基于SDN的无线接入网业务控制方法

基于SDN的面向未来无线接入网Gopalasingham Aravinthan引用此版本：Gopalasingham Aravinthan。用于未来无线电接入网络的基于SDN的面向服务的控制方法。网络和互联网架构[cs.NI]。国家电信研究所，2017年英语NNT：2017TELE0013。电话：03738138HAL Id：tel-03738138https://theses.hal.science/tel-037381382022年7月25日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire基于SDN的未来无线接入网面向业务的控制Approchedecontronteer vicesbassurSDN为了未来的移动通信诺基亚机密经济部：在这方面，TelecommunicationsetElectroniquedeParisSp′ecialit′e：InformatiqueetT′el′ecommunicationsPrésentée le16 juin 2017 parARAVINTHAN GopalasinghamPour obtenir le grade deDOCTEUR DE TELECOM SUDPARISDevantlejurrycompos'ede：M. 还有一个-吕克贝伊洛埃布尔瑟，特别报告员ENSEEIHT，法国M.鲁本·H米洛科埃布尔瑟，特别报告员科马韦国立大学阿根廷M. PaulMulethaler天气-因弗里亚，法国考官1999年MaitredeConf'erences，HDR，考试Le cnam，法国M.马塞洛·迪亚斯·德阿莫林研究部主任，考官第6页，法国M.埃里克·雷诺MaitredeConf'erences，HDR，Direct eurdeTh`eseTelecom Sud法国巴黎M.洛朗·鲁莱由研究小组负责主管VirtualisationdesReseauxMobi iles，诺基亚贝尔实验室，法国您的版本：2017TELE00131面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017内容出版物列表71介绍11.1软件定义的网络11.2下一代无线网络41.3研究动机41.4论文结构52 SDN和NFV：最新技术水平72.1OpenFlow协议72.2SDN控制器102.3服务器虚拟化202.4打开vSwitch和HypervisorBridge232.5软件定义的无线网络262.5.1正在进行的研究262.5.2挑战283 软件定义的无线网络313.1总体架构和研究目标313.2SDN for Self OrganizingNetworks自组织网络3.2.1自组织网络343.2.2建筑学393.2.3使用案例413.3用于无线回程网络的433.3.1ITS中的无线回程433.3.2架构463.3.3使用案例493.4用于动态用户处理的SDN拆分533.4.1云RAN53的演进3.4.2建筑学583.4.3使用案例654 架构验证714.1SDN for Self Organizing Networks：Prototype，Implementation and Validation自组织网络的SDN：原型、实施和验证2面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20174.1.1原型：基于虚拟机的虚拟化724.1.2原型：基于Docker容器的虚拟化744.1.375型控制器4.1.4性能比较764.1.5讨论和结论774.2无线回程网络的SDN：原型、实施和验证4.2.1软件原型784.2.2硬件原型804.2.3软件定义的无线回程即服务834.2.4讨论和结论875结论和今后的工作缩略语列表93示威活动97诺基亚和贝尔实验室101Frenc hSummary（R'esum'e）1113面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017图目录1.1架构：软件定义的网络31.2传统网络与软件定义网络（SDN）............................................................................................ 32.1OpenFlow路线图82.2SDN控制器：使用案例[1]102.3OpenDaylightHydrogen架构和组件[2]。...............................................................................122.4简化的开放式建筑[3]。............................................................................................................. 122.5ONOS-系统架构[4]152.6分布式核心系统[4]152.7ONOS-子系统结构[4]162.8ONOS-意图子系统架构[4]172.9ONOS-Intent StateMachine架构 [4]172.10 用于性能验证的182.11SDN控制器性能比较192.12 SDN控制器性能测量：置信区间202.13 虚拟机管理程序虚拟化与容器虚拟化212.14 相同的不同FlavorOS容器222.15 操作系统容器与应用程序容器222.16 使用Hypervisor23的虚拟网络2.17 开放式vSwitch架构243.1软件定义的无线网络：全球视角323.2自组织网络的一般框架353.3集中式SON的架构 [5]363.4分布式SON架构 [5]363.5混合SON的架构[5]373.6软件定义无线电接入网络架构403.7用于eICIC网络优化的403.8eICIC优化算法423.9智能交通系统[6]443.10 列车到地面网络的软件定义无线回程3.11软件定义的无线电调制解调器体系结构3.12 OVS48中使用优先级排序的分组调度4面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20173.13 用户连接场景503.14 服务调度过程513.15 用户调制解调器切换过程523.16 LTE架构和功能[7]535面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20173.17 LTE的不同层 [7]543.18 云RAN的一般架构 [8]573.19 物理层进程分割的潜在接口[8]573.20 下行链路数据速率[8]583.21 软件定义的云RAN架构3.22 软件定义的云RAN，完全集中RRM603.23 软件定义的云RAN，在RRH中具有PHY小区和完全集中化RRM61的作用3.24 软件定义云RAN65的SDN控制器架构3.25 用于完全集中RRM66的数据无线电承载建立过程3.26 动态资源分配过程，实现RRM的.............................................................................................673.27 资源故障恢复过程684.1性能验证原型724.2网络拓扑734.3TTI处eICIC优化之前/之后的网络吞吐量50744.4使用Docker容器的744.5架构：虚拟机与Docker容器4.6VM架构和Docker架构下的数据包到达间隔时间。............................................................... 774.7基于虚拟机的体系结构和基于docker的体系结构的平均等待时间774.8基于虚拟机的体系结构和基于Docker的体系结构的服务率。............................................. 784.9软件原型架构794.10 软件原型场景804.11硬件原型架构814.12 无线电调制解调器-硬件原型824.13 基于OpenAirInterface的Femto设置824.14 硬件原型演示834.15 ONOS命令行接口844.16 ONOS GUI-用户附件844.17 ONOS GUI-用户附件应用程序部署854.18 ONOS GUI-用户调制解调器附件后854.19 ONOSGUI：连接用户的端到端网络连接之后864.20 软件定义的无故障后台即服务874.21 无线回程中的网络切片875.1作者：ACMMobiSys，June26th-30th，2016，Singapore97......................................................5.2作者：SystufProjectEvent，2016年1月2日，Villarceaux，法国98...........................................5.3演示海报：2015年贝尔实验室开放日，Villarceaux，France995.4演示海报：贝尔实验室开放日，2016，Villarceaux，France1006面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017表的列表2.1控制器到交换机OpenFlow消息92.2异步OpenFlow消息92.3对称OpenFlow消息102.4ODL的基本网络功能 [3]132.5[9]第九话：我的世界2.6SDWN27研究摘要3.1用于SON用例413.2用于无线回程的SDN平台用例493.3无线电资源控制状态543.4C-RAN用例664.1 eICIC模拟参数737面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20176面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017出版物清单(1) Aravinthan Gopalasingham ， Laurent Roullet ， Nessrine Trabelsi ， Chung Shue Chen ，AbdelkrimHebbar，E′rickBizouarn：GeneralizedsoftwaredefinedntworkplatformforrRadioAccessNet- works.IEEE消费者通信和网络会议（CCNC）2016：626-629。(2) AravinthanGopalasingham，QuanPhamVan，LaurentRoullet，ChungShueChen，E'ricRenault，Lionel Natarianni，Stephane De Marchi，Emmanuel Hamman：未来列车对地面通信服务的软件定义移动回程。IFIP无线和移动网络会议（WMNC）2016：161-167(3) Aravinthan Gopalasingham，Quan Pham Van，Laurent Roullet，Chung Shue Chen，EricRenault，Lionel Natarianni，Stephane De Marchi，Emmanuel Hamman：演示/海报：未来车地通信服务的SDN。2016年ACM计算机系统（Companion Volume）：134(4) Aravinthan Gopalasingham，Dalia-Georgiana Herculea，Chung Shue Chen，RoulletLaurent。利用虚拟机和Docker实现无线接入网虚拟化：实践与性能分析。IFIP/IEEE集成网络管理国际研讨会（IM(5) Dora Boviz，Gopalasingham Aravinthan，Chung Shue Chen，Laurent Roullet：SDN使能云RAN中用户选择性上行链路联合接收的物理层分割澳大利亚通信理论研讨会（AusCTW）2016：83-88。(6) Dora Boviz ， Nivine Abbas ， Gopalasingham Aravinthan ， Chung Shue Chen ， MohamedAmine Dridi：Cloud RAN中的多小区协调：架构和优化。国际无线网络和移动通信会议（WINCOM）2016：271-277。(7) Abdelkader Outtagarts ， Laurent Roullet ， Bruno Mongazon-Cazavet ， GopalasinghamAravinthan：当IT遇到电信：RAN即服务。IEEE/ACM UCC 2015：422-423.(8) Matteo Artuso，Dora Boviz，Aleksandra Alberko，Henrik Lehrmann Christiansen，BrunoClerckx，Laura Cottatellucci，David Gesbert，Bobby Gizas，Aravinthan Gopalasingham，Faheem A.放大图片创作者：John R. Müller，DimitriosNtai kos，Konsta n tinosNtougias，Consta ntinosB.Pa-padias ， Borzoo Rassouli ， Mohammad Ali Sedaghat ， TharmalingamRatnarajah，Laurent Roullet，St′ephaneS′en′ecal，HaifanYin，LinZhou：EnancingLTEwithC-RANandLoad-Co ntrolled Parasitic Antenna Arrays. IEEE Communications Magazine 54（12）：183-191（2016）.(9) Dora Boviz ， Mohamed Amine Dridi ， Nivine Abbas ， Gopalasingham Aravinthan ：Demo/Poster：Demonstration proposal：Multi-cell Coordination in Cloud RAN enabled bySDN，IEEE WCNC，2017.(10) Bogdan Uscumlic 、 Jesse Simsarian 、 Arnaud Dupas 、 Eric Dutismartil 、 Gopalasingham7面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017Aravinthan、ThierryZami、S′ebastienBigo和YvanPointurier：光分组交换环形数据中心的成本效益分析IEEE International Conference on Communications（ICC 2017）8基于SDN的面向未来RAN的服务控制方法论文201720171面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文第1介绍1.1软件定义的网络未来的互联网被认为是下一代网络（NGN），将提供综合业务，即交互、多媒体、数据、实时和移动业务。随着Internet上数据传输的快速增长，构建和管理大型IP/以太网变得越来越复杂。 当前的网络架构只能部分满足企业、运营商和最终用户的需求。在当今的网络中，存在许多离散的协议集（例如，路由协议、以太网、IP等）。用于在任意距离、链路速度和拓扑上连接网络设备。这些协议是孤立定义的，以解决特定问题，而没有任何基本抽象的好处。 这导致了当今网络的主要局限之一：复杂性。例如，要添加或移动任何设备，IT管理员必须使用设备级管理工具（重新）配置多个硬件/软件实体，同时由于当今的动态服务器环境、服务器虚拟化和虚拟机迁移，网络的静态性质是当今网络的第二个限制虚拟机迁移对传统网络的许多方面提出了挑战，从寻址方案和命名空间到分段的、基于路由的设计的基本概念 除了采用虚拟化技术外，如今许多企业还运营IP融合网络，用于语音、数据和视频传输[11]。虽然现有的网络可以为不同的应用提供不同的QoS级别，但这些资源的配置是高度手动的。IT管理员必须分别配置每个供应商由于其静态特性，网络不能动态地适应不断变化的业务、应用和用户需求。另一方面，不一致的策略也是当今网络实现网络范围策略的限制IT管理员必须配置成千上万的设备和机制，而当今网络的复杂性此外，运营商和企业一直在寻找新的方法来部署新的功能和服务，以快速响应不断变化的业务需求或用户需求。然而，他们的响应能力受到供应商设备产品周期的阻碍，这需要几年的时间。此外，缺乏标准限制了网络运营商根据其个人环境设计网络的能力当前网络的所有这些局限性将该行业带到了一个临界点。作为回应，业界创建了软件定义网络（SDN）架构2面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017并正在制定相关标准[11]。软件定义网络（SDN）是一种新兴的架构，具有动态、可管理、经济高效和适应性强的特点，非常适合当今应用的高带宽和动态特性SDN架构将网络控制和转发功能集成在网络设备中，并使网络能够直接编程。SDN通过抽象底层基础设施，为应用和网络服务提供必要的智能和控制[12]。开放网络基金会（ONF）在SDN标准化方面处于领先地位，它提出了SDN架构模型[11]，如图1.1所示。根据ONF，SDN架构是：• 直接可编程：网络控制是直接可编程的，因为它与转发功能解耦• 敏捷：从转发中提取控制，允许动态调整网络范围的流量，以满足不断变化的需求。• 集中管理：控制功能（逻辑上）集中在基于软件的SDN控制器中，这些控制器维护网络的全局视图• 可编程配置：SDN允许网络管理员通过动态、自动化的SDN程序快速配置、管理、保护和优化网络资源• 基于开放标准和供应商中立：通过开放标准实施，SDN简化了网络设计和操作，因为指令由SDN控制器提供，而不是多个供应商特定的设备和协议。ONF/SDN架构由三个不同的层组成：• 应用层由终端用户业务应用程序组成，这些应用程序与控制器通信，以提供不同的通信服务。• 控制层包括集中式SDN控制器，其维护网络的全局视图它通过一个开放的接口控制和监督网络转发功能一些开源控制器是NOX，Floodlight，Ryu，OpenDayLight等。• 物理层由物理网络设备组成，包括以太网交换机、Open-vswitch和提供分组交换和转发的路由器在传统网络中，网络设备由管理交换、路由和传输工程活动的嵌入式和分布式控制平面组成该分布式控制平面提供用于构建转发表和配置分组处理策略（例如，安全性、传输整形、转发等）的信息数据平面根据转发表决定将帧和数据包发送到何处如图1.2所示，这两个平面都位于同一个网络设备中。与传统网络相比，SDN范式将控制平面从网络设备中分离出来，并成为外部实体，如图1.2所示。SDN控制平面被实现为具有专用功能的一组软件模块，并且可以被视为逻辑上集中的实体，控制网络中的每个数据平面SDN控制器使用各种网络配置协议与网络中的路由器、交换机和任何SDN兼容的中间盒的转发表进行交互传统网络中的分布式控制平面协议可以被视为网络服务或部署在控制器中的应用所有应用程序都可以利用相同的网络信息（全局网络视图），从而（可以说）在重用控制的20173面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文APLS图1.1图1.2-平面软件模块。这些应用程序可以从网络的任何部分采取行动（即重新配置转发设备）。不同应用程序的集成变得更加简单。例如，负载平衡和路由应用程序可以顺序组合，负载平衡决策优先于路由策略。4面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20171.2下一代无线网络基于移动宽带系统的应用和服务的持续增长要求运营商预期应该能够满足未来极端容量和性能需求的网络架构。为了应对这样的需求，一些网络运营商现在采用云计算范例，该云计算范例能够通过将通信服务从运营商核心中的专用硬件加载到位于远程数据中心中的服务器场来匹配容量需求但这些服务与传统IT服务相比具有不同的传输特性和服务质量（QoS）约束，需要在云计算过程中加以考虑[13]。移动网络运营商和供应商认为，下一代网络将基于现有和不断发展的技术（如LTE、LTE-A和Wi-Fi）以及最近的革命性技术构建，以获得千兆用户体验和几乎零延迟的通信。下一代网络的主要原则要求是与其前身相比，具有扩展的网络为了具有这种丰富的可接入性，预测未来的无线网络本质上是异构的，具有宏小区和小小区（HetNet）的密集部署[14]。因此，基站的密集部署将在网络中带来更复杂的干扰场景。来自LTE-A的联合频率和时间调度技术是减轻HetNet中的小区间干扰问题的标准技术[15]。然而，在LTE中提出的用于管理无线电资源的当前分布式解决方案对于密集的小型部署是不可扩展的在LTE-A中，协作多点传输（CoMP）和网络多输入多输出（MIMO）是用于改善用户体验和网络利用率的技术为了支持这样的技术，RAN严重依赖于网络层，用于在发送/接收期间在分布式基站之间进行协调。这引入了在RAN的当前设计中执行这样的技术的通信开销（等待时间）为了满足这些要求和各种业务需求，网络应该非常灵活，易于重构。SDN的演进正在讨论[16]，以实现无线电接入网络（RAN）的可编程性和可扩展性这种方法的主要好处是允许集中式控制器具有完全的智能，从而可以更好地优化RAN的功能云RAN（C-RAN）[17]架构可以通过SDN和NFV解决软件控制中的网络自优化、自配置和自适应需求在C-RAN的上下文中网络功能虚拟化（NFV）还通过使用编排等自动化技术，显著降低了CAPEX和OPEX”[18]与吴敬琏。1.3研究动机虽然下一代无线网络的主要技术（即5G）尚未具体说明，但重要的用例和要求已经列出[19，20]。研究人员、运营商和供应商的共同理解是，5G将成为部署移动宽带、关键机器类型通信和物联网（IOT）等服务的统一平台各种各样的用例当然需要新的网络架构来支持20175面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文这种更广泛的混合服务。为了覆盖这些用例和要求，5G无线电接入网络（RAN）需要以这样的方式设计，即它应该有效地利用可用频谱。RAN的软件化是一种便于无线电资源的控制层和数据层的明确分离以及SDN概念中的端到端网络抽象将是在未来无线网络中实现这种可扩展性和可编程性的关键解决方案。从RAN的角度来看，软件化不仅将促进无线电资源的编排，还将促进频谱的管理和共享。将SDN集成到无线网络中可以通过频谱感知、频谱移动性和有效实施网络中的频谱共享策略来更有效地管理频谱因此，软件定义的RAN控制架构带来了无线电资源的更有效使用这种方法还使运营商受益，使其主要用户（如移动虚拟网络运营商（MVNO）和内容提供商）能够根据服务要求更好地调整其网络。通过改进和优化不同网络实体之间的协调，最终用户将获得增强的网络体验因此，SDN的引入也将对未来移动产业的价值链产生重大的商业影响，因为其固有的优势可以减少资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）因此，本论文的重点是设计和验证一个合适的软件定义无线电接入网络架构，为下一代无线网络的各种用例和部署场景带来灵活性，可编程性和统一管理1.4论文组织论文的其余部分组织如下。第2章介绍了最先进的SDN和NFV技术及其优势，挑战以及不同SDN控制器的性能验证第2章还介绍了最先进的软件定义的网络方法，无线通信系统和挑战。第三章首先介绍了论文的主要目标，重点介绍了下一代无线网络的三个用例。然后介绍我们提出的软件定义架构，对应于三个主要用例，如用于自组织网络（SON）的SDN，用于无线回程的SDN第4章介绍了我们的原型，性能验证和结果对应的三个主要用例中的两个，如SDN的SON和SDN的无线回程。第五章是结论和未来的工作。6面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文20177面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017第2SDN和NFV：最先进的技术本章详细介绍了SDN和NFV技术的发展，以及在下一代无线网络中应用这些技术的2.1OpenFlow协议OpenFlow [21]是第一个定义和开发的标准SDN协议，用于演示SDN的概念。它最初定义了SDN环境中的通信协议，使SDN控制器能够直接与物理和虚拟的交换机和路由器等网络设备的转发平面进行交互，因此它可以更好地适应不断变化的业务需求。如今，OpenFlow（OF）已被广泛用于研究实验和工业部署中的SDN协议OF的最初概念始于2008年斯坦福大学，目的是在他们的校园网络中进行实验开放式流兼容交换机由一个或多个具有“匹配动作”或“匹配加动作”的流表组成，这些表每个数据流条目都包含一个匹配规则来识别数据包，以及一个指定要应用于匹配数据包的处理的操作。在接收数据包时，交换机将其与表中的数据流条目进行比较，并根据相关的匹配操作对其进行处理。可用动作的集合包括转发到一个或多个端口、丢弃分组、将分组放置控制器通过指定一组匹配动作条目来使用OpenFlow API编程切换。如果在它的表中没有找到匹配的特定数据包（通常是新数据流的第一个数据包），交换机将转发将其发送给SDN控制器进行决策。控制器的决定取决于网络管理器部署的网络应用程序（路由、交换、负载平衡）的转发逻辑。最近，OpenFlow引起了网络管理人员、运营商、供应商和研究人员的高度兴趣，原因是：i）它的可扩展性虽然Ethane是第一个引入逻辑集中式网络架构概念的协议，用于管理企业网络安全策略，但OpenFlow是斯坦福大学和伯克利大学的研究人员创建的标准协议，用于提供更通用的网络抽象[21]。市场上有许多系列的OpenFlow兼容产品，来自诸如Nokia [22]、Extreme Network[23]、Dell [24]、Hewlett-Packard [25]、IBM [26]、Juniper [27]、Mellanox [28]和Pica [29]等供应商。8面向未来无线接入网的SDN业务控制方法论文2017如今，OpenFlow已被广泛用于数据中心[30]、云网络[31]、网络虚拟化[32]和网络管理[33]。一般来说，重点主要放在有线网络上，用于分组交换、路由和数据流隔离。开放网络基金会（ONF）OpenFlow工作组经常发布OpenFlow协议的更新版本，以支持各种交换和路由解决方案，并与SDN范式保持除了商业用例之外，OpenFlow还用于以线速和实时传输来实验和验证新的网络协议和应用程序，而无需开发任何定制硬件。OpenFlow已被证明是一种解决方案，可提供：i）不同用户组之间的网络切片和隔离[34]，ii）同时利用多个网络的能力[35]iii）分组和电路网络之间的融合[36]iv）网络故障恢复和调试机制的改进[37]v）数据中心网络能耗的显著降低[38]。ONF发布了OpenFlow协议的几个版本。OpenFlow 1.0版是第一个支持交换机模型的版本，具有单个流表和固定的匹配字段集[39]。版本1.1扩展了开关模型，以支持执行顺序操作的组表[40]。它支持MPLS网络，提供多路径路由，并启用虚拟端口以创建隧道端点。 对IPV6的支持在版本1.2中引入[41]。OpenFlow 1.3包括逻辑端口抽象以及对提供商骨干桥接（PBB），隧道和扩展QoS的支持。OpenFlow 1.4是第一个通过增加对光学端口的支持而包含光学网络功能的版本[43]。完整的路线图解释了OpenFlow协议的不同版本，如图所示2.1;图2.1通常，OpenFlow协议描述控制器和OpenFlow交换机之间的消息交换。通常，该协议在SSL或传输层安全性（TLS）之上实现OpenFlow协议使控制器能够对流表中的流条目执行添加、更新和删除动作。它支持三种类型的消息：• 控制器到交换机：这些消息由控制器发起，在某些情况下，需要交换机的响应。这类消息使控制器能够管理交换机的逻辑状态，包括其配置以及流程表和组表条目的详细信息也