SDN技術(shù)引入對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)的影響

中興通訊 | 陶 郡

從2G/3G分組域到LTE分組域（EPC），移動(dòng)分組域演進(jìn)已經(jīng)歷過(guò)一次“分離”，即控制面與用戶面分離。EPC中的網(wǎng)元MME處理信令面功能，網(wǎng)元SGW和PGW主要負(fù)責(zé)處理用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這是應(yīng)對(duì)移動(dòng)帶寬高速增長(zhǎng)的需求。

然而，從設(shè)備實(shí)現(xiàn)的角度，EPC的控制轉(zhuǎn)發(fā)分離并不徹底。

EPC移動(dòng)核心網(wǎng)引入SDN技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力

目前，EPC網(wǎng)關(guān)設(shè)備中既包含路由轉(zhuǎn)發(fā)功能模塊，也包含信令處理甚至業(yè)務(wù)處理相關(guān)的功能模塊，兩類(lèi)模塊是緊耦合的關(guān)系，之間的通信取決于內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。其設(shè)備結(jié)構(gòu)既不同于如ATCA或者Blade Server這類(lèi)的計(jì)算型通用電信設(shè)備，也不同于廣泛存在于網(wǎng)絡(luò)中的路由器、交換機(jī)設(shè)備。設(shè)備通用性差導(dǎo)致研發(fā)、測(cè)試、入網(wǎng)和運(yùn)維周期長(zhǎng)，功能和性能的可擴(kuò)展性均不理想，且成本難以下降。傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)置總體說(shuō)來(lái)有如下幾個(gè)問(wèn)題：

● 用戶數(shù)據(jù)流處理集中在PDN出口網(wǎng)關(guān)，造成網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能繁雜，可擴(kuò)展性差；

● 網(wǎng)關(guān)類(lèi)設(shè)備控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面高度耦合，不利于核心網(wǎng)平滑演進(jìn)；轉(zhuǎn)發(fā)面擴(kuò)容需求頻度高于控制面，緊耦合導(dǎo)致控制面轉(zhuǎn)發(fā)面同步擴(kuò)容，設(shè)備更新周期短，導(dǎo)致復(fù)合成本增加；

● 用戶數(shù)據(jù)從eNodeB到PGW以overlay的方式傳輸，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)難以識(shí)別用戶、業(yè)務(wù)特征，僅能根據(jù)上層傳遞的QoS轉(zhuǎn)發(fā)，一方面需要網(wǎng)絡(luò)資源過(guò)度供給，造成網(wǎng)絡(luò)資源利用低效，另一方面網(wǎng)絡(luò)難以依據(jù)用戶、業(yè)務(wù)特性對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行精細(xì)控制；

● 大量策略需要手工配置，由于難以達(dá)到最優(yōu)，需要不斷優(yōu)化，這增加了出錯(cuò)概率，另一方面導(dǎo)致管理復(fù)雜度增加，OPEX居高不下。

因此，需考慮將分組域網(wǎng)關(guān)中的控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)一步分離，使移動(dòng)分組域的移動(dòng)性管理、QoS、計(jì)費(fèi)等功能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口控制通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的方式實(shí)現(xiàn)，可促使轉(zhuǎn)發(fā)面功能演進(jìn)及性能的提升與移動(dòng)分組域本身的功能演進(jìn)去相關(guān)，在轉(zhuǎn)發(fā)功能層面促進(jìn)傳送網(wǎng)、移動(dòng)分組域及IP承載網(wǎng)的融合和資源共享，按需在網(wǎng)絡(luò)中使用通用的轉(zhuǎn)發(fā)面，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署。

網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離的關(guān)鍵

關(guān)鍵問(wèn)題1：隧道功能的實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)分組域最基本的功能之一是在轉(zhuǎn)發(fā)面構(gòu)建GTP隧道，網(wǎng)關(guān)設(shè)備中進(jìn)行控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離將會(huì)圍繞隧道功能的實(shí)現(xiàn)而引發(fā)新的接口定義問(wèn)題。SGW和PGW在用戶面所采用的協(xié)議是GTP-U，目前如Openflow等SDN南向接口協(xié)議均沒(méi)有對(duì)GTP-U協(xié)議的處理功能，包括GTP-U的隧道建立、終結(jié)以及監(jiān)控GTP-U隧道內(nèi)部的數(shù)據(jù)流等。無(wú)論是采用專用硬件還是虛擬化軟件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)支持GTP-U處理的轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備，在控制器與轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備之間的接口都需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

關(guān)鍵問(wèn)題2：轉(zhuǎn)發(fā)面QoS功能實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)以承載為粒度進(jìn)行QoS處理，依據(jù)動(dòng)態(tài)的策略控制能夠提供高質(zhì)量的業(yè)務(wù)保證。移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下應(yīng)保證與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)具有相同等級(jí)的QoS處理能力，需考慮基于如承載、業(yè)務(wù)流粒度的QoS處理。

移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)如何根據(jù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的QoS策略執(zhí)行數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)給上層應(yīng)用提供與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等同的用戶體驗(yàn)是需要研究的問(wèn)題。

關(guān)鍵問(wèn)題3：網(wǎng)關(guān)功能重劃分

傳統(tǒng)的EPC網(wǎng)關(guān)設(shè)備除了IP報(bào)文隧道封裝和轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還包括一些會(huì)話管理和移動(dòng)性管理功能，如IP地址分配、用戶面觸發(fā)尋呼等。移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下要重新考慮這些功能在控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面之間的分布，以最優(yōu)方式實(shí)現(xiàn)上述功能。

關(guān)鍵問(wèn)題4：轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)關(guān)設(shè)備的選擇

在網(wǎng)關(guān)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)下，需要根據(jù)某種機(jī)制和原則（如容量、負(fù)載狀況、UE的位置等）合理選擇轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備進(jìn)行IP流的轉(zhuǎn)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備硬件資源的最大化利用和對(duì)用戶流量的最有效傳遞。

關(guān)鍵問(wèn)題5：通用轉(zhuǎn)發(fā)面路由流表?xiàng)l目?jī)?yōu)化

GTP協(xié)議位于OSI模型的應(yīng)用層，GTP-U封裝及解封裝的工作及TEID維護(hù)、不同段的隧道的關(guān)聯(lián)也在應(yīng)用層完成。應(yīng)用層維護(hù)了大量的GTP隧道的轉(zhuǎn)發(fā)信息。底層路由條目仍基于標(biāo)準(zhǔn)RIP、OSPF、ISIS等標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議完成匯聚。當(dāng)網(wǎng)關(guān)控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離后，通用轉(zhuǎn)發(fā)面需要支持GTP-U隧道的封裝和解封裝，及逐段隧道的關(guān)聯(lián)。GTP-U隧道轉(zhuǎn)發(fā)信息需要維護(hù)在通用轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的流表中。因此通用轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)元需要能夠優(yōu)化流表中的流表?xiàng)l目數(shù)量，避免隧道路由條目過(guò)多影響轉(zhuǎn)發(fā)性能。

行業(yè)相關(guān)研究

● EPC in a Cloud Computer with Openflow Data Plane

這個(gè)架構(gòu)是愛(ài)立信在2012年11月29日發(fā)表的專利。該架構(gòu)將控制平面與云計(jì)算系統(tǒng)相融合，云計(jì)算系統(tǒng)包含一個(gè)Cloud Manager和一個(gè)Cloud Controller。Cloud Controller包含多個(gè)控制平面模塊對(duì)應(yīng)于原EPC控制平面實(shí)體；Cloud Manger監(jiān)控各個(gè)控制明面模塊的流量和資源的利用率?？刂破矫婺K將信令通過(guò)Openflow協(xié)議傳送到數(shù)據(jù)平面以建立流規(guī)則和相應(yīng)動(dòng)作。

● EPC extensions for supporting mobility schemes

這個(gè)架構(gòu)是MEVICO Project中的一部分，最新版本發(fā)表于2013年1月31日。該架構(gòu)將功能全部集中到集中式網(wǎng)關(guān)元素上，提供一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的廣闊的視野，同時(shí)集中式網(wǎng)關(guān)元素是3GPP信號(hào)的終結(jié)處，它分配IP地址，保存UE上下文，并且運(yùn)行路由選擇協(xié)議。該架構(gòu)雖然使用新方法來(lái)分塊SGW和PGW，但是新框架還是要服從原3GPP的接口和協(xié)議。

中興通訊Cloud EPC架構(gòu)

Cloud EPC是由中興通訊提出的基于SDN的EPC架構(gòu)。

如圖所示，該架構(gòu)將移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元的控制與轉(zhuǎn)發(fā)完全分離，剝離網(wǎng)元的控制功能，由控制面負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理和會(huì)話管理，轉(zhuǎn)發(fā)面不再參與控制管理。新型移動(dòng)核心網(wǎng)SDN控制器控制統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，移動(dòng)應(yīng)用協(xié)議層以及移動(dòng)應(yīng)用功能層通過(guò)SDN控制器構(gòu)造控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)融合的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用。圖所示應(yīng)用APP可以為軟化后的MME、PGW-C、SGW-C、PCRF等網(wǎng)元控制功能、業(yè)務(wù)編排功能以及開(kāi)放接口后引入的新業(yè)務(wù)功能，它與SDN控制器之間的接口基于實(shí)現(xiàn)，可以采用內(nèi)部接口也可以采用NBI接口，在此不做限制。

考慮到與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，在第一階段，建議可以先實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的SDN化，傳統(tǒng)的PGW、SGW功能由網(wǎng)關(guān)控制面GW-C、控制器和轉(zhuǎn)發(fā)面UGW協(xié)同實(shí)現(xiàn)。GW-C可以作為單獨(dú)網(wǎng)元與Controller之間使用NBI接口，也可以與Controller合設(shè)在同一個(gè)網(wǎng)元上使用內(nèi)部接口，在此處不做限制。鑒于NBI目前在ONF國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)工作進(jìn)展的現(xiàn)狀，以及考慮到網(wǎng)元交互的性能開(kāi)銷(xiāo)，建議在第一階段實(shí)現(xiàn)使用內(nèi)部接口。

該架構(gòu)遵循3GPP協(xié)議，對(duì)涉及到的3GPP協(xié)議接口不作改動(dòng)。圖中的MME、HSS、PCRF、OCS等EPC網(wǎng)元可以是傳統(tǒng)網(wǎng)元，也可以是采用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)元功能。SDN控制器與UGW之間南向接口采用基于EPC擴(kuò)展的OF協(xié)議。

三個(gè)架構(gòu)都實(shí)現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，但Cloud EPC實(shí)現(xiàn)得更徹底，它將PGW和SGW的功能進(jìn)行拆分整合，數(shù)據(jù)平面整合成UGW，控制平面提升到Controller中，完全實(shí)現(xiàn)了控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，這樣的設(shè)計(jì)易于部署和維護(hù)。同時(shí)，這樣簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)與有利于功能的擴(kuò)展，能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需求變化。