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技術探索

SDN架構應用於多重無線存取頻寬聚合機制之研究

中文摘要

  行動網路的資料流量隨著智慧型行動裝置的普及而呈現快速成長,行動電信營運商試圖將網路核心設備升級來擴充服務數據容量,希望藉此解決行動數據流量快速增長的問題,但相對於呈爆炸性增長的行動數據流量而言,其成效相當有限;部分行動電信營運商提出行動數據流量卸載(Mobile Data Traffic Offloading)技術如Wi-Fi Offloading等來解決此一問題,然而此類技術僅考慮各網路的使用狀況,並未考慮數據流的特性,雖可短暫分散行動數據流量,長期而言,亦無法有效紓解逐年大幅增加之行動數據流量。有研究者嘗試透過多重網路之整合來解決此一問題,但多數相關研究皆需用戶端與伺服器端皆支援所提之協定,造成協定上使用不便之問題。是以本論文提出了基於軟體定義網路(Software-Defined Networking;SDN)之多重無線存取頻寬聚合機制,來處理LTE與Wi-Fi等多重無線存取間的傳輸路徑配置與管理。所提之多重連線接取軟體(multi-RAT adapter;MRA)與聚合控制函式(aggregation control function;ACF)分別安裝於user equipment (UE)端與SDN網路端以處理多重無線存取頻寬聚合。藉由我們提出的機制,UE端僅需安裝MRA軟體,而原本執行於UE端的應用服務不需做任何修改即可使用。則當單一網路無法滿足UE之QoS需求時(如UE執行需要高頻寬之應用服務),可經由本論文提出之基於SDN之多重無線存取聚合管理機制,依據當前網路傳輸效能與UE欲傳輸之服務流特性,提供SDN網路進行傳輸效能最佳化之網路聚合點與傳輸路徑配置決策, 滿足網路中各UE之網路服務品質需求, 並提高整體網路之使用效率。

Abstract

  In the recent years, the mobile traffic has grown rapidly with the popularity of smart mobile devices. Mobile telecommunications operators try to upgrade the core network equipment to expand the network capacity of services, hope to solve the problem of rapidly growing mobile traffic.Unfortunately, the violent growth of mobile traffic highlighte d the limitation of the upgrade. Some operators propose the Mobile Data Traffic Offloading technique such as Wi -Fi Offloading for resolving this problem. This approach tries to relief the heavy load of mobile traffic by dispersing traffic flows to other access networks; however, it only considers the usage of each network and does not distribute the data flows by their specifics. Thus in the long term, the performance of traffic offloading still cannot keep up with the year-on-year significantly increasing mobile traffic. Some researchers try to solve this problem through the integration of multi-radio access technology(multi-RAT), but most of the works require both of the clients and servers to support their proposed protocols, which cause incompatibility issue that could restrict the usage of the proposed protocols.Hence this paper proposes the SDN-based multi-RAT bandwidth aggregation mechanism, for handling the transmission path assignment and management between LTE, Wi-Fi, and other RATs. The proposed multi-RAT adapter (MRA) software and aggregation control function (ACF) areinstalled in user equipment (UE) and SDN side respectively for handling the multi -RAT bandwidth aggregation. Through our mechanism, the UE only needs to install the multi -RAT adapter software without impacting the application services executed in the UEs.When the QoS requirements of UE(e.g.,the UE executes a high-bandwidth-required application service) could not be satisfied by a single network, our SDN-based multi-RAT bandwidth aggregation and management mechanism can provide the transmission-efficient network aggregation point and the transmission path assignment strategy to the SDN networks. Thus our solution satisfies the network QoS requirements of UEs and enhances the efficiency of whole network utilization.

關鍵詞(Key Words)

多重無線存取頻寬聚合(multi-RAT bandwidth aggregation)
穿隧與解穿隧(tunneling and de-tunneling)
軟體定義網路(Software-Defined Networking;SDN)
封包重排序(packet reordering)

1. 前言

  行動網路的資料流量隨著智慧型行動裝置的普及而呈現快速成長。電信設備製造商Ericsson於2014年公布的全球行動報告指出,2014年第三季全球行動寬頻用戶較2013年成長了30%, 其用戶數將超越25億。用戶數據流量約比2013年同期增加了60%, 預計到2020年將成長8倍[1]。行動電信營運商試圖將網路核心設備升級來擴充服務數據容量,希望藉此解決行動數據流量快速增長的問題,但相對於呈爆炸性增長的行動數據流量而言,其成效相當有限;部分行動電信營運商提出行動數據流量卸載(Mobile Data Traffic Offloading)技術如Wi-FiOffloading [2]等來解決此一問題,然而此類技術僅考慮各網路的使用狀況,並未考慮數據流的特性,雖可短暫分散行動數據流量,長期而言,亦無法有效紓解逐年大幅增加之單一行動裝置之數據流量。市面上大多數的智慧型行動裝置都配備了多重無線存取介面,如高速封包存取(High Speed Packet Access;HSPA)、長期演進技術(Long Term Evolution;LTE)、全球互通微波存取(Worldwide Interoperability for Microwave Access;WiMAX)、與Wi-Fi。因此,多重無線存取技術(Multi-Radio Access Technology; Multi-RAT)的整合對滿足大幅增加的行動數據流量與行動網路使用者之資料傳輸服務品質需求來說,是一個可行的解決方案。

  多重無線存取頻寬聚合(Multi-RATBandwidth Aggregation)技術利用行動裝置(或稱使用者裝置,user equipment;UE)之多網路存取介面特性,可根據當前網路使用狀態,及數據流的特性,以多網路存取介面進行最佳化之網路配置,以滿足UE上應用服務傳輸之網路服務品質(Quality of Service;QoS)需求,並提升網路使用效率。此外,現今網路傳輸連線配置逐漸採取集中化管理,目前發展中的軟體定義網路(Software-Defined Networking;SDN)技術便是其中一種集中化管理方式。SDN是將交換器(switch)上的控制功能都集中到中央控管的控制器(controller)上執行,controller可藉由OpenFlow協定[3]對各個switch上的連線進行更細緻的控制,如決定單一連線傳輸路徑需要經過哪些switch以確保最佳傳輸品質。本論文基於SDN進行多重無線存取頻寬聚合之研究,並採用OpenFlow通訊協定做為開發工具。本研究由於SDN controller 與SDN switch 間會透過OpenFlow協定溝通,因此兩者也可分別稱為OpenFlow Controller (OFC)與OpenFlow Switch(OFS)。在SDN環境進行多重無線存取聚合機制時,其聚合點應如何配置才不會造成網路效能瓶頸, 與多重網路應如何相互配合以盡量滿足UE之QoS需求, 是本研究之困難點。是以本研究中當單一網路無法滿足UE之QoS需求時(如UE執行需要高頻寬之應用服務),可經由本論文提出之基於SDN之多重無線存取聚合管理機制,以OFC依據當前網路傳輸效能與UE欲傳輸之服務流特性,提供OFS進行傳輸效能最佳化之網路聚合點與傳輸路徑配置決策,以滿足網路中各UE之網路服務品質需求(如單一應用服務資料使用多重無線存取技術進行連線聚合傳輸),加速UE網路傳輸效率,並提高整體網路之使用率。此外當進行多重無線存取聚合之UE在無線基地台間移動並進行網路換手(handover)時,本論文所提出之系統亦可為UE進行移動管理(Mobility Management)並重新配置其網路聚合點與網路傳輸路徑,以確保UE之網路應用服務不中斷。藉由我們提出的機制,UE端僅需安裝一多重連線接取軟體,而原本執行於UE端的應用服務或用戶-伺服器(client-server)架構中的伺服器端不需做任何修改即可使用,藉此加速本機制之推廣。

2. 文獻探討

  目前國際對於多重無線存取整合系統之研究,尚在可行性探討及研究分析階段,國際標準組織如第三代合作夥伴計畫(3rd Generation Partnership Project;3GPP)與網際網路工程研究團隊(Internet Engineering Task Force; IETF)分別提出了通用封包無線服務穿隧協定(GPRS Tunneling Protocol ; GTP, GPRS for General Packet Radio Service) [4, 5]與代理行動網際網路協議(Proxy Mobile Internet Protocol PMIP)[6]來處理不同無線存取間的IP移動性議題。在[7]中對於3GPP所提出的第三代行動通訊與無線區域網路互動系統(3G-WLAN interworking system,WLAN for Wireless Local Area Network)[8]進行了效能量測,其實驗結果顯示互動系統之網路效能會顯著地受到大量服務連線(如網路語音電話服務)與UE移動所影響。而在[9]中進行了PMIP的多重無線存取整合研究,然而其方法缺乏了服務分類與傳輸路徑選擇機制。

  有研究者於傳輸層(Transport Layer)提出Multipath TCP (MPTCP) [10]機制,利用多條傳輸層的連線來傳送應用服務資料,優點是能在TCP協定中提供較可靠的多路徑傳輸服務;但此作法需要與既有TCP-based基礎網路架構妥協,如收送端皆須支援此協定, 且僅支援TCP協定的資料傳輸,造成使用上的不便。

  此外有研究者於網路層(Network Layer)提出Weighted Round Robin (WRR) [11]機制,將來自同一個傳輸層會談(session)的IP封包,藉由不同的網路介面進行傳送,好處是對上層應用來說沒有分別,且可相容於現有的基礎網路架構,但同樣有收送端皆須支援此協定的問題。

  以上研究所提出的做法並未針對各個網路的負載狀態進行傳輸路徑的最佳化動態調整,是以本論文提出SDN多重無線存取頻寬聚合系統,可依據當前網路傳輸效能與UE欲傳輸之服務流特性,進行傳輸效能最佳化之傳輸路徑配置,以滿足網路中各UE之網路服務品質需求,加速UE網路傳輸效率,並提高整體網路之使用效率,亦可透過其UE移動管理機制,重新配置UE之網路聚合點與網路傳輸路徑,以確保UE之網路應用服務不中斷。所提之系統將可補足目前國際技術不足之處,亦可輔助工研院科專計畫,為相關核心技術開發提供可行性研究分析。

  本研究團隊於[12, 13]中提出多重無線網路整合系統,透過分析使用者之應用服務特性,搭配各傳輸網路之狀態,進行最佳化之傳送路徑配對選擇,讓每個UE的應用服務都可以透過最合適之網路進行傳輸(如每個應用服務使用不同的網路輸),並藉由應用服務傳輸網路切換機制,達到網路負載平衡之功效。本論文承襲過去研究成果加以改良,聚合多個網路的頻寬來傳輸單一應用服務,如此可滿足UE高頻寬網路服務之需求;本論文亦透過UE移動管理機制,確保UE移動時所傳輸之網路應用服務不中斷,讓多重無線網路整合系統之功能更加完善。

3. 系統架構

  如圖1所示,我們可在後端網路(如MobileCore Network;Mobile CN、Internet)與無線基地台(如LTE HeNB、Wi-Fi AP)間導入SDN網路架構以進行網路連線配置。OFC收集網路中各個無線基地台之即時負載資訊,以及連接於各無線基地台之UE之QoS需求,再據此透過OpenFlow協定(如圖1 紅色虛線所示)對各個OFS上的網路連線進行控制,以達到多重無線存取配置與頻寬聚合。我們在UE上安裝一多重連線接取軟體(multi-RAT adapter,MRA),MRA提供一虛擬網路介面(virtual interface)供應用服務存取,並將虛擬網路介面收到之應用服務封包,根據當前傳送規則轉由實體之多重網路介面(如LTE或Wi-Fi介面)進行傳送。MRA會與OFC上的Aggregation Control Function (ACF)溝通,以取得進行網路連線切換與聚合傳輸時所需之必要資訊。在SDN網路的架構中,ACF可為OFC上的Application 或Bundle,ACF會控制OFC向OFS下命令或獲取資訊,以完成UE之多重無線存取頻寬聚合與網路封包繞送。

圖1 SDN之多重無線存取頻寬聚合系統架構

圖1 SDN之多重無線存取頻寬聚合系統架構

  我們假設OFS可透過flow entries的設定進行新增或移除封包表頭之欄位,因此對於LTE網路之通用封包無線服務穿隧協定之隧道(GPRS Tunneling Protocol tunnel;GTP tunnel)管理[4, 5],可藉由OFS來協助進行。OFS對於GTP tunnel 管理方式分為控制層(GTP Control,GTP-C) [4]與用戶層(GTP User,GTP-U)[5],GTP-C封包主要負責tunnel之新增、更新、與刪除,而GTP-U封包則承載用戶之資料,承載方式為在用戶資料封包最外層再加上GTP-U表頭。OFS 會將GTP-C 封包經由控制平面(Control Plane;C-Plane,如圖1綠色虛線所示)轉送至Mobile CN或LTE HeNB,以符合3GPP LTE通訊標準[14]。在GTP-U封包(經由用戶平面;User Plane;U-Plane轉送)方面,OFS會對GTP-U封包進行處理(由LTE HeNB直接連接的OFS進行處理),分為上行(uplink,即由UE上傳之封包)與下行(downlink, 即由Internet回傳之封包)兩個情境。在上行情境部分,OFS會依用戶別將上行封包之GTP-U表頭內容透過packet in (OFS接收到沒有對應處理規則的封包時,會以此訊息封裝該封包的表頭與內容傳到OFC進行分析,OFC分析後會於OFS設定對應處理規則[3])傳至OFC上的ACF紀錄,並將其移除(此動作又稱為解封裝decapsulation),再交由其他OFS接續轉送至Internet。在下行情境部分,ACF會依紀錄向負責處理GTP-U封包的OFS下flow entries,令其OFS依用戶將對應之封包GTP-U表頭裝回由其他OFS傳送過來的資料封包(此動作又稱為封裝,encapsulation),再轉送至LTE HeNB。我們假設ACF 會解析各LTE HeNB的GTP tunnel建立信令,進而紀錄各LTE HeNB上每個用戶下行封包之GTP-U表頭,並設定其資訊於對應之OFS中,以令OFS正確依用戶將對應之封包GTP-U表頭裝回資料封包中。

4. SDN多重無線存取頻寬聚合機制 設計

  SDN多重無線存取頻寬聚合機制可分為四個流程,分別為多重無線存取初始化、基於封包之多重無線存取頻寬聚合、頻寬聚合封包重排序、與UE移動管理。本章就此四個流程描述其運作細節。

4.1 多重無線存取初始化流程

  多重無線存取初始化流程如圖2所示,其步驟如下:

Step 1.

UE連上LTE網路取得IP1, 連上Wi-Fi網路取得IP2,並將LTE設為預設傳送網路。

Step 2.

UE 之MRA 透過LTE 網路向OFC 上的Aggregation Control Function (ACF) 發送Multi-RAT介面註冊訊息, 註冊訊息經由

 

LTE HeNB1轉送至OFS1。 

Step 3. OFS 透過packet in 將註冊訊息轉送給ACF。 
Step 4. ACF收到訊息後計算UE封包之聚合點與資料繞送路徑,並指派UE之應用服務傳輸IP (如IP3)。 
Step 5. ACF 將flow entries 設定下達至聚合點OFS (如OFS1)與封包途經的OFS (如OFS2,4) 
 
  • OFS1 : 將UE 封包進行tunneling/de-tunneling。
 
  • OFS2, 4:將封包轉送至UE、聚合點、或Internet。
Step 6. ACF將應用服務傳輸IP、CAP IP回傳給UE。 
 
  • CAP IP : Common Aggregation PointIP,為一個通用聚合點IP,UE在SDN網路中傳送的封包會採用穿隧(tunnel) 的技
      術進行傳送,其tunnel之destinationIP皆可設唯一共同之CAP IP,而封包途經之OFS 會依照flow entry 將封包routing 至 
      UE對應之聚合OFS,因為每個UE 所建立之tunnel 的source IP 皆不同, 因此不會有flow entries衝突之問題。
Step 7. UE收到後進行IP設定,註冊完成。

圖2 多重無線存取初始化流程

圖2 多重無線存取初始化流程

4.2 基於封包之多重無線存取頻寬聚合流程

  基於封包之多重無線存取頻寬聚合流程如圖3至圖4所示,其步驟如下:

Step 1.

UE 上的應用服務將上行封包傳給MRA。MRA分析封包後決定LTE與Wi-Fi網路之上行封包傳送比例(by service flow)

 
  • 若使用兩種以上網路傳輸, 則稱為packet-based傳輸方式。舉例來說, 若LTE 與Wi-Fi 網路之封包傳送比例為40:60, 則每個
       封包送出前MRA會檢查「LTE網路已傳送封包總大小/所有網路已傳送封包大小」,若其值小 於或等於40%, 則由LTE網路傳送
       ,反之則由Wi-Fi網路傳送。
 
  •  若只使用一種網路傳輸, 則稱為flow-based傳輸方式。
Step 2. UE將封包外包一層LTE (Wi-Fi)的tunnelheader (封包最內層為IP3的封包,UE上的應用服務使用IP3與Internet上的應用服務伺服器
  溝通),再將tunnel封包依比例經由LTE (Wi-Fi)網路送至OFS1。Tunnel封包之destination IP為CAP IP。
Step 3. OFS1 為聚合OFS ( 若封包來自LTE HeNB1,則OFS1會先去掉封包之GTP-U標頭, 即確保封包最外層為IP1 或IP2 封包後,再進行
  以下步驟), 則依據flow entry進行tunnel封包之de-tunneling (則封包剩下最內層的IP3封包), 再將UE封包透過packet in 訊息送
  至ACF 決定封包傳送方式。若UE封包已有對應之flow entry則跳至step 5。
Step 4.

ACF依據UE接取之網路狀態(如可用頻寬等), 決定各網路傳送比例(下行), 並將flow entries設定下達至OFS1。

Step 5.

OFS1 將de-tunneling 後的封包依flow entry轉送至Internet 上的應用服務伺服器(Application Server;App. Server)。

Step 6.

App. Server將要回傳給UE的資料封包傳送至OFS1。

Step 7.

OFS1為聚合OFS, 因此依據flow entry進行資料封包之tunneling (即加上一層IP1或IP2的tunnel)。

Step 8.

OFS1 依flow entry 將tunnel封包依比例經由LTE (Wi-Fi)網路轉送至UE (若封包須經由LTE HeNB1轉送給UE,則封包最外層會加上

  對應之GTP-U表頭)。
Step 9.

UE 收到後進行tunnel 封包之de-tunneling , 取出資料封包傳給應用服務。UE端由MRA進行packet reordering機制,將封包依序

  傳給應用服務。


 圖 3 基於封包之多重無線存取頻寬聚合流程 步驟1至5

圖4 基於封包之多重無線存取頻寬聚合流程

圖4 基於封包之多重無線存取頻寬聚合流程

4.3 頻寬聚合封包重排序流程

  頻寬聚合封包重排序流程如圖5所示,其步驟如下:ACF下flow entry到OFS1,令其處理UE之上行packet-based傳輸聚合時,OFS1會新增UE對應之ordering queue (by service flow)。OFS1 收到UE 上行tunnel 封包後,執行Action:

  1. 進行de-tunneling。
  2. 以封包tunnel header 之sequencenumber (SN) 為order (值越小order越高) ,將封包放入UE對應之ordering queue中。

  3. 設定封包的SN i與目前在等待的封包SN (current waiting sequence number)k之初始值為1,確認是否目前ordering queue中order最高封包的SN i = k?若是, 則此封包送出, k值加1, 重複此步驟;若否,則啟動timer,當timer到期時,將ordering queue中所有封包送出,避免App. Server太久沒收到封包判定服務中斷。

圖5 頻寬聚合封包重排序流程

圖5 頻寬聚合封包重排序流程

4.4 UE移動管理流程

  UE移動管理流程如圖6至圖7所示,其步驟如下:

Step 1.

UE因移動偵測到AP1連線訊號變差,則通知ACF由Wi-Fi網路傳送之資料流將切到LTE網路傳送。

Step 2.

ACF收到UE之切換訊息後,在UE之封包聚合OFS (OFS1)修改對應之flow entries,命令UE之資料流改為全由LTE網路傳送。

Step 3. ACF回覆傳送路徑修改成功訊息。
Step 4. UE改為全用LTE網路傳送上行封包。
Step 5.

UE 連上Wi-Fi AP2 後向ACF 傳送Multi-RAT介面更新資訊。

Step 6.

ACF藉此資訊重新計算決定新聚合點為OFS2,則ACF在新舊聚合點(OFS3, 1)與資料繞送路徑上的OFS (如OFS2, 4)修改對應

 

之flow entries

 
  • OFS3 : 將UE 封包進行tunneling/de-tunneling。
 
  • OFS1, 2, 4:將封包轉送至UE、聚合點、或Internet。
Step 7. ACF回覆介面更新成功訊息給UE。
Step 8. UE可使用Wi-Fi網路傳送上行封包。

  UE 因移動更換LTE HeNB(如由LTE HeNB1換到LTE HeNB2)的機制與上述流程相同,LTE HeNB的換手會由Mobile CN輔助進行,因此不再贅述。

圖6 UE移動管理流程步驟1至4

圖6 UE移動管理流程步驟1至4

圖7 UE移動管理流程步驟5至8

圖7 UE移動管理流程步驟5至8

5. 結論

  本論文提出了基於SDN之多重無線存取頻寬聚合機制,來處理LTE與Wi-Fi等多重無線存取間的傳輸路徑配置與管理。所提之多重連線接取軟體(MRA)與聚合控制函式(ACF)分別安裝於UE端與SDN網路端以處理多重無線存取頻寬聚合。藉由我們提出的機制,UE端僅需安裝MRA軟體,而原本執行於UE端的應用服務不用做任何修改即可使用,改善過去研究如MPTCP需要送端與收端皆支援此協定才能使用的缺點。

  於SDN網路端,ACF與UE互動,並透過OpenFlow協定控制OFS進行資料傳輸路徑之切換與管理。在未來,我們會透過多重網路架構進行實驗,量測此機制之傳輸速度提升與UE移動管理效能,以評估採用此機制之效率。

參考文獻

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  14. Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN); Overall description; Stage 2,3GPP TS 36.300, 2014.

作者簡介

楊舜能

國立成功大學資訊工程學系碩士,現任工研院資通所行動網路系統技術部工程師。專長於多重網路整合、行動網路通訊協定、個人通訊網路技術。
E-mail: takeshi@itri.org.tw

顏在賢

國立台灣大學資訊工程學系博士,現任工研院資通所行動網路系統技術部技術副理。專長行動網路系統、行動通訊協定、行動應用服務技術。
E-mail: chgan@itri.org.tw

林一平

美國華盛頓大學(西雅圖)計算機工程學系博士,目前擔任國立交通大學資訊工程學系教授與中華民國科技部政務次長。林一平教授以數學理論進行大規模電信網路的效能評估分析, 在行動通信(Mobile Telecom) 領域的研究具有重要突破及開創性的貢獻。發表三本原創性專業教科書及275篇國際知名學術期刊之論文,獲准台、美、中、英、德等44項專利。有十餘篇論文被引用超過百次,成果引導行動管理之學術風潮及國際前瞻研究, 成為ISI (Institute for Science Information)Computer Science領域的高度被引用學者。
E-mail: liny@cs.nctu.edu.tw

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