技術探索

SDN無線網路行動管理方法

2015-08-30

中文摘要

　　現階段的軟體定義網路（Software-Defined Network；SDN）在行動裝置換手時必定產生SDN訊息的交換以及繞送規則重新設定的動作，使得切換無線接取點(AP)的程序增加了額外的延遲。而這樣的動作所產生的延遲時間取決於網路的規模以及當時網路的狀況，時間可能達一千多毫秒，造成切換無線接取點的延遲時間過長，服務品質下降。為了減少SDN訊息對切換延遲的影響，本論文提出一個在SDN網路環境下的行動管理方法，其中Zone的概念以及繞送規則預先設定的概念，讓行動裝置切換無線接取點後就可以繞送上行的封包。此外，連線觸發的設計，讓行動裝置連線後，就主動觸發一SDN訊息給SDN控制器，以儘快更新下行繞送路由，SDN控制器在接收該訊息後，只需要調整各無線接取點以及交換器的繞送規則即可，不需要重新設定繞送規則，減少了繞送規則重新設定的時間。上述兩項設計可以減少SDN訊息對切換無線接取點延遲的影響，加速行動裝置換手。

Abstract

　　Handovers in a software-defined network (SDN) require additional SDN signaling for routing rule re-configuration, which prolongs handover delay. The degree of the delay depends on the scale of a network and network conditions at that moment, which could be more than 1000 mini-seconds. Therefore, the service quality can be degraded. This paper proposes a mobility control method for SDN-based wireless networks where concepts of zone and routing rule pre-configuration are utilized in the proposed method to enable the function of uplink routing in the network. In addition, a proactive notification design is proposed that as a user equipment connects to the network, an SDN notification message is triggered to inform the SDN controller of a connection-established-after-handover event so as to update the downlink route for the user equipment. The route update is optimized in that the critical routes are re -configured. With the two techniques, the SDN signaling delay contributing to the handover can be mitigated in an SDN-based wireless network.

關鍵詞(Key Words)

軟體定義網路 (Software-Defined Network；SDN)
行動管理 (Mobility Management；MM

1. 前言

　　從2012年開始軟體定義網路（Software Defined Network；SDN ） 成為熱門議題[1-3]，其實SDN並不是一個「民生必需品」，因為多數的網路環境， 沒有它照樣可以運行得很好。但是從熱門的雲端相關應用︰ 基礎設施即服務（Infrastructure as a Service；IaaS）、平台即服務（Platform as a Service PaaS）與軟體即服務（Software as a Service；SaaS）等來看，可以發現一個共通點，那就是「服務」導向。軟體定義網路因其中控式管理、網路繞送行為可動態調整的特性， 極適合使用者常移動的無線網路， 可依網路使用狀況提供使用者更有效率的接取服務。以「服務」的角度驅動網路建構所需要的環境， 並且根據實際網路需要的狀態， 提供程式化的服務策略及規模的需求，才是我們對於SDN的需要；這也是當前硬梆梆的網路概念所無法支持的「以服務驅動的網路基礎架構」觀念。

　　目前無線接取點（access point；AP） 以及交換器都可以支援SDN功能，但目前的無線SDN網路對於行動管理的支援仍有可以改善的空間[4-6]，其中，當行動裝置(User Equipment,UE)移動換AP時，會有換手延遲增加的問題。當前SDN網路的換手流程， 必包含SDN的訊息交換，增加換手延遲，而SDN訊息交換與處理的時間界於3ms~1000+ms[7]之間，在配置資料流路由前， 基地台與後端交換器無法為行動裝置繞送封包，會有嚴重的封包遺漏。

　　如圖1所示，由於所有AP 及交換器（Switch）的繞送規則都是SDN 控制器（SDN Controller）所指派的，行動裝置換手至目標AP(Target AP)後，目標AP沒有行動裝置的繞送規則，必須向SDN 控制器要求調整繞送規則，額外增加換手延遲。因此， 本論文欲解決行動裝置換手延遲增加的問題，以補足SDN網路在行動管理支援上的不足。

圖 1 SDN網路換手延遲 示意圖圖 1 SDN網路換手延遲 示意圖

2. 相關研究

2.1 OpenFlow介紹

　　在SDN的架構中，如圖2所示，網路上的交換器透過SDN 控制器的控制，建立繞送規則，決定其封包繞送行為。交換器上的繞送行為是由封包流路由表（Flow Table）裡面的封包流路由規則（Flow Entry）來決定的[3]，換句話說， 封包流路由規則定義了交換器的繞送規則。舉例來說， 當交換器裡有一條「目的地IP位址為5.6.7.8時，送至埠1」的繞送規則時，IP位址為1.2.3.4的終端可以傳送封包給IP位址為5.6.7.8的終端，但，IP位址為5.6.7.8的終端卻因沒有任何適用的規則， 無法傳送封包給IP位址為1.2.3.4的終端。由於規則均是由SDN 控制器來決定，SDN 控制器可以在任何需要的時刻改變交換器的繞送行為。

圖 2 SDN架構示意圖圖 2 SDN架構示意圖

　　如圖3所示，從封包流路由規則的格式我們可以看出交換器可以根據封包的MAC位址、IP位址、TCP埠、VLAN ID等決定該如何處理封包；處理的方式包括繞送至一出口埠(Output Port)、回送封包給SDN 控制器、丟棄封包、變更封包欄位、依傳統繞送方式處理。從這邊我們可以看到SDN交換器可以做到不同粒度(Granularity) 的封包處理與繞送，例如：繞送到同一終端(特定目的地IP位址)的封包可依目的地TCP埠的不同而有不同的繞送方式。

圖 3 Flow Table Entry Format圖 3 Flow Table Entry Format

2.2前期研究

　　由於文獻中有許多討論行動管理的論文，本節就與SDN架構相似或雷同的行動管理機制做文獻探討。 在文獻[10]中，作者提出使用階層式架構在本地端更新路徑的換手機制，以減少換手延遲。此方法是由行動裝置通知Switch做路徑更新，須修改行動裝置，實用性較低。在文獻[15]中，作者提出一快速換手機制，透過判斷行動裝置的換手是否換subnet來決定使用Layer-2或Layer-3的換手，避免不換subnet之Layer-2換手採用Layer-3的換手流程以及換subnet之Layer-3換手採用Layer-2的換手流程之情況，加上利用Layer-2(或Layer-3) Trigger機制，以加速換手流程的進行。此方法亦需要修改行動裝置，可實行性亦較低。在文獻[12]中提出由Layer-3驅動快速換手的方法，由Layer-3偵測並驅動換手請求，此方法的決策與驅動功能放在行動裝置，須修改行動裝置，實用性亦較低。在文獻[14]中提出路徑優化的方法，原繞送路徑繞經一家網路代理者(Home Agent；HA)，路徑優化之後， 繞送路徑直接到目的地端的AP，此路徑優化方法會使得換手後的路徑需要經過兩階段的更新，所需要的控制訊息量較多。此架構與SDN架構不同之處在於，SDN網路是控制訊息統一集中在控制器處理，封包的繞送就不一定需要經過一集中的控管單元；而此架構是封包的遶送會統一先送到家網路代理者後，才做後續路徑優化。在文獻[13]中提出行動裝置位置更新以及用以找到處於待機狀態的行動裝置之方法，其中，AP被區分為若干個Zone，用以維護行動裝置的約略位置。雖然在功能面上採用Zone的觀念，但該方法僅適用於找尋在待機狀態的行動裝置。

3. 行動管理方法

　　為了加速無線接取點切換的程序，本論文利用Zone的概念以及繞送規則預先設定的概念，讓行動裝置切換無線接取點後就可以繞送上行的封包。在Zone內的無線接取點指的是UE所在服務接取點(Serving AP) 的鄰近接取點(Neighbor APs)，預先在鄰近接取點設定繞送規則，就可以即早開始上行資料封包的傳輸。此外，我們提出連線觸發的設計，讓行動裝置連線後，就主動觸發一新的SDN 行動管理通知（SDN Mobility Notify）訊息給SDN 控制器，以儘快更新下行繞送路由。SDN控制器在接收該訊息後，會先調整目標接取點以及相關交換器的繞送規則，之後再調整目標接取點Zone內的鄰近接取點以及相關交換器，其中，SDN 控制器只需要調整尚未預先設定下行繞送規則的無線接取點以及交換器即可，不需要重新設定各AP/Switch的繞送規則，減少了繞送規則重新設定的時間。上述設計可以減少SDN訊息對切換無線接取點延遲的影響，加速無線接取點切換的程序。以下我們用兩個章節來做詳細的說明。

3.1基本流程

　　如圖4所示，本案所提出之行動管理方法的流程如下：

  1. SDN 控制器初始化行動裝置的封包流路由規則︰ 在a1、s1建立UE的封包流路由規則以及在鄰近AP (a2) 與相關Switch (s1)預先設定 封包流路由規則
  2. 行動裝置從a1移動到a2
  3. a2偵測到行動裝置加入
  4. a2繞送行動裝置的上行資料封包
  5. a2 發出SDN 行動管理通知訊息給SDN 控制器
  6. SDN 控制器優先更新行動裝置的當前繞送路徑上的封包流路由規則︰ 更新s1中行動裝置下行封包流路由規則的Priority
  7. a2開始繞送行動裝置的上下行資料封包
  8. SDN 控制器更新需為行動裝置預先設定的封包流路由規則︰ 新Zone內鄰近AP(a3) 及與其相關之Switch(s1 、s2)的行動裝置封包流路由規則更新
圖 4 提出之行動管理流程 圖圖 4 提出之行動管理流程 圖

　　在第二步前（ 意即換手前），Zone內的AP(a1、a2)之上下行封包流路由規則皆已設定。表1是換手前相關網路設備的Flow Table，Switch s1由於其下連接了兩個(以上)在Zone內的AP，因此分別設定了兩組上下行的封包流路由規則，其中，下行的兩條封包流路由規則中，output到a1的priority較高，output到a2的priority較低。這邊，我們設計了兩條下行封包流路由規則，它們的Rule是一樣的，但Priority不一樣，是為了在換手後可以快速的更新路徑，減少封包延遲。

表 1 各網路裝置的封包流路由規則（換手前）表 1 各網路裝置的封包流路由規則（換手前）

　　在第五步時，AP會發出SDN 行動管理通知訊息給SDN 控制器，其觸發的方式有兩種。第一種是Layer-2訊息交換結束之後，AP發出SDN 行動管理通知訊息，如圖5所示，此方法的優點是Layer-2訊息交換結束之後，行動裝置與AP之間的認證已經完成，安全性較高，但換手延遲會較長。第二種方式，如圖6所示，當AP 接收到第一個Layer-2 訊息時即發出SDN行動管理通知訊息。此方法的優點是可以加速換手，但安全性較低。

圖 6 SDN 行動管理通知 訊息觸發流程 －第一個Layer-2 訊息送至AP之時觸發圖 6 SDN 行動管理通知 訊息觸發流程 －第一個Layer-2 訊息送至AP之時觸發
圖 7 SDN 行動管理通知 訊息處理流程圖 7 SDN 行動管理通知 訊息處理流程

　　如圖7所示，當SDN 控制器接收到SDN行動管理通知訊息時，會先將換手之後需要用到的新路徑重建(即圖4中的第六步)，因此，優先設定沿路的網路設備之Flow Table；之後再為下一次換手後之路徑做事先的設定(即圖4中的第八步），以提升下次換手後的路徑重建效率。換手之後，各網路裝置的封包流路由規則如表2與表3所示，當SDN 控制器接收到SDN行動管理通知訊息時，會先將換手之後需要用到的新路徑重建，在圖4中的例子中，僅需要調整交換器s1的Flow Table（請參見表2），意即僅調整前兩條Flow Entry的Priority即可，路徑重建的動作減少，延遲也勢必縮短。之後在圖4中的第八步， 為下一次換手後之路徑做事先的設定的部分包括︰預先新增該行動裝置在APa3以及交換器s2上的Flow Entry。（請參見表3）

表 2 換手後優先更新之網路裝置的封包流路由規則表 2 換手後優先更新之網路裝置的封包流路由規則
表 3 換手後預先設定鄰近網路裝置的封包流路由規則表 3 換手後預先設定鄰近網路裝置的封包流路由規則

4. 換手延遲的差異比較

　　為了了解本論文所提出的方法之特性，我們利用兩個換手情境來與現有SDN環境下的換手行為做換手延遲的比較。

　　如圖8所示，情境（一）參考圖4，為當行動裝置由AP a1換手到AP a2的情況。其換手延遲差異分析結果如圖9所示，一般SDN網路下的換手行為，我們以「傳統做法」稱之，其中，在從行動裝置送出第一個資料封包開始直到AP送出通知訊息的時間，在傳統做法中是AP在收到封包之後會先經過Flow Table 處理，在如圖8所示，情境（一）參考圖4，為當行動裝置由AP a1換手到AP a2的情況。其換手延遲差異分析結果如圖9所示，一般SDN網路下的換手行為， 我們以「傳統做法」稱之，其中，在從行動裝置送出第一個資料封包開始直到AP送出通知訊息的時間，在傳統做法中是AP在收到封包之後會先經過Flow Table 處理，在比對不到任何的Flow Entry的情況下送出通知SDN 控制器該資料封包不知如何處理的Packet_in訊息，其中夾帶了該資料封包，以做為SDN控制器判斷要如何更新Flow Table的依據；至於本論文所提出的方法，在AP內處理的時間則是AP在收到封包之後透過Layer－２的趨動訊息直接送出SDN Mobility Notify的通知給SDN控制器，因此，少了在Flow Table內找尋是否有吻合的Flow Entry的時間。這段時間是百萬分之一秒等級（microsecond） 的時間，傳統做法與本論文的行為差異雖大，但所耗時間的差異則不大。接著， 在SDN控制器收到通知訊息之後，一直到主要路徑重建完成的時間， 在傳統做法中必須建立AP a2的兩條Flow Entry以及刪除與新增交換器s1中各一條的Flow Entry，包括刪除繞送到服務AP的Flow Entry和新增繞送到目標AP的Flow Entry；而在本論文所提出的做法中，僅需要更新s1中的兩條Flow Entry的Priority，即完成主要路徑的重建。一般而言，Flow Table更新所耗時間是千分之一秒等級（ milisecond）的，介於4ms~100ms之間[1]。因此，在本論文所提出的行動管理方法中， 需要建立或更新的Flow Entry量減少，所以換手延遲減少。

圖 8 換手延遲的差異比較 ：情境（一）圖 8 換手延遲的差異比較 ：情境（一）
圖 9 換手延遲差異比較： 差異比較（一）圖 9 換手延遲差異比較： 差異比較（一）

　　我們可以從情境（二）（請參見圖10）中看到本論文所提出之行動管理方法可以減少的更多不必要的換手延遲。如圖11所示，在SDN控制器收到通知訊息之 後，一直到主要路徑重建完成的時間，傳統做法需要更新的網路設備數量增加了，包括AP a1和a3以及交換器s2，

圖 10 換手延遲的差異比 較：情境（二）圖 10 換手延遲的差異比 較：情境（二）
圖 11 換手延遲差異比較 ：差異比較（二）圖 11 換手延遲差異比較 ：差異比較（二）

5. 結論

　　本論文提出一個在SDN網路環境下的行動管理方法，其中，Zone的概念以及繞送規則預先設定的概念，讓行動裝置切換無線接取點後就可以繞送上行的封包。此外，連線觸發的設計，讓行動裝置連線後，就主動觸發一SDN訊息給SDN控制器，以儘快更新下行繞送路由。由於，SDN控制器在接收該訊息後，只需要調整各無線接取點以及交換器的繞送規則即可，不需要重新設定繞送規則。與一般傳統SDN網路的換手行為做比較，本論文所提出的行動管理方法在Flow Table更新上可以減少許多時間。一般而言，Flow Table更新所耗時間是千分之一秒等級，當網路規模大時，與傳統方法相比，本論文的方法需要建立或更新的Flow Entry量會減少更多，換手延遲差異更大。

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作者簡介

黃貴笠

現任工研院資通所行動網際網路部工程師。國立交通大學資訊科學與工程博士。專長於網際網路通信協定與網路行為數學分析。 E-mail: GaryHuang@itri.org.tw

劉家隆

現任工研院資通所行動網路系統技術部副經理。國立中興大學資訊科學與工程博士。專長於高速網路交換器、無線寬頻網路、平行運算、3G & 4GMobile Communication。 E-mail: CLLiu@itri.org.tw

顏在賢

現任工研院資通所行動網路系統技術部技術副理。專長於行動網路系統、行動通訊協定、行動應用服務技術。 E-mail: chgan@itri.org.tw

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