Le réseau 5G – 5GS

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Le réseau 5G (5G System) se compose d’un accès Radio (NG-RAN : Next Generation RAN) et d’un cœur réseau (5G Core).

I. L’accès radio 5G

L’accès radio 5G est constitué de stations de base de nouvelle génération qui forment le nœud de connexion des mobiles avec le cœur réseau 5G (5GC)

Les mobiles UE communiquent avec les stations de base soient par un lien radio 5G, soit par un lien radio 4G. Si la communication est en 5G, la station de base se nomme gNB (next Generation Node Base Station), si la communication est en 4G, la station de base est une station de base 4G eNB évoluée pour s’interconnecter avec le cœur réseau 5G. La station de base se nomme ng-eNb (Next Generation eNb).

Les fonctions de la station de base gNb sont  assez similaires avec l’entité eNB. Cependant, les différences concernent la gestion de la qualité de service par flux et non par support (bearer) et la gestion des tranches de réseau (Slices) sur l’interface radio.

Pour rappel, un slice est composé d’instances logiques du réseau mobile permettant d’apporter un service réseau de manière efficace en vue de répondre à une qualité de service QoS spécifique à ce service (se référer à l’article Network Slicing).

II. Le cœur réseau 5G (5GC)

Le cœur réseau 5G est adapté pour la virtualisation du réseau et s’appuie sur le découpage du plan de contrôle (Control Plane) et du plan utilisateur (User Plane) définit dans l’architecture CUPS.

Ainsi, l’entité MME qui gère à la fois l’attachement des mobiles, la localisation et la création des supports (bearers) se décompose en deux entités fonctionnelles en 5G :

  • L’entité AMF (Access and Mobility Managmenent Function). L’entité AMF établit une connexion NAS avec le mobile UE et a pour rôle d’enregistrer (attachement) les mobiles UE et de gérer la localisation des mobiles sur le réseau 3GPP et/ou non 3GPP.
  • L’entité SMF (Session Management Funtion). L’entité SMF permet de contrôler les sessions PDN. L’entité SMF est choisie par l’entité AMF puisque l’entité AMF  gère la signalisation NAS avec le mobile. L’entité SMF est responsable de la gestion du plan de contrôle. Autrement dit, l’entité SMF correspond à l’entité SGW-C et PGW-C de l’architecture CUPS. L’entité SMF a une interface avec l’entité qui gère la politique des flux (PCF : Policy Charging Function).

Le plan de transport est composé de passerelle de données qui réalise des mesures sur les données transportées et réalise l’interconnexion avec les réseaux Data (PDN). Dans l’architecture CUPS, les fonctions du plan de transport sont gérées par les entités SGW-U et PGW-U. Pour le cœur réseau 5G, les fonctions du plan de transport sont à la charge de l’entité UPF (User Plane Function). L’entité UPF communique avec l’entité SMF par l’interfae Sx et selon le protocole PFCP. Se référer à l’article présentant l’architecture CUPS.

L’entité PCRF de l’architecture 4G permet de définir les règles de contrôle et les politiques de flux avec l’entité SGW/PGW. En 5G, l’entité PCRF se renomme PCF et permet de contrôler les flux à la fois au niveau de l’entité SMF mais également au niveau de l’entité AMF afin de pouvoir apporter une meilleure granularité sur les flux autorisés en prenant en compte la localisation du mobile UE.

Le profil utilisateur (son abonnement, ses droits, …) sont sauvegardées dans une base de données UDR accessible via l’entité UDM (Unified Data Management). L’entité UDM conserve les profils de sessions de données (sessions PDU) et de l’entité AMF sur laquelle est attachée le mobile UE (éventuellement les entités AMF pour un accès 3GPP et non 3GPP sur un autre opérateur).

L’enregistrement du mobile nécessite une double authentification réalisée au niveau de l’entité AMF et du mobile UE à partir de vecteurs d’authentifications fournies par l’entité AUSF (AUthentication Server Function).

Enfin, l’entité NSSF (Network Slice Selection Function) est une entité permettant d’assister l’entité AMF de la sélection des instances logiques du réseau pour une tranche de réseau (slice) défini.

La figure 1 présente l’architecture 5G et les interfaces entre chaque entité.

Figure 1 : L’architecture du réseau 5G point à point (R.15)

Les procédures liées aux supports (bearers) dans l’architecture CUPS

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Avant de lire cet article, il est préférable d’avoir lu l’article précédent présentant l’architecture CUPS. Dans cet article nous allons voir les modifications apportées sur les protocoles d’établissement de support suite au découpage des entités SGW et PGW en deux parties (plan de contrôle et plan utilisateur).

I) Protocole de gestion des sessions et de handover

Le protocole de gestion de sessions a pour but d’ajouter, de modifier ou supprimer une entrée des tables de contextes au niveau des entités SGW et PGW  afin de permettre :

  • l’établissement du support par défaut ;
  • l’établissement du support dédié ;
  • la modification des caractéristiques du support
  • la désactivation du support

En cas de handover, sous la direction de l’entité MME, la table de contexte du SGW doit être modifiée afin de gérer le transfert de l’entité eNB source vers l’entité eNB cible.

Pour assurer la compatibilité avec les différentes évolutions du réseau opérateur, les entités fonctionnelles SGW-C et SGW-U doivent assurer les mêmes fonctionnalités.

Ainsi, concernant la gestion des sessions, les sous-fonctionnalités sont réparties de la manière suivante :

  • La gestion des supports (bearer) est sous la responsabilité des entités SGW-C ou SGW-U
  • L’allocation des identifiants de tunnels TEID est obligatoirement sous la responsabilité de l’entité SGW-C et optionnellement, l’entité SGW-C peut léguer cette fonctionnalité à l’entité SGW-U.
  • Le transfert des paquets est géré par l’entité SGW-U
  • Le marquage des paquets est géré par l’entité SGW-U

L’identifiant de tunnel TEID est unique pour chaque entité SGW-U, ce dernier est alloué lors de l’activation d’un support et supprimé lors de la désactivation du support.

En cas de handover de la station de base eNb source vers une station de base eNb cible sans changement d’entité SGW-U, l’entité fonctionnelle  SGW-C (qui est le contrôleur SDN) injecte une modification de règles de transfert à l’entité SGW-U via la requête Sx session modification request supportée par le protocole PFCP. La table de flux au niveau de l’entité SGW-U doit remplacer l’adresse IP de l’eNB source et l’identifiant de tunnel associé au bearer sur l’eNB source par l’adresse IP et le TEID correspondant de l’eNB cible (et ceci pour  tous les tunnels activés lors de la procédure de handover).

En cas de handover d’un eNb source vers un eNb cible avec changement d’entité SGW-U, l’entité fonctionnelle PGW-C (contrôleur SDN) doit en plus injecter une modification de règles (protocole PFCP)à l’entité PWG-U pour commuter le tunnel S5/S8 de l’entité SGW-U  vers l’entité SGW-U cible. Le message Sx session modification request transmis de l’entité PGW-C vers l’entité PGW-U contient l’identifiant du support (bearer ID), l’adresse IP de l’entité SGW-U cible et le nouvel identifiant de support TEID de l’entité SGW-U.

La procédure de handover se déroule en trois étapes :

  • Préparation des ressources radios entre l’entité UE et l’eNB cible
  • Modification de la table de contexte du SGW-U provoquée par l’échange suivant
    • SGW-C vers SGW-U: requête Sx session modification request
    • Après avoir transmis le dernier paquet PDU à l’entité eNB source, le SGW-U confirme la modification de sa table de flux
    • SGW-C U vers SGW-C: requête Sx session modification response
  • Une fois pris en compte le changement de chemin S1 path au niveau du SGW-U, il faut en informer l’entité eNB source :
    • SGW-C transmet au SGW-U un marqueur de fin de paquets (end marker packet)
    • SGW-U transmet à l’entité eNB source le marqueur de fin de paquets (end marker packet)
    • l’entité eNB source peut relâcher les supports radios avec l’entité UE.

Si le handover nécessite un changement de SGW-U, dans ce cas, la gestion du marqueur de fin de paquets (end marker packet) est sous le contrôle du PGW-C.

II) Protocole pour la fonction HLCom

Dans le cas de dispositifs IoT à latence élevée, l’organisme 3GPP a introduit des solutions de buffer étendu afin de conserver les données à transmettre aux dispositifs lorsque ces derniers ne sont plus joignables (EMM Registered mais à l’état dormant). Les données sont bufférisées au niveau du SGW jusqu’à ce que le dispositif soit de nouveau dans l’état idle ou connected.

Avec la séparation de l’entité SGW en plan de contrôle et plan utilisateur, la sauvegarde des données doit obligatoirement être supportée par l’entité fonctionnelle SGW-U et optionnellement par l’entité SGW-C.

Premier Cas :

Dans le cas où l’entité SGW-C support la capacité de sauvegarde des données (buffering capacity), lorsque le dispositif UE est dans l’état ECM_idle pour une durée eDRX ou PSM connue, l’entité SGW-C informe l’entité SGW-U (injection de règles) de ne plus transmettre les données à la station de base eNB mais de commencer à transférer les données vers l’entité SGW-C.

Lorsque l’entité UE passe à l’état ECM-CONNECTED, alors l’entité SGW-C met à jour les tables de flux du SGW-U avec l’identifiant TEID du eNB correspondant. Si des données ont été sauvegardées au niveau de l’entité SGW-C, alors les données sont encapsulées dans l’injection de règles Sx. L’encapsulation GTP-U permet à l’entité SGW-U d’identifier la connexion PDN et l’identité du support.

Deuxième Cas :

L’entité SGW-U conserve les données à destinations des dispositifs UE non joignable mais enregistrés sur le réseau.  Ainsi, lorsque le mobile UE passe à l’état en veille (ECM-IDLE), l’entité SGW-C est informée par le MME et doit à son tour en informer l’entité SGW-U par le message Sx session modification.  Dans ce deuxième cas, l’entité SGW-C décide que la bufferisation des données est à la charge de l’entité SGW-U et informe ce dernier. De plus, l’entité SGW-C demande à l’entité SGW-U d’être notifié ou non lorsque le premier paquet en provenance du PDN et à destination du dispositif UE est transmis à l’entité SGW-U

Ainsi, lorsque le premier paquet à destination du dispositif UE est transmis à l’entité SGW-U, ce dernier doit informer le contrôleur SGW-C par le message Sx reporting message ou non. A la réception de ce message, l’entité SGW-C décide d’informer ou non l’entité MME en transmettant la requête Downlink Data Notification.

Lorsque le dispositif UE passe à l’état ECM-CONNECTED, l’entité MME informe l’entité SGW-C et ce dernier notifie l’entité SGW-U via l’interface Sxa en indiquant l’identifiant de tunnel de l’eNB (ou éventuellement le RNC/SGSN).  Les données sont transmises de l’entité SGW-U à l’eNB (ou RNC ou SGSN) et en cas de la mobilité du dispositif UE sur un autre SGW-U, les données sont transmsises de l’entité SGW-U source (l’entité qui a bufferisé les données) vers l’entité SGW-U cible.

III) Les Procédures Sx Sessions Management

Les procédures Sx Sessions Management permettent de contrôler les fonctionnalités des entités fonctionnelles du plan de transport. Le contrôleur peut créer, mettre à jour, ou supprimer les contextes de sessions Sx, c’est-à-dire les paramètres de contextes concernant une connexion PDN pour le support par défaut et pour le support dédié.

Figure 1 : La procédure d’établissement de contexte

Une fois le contexte crée pour une connexion PDN, il est possible de modifier les caractéristiques du contexte par la procédure Sx Session Modification Procedure.

Pour désactiver le contexte, la procédure se nomme Sx Session termination procedure.

Nous allons illustrer la procédure sur une demande d’attachement d’un mobile UE. On suppose que la demande s’effectue sur le MME défini par l’identité GUTI conservé par le mobile UE mais de par le déplacement du mobile UE, on suppose que le mobile UE est sous la couverture d’une cellule connectée à une entité SGW (nommée nouveau SGW) différente de l’entité SGW (nommée ancien SGW) sur lequel le mobile UE était connecté avant le détachement.

On allume  le mobile, le SGW-U ayant été modifié, alors :

  • Au cours de la procédure d’attachement, la modification du SGW source au SGW cible nécessite de supprimer les tables de flux au niveau des entités SGW-U et PGW-U. Ainsi, les entités old SGW-C et old PGW-C exécutent la procédure Sx Session termination
  • Lors de la requête PDN connectivity, la table de flux au niveau du SGW-U et PGW-U doit être fournie. Ainsi, les contrôleurs SDN SGW-C et PGW-C injectent les règles par la procédure Sx Session Establishment.

Nous allons découper le call flow en deux parties :

Première partie

  • Procédure d’établissement du lien radio
  • Demande d’attachement, authentification et mise en sécurité

Deuxième partie

  • Suppression du contexte sur l’entité Old SGW
  • Création du support avec le nouveau SGW

    Figure 2 : La première partie de demande d’attachement

    Figure 3 : La procédure d’établissement de support

 

Présentation de l’architecture CUPS : Control and Use Plane separation

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I) L’architecture du réseau mobile 4G

Le réseau de mobiles 2G/3G/4G est rappelé sur la figure 1 :

Figure 1 : Architecture des réseaux de  mobiles

Le réseau est composé de trois accès radios complémentaires (2G/3G/4G) et de deux trois cœurs réseaux, l’un dédié à la gestion des appels téléphoniques (exploitant la technique de commutation de circuit – MSC), le second dédié à la gestion des sessions Data (exploitant la technique de commutation de paquets) en 2.5G/3G (SGSN, GGSN), le troisième est le cœur réseau tout IP pour la 4G. Ce cœur réseau est représenté sur la figure 2.

Sur la figure 2 apparaît une nouvelle entité nommée TDF (Traffic Detection Function). Son rôle est d’analyser le trafic (DPI – Detection Packet Inspector) pour détecter des flux sous surveillance de l’opérateur afin de proposer des fonctions réseaux spécifiques aux flux détectés.

Figure 2 : Evolution de l’architecture réseau 4G (R11)

Lorsque l’utilisateur souhaite établir une session Data, l’entité MME transmet à l’entité SGW et à l’entité PGW (via le protocole GTP-C) la requête de création de support avec les caractéristiques associées au support (priorité, débit, temps réel, …)

Ainsi, les entités SGW et PGW gèrent à la fois le plan de contrôle et le plan de données utilisateurs.

II) L’approche SDN : CUPS (Control User Plane Separation)

Le CUPS propose de séparer en deux parties les entités SGW et PGW. Le contrôleur se nomme SGW-C et PGW-C et le plan de données deviennent les entités SGW-U et PGW-U.

Les règles de traitement de flux sont transmises du contrôleur aux entités du plan utilisateur par une session de règle SX. Cette session permet d’injecter les règles de traitement via le protocole PFCP

Figure 3 : La séparation du plan de contrôle et du plan utilisateur (CUPS)

L’entité fonctionnelle CP s’interface avec plusieurs entités fonctionnelles UP et une entité fonctionnelle UP peut être partagée par plusieurs entités fonctionnelles CP. Le contrôle des flux reste ancré sur un unique SGW-C mais différents SGW-U peuvent être choisis pour différentes connexion PDN. L’entité fonctionnelle CP (SGW-C et PGW-C) fait une sélection (via une recherche DNS évoluée) de l’entité UP en prenant en compte :

  • la localisation de l’entité UE afin de réduire la latence si besoin
  • la capacité de l’entité fonctionnelle UP de prendre en compte les caractéristiques de l’entité UE
  • La charge (overload) de l’entité SGW-U

Pour le dernier point, l’entité SGW-C doit supporter les caractéristiques Load Control transmises sur l’interface Sx.

Localisation de l’UE

Selon la définition, l’aire de service de l’entité SGW est un ensemble de zone de suivis (Tracking Area  TAI) entiers. A chaque mise à jour de localisation, l’entité UE reçoit de la part du MME une liste de zone de suivi (TA) correspondant à la position du mobile UE couvert par le SGW. Deux mobiles UE dans la même cellule peuvent avoir des listes de TA différentes pour ne pas solliciter des ressources réseaux sur les mêmes eNB.

Dans le cas de la séparation en plan de contrôle et plan utilisateur, le SGW-C n’a pas de lien physique avec les stations de base eNB mais communiquent avec les entités fonctionnels comme le MME, le SGSN, le PGW et le SeGW (Security Gateway pour la demande de création de connexions PDN. Le lien avec les eNB est maintenu via l’interface S1-U avec l’entité SGW-U. Dans le cas du CUPS, l’aire de service du SGW-U correspond à l’aire de service du SGW.

Ainsi, en cas de relocalisation sur une entité fonctionnelle SGW-U, il est préférable de trouver l’entité  SGW-U qui couvre la liste de TA (TA1, TA2, TA3) fournit par l’entité MME au mobile UE.

Capacité de l’entité fonctionnelle UP

Les entités fonctionnelles du plan utilisateur peuvent implémenter des fonctionnalités spécifiques qui ne seront utilisées que par des nombre limités d’entités UE comme par exemple, un type de service supportant les communications à haute latence (High Latency Communication HLcom). Pour ce type de service, le SGW-U implémente des fonctionnalités spécifiques de buffer.

Ainsi, en cas de relocalisation sur une entité SGW-U, il est préférable de trouver l’entité  SGW-U qui supporte les fonctionnalités attendues, comme par exemple un buffer étendu pour les communications à latences élévées.

Les conséquences du CUPS

L’avantage de contrôler plusieurs entités SGW-U par un seul SGW-C est de simplifier la gestion de la mobilité et mieux gérer l’équilibrage de charge. De plus, avec la virtualisation du SGW-U, il est possible d’allouer plus ou moins de ressources au SGW-U.

La zone de service du SGW-C peut être plus grande que la zone de service du SGW-U. Dans ce cas, le SGW-C est partitionné et chaque SGW-C gère un SGW-U. Pour assurer la compatibilité entre les différentes évolutions du standard, le MME considère le SGW-C comme un SGW classique. L’alignement de la zone de service du SGW-C partitionné avec le SGW-U assure que la liste de TAI fournie par le MME au SGW-C partitionné permet de sélectionner les SGW-U couvrant ces zones de suivis (la liste de TAI).

Si, pour un UE donné, le SGW-C a sélectionné plusieurs entités SGW-U dans ce cas, la zone de service des SGW-Us réunis couvrent au moins la zone de service du SGW-C.

III) SDN et PFCP : les protocoles d’injections de règles

L’entité de contrôle SGW-C et PGW-C injecte les règles de traitement de flux aux SGW-U et PGW-U afin de connaître les règles d’acheminements des paquets. L’injection de règles s’effectue via l’interface Sxa ou Sxb. Le contrôleur crée une session Sx avec la fonction du plan utilisateur via le protocole d’injection PFCP (Packet Forwarding Control Plane).

Les protocoles OpenFlow, Forces n’ont pas été retenu car ils ne répondaient pas aux critères recherchés :

  • facilité d’implémentation aux fonctions du plan de contrôle (SGW-U, PGW-U) ;
  • latence faible ;
  • gestion de toutes les caractéristiques existantes 3GPP
  • facilité d’étendre ou maintenir le protocole pour supporter les fonctions 3GPP
  • Compatibilités avec les standards 3GPP précédents

Ainsi, le protocole PFCP a été retenu et propose les propriétés suivantes :

  • Une association Sx doit être établie entre la fonction CP et la fonction UP avant d’établir une session Sx (injection de règles). La fonction CP et UP sont appelés Nœuds Sx.
  • Les procédures entre les nœuds Sx sont :
    • Procédure d’établissement, de mise à jour ou de libération de l’association Sx
    • Procédure vérifiant que la session Sx est active (alive)
    • Procédure de contrôle de charge et de congestion afin d’équilibrer la charge sur d’autres fonctions du plan utilisateur (SGW-U, PGW-U) et réduire la signalisation vers l’UP en cas de congestion.
  • La session Sx provisionne les règles d’acheminements de flux du contrôleur vers l’entité du plan utilisateur. La session Sx peut correspondre aux règles d’une connexion PDN pour un UE ou pour une session TDF
  • Procédure de gestion Sx PFD pour injecter les PFD (Packet Flow Descriptions) pour chaque application.

 

Notions sur le SD-WAN et positionnement par rapport aux réseaux de mobiles

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Dans l’article précédent, nous avons présenté le principe du Network Slicing, consistant à définir des règles d’acheminement pour un réseau particulier. Le Network Slicing s’appuie sur le principe de découpage de la fonction de contrôle et du plan utilisateur (SDN), la virtualisation des services réseaux (NFV) et du chaînage des services réseaux (SFC).

L’objectif du SD-WAN est aussi d’assurer une bonne connectivité aux outils cloud à travers internet (google suite pour le travail collaboratif, Microsoft 360, Amazon, azur …).  Le SD-WAN utilise donc les mêmes technologies vu précédemment (SDN, NFV, SFC) pour programmer rapidement l’accès d’un nouveau site  (en général il s’agit de connecter une entreprise) sur le réseau opérateur et offrir à ce dernier les différents services (cloud, FTP, tunnels entre site, …) demandés. On  parle  de  « zero touch  deployment », l’objectif  est  de  pouvoir provisionner (pousser automatiquement)  un  logiciel  et  une  configuration  sur  un  nouvel  équipement  SD-WAN  installé avec l’agilité réseau possible par ce type d’équipement (cf. la solution easy go network).

Le SD-WAN est une solution permettant à l’opérateur de déployer une solution de connectivité réseau pour tout nouveau site via des outils de provisionning réseau de haut niveau et d’assurer une interconnexion des différents sites de l’entreprise entre eux.

Ainsi, le SD-WAN permet à l’opérateur de fournir les règles d’acheminements au niveau de ces équipements pour gérer les applications critiques vers un réseau implémentant du MPLS et les applications non critiques vers des solutions de best-effort. L’opérateur peut ainsi, via une plateforme, provisionner et orchestrer ses équipements réseaux pour garantir à  l’entreprise l’accès à  Internet, l’accès à la téléphonie, l’accès à des services FTP sécurisés entre les différents sites de l’entreprise ou vers un Cloud et ceci quel que soit l’emplacement géographique du nouveau site par rapport aux autres sites de l’entreprises ou des solutions hébergées.

La notion de WAN dans l’approche SD-WAN indique que le pilotage du réseau est autorisé entre plusieurs opérateurs, afin qu’un entreprise dans un pays puisse installer une entité dans un autre pays et profiter des mêmes accès et services réseaux avec la même qualité. Ainsi, le SD-WAN supporte différents types de connectivités (MPLS, xDSL, FTTx, LTE, …).

Le SD-WAN est donc une solution de connectivité sur les différents types de réseau (fixe et mobile) ) travers le monde. Son application est ciblée sur les entreprises et sur les applicatifs utilisés par les entreprises à travers leur réseau de connectivité.

Les tranches de réseau : Network Slicing

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Cet article propose de faire une première synthèse des technologies abordées dans les articles précédents comme la virtualisation matérielle, la virtualisation des fonctions réseaux NFV, le chaînage des fonctions service (SFC) et l’approche de découpage du plan de données et du plan de contrôle (SDN).

La programmation des réseaux est une tendance émergente qui permet de transformer l’usage du réseau en s’appuyant sur des solutions logicielles. Si la virtualisation (cf  article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/01/23/virtualisation-du-reseau-epc-concept-nfvsdn/ )a permis de déployer des services réseaux facilement sous le contrôle d’un orchestrateur (cf article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/02/04/network-functions-virtualisation-nfv-pour-le-reseau-4g5g/), l’enchainement des fonctions de services (NVFFG ou SFC : article http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/01/28/le-sfc-service-function-chaining-mise-en-oeuvre-du-sdnnfv-sur-le-reseau-de-mobile-4g/) permet la flexibilité et l’adaptabilité du réseau en fonction de la demande.

Le chainage de fonction service s’appuie sur une approche SDN (cf article http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/01/15/principe-du-sdn-dans-une-architecture-reseau-classique/) pour programmer les besoins de services d’acheminements de flux et de contrôle de flux en proposant une abstraction de la couche réseau aux services applicatifs.

Grâce à ces différentes technologies (SDN, NFV, SFC), la programmation du réseau apporte une flexibilité et une modularité permettant de créer simultanément plusieurs réseaux logiques (virtual network) pilotés par la couche application via des API. Les descripteurs (NVFD) permettant de définir chaque besoin permettent ainsi de tailler un réseau à la demande et adapté au besoin (NFV MANO)

Ces différents réseaux logiques sont appelés des tranches de réseaux ou network slices et correspond à la mise en réseau de bout en bout entre un client UE et un service réseau (IoT, IP, IMS, …) en s’appuyant sur une infrastructure réseau virtuelle (SDN Overlay) ou physique (SDN). Chaque tranche de réseau est isolée des autres et gérée/contrôlée de manière indépendante (bac à sable grâce à la virtualisation et à la gestion NFV MANO) et s’adapte à la demande (easy go network).

Une tranche de réseau (network slice) est une collection de ressources, qui combinées ensemble de manière appropriées, permettent de créer un support réseau répondant aux exigences demandées. Les types de ressources pour le network slicing sont :

  • Fonction réseaux (NF : Network Function) : Bloc fonctionnel qui fournit une capacité réseau spécifique et réalise une fonction demandée. La fonction réseau est généralement une instance logicielle tournant sur une infrastructure physique mais, il peut aussi s’agir d’un équipement matériel dédie ou une combinaison des deux.
  • Infrastructure matérielle  dédiée ou partagée pouvant héberger les fonctions réseaux.

La figure 1 représente ainsi un exemple d’architecture du network slicing.

Figure 1 : L’architecture réseau en tranche

En proposant un réseau pour les différents besoins, le réseau opérateur supporte des besoins en terme de qualité de service (temps réel ou non, débit garanti ou non, bande passante, latence) très différent en fonction des besoins, comme le montre la figure 2.

Figure 2 : Approche horizontale des sous réseaux logiques de l’opérateur

I) Approche NFV

Orchestration

L’orchestration est un processus clé pour le network slicing qui s’appuie sur des descripteurs définies par exemple sur des accords de niveau de service SLA. L’orchestration est définie comme un processus de sélection optimale de ressources pour répondre entièrement aux demandes de service de chaque client. Le terme optimal réfère à l’optimisation de la politique de flux en fonction de l’abonnement du client (SLA) qui gouverne les choix du processus d’orchestration sur la sélection de ressources au niveau de l’infrastructure physique sur les POP.

Isolation

L’isolation est une exigence primordiale afin de pouvoir faire fonctionner en parallèle plusieurs tranches de réseau qui se partagent les mêmes ressources physique et les mêmes infrastructures.

L’isolation fait référence à :

  • Performance : Chaque tranche est définie par rapport à une exigence de service particulière et exprimées sous forme de KPI. L’isolation assure le respect du KPI si le service est accepté quel que soit la congestion ou les niveaux de performances des autres tranches
  • Sécurité et confidentialité : les fautes ou les attaques sur une tranche n’aura aucune incidence sur les autres tranches. De plus, chaque tranche met en œuvre ses propres fonctions de sécurités qui interdit entre autre à ce que des entités non autorisés aient un droit de lecture ou d’écriture sur la configuration d’une tranche de réseau.
  • Gestion : Chaque tranche est gérée de manière indépendante comme un réseau séparé.

II) Approche SDN

L’architecture SDN découple le plan de contrôle du plan de données permettant de configurer dynamiquement le plan d’acheminements des données comme un service à la demande du client. Cela répond aux attentes du network slicing qui a besoin de satisfaire à la demande à un large éventail de services de manière agile et à un coût optimal.

Concernant le réseau SDN, une ressource est une instance ou une entité qui peut être utilisé pour fournir un service en réponse aux demandes d’un client.  Le contrôleur est une entité centralisée qui planifie les ressources en fonction du contexte du client :

  • Contexte du client représente toutes les informations qui le contrôleur a besoin pour un client donné. Il contient :
    • un groupe de ressource : Le groupe de ressource est une vue de toutes les ressources que le contrôleur peut offrir pour répondre sur mesure à la demande du client. Le groupe de ressources est proposée par des API sur l’interface nord et correspond donc à une couche d’abstraction du réseau pour répondre au besoin du client ;
    • le support client contient les opérations et les règles de politique autorisées pour le client, ainsi que des informations relatives aux services demandés pour ajuster les actions entre la demande du client et le contrôleur.
  • Contexte serveur représente toutes les informations nécessaires au contrôleur pour interagir avec les ressources physiques accessibles via son interface sud.

Figure 3 : L’architecture SDN du network slicing

 

Network Functions Virtualisation (NFV) pour le réseau 4G/5G

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Objectifs :

Comprendre :

  • l’infrastucture du NFV (NFVI);
  • la gestion et l’orchestration des VM (MANO)
  • la fonction de chainâge de service VNFFG (Virtual Network Function Forwarding Graph). Le VNFFG correspond à la fonction SFC pour le NFV (reprendre l’article précédent pour le SFC)

Introduction

L’approche NFV permet à l’opérateur de déployer des fonctions réseaux en tant qu’instances virtualisées au lieu d’entités matérielles dédiées. L’approche NFV s’appuyant sur la virtualisation informatique permet la création de partition réseau isolée sur une infrastructure réseau partagée permettant ainsi à de multiples réseaux virtuels hétérogènes de co-exister simultanément sur les mêmes équipements matériels.

L’architecture NFV définie par l’ETSI est représentée sur la figure 1. La couche horizontale VNF correspond aux fonctions réseaux virtualisée (VNF : Virtualised Network Function). Il s’agit de machines virtuelles (VM) fonctionnant sur l’infrastructure NFV (NFVI). L’infrastructure NFVI est une infrastructure physique de stockage, de calcul et de réseau. La gestion et l’orchestration des VM est sous la responsabilité de la fonction MANO (Management and orchestration). La fonction MANO doit gérer les ressources de l’infrastructure NFVI (capacité réseau, la puissance de calcul, l’espace mémoire) et la durée de vie des fonctions virtuelles en fonctionnement sur l’infrastructure NFVI (création et allocation des VMs).

Les nœuds de l’infrastructure NFV (NFVI nodes) sont déployés sur les points de présence POP de l’opérateur afin de répondre aux exigences de latence selon les cas d’usages client. Les fonctions réseaux virtualisés (VNF) peuvent ainsi être déployées dynamiquement sur les infrastructures NFVI à la demande d’un orchestrateur et sous réserve de la limite de capacités des nœuds NFI (POP).

Figure 1 : Architecture NFV

La virtualisation élimine la dépendance entre les fonctions réseaux (NF : Network Function) et le matériel. Dans le cas du réseau de mobiles, les entités pouvant être virtualisées sont :

  • dans le cœur réseau EPC : l’entité MME, le SGW, le PGW
  • dans le cœur réseau IMS : P/I/S-CSCF

Une fois que les entités sont virtualisées (on parle alors de VNF), il est nécessaire de chaîner le trafic à travers les VNF dans un graphe ordonné pour appliquer les services réseaux. Dans le cas du NFV, le chaînage s’appelle le graphe d’acheminement des fonctions réseaux virtualisées (VNFFG – VNF  Forwarding Graph) et non le chaînage de fonctions service SFC (Service Function Chain) pour prendre en compte la virtualisation sur un réseau Overlay.

Le graphe d’acheminement des fonctions réseaux virtualisées VNF-FG fourni un niveau d’abstraction afin que l’opérateur puisse en temps réel composer les services réseaux.

Figure 2 : Exemple de graphe d’acheminement des fonctions réseaux virtualisées

Figure extrait de l’article Network Functions Virtualisation  -Update White Paper (https://portal.etsi.org/nfv/nfv_white_paper2.pdf)

II) L’architecture NFV définie par l’ETSI

L’architecture NFV est constituée de :

  • l’insfrastructure NFV : NFVI (Network Function Virtualisation Infrastructure) fournit les ressources matérielles (serveurs, COTS – Commercial Off The Sheld, cartes électroniques, …) et le logiciel de virtualisation. Le NFVI se compose donc :
    • d’une interface matérielle (stockage, réseau, calcul)
    • d’une interface virtuelle (stockage, réseau, calcul)
    • d’une couche de virtualisation entre le matériel et le logiciel
  • Le VNF (Virtualised Network Function) correspond aux fonctions réseaux virtualisées pouvant être exécutées sur les équipements du NFVI
  • NFV M&O (Management and Orchestration) permettant de gérer les services réseaux de bout en bout est composé de trois blocs
    • L’orchestrateur (NFV Orchestrator) : L’entité d’orchestration est responsable du cycle de vie des services réseau tant au niveau logiciel que matériel sur plusieurs domaines en contrôlant les VIM de chaque domaine;
    • un  gestionnaire (VNFM) en charge du cycle de vie des VNFs ;
    • un gestionnaire (VIM) en charge de la gestion des ressources du NFVI à l’intérieur d’un domaine.

Les services OSS/BSS doivent pouvoir transmettre au bloc NFV M&O des informations sur le profil des utilisateurs, la facturation, les politiques de qualités, les accords entre domaine, …

Couplé à un portail de supervision, cette architecture permet aussi de déployer des services réseaux à la demande pour les entreprises (exemple Network as a service  de la solution  Easy Go Network).

L’infrastructure NFV (NFVI) est donc répartie sur des points de présence de l’opérateur (POP) afin de réduire la latence du réseau pour ses clients : les services réseaux sont déployés sur les nœuds d’infrastructure (NFVI Node) au plus proche des clients.

Les fonctions réseaux virtualisées (VNF) peuvent ainsi être déployées dynamiquement à la demande dans la limite des capacités des nœuds NFVI.

II-1) L’infrastructure NFV (NFVI)

L’infrastructure NFV se découpe en trois domaines :

  • domaine de calcul virtualisé (processeurs, accélérateurs, …) ;
  • domaine de l’hyperviseur : système d’exploitation supportant la virtualisation (machines virtuelles) et/ou des containeurs pour faire fonctionner les VNF, ainsi que les capacités de commutateurs virtuels (vSwitch).
  • domaine réseau de l’infrastructure

En général, l’infrastructure NFV s’appuie sur la paravirtualisation et non la virtualisation : les systèmes d’exploitation des machines virtualisés n’évoluent pas dans un environnement physique virtuel mais dialogue avec l’hyperviseur via des API. La para-virtualisation réduit la consommation de ressources processeur de la virtualisation afin d’améliorer les performances en modifiant le noyau du système d’exploitation invité. Une couche de virtualisation est insérée entre le matériel et le système d’exploitation.

Le coeur de la paravirtualisation est un hyperviseur fonctionnant au plus près du matériel, et fournissant une interface qui permet à plusieurs systèmes hôtes d’accéder de manière concurrente aux ressources. Les systèmes d’exploitation hôte et invités sont modifiés pour fonctionner sur la couche de virtualisation

Figure 3 : L’infrastructure et la para-virtualisation

Les fonctions réseaux virtualisées seront déployées dans des conteneurs au-dessus de la couche de virtualisation. Un conteneur est une instance complète de système d’exploitation, avec son système de fichiers, ses comptes utilisateurs, ses processus, etc. Ainsi, les conteneurs logiciels sont considérés comme des applications pour le serveur. Sur cette application (système d’exploitation), il est possible de faire tourner des fonctions réseaux virtuels, nommés VNF

Enfin, les VNF sont interconnectées entre elles pour constituer un service réseau (NS).

Figure 4 : Le chainage de service réseaux virtuels

II-2) La gestion et l’orchestration NVF (NFV MANO – Management and Orchestration)

La couche de virtualisation permet de découpler l’implémentation logicielle des fonctions réseaux aux ressources matérielles (calcul, accélérateur et ressources réseaux). Ce découplage nécessite de nouvelles fonctions de gestion et d’orchestration et créé de nouvelles dépendances entre les ressources matérielles et les solutions logicielles virtualisées.

Une des premières motivations du NFV est l’agilité à déployer des nouvelles fonctions réseaux et d’accroitre les capacités de ces fonctions à la demande (exemple : une entreprise qui souhaite une bande passante plus importante une heure particulière dans la semaine, cf : https://www.youtube.com/watch?v=niHSqvKz4U0).

Afin de pouvoir profiter de cette agilité, un niveau d’automatisation de haut niveau est nécessaire pour provisionner, configurer et tester les performances des fonctions réseaux virtualisées.

La gestion et l’orchestration NFV (MANO) automatise le déploiement de fonctions réseaux virtualisées (VNF). Pour cela, il faut superviser :

  • L’infrastructure pour la gestion du matériel (capacité, réseau, calcul, …)
  • Le déploiement de fonctions réseaux (VNF)
  • Le chaînage de fonctions réseaux pour réaliser des services réseaux

Ainsi, l’entité MANO est constituée de trois fonctions :

  • Gestion des ressources
  • Gestions des VNF
  • Gestion des NS

Figure 5 : L’orchestration et la gestion des services et des ressources

L’objectif est de pouvoir mettre en œuvre des fonctions pour fournir des fonctions réseaux virtualisés et des services réseaux avec les ressources nécessaires pour s’exécuter correctement : les types d’instances à déployer, adapter la taille de l’instance en fonction de la demande (scaling) , mettre à jour une fonction réseau virtualisée (VNF), ou éteindre l’instance.

Au niveau réseau, les opérations de déploiement de service réseaux s’appuient des descripteurs décrivant les ressources et les opérations nécessaires. Les différents types de descripteurs sont :

  • Descripteurs VNF (VNFD) sont des gabarits permettant de définir les instances à mettre en œuvre et les besoins en ressource de chaque instance (CPU, mémoire, interface et réseau). Le descripteur défini également les types d’interfaces avec l’infrastructure NFVI et les KPI attendues.
  • Descripteur NS (NSD) : Le descripteur NSD contient les attributs pour un groupe de fonctions réseaux qui constituent ensemble un service réseau. Ces attribues contiennent aussi les exigences pour chaîner les VNF ensemble et fournir le service réseau.
  • Descripteur VNFFG (VNFFGD) contient des metadata concernant le graphe d’acheminement des fonctions réseaux virtualisées VNF, ainsi que les références aux conteneurs de l’infrastructure, aux instances VNFs et au lien entre les VNFs. Les métadonnées contiennent de plus des règles de politiques pour les fonctions d’acheminement (règle de routage et de commutation).

De plus, il est nécessaire :

  • d’automatiser les fonctions de supervisions en collectant les métriques de performances sur des instances et du matériel à des niveaux différents
  • de corréler les mesures effectuées afin d’apporter une solution sur les fautes détectées pour que le service fonctionne de manière fiable sur des équipements distribués.
  • de définir des performances KPI (Key Performance Indicator) au niveau des services réseaux (NS)

Comme évoqué précédemement, le bloc NFV M&O (Management and Orchestration) permet de gérer les services réseaux de bout en bout est composé de trois blocs

  • L’orchestrateur (NFV Orchestrator) : L’entité d’orchestration est responsable du cycle de vie des services réseau tant au niveau logicielle que matérielle sur plusieurs domaines en contrôlant les VIM de chaque domaine;
  • un  gestionnaire (VNFM) en charge du cycle de vie des instances VNFs en fonction des données contenues dans le descripteur. Il démarre les instances VNF, les gères, les adapte et récupère des indicateurs de supervision. Le gestionnaire VNFM utilise donc le descripteur VNFD durant la procédure d’instanciation de la fonction réseau virtualisée VNF et pendant toute la durée de vie de la VNF ;
  • un gestionnaire (VIM) en charge de la gestion des ressources du NFVI à l’intérieur d’un domaine.

Le gestionnaire VIM est une abstraction matérielle qui fourni une interface nord pour le VNFM et l’orchestrateur NFV. L’interface sud supporte les interfaces Nf-Vi pour piloter les instances sur l’infrastructure NFVI.

 

La figure ci-dessous présente un schéma de déploiement au sein d’Orange avec l’appui de Juniper et d’un controleur sous Openstack.

 

Le SFC – Service Function Chaining. Mise en oeuvre du SDN/NFV sur le réseau de mobiles 4G

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I) Rappel de l’approche SDN/NFV

Les réseaux traditionnels ont été conçus à partir d’équipements dédiés à une fonction réseau (routeurs, commutateurs, pare-feu, équilibrage de charge, accélérateur WAN, …). Ces équipements sont présents dans le réseau mobile afin d’interconnecter les entités du cœur réseau (EPC) comme le MME, le SGW et le PGW. Chaque équipement est programmé selon une interface logicielle définie par l’équipementier. Le réseau de bout en bout nécessite le déploiement d’un ensemble d’équipements réseaux hétérogènes programmés selon une architecture réseau figée. La modification de cette architecture (nécessaire par exemple pour augmenter la bande passante par l’ajout de nouveaux équipements ou par l’agrégation de lien, …) nécessite un investissement humain important et un investissement matériel

Dans le précédent article, nous avons présenté l’approche SDN qui permet d’augmenter la flexibilité et la disponibilité du réseau et d’accélérer le déploiement de nouvelles applications. Le SDN se définit comme une approche consistant à séparer le plan de contrôle du plan de données. Le plan de contrôle est géré par un équipement nommé contrôleur qui a pour but de piloter l’équipement réseau à travers lequel les données sont traitées. Les équipements réseaux constituent le plan de données.

Le premier avantage est de pouvoir exécuter une ou plusieurs règles de réseau sur un équipement standard (nommé COTS signifiant équipement sur l’étagère), autrement dit sans être dépendant de l’évolution logicielle de l’équipementier. Les règles à appliquer sur les flux de données sont fournies par le contrôleur (commutation, VLAN, routage, tag, ..). Lorsque le flux de données doit transiter par plusieurs équipements, il est nécessaire d’activer plusieurs contrôleurs. Les contrôleurs s’échangent des informations sur les interfaces est/ouest afin de piloter l’ensemble du réseau. On parle alors d’orchestration, le pilotage simultané de plusieurs entités réseau du plan de données en vue de gérer le trafic d’un flux de données.

Les contrôleurs ont donc en charge la gestion du réseau c’est à dire l’orchestration et l’automatisation des équipements réseau de différents fournisseurs (chaque fournisseur doit proposer un protocole de signalisation avec le contrôleur comme openflow par exemple).

Le SDN s’associe à une autre technologie, nommée Network Functions Virtualization (NFV). La virtualisation des fonctions réseaux NFV offre la capacité à virtualiser les fonctions du réseau telles que les pare-feu, les mécanismes d’équilibrage de charge et les accélérateurs WAN (cf. note en bas de page). Le contrôle centralisé qu’offre le SDN peut efficacement gérer et orchestrer les fonctions virtuelles qu’offre la NFV ;

Pour résumer, les objectifs du SDN-NFV sont :

  • améliorer l’efficacité opérationnelle
  • rendre plus flexible le réseau et un ajustement des besoins immédiat
  • automatiser la gestion
  • permettre le routage dynamique de trafic et le chaînage de fonctions service
  • réduire considérablement le temps de mise sur le marché des applications
  • provisionnement des fonctions réseaux et création agile de service
  • améliorer la satisfaction du client

II L’orientation du trafic (Traffic Steering)

II-1) Les fonctions service

Quand un mobile souhaite accéder au réseau IP, son flux est transmis vers la passerelle PGW ou GGSN. Cette passerelle réalise la fonction de translation d’adresse (NAT) en convertissant l’adresse privée attribuée au mobile en adresse publique et un réacheminement de port (Port Forwarding). L’opérateur peut également déployer un deuxième NAT derrière la passerelle, effectuant ainsi la fonction de Carrier Grade NAT (CGN ou NAT 444).

Cette fonction de NAT est obligatoire, il s’agit de convertir une adresse privée et un port en adresse public et un autre port, l’entité effectuant la translation d’adresse et de port sauvegarde dans une table de correspondance chaque translation privée/publique. Cette fonction service peut être virtualisée et réalisée sur n’importe quel serveur.

Afin de surveiller les flux et bloquer certains type de flux, l’opérateur peut souhaiter activer un service de détection de paquets (DPI : Deep Packet Inspectrion), lequel est associé à un pare-feu (firewall). Enfin, pour équilibrer les flux, il est également possible de rajouter un équilibrage de charge (load balancing), lequel peut orienter le trafic en fonction du port demandé ou du service demandé.

L’opérateur peut imposer, à tous les types de flux, d’être routés à travers ces différentes fonctions service. Les fonctions service classiques sont le NAT, le DPI, le Firewall, et le loadbalancing.

Mohammed Boucadair et David Binet défini [1] :

« Une fonction service (SF, Service Function) désigne une fonction embarquée dans un environnement. Elle peut être co-localisée avec d’autres fonctions service au sein du même équipement, lequel peut être un routeur, un serveur, un commutateur, etc. De telles fonctions SF incluent notamment les fonctions NAT, NAT64, pare-feu IPv4, pare-feu IPv6, TCP Optimizer, NPTv6 »

L’opérateur peut également proposer d’autres fonctions de services comme la détection et l’élimination de malware, le control parental, l’optimisation du cache, une accélération WAN, ou encore un optimisateur de flux vidéos.

Figure 1 :L’orientation statique de trafic

Sur la figure 1, on présente l’exemple ou tous les flux sur le port 80 sont chaînés à toutes les fonctions services d’une plate-forme VAS (Optimisation vidéo, cache, control parental et passerelle WAP) avant d’être acheminés au DPI et au pare-feu.

Dans cet article, on fera régulièrement référence à des fonctions services. Les fonctions services de l’opérateur sont :

  • des fonctions de protections du réseau de l’opérateur et des données du client comme le DPI, le pare-feu, les règles d’admissions (ACL), les opérations de chiffrement et déchiffrement, contrôle parental, détection de malware
  • des fonctions qui assurent le respect de la qualité d’expérience par des optimisations du trafic (PEP : Performance Enhancement Proxies, optimisation vidéos, optimisation TCP, accélérateur WAN, enrichissement d’entête HTTP…)
  • fonction NAPT et CG NAT

 

II-2) Chaînage de fonctions service statique

Afin d’éviter une surcharge des fonctions réseaux, l’opérateur défini un enchaînement de fonctions service selon le point d’accès APN demandé, c’est-à-dire un ensemble de fonctions service dans un ordre pré-établi.

L’orientation de flux par APN est une orientation dite statique qui s’applique à tous les clients. Il est évidemment possible d’invoquer une orientation de trafic et un enchaînement de fonctions service spécifique par client (gold, silver, bronze) et par application.

Figure 2 : L’orientation du trafic selon l’APN

II-3) Chaînage de fonctions service dynamique

L’opérateur peut choisir d’orienter le trafic en fonction du flux et des droits de l’usager. Pour ce faire, il doit s’appuyer sur un contrôleur centralisé qui analyse les types de flux (modèle hairpin).

Figure 3 : L’orientation de trafic via un controleur (Hairpinning)

Pour atteindre ces objectifs, le contrôleur doit interroger l’entité PCRF pour récupérer le profil et les services avec la QoS associée. Le choix d’orientation de trafic est basé sur la politique des qualités de services par flux (Policy-Based “per-flow” Steering) et le contrôleur effectue un choix selon les informations suivantes (une ou plusieurs informations) :

  • Politique de tarification de l’usager (gold, silver, bronze)
  • Type de réseau d’accès RAT (2G / 3G / 4G/ Wifi)
  • Localisation (roaming)
  • Problème de congestion de réseau
  • Type de dispositif (IMEI, HTTP User-Agent)
  • Type de contenu (HTTP Content-Type, DPI signature) …

Exemple (https://f5.com/portals/1/pdf/events/Traffic-Steering-PEM.pdf) :

Figure 4 a/b/c/d : Exemple d’orientation de trafic

III Chaînage de fonction services (SFC : Service Function Chaining)

Lors de la construction d’un support (bearer), la sélection de l’entité PGW s’effectue à partir du nom du point d’accès APN. Le chaînage de fonctions service statique, vu précédemment, est donc réalisé en ordonnant les fonctions service en sortie du PGW (cf .figure 2). Cependant, en récupérant des informations du PCRF, la fonction PCEF (située dans le PGW) peut réaliser la fonction d’orientation de trafic (traffic steering).

Le service de chaînage de fonctions service (SFC) est une architecture définit par l’IETF de manière à établir une liste ordonnée de fonctions service réseau.

Figure 5 : L’architecture SFC

Afin de rendre enchaînement de service plus flexible, le chaînage de fonctions service permet de définir une liste ordonnée de services réseaux (pour rappel, pare-feu, équilibrage de charge, optimisation WAN, …   ) et d’assembler ces services ensemble pour créer un enchaînement de services. L’architecture proposée par l’IETF est basée sur le principe du SDN. Le contrôleur SFC s’appuie sur une base de données pour connaitre les règles de politiques (table de politique SFC) pouvant être appliquées sur chaque flux et pour chaque abonné.

Pour réaliser cette fonction de chaînage, un classificateur de service (SFC Classifier) est une entité qui classe les flux de trafic en fonction des règles fournies par le contrôleur SFC. Les trames/paquets du flux sont ensuite marqués par un indicateur de chaînage de fonctions service (SFCI Service Function Chain Identifier) à l’intérieure d’une entête NSH (Network Service Header – RFC 8300). Le NSH est un protocole d’encapsulation et l’entête NSH est insérée comme metadata en plus de la data et l’extension d’entête http (http header extension) informe l’existence de la metadata.

En reprenant les définitions proposées dans la référence [1] :

« Un classificateur est une entité qui classe les paquets selon les chaînes SFC auxquels ils sont associés, conformément aux rêgles de classifications définies par le PDP – Policy Decision Point( et stockées dans une table de politique SFC. Les paquets sont ensuite marqués pour identifier la chaîne SFC à laquelle les paquets sont associés »

Il y a ainsi deux approches :

  • la première consiste à utiliser le SDN overlay (cf. article portant sur le SDN) et l’entête NSH est encapsulée dans le protocole VXLAN ;
  • la seconde approche s’appuie sur les équipements existants dans le réseau mobile, c’est donc celle que nous allons étudier. L’entête NSH est encapsulée dans le protocole GTP-U.

La 3GPP propose dans la release R.11 une nouvelle entité nommée  fonction de détection de trafic TDF (Trafic Detection Function). Cette fonction est destinée à analyser les requêtes issues du PGW en faisant de l’inspection de paquet (DPI) et à filtrer uniquement les applications selon des règles de détection d’application (ADC : Application Detection and Control) fournies par le PCRF via une requête Diameter.

La décision sur les règles ADC fournies par le PCRF est basée sur :

  • des informations fournies par le PCEF comme par exemple : Type de requête, des informations sur le client ou l’entité UE (IMSI ou IMEI), la localisation ;
  • des informations fournies par l’entité SPR tels que des informations sur la QoS pour l’abonnée (débit garanti, AMBR, …)

Le rôle premier de l’entité TDF est d’améliorer les fonctions de tarification de l’opérateur. La fonction TDF est intégrée dans le bloc PCC (Policy and Charging Control). Le TDF a pour rôle d’inspecter le trafic utilisateur à la sortie du PGW et d’assister les outils de taxation sur l’usage du réseau mobile effectué par le client. Ainsi, si pour un accès sur le port 80, l’utilisateur veut lancer une application OTT, via le TDF l’opérateur peut détecter cette application. Une fois l’application détectée, soit la fonction TDF réalise une mesure de la volumétrie consommée pour cette application (dans le sens montant et/ou descendant) spécifiquement, soit la fonction TDF informe l’entité PCRF afin que ce dernier réalise une politique de traitement pour cette application. La politique de traitement correspond à l’un des trois cas suivants :

  • Blocage de l’application : Gating;
  • Limitation de débit;
  • Redirection : Enchainement de fonctions service particulier

L’entité TDF, via l’analyse de la couche application, est en mesure de classifier plus finement le trafic issu du PGW afin de proposer des fonctions réseaux dédiées à chaque application (autrement dit pour appliques des fonctions de service spécifique).  L’entité TDF est donc un classificateur de service (SFC Classifier) et le PCRF est vu comme la table de politique de chaînage de fonctions service ( SFC Policy Table).

Figure 6 : L’architecture 3GPP et SFC

Le figure 6 met en avant deux domaines SFC (un domaine SFC est un réseau qui met en oeuvre le chaînage de fonctions service). L’entité TDF est un nœud de bordure sortant (SFC Egress Node) et l’entité IETF SFC Classifier est un nœud de bordure entant (SFC Ingress Node)

La norme 3GPP propose, dans la release R.13, une nouvelle entité TSSF (Traffic Steering Support Function). La fonction TSSF est extraite de l’entité TDF et elle est destinée à la classification du trafic afin de spécifier les fonctions de service à appliquer selon la classification de l’application.  Le TSSF met en œuvre l’orientation de trafic sur l’interface Gi (SGi) à partir des règles reçues par le PCRF. La principale différence est l’utilisation du protocole JSON sur l’interface St entre l’entité PCRF et l’entité TSSF qui permet d’échanger les règles de classification de flux plus simplement que l’interface Diameter entre l’entité PCRF et l’entité TDF. L’entité TSSF peut transmettre les métadatas reçus du PCRF sur l’interface Gi LAN.

Selon l’approche SDN, la fonction TSSF est un contrôleur SDN qui injecte ses règles à l’entité TDF.

Dans le prochain article, nous étudierons le chaînage de fonctions service (SFC) avec la virtualisation : Le VNFFG (Virtual Network Function Forwarding Graph).

Merci à Mohamed Boucadair et Christian Jacquenet d’avoir apporté des précisions sur l’article.

A lire :

[1] Mohamed Boucadair, David Binet, « Structuration dynamique de services- Introduction au chaînage de fonctions service (SFC) », Techniques de l’Ingénieur, publié le 10 octobre 2015.

Annexe : Protocoles d’échange entre le PCRF et le TDF sur l’interface Sd

Virtualisation du réseau EPC : Concept NFV/SDN

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La virtualisation du réseau permet  la montée rapide en charge de travail en mettant en route plusieurs machines virtuelles (VM) et les services réseaux associés (commutation logique, routage logique, pare-feu logique, équilibrage de charge logique, VPN logique, accélération WAN, compression d’entête, …) pour chaque charge de travail.

Les avantages de la virtualisation sont les suivants :

  • amélioration de l’efficacité des serveurs ;
  • gestion des charges de travail grâce au déploiement de VM et des services réseaux;
  • gain des performances du réseau et flexibilité;
    • déplacement de VM
    • équilibrage de charge
    • agilité de l’infrastructure réseau
    • Réduction du temps de déploiement : Time To Market
    • Chaînage de service en déployant les VMs  par application

I – La virtualisation du réseau

La virtualisation consiste à déployer plusieurs machines virtuelles sur un serveur physique. Afin de pouvoir partager les ressources matérielles (CPU, cartes réseaux, ….), il est nécessaire d’installer un logiciel de virtualisation appelé hyperviseur. Chaque machine virtuelle dispose de son propre système d’exploitation. Les pilotes et les périphériques sont stockés dans un domaine de l’hyperviseur accessible à chaque VM, les VMs utilisent des périphériques virtuels.

Un hyperviseur de type paravirtualisation nommé bare-metal ou type 1 s’exécute directement sur le serveur physique.

La gestion des VM et la sécurité est un point critique : les règles de pare-feu doivent être modifiées (rajoutées ou supprimées) à chaque fois qu’une nouvelle VM est rajoutée ou supprimée. Les premières solutions déployées pour les Datacenters permettent l’automatisation du provisionnement (provisionning) en fonction de l’ajout, la suppression ou la modification de VM.

Ainsi, lorsque le client exprime un besoin, par exemple mettre à jour des données sur son site web hébergé au niveau d’un Datacenter, cette charge de travail peut nécessiter la collecte et la fusion de données, des calculs, un stockage et une mise en forme spécifique des résultats à travers un tableur. L’hébergeur peut ainsi activer plusieurs VM (ou container) sur un seul serveur ou sur plusieurs serveurs. Dans ce cas il est nécessaire que les serveurs communiquent les uns avec les autres, on parle de communication est/ouest afin de répondre à la requête du client (communication nord/sud).

Au niveau du serveur physique, les VM sont isolées les unes des autres. L’isolation de VM non chaînées garantie qu’aucun échange ne peut s’effectuer entre les deux VM.  Cependant, l’échange de données entre les VMs est possible via un routage mais cela nécessite l’établissement de règles de sécurité : les règles du pare-feu entre chaque VM doivent être définies par rapport aux applications hébergées sur la VM. La micro-segmentation qui consiste à mettre en réseau plusieurs VM pour une charge de travail donnée peut être sécurisée par des pare-feux virtuels.

Dans le cas d’architecture réseau traditionnel, le trafic des charges de travail doit passer par un point de contrôle unique comme par exemple un pare-feu physique avec des règles établies pour tous les types d’application. Cette architecture, nommée hairpinning, créée un goulot d’étranglement ce qui rend donc cette architecture inefficace lorsque les charges de travail ne nécessitent pas les mêmes traitements. Son avantage est la stabilité du réseau et son prix.

Grace au déploiement du réseau virtuel :

  • la charge de travail est indépendante du réseau physique, c’est-à-dire de la configuration de VLAN, de la liste de contrôle d’accès, des règles de pare-feu. La micro-segmentation permet le transfert de données entre VMs isolées via un routage logiciel et un pare-feu logiciel ;
  • plusieurs charges de travail peuvent co-exister sur le même réseau physique et sur les mêmes entités, permet ainsi de partitionner virtuellement plusieurs services (slicing network).

L’automatisation permet de mettre en route ou d’éteindre l’ensemble des VM concernés et de provisionner les politiques adéquates des pare-feux pour chaque charge de travail.

L’orchestration permet de configurer toutes les charges de travail sur les serveurs physiques (planification des VMs en fonction des serveurs physiques existants et gestion des réseaux virtuels en fonction des capacités physiques réelles de la couche de transport).

II – Network Functions Virtualization

Jusqu’à présent, nous avons vu que la virtualisation permettaient de déplacer vers des serveurs banalisés :

  • les équipements de traitement de réseau (pare-feu, dpi, accélérateur WAN, équilibrage de charge, …)
  • les équipements de fonction réseau (commutateur, routeur)
  • les serveurs de stockage et serveur cache

Figure 1 : Virtualisation de fonctions réseaux

D’autres fonctions réseaux sont également virtualisables :

  • les entités du réseau mobiles : HSS, HLR, MME, SGW, PGW, SGSN, GGSN
  • les réseaux d’accès : BTS, BSC, NB, RNC, eNB

L’approche NFV a été initiée par l’organisme ETSI dans l’objectif de virtualiser les services et fonctions du réseau et de gérer les VMs en fonction des demandes des utilisateurs. Nous définirons l’architecture NFV dans un prochain article.

III – NFV/SDN

On distingue :

  • la virtualisation du réseau consistant à virtualiser sur des pools de ressources des applications (calcul, stockage et service réseau –DHCP – DNS – Parefeu logiciel – équilibrage de charge) et à gérer au niveau de l’hyperviseur les fonctions réseaux logiciel et la sécurité logicielle;
  • le NFV qui exploite les fonctions de la virtualisation en gérant et orchestrant les fonctions de virtualisation par un contrôleur. Le NFV est une architecture de virtualisation s’appuyant sur l’infrastructure physique (NFVI) sur laquelle tourne plusieurs VM. La gestion des ressources physiques du serveur (CPU, RAM, accès réseau, disques virtuels, switchs/routeurs virtuels, …), et la durée de vie des VMs sont contrôlés par une couche de gestion et d’orchestration NFV nommé MANO (Management and Orchestration) et qui est piloté par le système BSS/OSS de l’opérateur
  • le SDN consistant à séparer le plan de contrôle et le plan de données en centralisant au niveau d’un contrôleur l’intelligence de l’infrastructure matérielle. L’objectif est de provisionner automatiquement les fonctions du réseau de transport

 

Le concept de SDN (Software Defined Networking) repose sur un découplage entre le plan de commutation local aux équipements réseaux et le plan de contrôle. Le NFV peut s’appuyer sur le SDN en autorisant une gestion centralisée du réseau. La conséquence majeure est que le réseau devient programmable et peut être couplé aux applications métiers des usagers.

L’approche NFV propose d’extraire les fonctions réseaux des équipements dédiés et de les faire fonctionner dans un environnement virtualisé. Pour les opérateurs réseau, l’approche NFV constitue une opportunité de proposer des services de manière plus agile, capable de fonctionner à des échelles extrêmement importantes, mais surtout de manière plus rapide en exploitant les propriétés intrinsèques à la virtualisation. Ainsi, la virtualisation du réseau et de la sécurité permet de gérer des commutateurs virtuels et routeurs virtuels à la charge de l’hyperviseur, ainsi que la sécurité (pare-feu logique, VPN logique et équilibrage de charge logique).  On parle de réseau Overlay car les VMs et les services exploitent le réseau physique sous-jacent (cf.http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/01/15/principe-du-sdn-dans-une-architecture-reseau-classique/ ).

Ainsi, le contrôleur SDN est utilisé

  • pour programmer l’infrastructure réseau virtuel afin de définir les règles de routages et de sous-réseaux pouvant être utilisées pour interconnecter des fonctions réseaux virtualisés (VNF) : SDN Overlay ;
  • par une fonction réseau virtualisée afin de traduire la fonctionnalité réseau virtualisée attendue à la configuration physique du réseau. Le contrôleur SDN est donc une fonction VNF dans l’infrastructure NFV.

A titre d’exemple, l’un des avantages du SDN/NFV est le chaînage de service dynamique virtuel (traffic steering and chaining service) défini par une politique de flux. Lorsque l’utilisateur souhaite accéder à un service, le contrôleur SDN défini un ensemble de fonction réseaux à déployer. Le rôle du NFV est alors de gérer les VMs à mettre en œuvre et le contrôleur SDN gère le routage des flux.

Nous étudierons le SFC – Service Function Chaining dans le prochain article

Les deux technologies SDN/NFV réduisent ainsi l’OPEX (un seul environnement, automatisation des taches, …) et le CAPEX (remplacement du matériel devient une mise à jour logicielle).

Principe du SDN dans une architecture réseau classique

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I – Généralités sur le réseau IP

I-1) Les équipements de routage et de commutation

Sur un réseau IP, la mise en relation entre un client et un serveur s’appuie sur des équipements de routage et des équipements de commutation.

Le rôle du routeur est d’acheminer chaque paquet IP au nœud suivant afin que chaque paquet puisse être transporté de bout en bout, du client IP au serveur et inversement. Avant d’être déployés sur le réseau, les routeurs doivent être configurés. La configuration permet au minima de définir les adresses IP des interfaces physiques et virtuelles du routeur et d’informer le routeur des protocoles de routage à appliquer pour acheminer les paquets IP.

Les protocoles de routage permettent à chaque routeur de récupérer des informations des routeurs voisins afin de constituer localement des informations de routage (RIB : Routing Information Base). Ainsi, les informations de routage sont actualisées pour prendre en compte l’état de chaque nœud (saturé, hors ligne, …) de manière dynamique : les routeurs échangent entre eux des informations par l’intermédiaire du protocole de routage choisi. Ensuite, les informations de routage permettent de construire une table d’acheminement (Forwarding Information Base). La table d’acheminement est exploitée par le routeur pour définir l’interface sur laquelle envoyer le paquet (adresse de destination, classe de service).

Ainsi, le protocole de routage RIB permet de constituer des règles qui sont synthétisées dans une table d’acheminement FIB afin de router le paquet IP vers le prochain saut (next-hop) selon un critère de  coût (nombre de saut, débit, délai, …) géré par le RIB. L’avantage du routage dynamique est l’adaptation  aux évolutions du réseau (nouvelles routes, routeur saturé ou lien défaillant) en temps réels.

Les informations de routages transmises entre routeurs dépendent du protocole de routage choisi :

  • états de lien, chaque routeur s’appuie sur la qualité et les performances du lien et de la bande passante qui le relie les uns aux autres. Cet échange permet de définir une cartographie complète du réseau au niveau de chaque routeur. Ce protocole de routage s’appelle OSPF (Open Shortest Path First) et il est également utilisé par le réseau MPLS ;
  • vecteur de distance se base sur le principe que chaque routeur dispose d’une table de routage indiquant, pour chaque réseau de destination, l’interface locale permettant de l’atteindre et la meilleure distance qui lui est associée (exemple de protocole RIP, EIGRP) ;
  • label, les routeurs échangent des informations de label dans le contexte MPLS (LDP : Label Distribution Protocol) ;
  • bordure, en bordure de deux réseaux différents (on parle de domaine), les routeurs échangent des informations de routage et d’accessibilité : BGP (Border Gateway Protocol).

Deux grandes familles de protocole sont définies : Le protocole interne domaine (OSPF, RIP, MPLS) et le protocole d’interconnexion inter domaine  (BGP, EGP – Exterieur Gateway Protocol, …).

I-2) Le réseau opérateur 4G

Si on s’intéresse plus particulièrement au réseau opérateur, le réseau de transport de l’opérateur PLMN permet de fournir une interconnexion entre les différentes entités du réseau mobiles 4G. Cette interconnexion s’appuie sur deux types de réseaux principaux :

  • le réseau MPLS-VPN (Multi-Protocol Label Switching – Virtual Private Network) constituant le réseau de transport du réseau EPC
  • le réseau VPLS (Virtual Private Lan Service) assurant l’interconnexion de niveau 2 entre les eNB et le cœur réseau (MME, SGW)

Afin d’assurer le trafic des flux IP, le réseau MPLS utilise deux types de routeurs :

  • les routeurs EDGE LSR ( Label Edge Router ou Ingress LER) sont les routeurs de passerelle vers un autre réseau (Ingress LER pour le routeur entrant et Egress LER pour le routeur sortant)
  • les routeurs Core LSR constituent le domaine réseau MPLS. Ils réalisent le routage et l’étiquetage des premiers paquets et ensuite de la commutation de label.

Figure 1 : L’architecture du réseau MPLS

Le réseau VPLS est un réseau virtuel de niveau 2 qui s’appuie sur les trames Ethernet pour réaliser de la commutation Ethernet et de la commutation de label. Les tables de labels sont échangées via le protocole LDP (Label Distribution Protocol) entre les équipements du réseau VPLS.

II – Compréhension du protocole de routage

La représentation simplifiée d’un routeur est décrite sur la figure 2 par un plan de contrôle qui décide de la route et d’un plan de données pour prendre en charge le trafic. Pour les équipements de réseaux traditionnels, les plans de contrôle et le plan de données sont localisés dans le même équipement.

Figure  2 : La configuration simplifiée d’un routeur

La souplesse apportée par les algorithmes de routage permet d’allouer dynamiquement les routes optimales en fonction de l’évolution de charge du trafic. Cependant, cette solution souffre de deux défauts majeurs.

Le premier défaut est lié au coût d’exploitation (OPEX) pour faire évoluer l’architecture réseau. En effet, les équipements du réseau de transport (commutateurs et routeurs) sont déployés en fonction du trafic estimé. Le réseau de transport est donc surdimensionné par rapport au besoin moyen des clients mais au vu des prévisions de charge pour les années à venir, l’opérateur devra déployer et programmer d’autres équipements de routage et de commutation.

Le deuxième défaut est le manque de flexibilité du réseau vis-à-vis de l’installation de nouvelles fonctions réseaux comme l’équilibrage de charge, des pare-feux, ou le déploiement de nouveaux serveurs. Si par exemple, une entreprise multi-site souhaite installer un pare-feu uniquement et un détecteur de malware uniquement pour filtrer les connexion Internet, alors de telles modifications nécessitent soit la reconfiguration du réseau (séparation des flux entre l’accès Internet et l’accès VPN inter-site) soit la contrainte de respecter la topologie actuelle du réseau pour rajouter de nouveaux services (dans ce cas, tout le trafic VPN et Internet passera par le pare-feu et le contrôleur de malware).

Afin d’apporter de la souplesse au déploiement de services réseaux sur le réseau de transport, le SDN (Software Defined Networking) repose sur :

  • l’idée de séparer le plan d’acheminement des flux IP (FIB) et le plan de contrôle constituant les informations de routages (RIB)
  • d’apporter de la souplesse en donnant des ordres au plan de contrôle à partir d’API REST transmises par des applications (ingénierie de routage, Network as a Service).

Il existe deux modèles SDN :

  • Programmabilité via un contrôleur. Dans ce modèle, une application donne un ordre abstrait et global à un contrôleur, qui à son tour traduit cette requête en une suite d’ordres auprès des équipements du réseau concerné.
  • SDN Overlay: Création d’un réseau virtuel au-dessus du réseau physique. Dans ce modèle, les applications créent leur propre réseau « overlay », s’affranchissant des contraintes du réseau physique sous jacent. Ce dernier n’a pour mission que la simple connectivité entre les noeuds d’extrémité des tunnels, et le réseau d’overlay assure l’intégralité des services.

Programmabilité via un contrôleur

Le positionnement du SDN est donc de remplacer les routeurs et commutateurs de niveau 1 à 4 par une machine physique universelle dont le traitement des flux IP est modifié en temps réel par une couche de contrôle, appelée contrôleur SDN.

La couche de contrôle a pour rôle d’implémenter des règles  sur le commutateur SDN. Les règles peuvent concerner des affectations de VLANs (port d’accès), du routage et des traitements spécifiques de services réseaux (équilibrage de charge, haute disponibilité, QoS,…)

Ainsi, l’architecture SDN est basé sur l’évolution de l’architecture suivante (figure 3):

Figure 3 : Architecture SDN

Le protocole d’injection de règles SDN le plus connu est OpenFlow (version 1.0 à 1.5)

Le contrôleur est, quant à lui, piloté par le besoin des applications. On dit que le contrôleur fournit une abstraction du plan de transport aux applications. La notion d’abstraction signifie que le contrôleur offre des interfaces programmables aux applications réseaux (les interfaces sont nommées API) et le contrôleur se charge de piloter le plan de données en injectant des règles d’acheminement spécifiques répondant aux besoins des applications sans que les applications connaissent ces règles.

Ainsi, comme le montre la figure 4, la couche d’abstraction du contrôleur comporte une interface de programmation (interface Nord) qui fournit des fonctions génériques et banalisées de manipulation du réseau de transport en cachant les détails techniques des entités du réseau.  Ceci permet à une application d’informer le contrôleur des besoins de traitement de flux de manière générale en faisant abstraction des détails technique du matériel.

Figure 4 : Le principe du SDN

Le contrôleur dispose d’une interface nord appelé Northbound API afin de proposer des API de haut niveau aux applications SDN. Les applications SDN peuvent être une demande de gestion du réseau, un contrôle d’accès, une priorité de service à mettre en œuvre, …

Le plan de contrôle va orchestrer la demande des applications en transmettant via l’interface sud les tables d’acheminements correspondantes. Les protocoles utilisés sur l’interface sud peut être le protocole CLI (Command Line Interface), le protocole OpenFlow, ou d’autres protocoles (NETCONF/YANG, …)

Le terme d’orchestration désigne le processus qui permet au contrôleur de satisfaire les demandes de service de plusieurs clients selon une politique d’optimisation pour chaque service.

Le plan de données ou plan usager est chargé de l’acheminement (forwarding) du trafic des utilisateurs et de l’application de politique de trafic (parefeu, VLAN, …) dont les règles ont été transmises par le contrôleur. La politique réseau étant définie par les applications.

 

SDN Overlay

Principe de l’Overlay

Le réseau overlay est une solution initialement dédiée aux hébergeurs de Cloud Center afin que deux serveurs de l’hébergeur, physiquement éloignés, puissent communiquer entre eux via  un réseau de transport opérateur (réseau d’interconnexion externe aux hébergeurs donc non modifiable).

Les réseaux Overlay (over-layer) signifie construire un réseau virtuel de couche 2 au-dessus d’un réseau de couche 3 : Les paquets du réseau sont encapsulés puis routés à travers l’infrastructure existante. Un des protocoles proposé est le VxLAN (Virtual eXtensible LAN) proposé dans le RFC 7348. Il encapsule les trames Ethernet dans un datagramme UDP.

A l’origine, cette solution a été proposée pour faciliter l’interconnexion des serveurs de cloud qui sont basés sur le principe de virtualisation : un hébergeur dispose de plusieurs salles de serveurs. Chaque serveur est une machine physique pouvant recevoir plusieurs machines virtuelles (VM). Afin de partager les ressources physiques (RAM, CPU, cartes réseau, …), il est nécessaire d’installer sur le serveur un logiciel nommé hyperviseur. Un hyperviseur (VMM : Virtual Machine Monitor ou Virtual Machine Manager) est un moniteur de machines virtuelles installé directement sur la machine physique (hyperviseur bare metal) ou sur un système d’exploitation. Son rôle est de contrôler l’accès au matériel et de partager les ressources physiques entre toutes les machines virtuelles (VM : Virtual Machine).

L’hyperviseur virtualise l’interface de réseau physique et la partage entre toutes les machines virtuelles. Chaque VM dispose de sa propre adresse MAC et adresse IP. Les VMs sont configurées en mode pont, NAT ou sont isolées des autres VMs (Host Only ou réseau privé). Le mode host only permet de créer un réseau privé entre la VM et le machine hôte.

La virtualisation du réseau coordonne par conséquent les commutateurs virtuels dans les hyperviseurs du serveur et les services réseaux pour les VM connectées.

L’hyperviseur réalise ainsi un commutateur virtuel permettant de connecter les VM les unes aux autres. Le commutateur virtuel supporte le VLAN, mais le protocole 802.1Q limite à 4096 le nombre de VLAN. Lorsque l’hébergeur de solution cloud souhaite exploiter le réseau IP opérateur pour transmettre des paquets IP entre deux serveurs situés sur le même réseau virtuel, il est nécessaire d’encapsuler les trames dans une couche supérieure.

Les hébergeurs exploitent le protocole VxLAN, chaque VM sur une machine physique est identifiée par un identifiant réseau VxLAN sur 24 bits, nommé VNI. L’hyperviseur de chaque serveur gère l’encapsulation et la désencapsulation des trames contenues dans les VxLANs (VTEP : VxLAN Tunnel EndPoint).

Supposons qu’une machine virtuelle située sur un réseau virtuel (VxLAN) dans un serveur physique souhaite transmettre des données vers une machine virtuelle située dans un autre serveur physique (VxLAN). La machine virtuelle source construit sa trame Ethernet avec les champs suivants :

Figure 5 : L’architecture réseau entre deux serveurs interconnecté par le réseau IP opérateur

La figure 6 représente l’encapsulation et les entêtes associées :

Trame Ethernet VM: VxLAN ID/Mac Dest/Mac Src VM/ IP Src VM/ Ip Dest VM/ TCP ou UDP Data

L’hyperviseur de la machine virtuelle encapsule la trame Ethernet dans la couche UDP :

MAC VTEP Dest ou MAC GW/ MAC VTEP Source/IP VTEP source/IP VTEP Destination/ UDP/Data contenant laTrame Ethernet VM.

Figure 6 : L’encapsulation VxLAN

Nous venons de voir l’overlay, mais pas encore le SDN.

SDN Overlay ou Overlay réseau programmable

Nous savons que le principe du SDN réside dans la séparation du plan de contrôle et du plan utilisateur. Dans le cas du SDN overlay, le réseau physique sous-jacent ne peut pas être contrôlé, le SDN s’applique donc au réseau overlay.

Les datacenters doivent aussi être flexibles et gérer au mieux les flux de réseaux. La programmabilité s’exprime surtout ici avec l’orchestration des ressources : comment coordonner intelligemment le processus de mise à disposition d’infrastructure en entreprise. Ainsi, la virtualisation permet à l’intelligence de l’infrastructure des hébergeurs Cloud de contrôler et de déployer automatiques les serveurs. Les éléments de l’infrastructure (stockage, calcul, mis en réseau) sont virtualisés et regroupés en pools de ressources. De plus les applications doivent être mobiles et répliquées sur un Cloud distant afin de permettre une reprise après sinistre.

L’utilisation d’une plate-forme de gestion du Cloud (CMP – Cloud Management Platform) permet de provisionner des réseaux virtuels en activant les services réseaux et les services de sécurité virtuels en fonction des charges de travail.

Il existe plusieurs solutions virtuelles ( VMware NSX, Midokura MidoNet et Nuage Networks) afin de contrôler dynamiquement les routeurs virtuels, les commutateurs virtuels grâce à un contrôleur de service virtualisé qui permet également de déplacer, créer ou détruire un VM afin de répondre au mieux au besoin du client

Le rôle du SDN est donc d’orchestrer les VMs afin d’adapter les ressources de l’hébergeur cloud (Amazon SE3, …) au besoin du client en assurant la fiabilité de l’interconnexion, l’accès rapide au données, ….

 

Merci à Sébastien Couderc d’avoir accepté de relire cet article

Dual Connectivity : La Double Connectivité

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I) Introduction

La double connectivité (DC : dual connectivity) est une évolution fondamentale de la norme 4G. Celle-ci est définie dans la release R.12 et elle doit être comprise pour deux raisons principales :

  • le fonctionnement du mécanisme DC est exploité par les mécanismes LWIP et LWA ;
  • la double connectivité sera mise en œuvre pour le déploiement de la 5G en mode non autonome (NSA : non standalone). La double connectivité fait donc parti des mécanismes transitoires vers la 5G.

La double connectivité signifie que le mobile UE va établir simultanément deux supports radios (RAB : Radio Access Bearer) avec deux stations de bases. Ces stations de bases peuvent être des entités eNB pour la 4G et à terme, on parle de double connectivité entre une station de base eNB (ou ng eNB) et une station de base gNB (station de base 5G). La station de base ng eNB est une station de base 4G évoluée qui communique avec le cœur réseau 5G (le cœur réseau 5G se nomme 5GC).

II Explication de la double connectivité

La double connectivité différencie le plan de contrôle (control plane) et le plan de transport des données, c’est-à-dire le plan utilisateur (user plane). Lorsque le mobile UE veut établir un support EPS (EPS bearer) il commence par demander l’établissement d’un support de signalisation radio (SRB : Signalling Radio Bearer) avec une station de base eNB. Cette station de base eNB sera nommée par la suite entité MeNB (Master eNb). L’échange de signalisation (couche RRC) s’effectuera entre le mobile UE et la station de base MeNB.

Figure 1 : Le plan de contrôle pour la double connectivité

 

La double connectivité suppose l’établissement de deux supports radios (RAB) : un support radio avec l’entité MeNB et un support radio avec une deuxième station de base eNB nommée SeNB. Les deux stations de bases MeNB et SeNB impliquées dans la double connectivité doivent impérativement avoir une interface X2.

Les fonctions du MeNB sont les suivantes :

  • établir un support data radio entre la station de base MeNB et le mobile UE ;
  • échanger des informations de contrôle avec une station de base SeNB (Secondary eNB) ;
  • établir un support data radio entre la station de base SeNB et le mobile UE ;
  • récupérer les mesures radios de l’UE correspondant à la station de base MeNB et la station de base SeNB (dans le cas de la station de base SeNB les mesures sont transmises via l’interface X2 entre le SeNB et le MeNB) ;
  • échanger des informations de contrôle avec le MME ;
  • demander l’établissement, via le MME, d’un support S1 entre le MeNB et le SGW sur l’interface S1-U U entre la station de base MeNB et l’entité SGW;
  • éventuellement, demander l’établissement via le MME, d’un support S1 entre le SeNB et le SGW sur l’interface S1-U entre la station de base SeNB et l’entité SGW;
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base SeNB
  • contrôler le handover entre le mobile UE et la station de base MeNB, et dans ce cas, libérer le RAB avec le SeNB

Concernant le plan de transport, il existe sept architectures DC différentes reposant sur le principe d’ancrage du support soit au niveau de la station de base MeNB, soit au niveau de l’entité SGW : Deux supports radios sont établis entre le mobile UE et avec chacune des stations de base (MeNB et SeNB) et un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW. Un deuxième support S1-U peut être établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW.

Chaque station de base eNB (MeNB et le SeNB) gère le trafic de manière autonome sur les sous-couches MAC et RLC de la couche 2 et chacun station de base eNb gère sa couche physique.

Ainsi, une fois la signalisation échangée entre le mobile UE et la station de base MeNB (couche RRC) et une fois l’établissement des supports radios, les 7 architectures sont les suivantes :

  • Architecture 1A : un support S1-U est établi entre la station de base MeNB et l’entité SGW et un support S1-U est également établi entre la station de base SeNB et l’entité SGW. Au niveau du SeNB, le flux est géré par la couche PDCP du SeNB indépendamment du MeNB
  • Architecture 2 : Au moins deux supports S1-U sont établis entre l’entité SGW la station de base MeNB. L’un des supports sera associé au support radio du MeNB, le deuxième support sera associé au SeNB. Aucun support S1-U n’est établi entre l’entité SGW et la station de base SeNB. La séparation des supports est à la charge du SGW et le MeNB va gérer la redirection du trafic vers le SeNB :
    • Architecture 2A : La redirection du flux est routée du MeNB vers le SeNB. Le flux est donc pris en charge par la sous-couche PDCP de la station de base SeNB.
    • architecture 2B : La redirection du flux est gérée par la couche PDCP de la station de base MeNB et envoyé à la sous-couche RLC de la station de base SeNB. C’est donc le MeNB qui gère le chiffrement des données;
    • architecture 2C : La redirection du flux est gérée par la couche RLC de la station de base MeNB vers la sous-couche RLC du SeNB. La sous-couche RLC de la station de base est configuré en mode transparent, le contrôle et l’acquittement des trames est effectuée au niveau de la station de base SeNB.
  • Architectures 3A/3B/3C se differencient des architectures 2A/2B/3C par le fait que la commutation des supports est à la charge de la station de base MeNB. Le SGW établi au moins un bearer radio S1-U avec le MeNB. Le ou les supports S1-U sont séparés au niveau de la station de base MeNB
    • Architecture 3A : une partie des paquets est transmis vers la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche PDCP de la station de base SeNB
    • Architecture 3B : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB, une partie des paquets est ensuite transmise vers la sous-couche RLC de la station de base MeNB, l’autre partie vers la sous-couche RLC de la station de base SeNB
    • Architecture 3C : L’ensemble des paquets est traité par la sous-couche PDCP de la station de base MeNB et transféré à la sous-couche RLC de la station de base MeNB. Une partie des paquets est dirigé vers la sous-couche RLC de la station de base secondaire SeNB, la sous-couche RLC de la station de base SeNB fonctionne en mode transparent .

Les architectures 2 et 3 ont l’avantage d’être transparentes pour le cœur réseau CN, la gestion de la mobilité est donc réalisée uniquement au niveau de la station de base MeNB, ce qui simplifie la signalisation avec le cœur réseau, surtout si on considère les stations de base secondaire SeNB comme des petites ou micro stations de base.

L’architecture 3C présente l’avantage de laisser la station de base MeNB gérer la séparation des supports S1-U. Cette fonction dévolue à la station de base MeNB lui permet, à partir de la connaissance de la qualité du lien radio (CQI : Channel Quality Indicator)  du support RAB entre le mobile UE et la station de base MeNB, ainsi que le CQI entre le mobile UE et la station de base secondaire SeNB d’ordonnancer de manière optimale les flux IP ce qui permet d’améliorer le débit au niveau du mobile UE.

L’architecture 1A a l’avantage de ne pas surcharger le réseau de transport backhaul contrairement aux architectures 2 et 3. L’opérateur doit en effet sur-dimensionner son réseau de transport par un facteur 3 lorsqu’il choisit de déployer les architectures 2 ou 3.

Au final, seules les architectures 1A et 3C ont été retenues pour la double connectivité. L’architecture 3C est plus fexible pour gérer la mobilité et le handover par rapport aux architectures 3A et 3B.