配、用户面触发寻呼等。移动软网络架构下要重新考虑这些功能在控制面和转发面之间的分布,以最优方式实现上述功能。

  关键问题4:转发面网关设备的选择

  在网关控制与转发分离架构下,需要根据某种机制和原则(如容量、负载状况、UE的位置等)合理选择转发面设备进行IP流的转发,以实现对转发设备硬件资源的最大化利用和对用户流量的最有效传递。

  关键问题5:通用转发面路由流表条目优化

  GTP协议位于OSI模型的应用层,GTP-U封装及解封装的工作及TEID维护、不同段的隧道的关联也在应用层完成。应用层维护了大量的GTP隧道的转发信息。底层路由条目仍基于标准RIP、OSPF、ISIS等标准路由协议完成汇聚。当网关控制和转发分离后,通用转发面需要支持GTP-U隧道的封装和解封装,及逐段隧道的关联。GTP-U隧道转发信息需要维护在通用转发面设备的流表中。因此通用转发面网元需要能够优化流表中的流表条目数量,避免隧道路由条目过多影响转发性能。

  行业相关研究

  • 数据面使用开放流的云计算EPC

  这个架构是爱立信在2012年11月29日发表的专利。该架构将控制平面与云计算系统相融合,云计算系统包含一个Cloud Manager和一个Cloud Controller。Cloud Controller包含多个控制平面模块对应于原EPC控制平面实体;Cloud Manger监控各个控制明面模块的流量和资源的利用率。控制平面模块将信令通过Openflow协议传送到数据平面以建立流规则和相应动作。

  • EPC扩展支持移动性方案

  这个架构是MEVICO Project中的一部分,最新版本发表于2013年1月31日。该架构将功能全部集中到集中式网关元素上,提供一个对网络的广阔的视野,同时集中式网关元素是3GPP信号的终结处,它分配IP地址,保存UE上下文,并且运行路由选择协议。该架构虽然使用新方法来分块SGW和PGW,但是新框架还是要服从原3GPP的接口和协议。

  • Cloud EPC

  Cloud EPC是由中兴通讯提出的基于SDN的EPC架构。

  如图1所示,该架构将移动核心网网元的控制与转发完全 分离,剥离网元的控制功能,由控制面负责移动性管理和会话管理,转发面不再参与控制管理。新型移动核心网SDN控制器控制统一转发设备,移动应用协议层以及移动应用功能层通过SDN控制器构造控制逻辑,从而实现融合的移动网络的基本应用。图所示应用APP可以为软化后的MME、PGW-C、SGW-C、PCRF等网元控制功能、业务编排功能以及开放接口后引入的新业务功能,它与SDN控制器之间的接口基于实现,可以采用内部接口也可以采用NBI接口,在此不做限制。

  

  考虑到与现有网络的平滑演进,在第一阶段,建议可以先实现网关的SDN化,传统的PGW、SGW功能由网关控制面GW-C、控制器和转发面UGW协同实现。GW-C可以作为单独网元与Controller之间使用NBI接口,也可以与Controller合设在同一个网元上使用内部接口,在此处不做限制。鉴于NBI目前在ONF国际标准工作进展的现状,以及考虑到网元交互的性能开销,建议在第一阶段实现使用内部接口。

  该架构遵循3GPP协议,对涉及到的3GPP协议接口不作改动。图中的MME、HSS、PCRF、OCS等EPC网元可以是传统网元,也可以是采用虚拟化技术实现的网元功能。SDN控制器与UGW之间南向接口采用基于EPC扩展的OF协议。

  三个架构都实现了控制平面与转发平面的分离,但Cloud EPC实现得更彻底,它将PGW和SGW的功能进行拆分整合,数据平面整合成UGW,控制平面提升到Controller中,完全实现了控制平面与转发平面的分离,这样的设计易于部署和维护。同时,这样简化的设计与有利于功能的扩展,能够应对未来网络需求变化。

  




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