基于SDN的移動性管理機制探討

趙明宇，嚴學強

（上海貝爾股份有限公司 上海201206）

1 引言

現有的移動性管理技術方案主要為3GPP的GTP（GPRS tunneling protocol，通用分組無線服務技術隧道協議）+MME（mobility management entity，移動性管理實體）、3GPP2的MIP（mobile IP，移 動IP）技 術 以 及LISP（location-ID separation protocol，名址分離網絡協議）等，這些技術僅支持特定條件下的移動性管理。而未來5G要求移動性管理技術要滿足新型網絡架構控制轉發分離、控制集中化、更加扁平化的趨勢，同時要滿足對熱點高容量覆蓋等場景的需求[1]。

SDN（software-defined networking，軟件定義網絡）作為一種創新網絡架構，具有以下顯著特點：控制與轉發分離；控制集中化；使用廣泛定義的軟件接口[2]。

其核心是通過將網絡設備控制面與數據面分離，只在網絡硬件設備的底層保留轉發功能，上層則可進行集中的控制功能，進而將網絡的應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，可以用來有效地定義未來的網絡，使得SDN在互聯網和通信領域的應用前景被廣泛看好。SDN技術在未來5G移動網絡中的使用，必將使得移動網絡的基本功能實現更加合理和高效，也使得網絡的縱向融合成為可能，從而進一步簡化網絡并適應不斷增長的接入速率。

2 現有的移動性管理技術

GTP是2G/3G和LTE/EPC（long time evolution/evolved packet core，長期演進/演進型分組核心網）的核心協議，它由GTP-C（GTP-control，GTP控 制 面）協 議 和GTP-U（GTP-user，GTP用戶面）協議組成。在LTE網絡，GTP（更確切地說是GTP-U協議）是基于移動回程網傳輸用戶數據。在基站和MME之間的GTP-C協議的控制下，首先在基站和核心網網元，如SGW（serving gateway，服務網關）、PGW（packet data network gateway，分組數據網關）等之間建立隧道，然后將用戶數據封裝在隧道里進行傳輸，而GTP-C協議負責建立、刪除及修改這些隧道[3,4]。

雖然GTP協議已經成功地在2G/3G及LTE/EPC中部署，但現有網絡中基于GTP的移動性管理架構的缺點也是顯而易見的，如下所述。

·在用戶面，引入GTP頭的開銷增大。對一個典型的網絡及流量模型來說，如一個分組平均大小為200～250 byte，對于IPv4和IPv6，GTP頭分別占18%～14%和28%～22%。隨著機器類通信和VoLTE（voice over LTE，基于LTE的語言）逐漸增多，同時分組大小逐漸變小，GTP頭的額外開銷將會越來越大。

·在控制面，當UE（user equipment，用戶終端）移動時，需要大量的信令來維持GTP隧道，尤其是隨著小區越來越小，切換發生更頻繁；再者，高密集的小蜂窩產生的大量控制信令會導致網絡擁堵。

·當前的移動性管理機制是與無線接入技術耦合的，如在3GPP技術中使用GTP，而在3GPP2中使用MIP技術。由于不同的接入技術采用不同的移動性管理協議，因此，現有的網絡并不支持多種接入技術間的無縫切換。

·當前的移動性管理機制在用戶面使用固定錨點，如在LTE/EPC中，當用戶在同一SGW下的基站間或跨SGW下的基站間移動時，SGW和PGW就作為移動性管理的錨點。SGW/PGW作為用戶面的匯聚實體處理所有往來互聯網或同一蜂窩網下不同用戶間的流量，很顯然，對于后一種情況，由于要迂回到錨點，會導致路由和回程網的利用效率低下。

產業界目前正在研究將SDN和NFV（network functions virtualization,網絡功能虛擬化）技術引入電信領域[5,6]。SDN和NFV正在成為下一代網絡架構的使能技術。因此，這里提出基于SDN的無隧道的更高效的移動性管理技術方案來解決上述問題，同時此方案也符合5G無線網絡的演進趨勢。

3 基于SDN架構的移動性管理機制探討

3.1 基于SDN的移動性管理架構

基于SDN的移動性管理技術方案架構如圖1所示。基于控制與轉發分離的架構，控制集中化以獲取全局網絡拓撲；無GTP隧道，與接入技術無關，易于實現不同接入技術間的無縫切換；無固定錨點，從而可優化路由。

由圖1可知，架構分為控制面和轉發面兩部分。在控制面，所有的控制功能全部作為SDN控制器的應用，一些典型的網絡功能應用如MM（mobility management，移動性管 理）、SM（subscriber management，用戶屬性 管 理）、PM（policy management，策略管理）、DPI（deep packet inspection，深度分組檢測）、FW（firewall，防火墻）等。MM/SM/PM等通過北向API與SDN控制器進行通信，所有的網絡功能由虛擬化軟件實現。轉發面主要由交換機和BS（基站）組成。交換機由通用的轉發硬件實現，基站可以看作帶有無線功能的交換機，全部由控制器進行控制。轉發面通過南向接口基于安全通道與控制器進行通信。南向接口為公共的標準接口，支持如OpenFlow等標準南向接口協議。

MM應用負責切換處理。當一個用戶（這里命名為UE0）從一個初始基站移動到下一個目標基站時，UE0觸發切換請求，由初始基站通過安全通道送達MM。這個切換請求信息攜帶有初始基站ID和目標基站ID。一旦接收到請求信息，MM就基于SDN控制器中的全局拓撲，為UE0所應用的服務與目標基站之間計算一條新的轉發路由，這條路由上的所有交換機和基站的路由表將會被更新，之后將根據這些新的路由表來轉發UE0接收或發送的數據流。

切換過程中，在初始的路由路徑中，可能會有一些數據分組還未被轉發，但根據初始的轉發路由表，這些數據分組最終都將到達初始基站。因此，為了重新定向這些數據分組到目標基站，MM需要額外計算一條從初始基站到目標基站的路由，并更新此路徑上相應交換機及基站的路由表。

3.2 切換過程中的信號流程

基于SDN的網絡架構及移動性管理技術方案，假定的一個典型的切換場景如圖1中所示，從移動性管理的視角出發，只關心UE的移動性，而假設應用服務端并不移動。當切換發生時，由于UE所附著的基站改變，從而導致下行數據路徑也要做相應的改變。UE必須通過初始基站告知MM。而對上行鏈路，即使UE所附著的基站改變，按照轉發流表的規則，這些數據分組也能被正常轉發到應用服務器。

以下為對下行鏈路切換過程的詳細描述。

切換流程分為3部分來說明：切換前、切換過程中和切換后。在切換前，當UE0附著在初始基站BS1時，假定初始的轉發路徑已經被計算好并下發了路由表。這里命名這條路徑為“路徑1”，此條路徑上所有的交換機和基站被命名為“組1”。切換后的新的轉發路由命名為“路徑2”，所對應的交換機和基站為“組2”。

為了確保在切換過程中，所有的還未到達UE0的數據分組能夠被重定向到目標基站BS2，計算一條從BS1到BS2的路由，命名為“路徑3”，相應的交換機和基站為“組3”。表1概括了這些轉發路由及實體（表中SW為交換機的縮寫）。

3.2.1 切換前

圖1 基于SDN的移動性管理架構

表1 轉發實體及轉發路由信息

從圖1中可以看到，在切換前，所有的數據分組沿著路徑1經由BS1到達UE0。組1里各實體中的轉發表的轉發規則如下（這里，IPUE代表UE0的IP地址，目的IP地址（IPDst）是交換機流表中頭域里的元組之一，用來與到來的數據分組中的IP目的地址進行匹配對比）：

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），則將分組轉給UE0。

3.2.2 切換過程中

切換過程中的信號流程如圖2所示。控制面信令由虛線表示，轉發面鏈路由實線表示。

（1）初始基站BS1發出“測量”命令給UE0，設置測量的參數及這些參數的門限。目的是一旦達到門限值，UE0就發送測量報告給BS1。

（2）UE0測量其周圍可達基站的信號，將包含這些信號值的“測量報告”發送給BS1，同時，BS1也測量信號強度和上行信道的質量。

圖2 切換過程中的信號流程

（3）對比這些測量值之后，假如BS1決定發生切換，則BS1發送一個“切換請求”信息給MM。這個“切換請求”信息包含有UE0的身份、BS1和BS2的ID等。

（4）MM詢問BS2是否為UE0的接入做好了準備。

（5）如果BS2已經準備好了，則它將回復“切換請求確認”信息給MM。

（6）MM發送一個“切換命令”給BS1，開始切換。

（7）BS1發送一個“連接重配置請求”信息給UE0，用來命令UE0連接到BS2。

（8）MM計算一個新的路徑來轉發從應用服務器到UE0的數據流，即如圖5中所示的“路徑2”，之后，SDN控制器更新組2中各實體的流表。

流表中的各轉發規則如下：

·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，MM計算另一條路徑（路徑3）從BS1到BS2。路徑3將重定向那些緩存在BS1中的數據分組到BS2中。則SDN控制器更新組3中各實體的流表，具體規則如下：

·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。

在切換過程中，在組1的轉發實體中可能會有一些分組未被轉發。本例中，可能會有數據分組緩存在SW5和SW6中。由于SW5和SW6也同時屬于組2，根據組2的轉發規則，這些分組最終也能夠到達UE0。也有可能有一些為轉發的數據分組緩存在不屬于組2的實體中，如本例中的SW1和SW2，根據組1的轉發規則，這些分組將最終到達BS1。

（10）只要UE0一收到“連接重配置請求”，它就轉向連接BS2的信道。一旦轉到新的信道，就發送“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就發送“切換完成”信息給MM。

（12）BS1通過路徑3，重定向那些緩存的數據分組到BS2。

3.2.3 切換后

根據組2中的轉發規則，所有的數據流都將沿路徑2，最終經BS2到達UE0。

3.3 所提方案的優點

與現有方案及其他的一些如參考文獻[7]中所述的移動性管理方案相比，本方案具有如下優點。

·控制面和用戶面分離。符合網絡演進趨勢，能帶來眾多好處，比如控制面和用戶面可以分別擴展和升級。而參考文獻[7]中所提出的方法是在網絡邊緣交換機中，控制面和用戶面混合的方法，這將會帶來擴展性問題。

·SDN架構在用戶面采用通用的轉發設備，能有效降低成本，而參考文獻[7]必須使用專用的網絡設備(如網絡邊緣交換機)來運行基于DHT（distributed Hash table，分布式散列表）的Trill協議，還要完成用戶IP地址和基站MAC地址間的映射。

·移動性管理實體作為一個應用集中部署在SDN控制器之上，對于更新或升級帶來極大的靈活性。而參考文獻[7]部署移動性管理實體(如網絡邊緣交換機)，且與用戶面混合，非常不利于移動性管理技術的更新或升級。

·所有的移動性管理的控制和決策都作為SDN的一個應用部署在一個虛擬環境中，將有效降低單點失效的風險。而參考文獻[7]中的網絡邊緣交換機作為錨點，要處理所有流向用戶的流量。

·網絡資源如回程等可以根據流量情況動態適配。而參考文獻[7]中的專用設備較難實現。

4 對現有網絡的影響及后續工作

SDN和NFV正不斷對無線和移動通信技術產生重大影響，對未來網絡的研究帶來沖擊。本文提出的基于SDN的無隧道的移動性管理技術方案，可以解決現有方案存在的一些問題，比如減少GTP隧道的信令狀態信息、減少分組頭開銷等，對現有網絡將產生較大的影響。例如，現有網絡中的如SGW、PGW等私有設備，需要進行軟硬件的解耦，控制與轉發的分離；在數據中心增加控制器；對現有網絡的功能進行分解、抽象、重構，并形成如MM等應用程序部署在控制器之上等。

該方案還需要在接口標準化方面做進一步的工作，南向接口已經有OpenFlow等協議，但目前的OpenFlow協議還需要進一步的擴展，才能達到基于SDN的移動通信網絡的最終應用效果。對北向接口，目前并沒有比較統一的接口，而應用程序，尤其是本方案中的MM，需要通過北向接口經SDN控制器來調度和配置網絡資源，如切換管理、跟蹤及尋呼等功能，對時延也有嚴格的要求，因此定義一個良好的北向接口，對成功完成信令交互，提高用戶體驗，至關重要。

后續將繼續研究基于集中式管理、分布式執行的策略管理功能，以及利用如OpenFlow協議的計數器在邊緣網絡節點進行統計以實現計費功能等；同時正在搭建基于SDN的未來移動通信網絡測試環境，將會對移動性管理、策略管理、計費等功能進行測試驗證。

5 結束語

本文提出的移動性管理機制的探討方案，基于控制與轉發分離、控制集中化、可軟件定義的SDN架構，MM作為應用程序和SDN控制器來負責切換處理。SDN控制器獲取全局網絡拓撲，不需要建立隧道，由MM來計算切換后的應用服務與目標基站之間的轉發路由，并下發更新路由表，根據這些新的路由表來轉發數據。而將在切換過程中緩存在初始路徑上的數據分組，計算一條從初始基站到目標基站的路由，重新定向這些數據分組到目標基站。

本方案充分利用SDN架構的優點，使得無需建立額外的隧道便可方便高效地實現移動性管理。在解決現有移動性管理技術眾多問題的同時，也能夠滿足未來5G網絡架構發展的需要。

1 IMT-2020（5G）推進組.5G愿景與需求白皮書，2014 IMT-2020（5G）Promotion Group.5G Vision and Requirements.White Paper,2014

2 ONF.Software-Defined Networking:The New Norm for Networks.White Paper,2012

3 3GPP TS 23.401.GPRS Enhancements for E-UTRAN Access(Release 12),V12.4.0,Mar 2014

4 3GPP TS 23.402.Architecture Enhancements for Non-3GPP Accesses(Release 12),V12.2.0,Sep 2013

5 Li E L,Mao Z M,Rexford J.Toward software-defined cellular networks.Proceedings of European Workshop on Software Defined Networking,Darmstadt,Germany,2012

6 Clougherty M M,White C A,Viswanathan H等.SDN在IP網絡演進中的作用.電信科學，2014,30(5)：1～13 Clougherty M M,White C A,Viswanathan H,et al.Role of SDN in IP network evolution.Telecommunications Science,2014,30(5):1～13

7 Varis N,Manner J,Heinonen J.A layer-2 approach for mobility and transport in the mobile backhaul.Proceedings of the11th International Conference on ITS Telecommunications(ITST),St.Petersburg,Russia,2011