基于SDN框架下的EPC策略控制系統(tǒng)研究

郭恩陽++范云凌++陳文華

1 引言

SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)界廣泛研究的一個重點(diǎn)領(lǐng)域。它將控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，可有效解決網(wǎng)絡(luò)的靈活調(diào)度與運(yùn)行效率。EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)分組核心網(wǎng)）是4G核心網(wǎng)，承擔(dān)著最多用戶的通信網(wǎng)絡(luò)，因引入PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和計費(fèi)規(guī)則功能）部件進(jìn)行用戶業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的集中策略控制，故EPC網(wǎng)絡(luò)具有了一定的SDN的網(wǎng)絡(luò)概念。展望未來，EPC將進(jìn)一步向SDN轉(zhuǎn)變演進(jìn)，其中的相關(guān)設(shè)備與整個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都面臨一定的調(diào)整改變，尤其是相關(guān)的各個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流程，也將會進(jìn)行一定的適應(yīng)性改變。

2 SDN和OpenFlow協(xié)議

2.1 基本概念

SDN的技術(shù)邏輯實(shí)際上就是虛擬化的技術(shù)，一個脫離具體硬件和廠家設(shè)備的整網(wǎng)虛擬化。SDN把整個網(wǎng)絡(luò)變成一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的平臺，而控制的整個邏輯由集中的控制器去做，所以整個網(wǎng)絡(luò)資源多少、分派和調(diào)度都是由控制平臺統(tǒng)一完成。SDN不會造成核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要性降低，相反的是SDN配合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施后，將推動整網(wǎng)架構(gòu)的虛擬化、規(guī)?；桶踩?/p>

OpenFlow協(xié)議由美國著名大學(xué)組織的大學(xué)聯(lián)盟所發(fā)起，其研究內(nèi)容是將原本由交換機(jī)/路由器控制的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程轉(zhuǎn)化為由OpenFlow交換機(jī)（即OpenFlow Switch）和控制服務(wù)器（即Controller）分別完成的獨(dú)立過程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層面和控制層面的分離。

2.2 OF（OpenFlow）協(xié)議介紹

（1）OF交換機(jī)介紹

OF交換機(jī)部件包括OF通信通道、流表和組表3部分，具體如下：

◆OF通道：用于OF交換機(jī)與控制器之間的通信。

◆流表（Flow Table）：OF交換機(jī)通過查找流表項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)的處理動作，完成數(shù)據(jù)包的處理，如修改、轉(zhuǎn)發(fā)。

◆組表：不同流表表項(xiàng)需要進(jìn)行相同動作時可將數(shù)據(jù)包提交給組表處理，以提高效率。

OF交換機(jī)有2種：純OF交換機(jī)（OpenFlow-only）和支持OF的交換機(jī)（OpenFlow-hybrid）。OpenFlow交換機(jī)的主要部件如圖1所示：

圖1 OpenFlow交換機(jī)的主要部件

（2）數(shù)據(jù)包在OF交換機(jī)中的處理過程

OF交換機(jī)對數(shù)據(jù)包有一個復(fù)雜的處理過程，具體描述如下：

◆讀取數(shù)據(jù)包的報頭，給予此數(shù)據(jù)包一個行動集（action set），初始為空，交由表0（即table0）處理。

◆從table0的第一個表項(xiàng)開始匹配（優(yōu)先級從高到低）：

如果匹配上某個表項(xiàng)，則執(zhí)行該表項(xiàng)的指令，同時更新表和表項(xiàng)的計數(shù)器（如果表項(xiàng)設(shè)置了空閑超時參數(shù)，則開始計時）。

表項(xiàng)指令可以修改數(shù)據(jù)包的行動集（action set），也可以直接修改數(shù)據(jù)包的報頭；表項(xiàng)指令可以用測量表對數(shù)據(jù)包進(jìn)行測速。表項(xiàng)指令還要指定數(shù)據(jù)包的下一步處理過程。

◆表n（table n）繼續(xù)第2步：

如果數(shù)據(jù)包的行動集中已存在匹配表項(xiàng)中的Write-actions指令要添加的行動，則覆蓋原有行動。

如果table n的匹配表項(xiàng)指令集中沒有再指向任何一張表，則執(zhí)行數(shù)據(jù)包中的行動集，再根據(jù)行動集中的輸出（output）或組（group）行動進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

◆如果在表n（table n）中沒有找到精確匹配的表項(xiàng)：

如果表n（table n）中設(shè)置了table-miss表項(xiàng)，匹配字段全部為通配符且優(yōu)先級為0，則執(zhí)行table-miss表項(xiàng)中的指令。

如果table n中沒有table-miss表項(xiàng)，則執(zhí)行交換機(jī)預(yù)先設(shè)置的動作（默認(rèn)為丟棄）。

數(shù)據(jù)包處理過程如圖2所示。

（3）OF交換機(jī)流表中匹配字段和優(yōu)先級

OF1.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如表1所示的匹配字段。

優(yōu)先級有16bit，代表了表項(xiàng)在匹配數(shù)據(jù)包時的邏輯順序，值越大優(yōu)先級就越高，最低為0；匹配字段+優(yōu)先級是表項(xiàng)的唯一標(biāo)識，同一流表內(nèi)有相同的匹配字段的表項(xiàng)之間，優(yōu)先級不能相同。

每個流表都支持一個通配表項(xiàng)。匹配字段為通配符，優(yōu)先級為0。通配表項(xiàng)支持對數(shù)據(jù)包進(jìn)行的處理包括轉(zhuǎn)發(fā)給控制器（Controller）、丟棄、轉(zhuǎn)向下一張流表。通配表項(xiàng)不是必須的，也可以根據(jù)表項(xiàng)設(shè)置老化、被控制器刪除。如果流表中不存在通配表項(xiàng)，則交換機(jī)會默認(rèn)丟棄沒有匹配任何表項(xiàng)的數(shù)據(jù)包。

2.3 OpenFlow網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

根據(jù)定義，OpenFlow網(wǎng)絡(luò)通常由負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的OpenFlow交換機(jī)、虛擬化層（FlowVisor）和集中控制器（Controller）這3部分組成，如圖3所示。

3 EPC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與流程

3.1 EPC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

EPC網(wǎng)絡(luò)是4G移動分組域核心網(wǎng)，由MME（Mobility Management Entity，移動性管理單元）、SGW（Serving GateWay，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）、PDN（Packet Data Network，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）、PCRF等組成。PCRF是EPC中的一個核心網(wǎng)元，它集中處理網(wǎng)絡(luò)與用戶的各種業(yè)務(wù)策略。

參照網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對PCRF的闡述，圖4充分展示了PCRF與周邊設(shè)備的關(guān)聯(lián)關(guān)系。PCRF實(shí)現(xiàn)控制和承載分離，是策略生成部件，而網(wǎng)關(guān)PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和計費(fèi)執(zhí)行功能）或TPF（Traffic Plane Function，流量平面功能）是策略的執(zhí)行部件。從圖4可以看出，圍繞PCRF的各種接口中，最關(guān)鍵的是連接PCEF的Gx接口、連接AF的Rx接口。這2個接口都是基于Diameter協(xié)議設(shè)計的，以完成用戶的業(yè)務(wù)狀態(tài)的改變及相應(yīng)的計費(fèi)要求。endprint

從EPC進(jìn)一步的演進(jìn)或者從SDN的框架看EPC的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)來看，除了網(wǎng)絡(luò)部件相關(guān)功能的改變與演進(jìn)外，各種相關(guān)的業(yè)務(wù)流程與網(wǎng)絡(luò)流程也將適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一同進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整。EPC的各種流程繁多，包括各種會話的建立、修改和終止等，為研究舉例計，選取AF會話（session）的建立或修改流程進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.2 AF session建立或修改流程

AF session建立或修改流程圖如圖5所示：

圖5 AF session建立或修改流程圖

具體描述如下：

（1）在AF session起始或修改時，AF接收到內(nèi)部、外部觸發(fā)器，提供Service Information（業(yè)務(wù)信息）。

（2）AF識別需要的業(yè)務(wù)信息Service Information（如流的IP地址、使用的端口號等）。

（3）AF向PCRF發(fā)送Diameter AAR消息提供業(yè)務(wù)信息Service Information。

（4）PCRF存儲收到的業(yè)務(wù)信息Service Informa-tion。

（5）PCRF識別承載，綁定IP流（TPF提供承載信息Bearer Information，AF提供業(yè)務(wù)信息Service Information）。

（6）PCRF發(fā)Diameter RAR來觸發(fā)TPF請求計費(fèi)規(guī)則Charging Rules。

（7）TPF發(fā)Diameter RAA回答RAR。

（8）TPF為第（7）步的承載請求計費(fèi)規(guī)則Charging

Rules（注：該流程在標(biāo)準(zhǔn)文檔中有類似詳細(xì)的描述）。

（9）一旦PCRF完成給第（5）步中的承載提供計費(fèi)規(guī)則Charging Rules，將發(fā)Diameter AAA給AF。

注意：對每個流獨(dú)立執(zhí)行第（5）、（6）、（7）、（8）步。

4 基于SDN的EPC網(wǎng)絡(luò)與流程

4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演進(jìn)與改變

依據(jù)目前運(yùn)營商初步取得的共識，運(yùn)營商的通信

網(wǎng)絡(luò)未來將基于NFV（Network Function Virtualization，

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）進(jìn)行演進(jìn)，當(dāng)然也是依托SDN的總體框架之下的。

SDN的核心理念是：將網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)處理抽象化，并且通過外置控制器來控制這些抽象化的對象。它將網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離，分為控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面，并且控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面之間提供一個標(biāo)準(zhǔn)接口。需要指出的是，控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離類似于現(xiàn)代路由器的架構(gòu)設(shè)計方法，但是SDN的設(shè)計理念和路由器的控制轉(zhuǎn)發(fā)分離完全不同。

NFV通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術(shù)來承載很多功能的軟件處理，從而降低網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本。NFV可以通過軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

NFV的初衷是通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術(shù)來承載很多功能的軟件處理。典型應(yīng)用是一些CPU密集型功能，并且對網(wǎng)絡(luò)吞吐量要求不高的情形。主要評估的功能虛擬化有：WAN加速器、信令會話控制器、消息路由器、IDS、DPI、防火墻、CG-NAT、SGSN/GGSN、PE、BNG、RAN等。

由此可知，NFV可以采用SDN進(jìn)行實(shí)現(xiàn)（如采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的方法來搭建服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)），但也可以采用普通數(shù)據(jù)中心技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合以上SDN和NFV的研究分析，可將EPC的網(wǎng)絡(luò)核心部分尤其是策略控制系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行簡化，得到如圖6所示的大致全新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

圖6 基于SDN和NFV的EPC網(wǎng)絡(luò)核心部分簡圖

上述網(wǎng)絡(luò)中，控制器（Controller）就是SDN網(wǎng)絡(luò)中的核心控制器，屬新增加的網(wǎng)絡(luò)部件，而其他的網(wǎng)絡(luò)部件在功能上改變或虛擬化為NFV加OF-Switch（交換機(jī)）兩部分，NFV負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯與流程交互，與控制器緊密配合，并調(diào)度OF-Switch（交換機(jī)）進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)流程的演進(jìn)分析

如圖7所示，對照上文AF會話的建立或修改流程，在SDN框架下其流程將會改變?nèi)缦拢?/p>

控制器功能：控制器需要記錄每個報文的發(fā)起終端和交換機(jī)端口，并將特定的消息轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)端口和終端。

NFV&OF-Switch交換機(jī)功能：OF交換機(jī)需要有默認(rèn)流表，判斷報文，并通過消息上送控制器。

上述AF會話建立的主要流程描述如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)初始啟動后，控制器向各個NFV&OF-Switch發(fā)送默認(rèn)流表，流表中已有核心網(wǎng)絡(luò)各個部件周邊設(shè)備的相關(guān)過濾鏈接信息。

（2）終端UE觸發(fā)AF-NFV，AF-NFV確認(rèn)業(yè)務(wù)信息Service Information。

（3）AF-NFV采用默認(rèn)流表判斷報文，向PCRF-NFV發(fā)送Diameter AAR請求，提供業(yè)務(wù)信息Service Information。

（4）PCRF-NFV識別承載，綁定IP流（承載信息Bearer Information—業(yè)務(wù)信息Service Information對）。

（5）PCRF-NFV采用默認(rèn)流表判斷報文，發(fā)Diameter RAR來觸發(fā)TPF-NFV請求Charging Rules。

（6）TPF-NFV采用默認(rèn)流表判斷報文，發(fā)Diameter RAA回答RAR。

（7）TPF-NFV為第（5）步的承載請求計費(fèi)規(guī)則Charging Rules。

（8）一旦PCRF-NFV完成給第（4）步中的承載提供計費(fèi)規(guī)則Charging Rules，將發(fā)Diameter AAA給AF-NFV。endprint

以上只是一個簡單網(wǎng)絡(luò)流程的概要描述，具體的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流程要復(fù)雜得多，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容新增網(wǎng)元時，新設(shè)備的NFV上線后應(yīng)立即與控制器進(jìn)行溝通，換取最新流表的下載與更新，順利完成新設(shè)備的融入。

5 結(jié)論

EPC網(wǎng)絡(luò)采用PCRF進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的集中策略控制，具有了SDN網(wǎng)絡(luò)的雛形，其進(jìn)一步發(fā)展為SDN框架之下的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有較大的可能性和適應(yīng)性，EPC的網(wǎng)絡(luò)與相關(guān)流程也將進(jìn)行相關(guān)調(diào)整和演進(jìn)。

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