SDN技術引入對移動核心網的影響

中興通訊 | 陶 郡

從2G/3G分組域到LTE分組域（EPC），移動分組域演進已經歷過一次“分離”，即控制面與用戶面分離。EPC中的網元MME處理信令面功能，網元SGW和PGW主要負責處理用戶面數據轉發，這是應對移動帶寬高速增長的需求。

然而，從設備實現的角度，EPC的控制轉發分離并不徹底。

EPC移動核心網引入SDN技術的驅動力

目前，EPC網關設備中既包含路由轉發功能模塊，也包含信令處理甚至業務處理相關的功能模塊，兩類模塊是緊耦合的關系，之間的通信取決于內部實現。其設備結構既不同于如ATCA或者Blade Server這類的計算型通用電信設備，也不同于廣泛存在于網絡中的路由器、交換機設備。設備通用性差導致研發、測試、入網和運維周期長，功能和性能的可擴展性均不理想，且成本難以下降。傳統網關的設置總體說來有如下幾個問題：

● 用戶數據流處理集中在PDN出口網關，造成網關設備功能繁雜，可擴展性差；

● 網關類設備控制面與轉發面高度耦合，不利于核心網平滑演進；轉發面擴容需求頻度高于控制面，緊耦合導致控制面轉發面同步擴容，設備更新周期短，導致復合成本增加；

● 用戶數據從eNodeB到PGW以overlay的方式傳輸，網絡層數據轉發難以識別用戶、業務特征，僅能根據上層傳遞的QoS轉發，一方面需要網絡資源過度供給，造成網絡資源利用低效，另一方面網絡難以依據用戶、業務特性對數據流進行精細控制；

● 大量策略需要手工配置，由于難以達到最優，需要不斷優化，這增加了出錯概率，另一方面導致管理復雜度增加，OPEX居高不下。

因此，需考慮將分組域網關中的控制功能與轉發功能進一步分離，使移動分組域的移動性管理、QoS、計費等功能通過標準接口控制通用轉發設備的方式實現，可促使轉發面功能演進及性能的提升與移動分組域本身的功能演進去相關，在轉發功能層面促進傳送網、移動分組域及IP承載網的融合和資源共享，按需在網絡中使用通用的轉發面，簡化網絡部署。

網關控制與轉發功能分離的關鍵

關鍵問題1：隧道功能的實現

移動分組域最基本的功能之一是在轉發面構建GTP隧道，網關設備中進行控制與轉發的分離將會圍繞隧道功能的實現而引發新的接口定義問題。SGW和PGW在用戶面所采用的協議是GTP-U，目前如Openflow等SDN南向接口協議均沒有對GTP-U協議的處理功能，包括GTP-U的隧道建立、終結以及監控GTP-U隧道內部的數據流等。無論是采用專用硬件還是虛擬化軟件方式來實現支持GTP-U處理的轉發面設備，在控制器與轉發面設備之間的接口都需要進行標準化。

關鍵問題2：轉發面QoS功能實現

傳統的移動通信網絡以承載為粒度進行QoS處理，依據動態的策略控制能夠提供高質量的業務保證。移動軟網絡架構下應保證與現有網絡具有相同等級的QoS處理能力，需考慮基于如承載、業務流粒度的QoS處理。

移動軟網絡交換機如何根據移動通信網絡的QoS策略執行數據路由和轉發，同時給上層應用提供與傳統網絡等同的用戶體驗是需要研究的問題。

關鍵問題3：網關功能重劃分

傳統的EPC網關設備除了IP報文隧道封裝和轉發功能外，還包括一些會話管理和移動性管理功能，如IP地址分配、用戶面觸發尋呼等。移動軟網絡架構下要重新考慮這些功能在控制面和轉發面之間的分布，以最優方式實現上述功能。

關鍵問題4：轉發面網關設備的選擇

在網關控制與轉發分離架構下，需要根據某種機制和原則（如容量、負載狀況、UE的位置等）合理選擇轉發面設備進行IP流的轉發，以實現對轉發設備硬件資源的最大化利用和對用戶流量的最有效傳遞。

關鍵問題5：通用轉發面路由流表條目優化

GTP協議位于OSI模型的應用層，GTP-U封裝及解封裝的工作及TEID維護、不同段的隧道的關聯也在應用層完成。應用層維護了大量的GTP隧道的轉發信息。底層路由條目仍基于標準RIP、OSPF、ISIS等標準路由協議完成匯聚。當網關控制和轉發分離后，通用轉發面需要支持GTP-U隧道的封裝和解封裝，及逐段隧道的關聯。GTP-U隧道轉發信息需要維護在通用轉發面設備的流表中。因此通用轉發面網元需要能夠優化流表中的流表條目數量，避免隧道路由條目過多影響轉發性能。

行業相關研究

● EPC in a Cloud Computer with Openflow Data Plane

這個架構是愛立信在2012年11月29日發表的專利。該架構將控制平面與云計算系統相融合，云計算系統包含一個Cloud Manager和一個Cloud Controller。Cloud Controller包含多個控制平面模塊對應于原EPC控制平面實體；Cloud Manger監控各個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Openflow協議傳送到數據平面以建立流規則和相應動作。

● EPC extensions for supporting mobility schemes

這個架構是MEVICO Project中的一部分，最新版本發表于2013年1月31日。該架構將功能全部集中到集中式網關元素上，提供一個對網絡的廣闊的視野，同時集中式網關元素是3GPP信號的終結處，它分配IP地址，保存UE上下文，并且運行路由選擇協議。該架構雖然使用新方法來分塊SGW和PGW，但是新框架還是要服從原3GPP的接口和協議。

中興通訊Cloud EPC架構

Cloud EPC是由中興通訊提出的基于SDN的EPC架構。

如圖所示，該架構將移動核心網網元的控制與轉發完全分離，剝離網元的控制功能，由控制面負責移動性管理和會話管理，轉發面不再參與控制管理。新型移動核心網SDN控制器控制統一轉發設備，移動應用協議層以及移動應用功能層通過SDN控制器構造控制邏輯，從而實現融合的移動網絡的基本應用。圖所示應用APP可以為軟化后的MME、PGW-C、SGW-C、PCRF等網元控制功能、業務編排功能以及開放接口后引入的新業務功能，它與SDN控制器之間的接口基于實現，可以采用內部接口也可以采用NBI接口，在此不做限制。

考慮到與現有網絡的平滑演進，在第一階段，建議可以先實現網關的SDN化，傳統的PGW、SGW功能由網關控制面GW-C、控制器和轉發面UGW協同實現。GW-C可以作為單獨網元與Controller之間使用NBI接口，也可以與Controller合設在同一個網元上使用內部接口，在此處不做限制。鑒于NBI目前在ONF國際標準工作進展的現狀，以及考慮到網元交互的性能開銷，建議在第一階段實現使用內部接口。

該架構遵循3GPP協議，對涉及到的3GPP協議接口不作改動。圖中的MME、HSS、PCRF、OCS等EPC網元可以是傳統網元，也可以是采用虛擬化技術實現的網元功能。SDN控制器與UGW之間南向接口采用基于EPC擴展的OF協議。

三個架構都實現了控制平面與轉發平面的分離，但Cloud EPC實現得更徹底，它將PGW和SGW的功能進行拆分整合，數據平面整合成UGW，控制平面提升到Controller中，完全實現了控制平面與轉發平面的分離，這樣的設計易于部署和維護。同時，這樣簡化的設計與有利于功能的擴展，能夠應對未來網絡需求變化。