基于SDN框架下的EPC策略控制系統研究

郭恩陽++范云凌++陳文華

1 引言

SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡）是當前網絡業界廣泛研究的一個重點領域。它將控制面與轉發面分離，可有效解決網絡的靈活調度與運行效率。EPC（Evolved Packet Core，演進分組核心網）是4G核心網，承擔著最多用戶的通信網絡，因引入PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略和計費規則功能）部件進行用戶業務與網絡質量的集中策略控制，故EPC網絡具有了一定的SDN的網絡概念。展望未來，EPC將進一步向SDN轉變演進，其中的相關設備與整個網絡架構都面臨一定的調整改變，尤其是相關的各個網絡業務流程，也將會進行一定的適應性改變。

2 SDN和OpenFlow協議

2.1 基本概念

SDN的技術邏輯實際上就是虛擬化的技術，一個脫離具體硬件和廠家設備的整網虛擬化。SDN把整個網絡變成一個數據轉發的平臺，而控制的整個邏輯由集中的控制器去做，所以整個網絡資源多少、分派和調度都是由控制平臺統一完成。SDN不會造成核心網絡基礎設施的重要性降低，相反的是SDN配合網絡基礎設施后，將推動整網架構的虛擬化、規?；桶踩?/p>

OpenFlow協議由美國著名大學組織的大學聯盟所發起，其研究內容是將原本由交換機/路由器控制的數據包轉發過程轉化為由OpenFlow交換機（即OpenFlow Switch）和控制服務器（即Controller）分別完成的獨立過程，實現數據層面和控制層面的分離。

2.2 OF（OpenFlow）協議介紹

（1）OF交換機介紹

OF交換機部件包括OF通信通道、流表和組表3部分，具體如下：

◆OF通道：用于OF交換機與控制器之間的通信。

◆流表（Flow Table）：OF交換機通過查找流表項進行相應的處理動作，完成數據包的處理，如修改、轉發。

◆組表：不同流表表項需要進行相同動作時可將數據包提交給組表處理，以提高效率。

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

圖1 OpenFlow交換機的主要部件

（2）數據包在OF交換機中的處理過程

OF交換機對數據包有一個復雜的處理過程，具體描述如下：

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

◆從table0的第一個表項開始匹配（優先級從高到低）：

如果匹配上某個表項，則執行該表項的指令，同時更新表和表項的計數器（如果表項設置了空閑超時參數，則開始計時）。

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

◆表n（table n）繼續第2步：

如果數據包的行動集中已存在匹配表項中的Write-actions指令要添加的行動，則覆蓋原有行動。

如果table n的匹配表項指令集中沒有再指向任何一張表，則執行數據包中的行動集，再根據行動集中的輸出（output）或組（group）行動進行轉發。

◆如果在表n（table n）中沒有找到精確匹配的表項：

如果表n（table n）中設置了table-miss表項，匹配字段全部為通配符且優先級為0，則執行table-miss表項中的指令。

如果table n中沒有table-miss表項，則執行交換機預先設置的動作（默認為丟棄）。

數據包處理過程如圖2所示。

（3）OF交換機流表中匹配字段和優先級

OF1.3協議標準規定了如表1所示的匹配字段。

優先級有16bit，代表了表項在匹配數據包時的邏輯順序，值越大優先級就越高，最低為0；匹配字段+優先級是表項的唯一標識，同一流表內有相同的匹配字段的表項之間，優先級不能相同。

每個流表都支持一個通配表項。匹配字段為通配符，優先級為0。通配表項支持對數據包進行的處理包括轉發給控制器（Controller）、丟棄、轉向下一張流表。通配表項不是必須的，也可以根據表項設置老化、被控制器刪除。如果流表中不存在通配表項，則交換機會默認丟棄沒有匹配任何表項的數據包。

2.3 OpenFlow網絡架構

根據定義，OpenFlow網絡通常由負責數據轉發的OpenFlow交換機、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網絡結構與流程

3.1 EPC網絡結構

EPC網絡是4G移動分組域核心網，由MME（Mobility Management Entity，移動性管理單元）、SGW（Serving GateWay，服務網關）、PDN（Packet Data Network，分組數據網絡）、PCRF等組成。PCRF是EPC中的一個核心網元，它集中處理網絡與用戶的各種業務策略。

參照網絡技術標準對PCRF的闡述，圖4充分展示了PCRF與周邊設備的關聯關系。PCRF實現控制和承載分離，是策略生成部件，而網關PCEF（Policy and Charging Enforcement Function，策略和計費執行功能）或TPF（Traffic Plane Function，流量平面功能）是策略的執行部件。從圖4可以看出，圍繞PCRF的各種接口中，最關鍵的是連接PCEF的Gx接口、連接AF的Rx接口。這2個接口都是基于Diameter協議設計的，以完成用戶的業務狀態的改變及相應的計費要求。endprint

從EPC進一步的演進或者從SDN的框架看EPC的網絡演進來看，除了網絡部件相關功能的改變與演進外，各種相關的業務流程與網絡流程也將適應于網絡架構，一同進行改進調整。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行詳細分析。

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接收到內部、外部觸發器，提供Service Information（業務信息）。

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

（3）AF向PCRF發送Diameter AAR消息提供業務信息Service Information。

（4）PCRF存儲收到的業務信息Service Informa-tion。

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

（6）PCRF發Diameter RAR來觸發TPF請求計費規則Charging Rules。

（7）TPF發Diameter RAA回答RAR。

（8）TPF為第（7）步的承載請求計費規則Charging

Rules（注：該流程在標準文檔中有類似詳細的描述）。

（9）一旦PCRF完成給第（5）步中的承載提供計費規則Charging Rules，將發Diameter AAA給AF。

注意：對每個流獨立執行第（5）、（6）、（7）、（8）步。

4 基于SDN的EPC網絡與流程

4.1 網絡結構的演進與改變

依據目前運營商初步取得的共識，運營商的通信

網絡未來將基于NFV（Network Function Virtualization，

網絡功能虛擬化）進行演進，當然也是依托SDN的總體框架之下的。

SDN的核心理念是：將網絡功能和業務處理抽象化，并且通過外置控制器來控制這些抽象化的對象。它將網絡業務的控制和轉發進行分離，分為控制平面和轉發平面，并且控制平面和轉發平面之間提供一個標準接口。需要指出的是，控制平面和轉發平面的分離類似于現代路由器的架構設計方法，但是SDN的設計理念和路由器的控制轉發分離完全不同。

NFV通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術來承載很多功能的軟件處理，從而降低網絡昂貴的設備成本。NFV可以通過軟硬件解耦及功能抽象，使網絡設備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實現新業務的快速開發和部署，并基于實際業務需求進行自動部署、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來承載很多功能的軟件處理。典型應用是一些CPU密集型功能，并且對網絡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進行實現（如采用控制轉發分離的方法來搭建服務器網絡），但也可以采用普通數據中心技術來實現。

結合以上SDN和NFV的研究分析，可將EPC的網絡核心部分尤其是策略控制系統的相關設備進行簡化，得到如圖6所示的大致全新網絡結構：

圖6 基于SDN和NFV的EPC網絡核心部分簡圖

上述網絡中，控制器（Controller）就是SDN網絡中的核心控制器，屬新增加的網絡部件，而其他的網絡部件在功能上改變或虛擬化為NFV加OF-Switch（交換機）兩部分，NFV負責業務邏輯與流程交互，與控制器緊密配合，并調度OF-Switch（交換機）進行流量轉發。

4.2 網絡流程的演進分析

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如下：

控制器功能：控制器需要記錄每個報文的發起終端和交換機端口，并將特定的消息轉發至相應端口和終端。

NFV&OF-Switch交換機功能：OF交換機需要有默認流表，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）網絡初始啟動后，控制器向各個NFV&OF-Switch發送默認流表，流表中已有核心網絡各個部件周邊設備的相關過濾鏈接信息。

（2）終端UE觸發AF-NFV，AF-NFV確認業務信息Service Information。

（3）AF-NFV采用默認流表判斷報文，向PCRF-NFV發送Diameter AAR請求，提供業務信息Service Information。

（4）PCRF-NFV識別承載，綁定IP流（承載信息Bearer Information—業務信息Service Information對）。

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

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

（7）TPF-NFV為第（5）步的承載請求計費規則Charging Rules。

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

以上只是一個簡單網絡流程的概要描述，具體的實際網絡業務流程要復雜得多，尤其是當網絡擴容新增網元時，新設備的NFV上線后應立即與控制器進行溝通，換取最新流表的下載與更新，順利完成新設備的融入。

5 結論

EPC網絡采用PCRF進行網絡業務的集中策略控制，具有了SDN網絡的雛形，其進一步發展為SDN框架之下的網絡系統，具有較大的可能性和適應性，EPC的網絡與相關流程也將進行相關調整和演進。

參考文獻：

[1] 中國電信廣東研究院網發部. SDN項目研究報告[R]. 2013.

[2] Thomas D Nadeau， Ken Gray. 軟件定義網絡：SDN與OpenFlow解析[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2014.

[3] 開放的SDN聯合發布博客. OpenFlow協議1.3.0中文版[EB/OL]. （2012-06-25）[2014-08-23]. http：//wenku.baidu.com/view/13f05af9ba0d4a7302763a28.html.

[4] Nick Mckeown， Tom Anderson， Hari Balakrishnan， et al. OpenFlow-wp-latest. OpenFlow： Enabling Innovation in Campus Networks[EB/OL]. （2008-03-14）[2014-08-20]. http：//wenku.baidu.com/view/79cfc41fc281e53a5802ffa4.html.

[5]OpenFlow標準中文版[EB/OL]. （2011-07-27）[2014-08-10]. http：//wenku.baidu.com/view/5a8bd6d5195f312b3169a59f.html.

[6] ONF國際組織. OpenFlow-spec-V1.1.0[EB/OL].

（2011-02-28）[2014-08-10]. https：//www.opennetworking.org/en/sdn-resources/technical-library.

[7] ONF國際組織. OpenFlow-spec-V1.3.1[EB/OL].

（2012-09-06）[2014-08-11]. https：//www.opennetworking.org/en/sdn-resources/technical-library.

[8] 毛宇. 學習心得-OF交換機原理和OF協議[R]. 2013.

[9] 李亞峰. SDN_ONE戰略介紹[EB/OL]. （2012-11-12）[2014-08-01]. http：//www.docin.com/p-525708335.html.

[10] 劉新民. SDN架構與解析：深度開放與融合[EB/OL]. （2013-03-12）[2014-08-23]. http：//www.h3c.com.cn/About_H3C/Company_Publication/IP_Lh/2013/01/Home/Catalog/201303/777797_30008_0.htm.

[11] 左青云，陳鳴，趙廣松，等. 基于OpenFlow的SDN技術研究[J]. 中國科學院軟件研究所軟件學報， 2013，24（5）： 1078-1097.

[12] 李亞峰. 下一代數據中心 “云化”之路（SDN篇）[EB/OL]. （2012-11-11）[2014-08-13]. http：//www.docin.com/p-525529822.html.

[13] 彭莉. 中國電信ONF MPLS及以太網世界大會會議參會報告[R]. 2014.

[14] P Calhoun， J Loughney， E Guttman， et al. RFC3588 Diameter Base Protocol[S]. Network Working Group， 2003.

[15] 郭恩陽，范云凌，陳文華，等. 移動分組域核心網向SDN架構EPC演進的發展展望[J].移動通信， 2013，37（14）： 78-82.endprint