基于SDN的移動(dòng)性管理機(jī)制探討

趙明宇，嚴(yán)學(xué)強(qiáng)

（上海貝爾股份有限公司 上海201206）

1 引言

現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)方案主要為3GPP的GTP（GPRS tunneling protocol，通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)隧道協(xié)議）+MME（mobility management entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）、3GPP2的MIP（mobile IP，移 動(dòng)IP）技 術(shù) 以 及LISP（location-ID separation protocol，名址分離網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）等，這些技術(shù)僅支持特定條件下的移動(dòng)性管理。而未來(lái)5G要求移動(dòng)性管理技術(shù)要滿(mǎn)足新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、更加扁平化的趨勢(shì)，同時(shí)要滿(mǎn)足對(duì)熱點(diǎn)高容量覆蓋等場(chǎng)景的需求[1]。

SDN（software-defined networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）作為一種創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有以下顯著特點(diǎn)：控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離；控制集中化；使用廣泛定義的軟件接口[2]。

其核心是通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面與數(shù)據(jù)面分離，只在網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的底層保留轉(zhuǎn)發(fā)功能，上層則可進(jìn)行集中的控制功能，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和功能都可編程化，即所謂的軟件定義。SDN的這些突出特點(diǎn)，可以用來(lái)有效地定義未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)，使得SDN在互聯(lián)網(wǎng)和通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景被廣泛看好。SDN技術(shù)在未來(lái)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的使用，必將使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基本功能實(shí)現(xiàn)更加合理和高效，也使得網(wǎng)絡(luò)的縱向融合成為可能，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)并適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的接入速率。

2 現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)

GTP是2G/3G和LTE/EPC（long time evolution/evolved packet core，長(zhǎng)期演進(jìn)/演進(jìn)型分組核心網(wǎng)）的核心協(xié)議，它由GTP-C（GTP-control，GTP控 制 面）協(xié) 議 和GTP-U（GTP-user，GTP用戶(hù)面）協(xié)議組成。在LTE網(wǎng)絡(luò)，GTP（更確切地說(shuō)是GTP-U協(xié)議）是基于移動(dòng)回程網(wǎng)傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)。在基站和MME之間的GTP-C協(xié)議的控制下，首先在基站和核心網(wǎng)網(wǎng)元，如SGW（serving gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、PGW（packet data network gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)）等之間建立隧道，然后將用戶(hù)數(shù)據(jù)封裝在隧道里進(jìn)行傳輸，而GTP-C協(xié)議負(fù)責(zé)建立、刪除及修改這些隧道[3,4]。

雖然GTP協(xié)議已經(jīng)成功地在2G/3G及LTE/EPC中部署，但現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中基于GTP的移動(dòng)性管理架構(gòu)的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，如下所述。

·在用戶(hù)面，引入GTP頭的開(kāi)銷(xiāo)增大。對(duì)一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)及流量模型來(lái)說(shuō)，如一個(gè)分組平均大小為200～250 byte，對(duì)于IPv4和IPv6，GTP頭分別占18%～14%和28%～22%。隨著機(jī)器類(lèi)通信和VoLTE（voice over LTE，基于LTE的語(yǔ)言）逐漸增多，同時(shí)分組大小逐漸變小，GTP頭的額外開(kāi)銷(xiāo)將會(huì)越來(lái)越大。

·在控制面，當(dāng)UE（user equipment，用戶(hù)終端）移動(dòng)時(shí)，需要大量的信令來(lái)維持GTP隧道，尤其是隨著小區(qū)越來(lái)越小，切換發(fā)生更頻繁；再者，高密集的小蜂窩產(chǎn)生的大量控制信令會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁堵。

·當(dāng)前的移動(dòng)性管理機(jī)制是與無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)耦合的，如在3GPP技術(shù)中使用GTP，而在3GPP2中使用MIP技術(shù)。由于不同的接入技術(shù)采用不同的移動(dòng)性管理協(xié)議，因此，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)并不支持多種接入技術(shù)間的無(wú)縫切換。

·當(dāng)前的移動(dòng)性管理機(jī)制在用戶(hù)面使用固定錨點(diǎn)，如在LTE/EPC中，當(dāng)用戶(hù)在同一SGW下的基站間或跨SGW下的基站間移動(dòng)時(shí)，SGW和PGW就作為移動(dòng)性管理的錨點(diǎn)。SGW/PGW作為用戶(hù)面的匯聚實(shí)體處理所有往來(lái)互聯(lián)網(wǎng)或同一蜂窩網(wǎng)下不同用戶(hù)間的流量，很顯然，對(duì)于后一種情況，由于要迂回到錨點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致路由和回程網(wǎng)的利用效率低下。

產(chǎn)業(yè)界目前正在研究將SDN和NFV（network functions virtualization,網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)引入電信領(lǐng)域[5,6]。SDN和NFV正在成為下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的使能技術(shù)。因此，這里提出基于SDN的無(wú)隧道的更高效的移動(dòng)性管理技術(shù)方案來(lái)解決上述問(wèn)題，同時(shí)此方案也符合5G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)趨勢(shì)。

3 基于SDN架構(gòu)的移動(dòng)性管理機(jī)制探討

3.1 基于SDN的移動(dòng)性管理架構(gòu)

基于SDN的移動(dòng)性管理技術(shù)方案架構(gòu)如圖1所示?；诳刂婆c轉(zhuǎn)發(fā)分離的架構(gòu)，控制集中化以獲取全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；無(wú)GTP隧道，與接入技術(shù)無(wú)關(guān)，易于實(shí)現(xiàn)不同接入技術(shù)間的無(wú)縫切換；無(wú)固定錨點(diǎn)，從而可優(yōu)化路由。

由圖1可知，架構(gòu)分為控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面兩部分。在控制面，所有的控制功能全部作為SDN控制器的應(yīng)用，一些典型的網(wǎng)絡(luò)功能應(yīng)用如MM（mobility management，移動(dòng)性管 理）、SM（subscriber management，用戶(hù)屬性 管 理）、PM（policy management，策略管理）、DPI（deep packet inspection，深度分組檢測(cè)）、FW（firewall，防火墻）等。MM/SM/PM等通過(guò)北向API與SDN控制器進(jìn)行通信，所有的網(wǎng)絡(luò)功能由虛擬化軟件實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)發(fā)面主要由交換機(jī)和BS（基站）組成。交換機(jī)由通用的轉(zhuǎn)發(fā)硬件實(shí)現(xiàn)，基站可以看作帶有無(wú)線(xiàn)功能的交換機(jī)，全部由控制器進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)發(fā)面通過(guò)南向接口基于安全通道與控制器進(jìn)行通信。南向接口為公共的標(biāo)準(zhǔn)接口，支持如OpenFlow等標(biāo)準(zhǔn)南向接口協(xié)議。

MM應(yīng)用負(fù)責(zé)切換處理。當(dāng)一個(gè)用戶(hù)（這里命名為UE0）從一個(gè)初始基站移動(dòng)到下一個(gè)目標(biāo)基站時(shí)，UE0觸發(fā)切換請(qǐng)求，由初始基站通過(guò)安全通道送達(dá)MM。這個(gè)切換請(qǐng)求信息攜帶有初始基站ID和目標(biāo)基站ID。一旦接收到請(qǐng)求信息，MM就基于SDN控制器中的全局拓?fù)?，為UE0所應(yīng)用的服務(wù)與目標(biāo)基站之間計(jì)算一條新的轉(zhuǎn)發(fā)路由，這條路由上的所有交換機(jī)和基站的路由表將會(huì)被更新，之后將根據(jù)這些新的路由表來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)UE0接收或發(fā)送的數(shù)據(jù)流。

切換過(guò)程中，在初始的路由路徑中，可能會(huì)有一些數(shù)據(jù)分組還未被轉(zhuǎn)發(fā)，但根據(jù)初始的轉(zhuǎn)發(fā)路由表，這些數(shù)據(jù)分組最終都將到達(dá)初始基站。因此，為了重新定向這些數(shù)據(jù)分組到目標(biāo)基站，MM需要額外計(jì)算一條從初始基站到目標(biāo)基站的路由，并更新此路徑上相應(yīng)交換機(jī)及基站的路由表。

3.2 切換過(guò)程中的信號(hào)流程

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及移動(dòng)性管理技術(shù)方案，假定的一個(gè)典型的切換場(chǎng)景如圖1中所示，從移動(dòng)性管理的視角出發(fā)，只關(guān)心UE的移動(dòng)性，而假設(shè)應(yīng)用服務(wù)端并不移動(dòng)。當(dāng)切換發(fā)生時(shí)，由于UE所附著的基站改變，從而導(dǎo)致下行數(shù)據(jù)路徑也要做相應(yīng)的改變。UE必須通過(guò)初始基站告知MM。而對(duì)上行鏈路，即使UE所附著的基站改變，按照轉(zhuǎn)發(fā)流表的規(guī)則，這些數(shù)據(jù)分組也能被正常轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器。

以下為對(duì)下行鏈路切換過(guò)程的詳細(xì)描述。

切換流程分為3部分來(lái)說(shuō)明：切換前、切換過(guò)程中和切換后。在切換前，當(dāng)UE0附著在初始基站BS1時(shí)，假定初始的轉(zhuǎn)發(fā)路徑已經(jīng)被計(jì)算好并下發(fā)了路由表。這里命名這條路徑為“路徑1”，此條路徑上所有的交換機(jī)和基站被命名為“組1”。切換后的新的轉(zhuǎn)發(fā)路由命名為“路徑2”，所對(duì)應(yīng)的交換機(jī)和基站為“組2”。

為了確保在切換過(guò)程中，所有的還未到達(dá)UE0的數(shù)據(jù)分組能夠被重定向到目標(biāo)基站BS2，計(jì)算一條從BS1到BS2的路由，命名為“路徑3”，相應(yīng)的交換機(jī)和基站為“組3”。表1概括了這些轉(zhuǎn)發(fā)路由及實(shí)體（表中SW為交換機(jī)的縮寫(xiě)）。

3.2.1 切換前

圖1 基于SDN的移動(dòng)性管理架構(gòu)

表1 轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體及轉(zhuǎn)發(fā)路由信息

從圖1中可以看到，在切換前，所有的數(shù)據(jù)分組沿著路徑1經(jīng)由BS1到達(dá)UE0。組1里各實(shí)體中的轉(zhuǎn)發(fā)表的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如下（這里，IPUE代表UE0的IP地址，目的IP地址（IPDst）是交換機(jī)流表中頭域里的元組之一，用來(lái)與到來(lái)的數(shù)據(jù)分組中的IP目的地址進(jìn)行匹配對(duì)比）：

SW6:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW5:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW2:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

SW1:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

BS1:如果（IPDst==IPUE），則將分組轉(zhuǎn)給UE0。

3.2.2 切換過(guò)程中

切換過(guò)程中的信號(hào)流程如圖2所示?？刂泼嫘帕钣商摼€(xiàn)表示，轉(zhuǎn)發(fā)面鏈路由實(shí)線(xiàn)表示。

（1）初始基站BS1發(fā)出“測(cè)量”命令給UE0，設(shè)置測(cè)量的參數(shù)及這些參數(shù)的門(mén)限。目的是一旦達(dá)到門(mén)限值，UE0就發(fā)送測(cè)量報(bào)告給BS1。

（2）UE0測(cè)量其周?chē)蛇_(dá)基站的信號(hào)，將包含這些信號(hào)值的“測(cè)量報(bào)告”發(fā)送給BS1，同時(shí)，BS1也測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和上行信道的質(zhì)量。

圖2 切換過(guò)程中的信號(hào)流程

（3）對(duì)比這些測(cè)量值之后，假如BS1決定發(fā)生切換，則BS1發(fā)送一個(gè)“切換請(qǐng)求”信息給MM。這個(gè)“切換請(qǐng)求”信息包含有UE0的身份、BS1和BS2的ID等。

（4）MM詢(xún)問(wèn)BS2是否為UE0的接入做好了準(zhǔn)備。

（5）如果BS2已經(jīng)準(zhǔn)備好了，則它將回復(fù)“切換請(qǐng)求確認(rèn)”信息給MM。

（6）MM發(fā)送一個(gè)“切換命令”給BS1，開(kāi)始切換。

（7）BS1發(fā)送一個(gè)“連接重配置請(qǐng)求”信息給UE0，用來(lái)命令UE0連接到BS2。

（8）MM計(jì)算一個(gè)新的路徑來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)從應(yīng)用服務(wù)器到UE0的數(shù)據(jù)流，即如圖5中所示的“路徑2”，之后，SDN控制器更新組2中各實(shí)體的流表。

流表中的各轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則如下：

·SW6:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·SW5:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·SW4:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·BS2:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給UE0。

（9）同時(shí)，MM計(jì)算另一條路徑（路徑3）從BS1到BS2。路徑3將重定向那些緩存在BS1中的數(shù)據(jù)分組到BS2中。則SDN控制器更新組3中各實(shí)體的流表，具體規(guī)則如下：

·BS1:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給SW1；

·SW1:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口4送出；

·SW4:如果（IPDst==IPUE），則將分組從端口1送出；

·BS2:如果（IPDst==IPUE），則將分組送給UE0。

在切換過(guò)程中，在組1的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)體中可能會(huì)有一些分組未被轉(zhuǎn)發(fā)。本例中，可能會(huì)有數(shù)據(jù)分組緩存在SW5和SW6中。由于SW5和SW6也同時(shí)屬于組2，根據(jù)組2的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，這些分組最終也能夠到達(dá)UE0。也有可能有一些為轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組緩存在不屬于組2的實(shí)體中，如本例中的SW1和SW2，根據(jù)組1的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，這些分組將最終到達(dá)BS1。

（10）只要UE0一收到“連接重配置請(qǐng)求”，它就轉(zhuǎn)向連接BS2的信道。一旦轉(zhuǎn)到新的信道，就發(fā)送“連接重配置完成”信息給BS2。

（11）一旦接收到“連接重配置完成”信息，BS2就發(fā)送“切換完成”信息給MM。

（12）BS1通過(guò)路徑3，重定向那些緩存的數(shù)據(jù)分組到BS2。

3.2.3 切換后

根據(jù)組2中的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，所有的數(shù)據(jù)流都將沿路徑2，最終經(jīng)BS2到達(dá)UE0。

3.3 所提方案的優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有方案及其他的一些如參考文獻(xiàn)[7]中所述的移動(dòng)性管理方案相比，本方案具有如下優(yōu)點(diǎn)。

·控制面和用戶(hù)面分離。符合網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)趨勢(shì)，能帶來(lái)眾多好處，比如控制面和用戶(hù)面可以分別擴(kuò)展和升級(jí)。而參考文獻(xiàn)[7]中所提出的方法是在網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī)中，控制面和用戶(hù)面混合的方法，這將會(huì)帶來(lái)擴(kuò)展性問(wèn)題。

·SDN架構(gòu)在用戶(hù)面采用通用的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，能有效降低成本，而參考文獻(xiàn)[7]必須使用專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī))來(lái)運(yùn)行基于DHT（distributed Hash table，分布式散列表）的Trill協(xié)議，還要完成用戶(hù)IP地址和基站MAC地址間的映射。

·移動(dòng)性管理實(shí)體作為一個(gè)應(yīng)用集中部署在SDN控制器之上，對(duì)于更新或升級(jí)帶來(lái)極大的靈活性。而參考文獻(xiàn)[7]部署移動(dòng)性管理實(shí)體(如網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī))，且與用戶(hù)面混合，非常不利于移動(dòng)性管理技術(shù)的更新或升級(jí)。

·所有的移動(dòng)性管理的控制和決策都作為SDN的一個(gè)應(yīng)用部署在一個(gè)虛擬環(huán)境中，將有效降低單點(diǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)。而參考文獻(xiàn)[7]中的網(wǎng)絡(luò)邊緣交換機(jī)作為錨點(diǎn)，要處理所有流向用戶(hù)的流量。

·網(wǎng)絡(luò)資源如回程等可以根據(jù)流量情況動(dòng)態(tài)適配。而參考文獻(xiàn)[7]中的專(zhuān)用設(shè)備較難實(shí)現(xiàn)。

4 對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的影響及后續(xù)工作

SDN和NFV正不斷對(duì)無(wú)線(xiàn)和移動(dòng)通信技術(shù)產(chǎn)生重大影響，對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究帶來(lái)沖擊。本文提出的基于SDN的無(wú)隧道的移動(dòng)性管理技術(shù)方案，可以解決現(xiàn)有方案存在的一些問(wèn)題，比如減少GTP隧道的信令狀態(tài)信息、減少分組頭開(kāi)銷(xiāo)等，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生較大的影響。例如，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的如SGW、PGW等私有設(shè)備，需要進(jìn)行軟硬件的解耦，控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離；在數(shù)據(jù)中心增加控制器；對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能進(jìn)行分解、抽象、重構(gòu)，并形成如MM等應(yīng)用程序部署在控制器之上等。

該方案還需要在接口標(biāo)準(zhǔn)化方面做進(jìn)一步的工作，南向接口已經(jīng)有OpenFlow等協(xié)議，但目前的OpenFlow協(xié)議還需要進(jìn)一步的擴(kuò)展，才能達(dá)到基于SDN的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的最終應(yīng)用效果。對(duì)北向接口，目前并沒(méi)有比較統(tǒng)一的接口，而應(yīng)用程序，尤其是本方案中的MM，需要通過(guò)北向接口經(jīng)SDN控制器來(lái)調(diào)度和配置網(wǎng)絡(luò)資源，如切換管理、跟蹤及尋呼等功能，對(duì)時(shí)延也有嚴(yán)格的要求，因此定義一個(gè)良好的北向接口，對(duì)成功完成信令交互，提高用戶(hù)體驗(yàn)，至關(guān)重要。

后續(xù)將繼續(xù)研究基于集中式管理、分布式執(zhí)行的策略管理功能，以及利用如OpenFlow協(xié)議的計(jì)數(shù)器在邊緣網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)以實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)功能等；同時(shí)正在搭建基于SDN的未來(lái)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境，將會(huì)對(duì)移動(dòng)性管理、策略管理、計(jì)費(fèi)等功能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的移動(dòng)性管理機(jī)制的探討方案，基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制集中化、可軟件定義的SDN架構(gòu)，MM作為應(yīng)用程序和SDN控制器來(lái)負(fù)責(zé)切換處理。SDN控制器獲取全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不需要建立隧道，由MM來(lái)計(jì)算切換后的應(yīng)用服務(wù)與目標(biāo)基站之間的轉(zhuǎn)發(fā)路由，并下發(fā)更新路由表，根據(jù)這些新的路由表來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。而將在切換過(guò)程中緩存在初始路徑上的數(shù)據(jù)分組，計(jì)算一條從初始基站到目標(biāo)基站的路由，重新定向這些數(shù)據(jù)分組到目標(biāo)基站。

本方案充分利用SDN架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，使得無(wú)需建立額外的隧道便可方便高效地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理。在解決現(xiàn)有移動(dòng)性管理技術(shù)眾多問(wèn)題的同時(shí)，也能夠滿(mǎn)足未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的需要。

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