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Architecture SBA du réseau 5G : Microservices et SOA

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L’objectif de cet article est de comprendre l’évolution du cœur de réseau mobile entre l’architecture 4G monolithique et l’architecture 5G basée sur les services.

La nouvelle architecture 5G a été pensée pour pouvoir ajouter des briques logicielles innovantes et une mise sur marché rapide de ces nouvelles fonctionnalités. Ainsi, à l’instar des solutions proposées par Amazon ou Windows Azur, le réseau 5G s’appuie sur les solutions Cloud et la méthodologie DevOps.

Au cours de cet article, nous allons décrire le cœur de réseau 4G, puis les architectures SOA (Service Oriented Architecture) et microservice pour décrire et comprendre l’architecture SBA (Services Based Architecture) du réseau 5G.

Je remercie Mickael BARON [2] d’avoir pris le temps de relire l’article, le corriger et d’avoir contribué aux améliorations de cet article.

  1. L’architecture du réseau 4G

Le cœur de réseau de mobiles 4G (cf. figure 1) est construit à partir des entités fonctionnelles suivantes :

  • l’entité MME (Mobility Management Entity) a pour rôle de gérer :
    • l’attachement des mobile ;
    • le suivi de la mobilité ;
    • l’établissement de sessions IP prenant en compte la politique de taxation de l’usager ;
    • l’établissement d’un appel voix.
  • l’entité SGW (Serving Gateway) est le point d’ancrage des flux de sessions IP. Le SGW gère l’établissement d’un bearer (un bearer est un tunnel IP de bout en bout associée à une qualité de service QoS). Le bearer s’établit du mobile jusqu’à l’entité PGW. Le SGW mesure le trafic consommé par utilisateur et, en cas de demande judiciaire, dérive le trafic (cas d’interception légale).
  • l’entité PGW (PDN Gateway) est la passerelle de routage entre le réseau opérateur et un réseau IP (PDN : Packet Data Network). L’entité PGW réalise l’inspection de trafic, met en place les bearer avec le SGW, est en charge de fournir une adresse IP au mobile pour chaque bearer, mesure le trafic consommé et, en cas de demande, dérive le trafic dans le cas d’interception légale.
  • l’entité PCRF (Policy Charging Rule Function) gère la mise en œuvre de la QoS pour les bearer dédiés et la gestion dynamique de la facturation.

Figure 1 : Le réseau 4G, les bases de données et l’échange d’information

Chaque entité fonctionnelle contient un ensemble de lignes de codes pour pouvoir apporter les fonctionnalités attendues. On parle de bloc monolithique : le langage de programmation choisi pour chaque entité fonctionnelle dépend de l’équipementier. La mise à jour d’une entité nécessite la recompilation de l’ensemble du programme (toutes les lignes de code), ce qui met à jour toutes les fonctions. L’équipementier doit s’assurer que la modification d’une fonction n’ait aucun impact sur le reste du programme.

Chaque entité fonctionnelle contient une base de données importante (une table avec des millions d’entrées). A titre d’exemple, la figure 1 représente en couleur bleue une partie du contexte sauvegardé dans la base de données des entités pour un mobile. Les entités fonctionnelles partagent leurs données aux autres entités dans des appels à fonction. La technologie utilisée pour la base de données est propre à l’équipementier (mariadb, PostgreSQL, …). Ainsi, deux entités MME provenant de deux équipementiers différents (Nokia/Ericsson par exemple) peuvent utiliser des bases de données différentes et un langage de programmation différent. Mais les échanges entre entités sont normalisés.

Enfin, une ou plusieurs entités fonctionnelles peuvent être intégrées dans une seule entité matérielle. A titre d’exemple, le SGW et le PGW peuvent former l’entité S/PGW. L’entité matérielle est dite monolithe.

Définition : en génie logiciel, un modèle monolithique fait référence à une seule unité indivisible.

Par dérivation, le concept de logiciel monolithique réside dans la combinaison de différents composants d’une application en un seul programme sur une seule plateforme. Habituellement, une application monolithique se compose d’une base de données, d’une interface utilisateur côté client et d’une application côté serveur. Toutes les parties du logiciel sont unifiées et toutes ses fonctions sont gérées en un seul endroit.

Comme le montre la figure 1, dans l’architecture 4G, les entités sont connectées les unes aux autres, par une connexion point à point. Cette connexion est nécessaire afin d’échanger des données.

L’architecture 4G est une architecture composée d’entité monolithe modulaire autonome : chaque entité est responsable d’un ensemble de fonctions et fournit aux autres entités les données nécessaires à l’exécution d’un service.

Par exemple :

  • l’identification, l’authentification et les droits d’accès du mobile sont gérées par l’entité HSS : l’entité MME interroge l’entité HSS pour pouvoir identifier le mobile en lui transmettant l’identité IMSI du mobile. Le HSS transmet à l’entité MME les données d’authentification. L’entité MME va ensuite réaliser la procédure d’authentification avec le mobile ;
  • lorsque le mobile est en mode connecté, l’entité MME connait l’identité de la station de base (eCGI) sur laquelle le mobile échange des données. L’entité MME peut donc demander à l’entité SGW de mettre en place, pour ce mobile, un nouveau bearer (dédié) vers la station de base.

Les spécifications 3GPP standardisent les interfaces entre chaque entité fonctionnelle en définissant :

  • les applications au niveau des interfaces (par exemple GTP-C, S1-AP, DIAMETER) ;
  • les messages échangés entre chaque interface (cf. figure 1).

Dans le cas de l’architecture 4G, une fonction (une portion du code) est sollicitée par une autre entité : à titre d’exemple la fonction PCEF intégrée au niveau de l’entité PGW applique les règles fixées par l’entité PCRF. L’entité PCRF transmet une requête DIAMETER à l’entité PGW sur l’interface Gx. Chaque entité gérant des millions d’utilisateurs, il est nécessaire d’identifier le mobile concerné. Ainsi, chaque entité source soumet à l’entité cible les informations nécessaires (l’identité GUTI ou IMSI, le numéro de tunnel TEID, …comme le montre la figure 1). Les informations à transmettre sont normalisées.

Cette architecture monolithe modulaire facilite l’ajout de nouvelles entités fonctionnelle. Toutefois, puisque les entités communiquent les unes avec les autres selon les spécifications 3GPP, il est nécessaire de respecter les spécifications sur les interfaces. Malgré les efforts de spécifications, l’interprétation de la norme peut être perçue différemment par chaque équipementier.

Ainsi, lorsque l’opérateur ajoute une nouvelle entité, cela nécessite du temps pour vérifier l’intégration de cette nouvelle entité avec les autres entités existantes provenant de constructeurs différents.

En général, une fois la normalisation d’un réseau mobile gelé, l’architecture du réseau de mobiles n’évolue pas.  C’est le cas pour la 2G, puis la 3G. Cela aurait dû être le cas pour la 4G, mais l’arrivée de l’IoT a nécessité une évolution de l’architecture du réseau 4G par l’ajout d’une nouvelle entité. Ainsi, initialement la 3GPP a proposé l’ajout d’une entité MTC-IWF pour les cas d’usage du MTC (Machine Type Communication) et a spécifié l’interface DIAMETER entre l’entité fonctionnelle MTC-IWF et les autres entités.

Toutefois, prenant compte qu’il est plus simple de faire évoluer l’architecture du réseau 4G par l’ajout d’une fonction qui expose des services [1], la spécification 3GPP a proposé l’ajout d’une nouvelle entité matérielle. Ainsi, l’entité fonctionnelle MTC-IWF a été abandonnée au profit de la fonction SCEF : Service Capacité Exposure Function.

Pour résumer, chaque entité fonctionnelle de l’architecture 4G est connectée point à point avec les autres entités par une interface normalisée.

A travers cet interface, les entités offrent des services à une autre entité : le service est une action exécutée par un « fournisseur » (ou « producteur ») à l’intention d’un « client » (ou « consommateur »).

A l’instar du rôle des entités de la 4G, l’architecture SOA (Service Oriented Architecture) s’appuie sur deux éléments principaux : un fournisseur de services et un consommateur de services. Ces deux rôles peuvent être joués par un agent logiciel.

La différence importante entre une architecture 4G et l’architecture SOA concerne la mise en relation des fonctions. Nous allons maintenant nous intéresser aux architectures SOA et microservices facilitant le développement logiciel de nouvelles fonctions.

2. Evolution du réseau de mobile vers l’architecture SOA et l’architecture microservices

II-a) L’architecture SOA

Définition : une architecture orientée services (SOA) est une architecture logicielle qui fait référence à une application composée d’agents logiciels discrets et faiblement couplés qui exécutent une fonction requise. Le concept de SOA est le suivant : une application peut être conçue et construite de manière à ce que ses modules soient intégrés de manière transparente et puissent être facilement réutilisés.

Dans une architecture SOA, les fonctions sont connectées les unes aux autres par un médiateur nommé bus d’intégration ESB.

Le bus d’intégration ESB est un logiciel (middleware) facilitant l’échange de données entre différentes fonctions logicielles (application).

Le logiciel ESB est le point de connectivité pour toutes les applications, et il garantit la sécurisation des échanges.

Le logiciel ESB enregistre les services que fournit chaque application (appelée capacité de service) dans un registre. Les applications publient une ou plusieurs de leurs capacités via le bus ESB et les consommateurs peuvent interagir avec ces applications sans même savoir ce qu’est une application

Le bus ESB centralise les informations et répartit le travail entre les applications. Le bus ESB agit comme un pont de données entre les applications. Le routage des données et la répartition de charge sont assurées par l’application BPM (Business Process Management).

Le bus d’intégration ESB permet de fusionner (interconnecter) diverses applications, anciennes comme récentes, pouvant fonctionner sur des systèmes d’exploitation différents et pouvant utiliser des protocoles différents [2]. Le bus d’intégration s’appuie sur des connecteurs sur lesquelles sont connectées les applications. Les connecteurs garantissent l’interopérabilité entre les applications.

Chaque application fournit et consomme des services : les applications exposent des services à travers des interfaces de programmation d’application API (Application Programming Interface). La gestion des API est fondamentale, elle permet aux développeurs d’utiliser des services back-end pour la supervision et permet de garantir l’agilité du réseau (Agilité [3] : Capacité de changer les choses rapidement).

L’architecture SOA permet donc de réduire le temps de déploiement de nouveaux services.

II-b) L’architecture microservices

L’architecture en microservices consiste à concevoir un ensemble de services autonomes qui communiquent entre eux via une API. Les microservices communiquent via des protocoles HTTP (REST), ou via AMQP (Advanced Message Queuing Protocol) en asynchrone chaque fois que cela est possible, surtout pendant la propagation de mises à jour avec des événements d’intégration. Cette communication se produit par le biais d’un bus d’événements pour propager les mises à jour sur les microservices ou pour s’intégrer à des applications externes.

Un microservice [2] doit réaliser une seule fonctionnalité de l’application globale. En général, chaque microservice est déployé en tant que conteneur indépendant, ou dans une machine virtuelle.

Le concept de conteneur est le plus généralement adopté car il consomme peu de ressource (l’application n’a pas besoin d’un système d’exploitation complet) et il améliore la sécurité, puisque la containerisation permet d’exécuter un programme de manière isolée du noyau d’un système d’exploitation (kernel).

Cette architecture apporte :

  • de la souplesse puisqu’il est possible de développer ou modifier un microservice sans affecter les autres sous-systèmes : chaque microservice étant déployé indépendamment grâce aux solutions de virtualisation et de conteneur, une nouvelle évolution d’un seul service peut rapidement être testée et re-déployée ;
  • de l’élasticité puisqu’il est possible de dimensionner dynamiquement le réseau en fonction du nombre de sollicitation (montée en charge = scalabilité). En cas de trafic croissant, il suffit de multiplier le nombre d’instances d’un microservice.

Chaque microservice dispose si possible de sa propre base de données, ce qui le découple entièrement des autres microservices. Quand elle est nécessaire, la cohérence entre les bases de données des différents microservices est obtenue à travers l’utilisation d’événements d’intégration au niveau de l’application (via un bus d’événements logiques)

A l’instar d’un bus d’intégration, l’architecture microservice utilise un bus d’évènement et un logiciel d’équilibrage de charge (load balancer) afin de mettre en relation des services.

Un bus d’événements est un logiciel (middleware) qui permet une communication de type publication/abonnement entre les microservices, sans nécessiter que les composants soient explicitement informés de la présence des uns des autres.

Figure 2 : Bus d’évènement

Lorsque le microservice publie un évènement, il ne sait pas que cet évènement sera diffusé vers les microservices B et C. Il ne connait pas les abonnés, ceux-ci se sont enregistrés auprès du bus d’évènement MOM (Message Oriented Middleware comme par exemple RabbitMQ).

Si le microservice est stateless, une même requête produit toujours la même réponse. Ainsi, le bus d’évènement met en relation les deux services qui doivent communiquer directement l’un à l’autre. Lorsque plusieurs instances sont activées, l’équilibrage de charge définit quelles instances doivent être sollicitées. L’architecture microservice est donc bien adapté pour dimensionner le système en fonction de la charge.

En contrepartie, cette architecture peut entraîner des soucis de performance puisque chaque microservice peut faire appel à plusieurs microservices. Ainsi, le temps de réponse du plan de contrôle (ce qui revient à la latence) est accru pour chaque dépendance supplémentaire entre microservices.

II-c) Microservices : les bonnes pratiques du SOA

L’architecture SOA est composée d’applications logicielles réutilisables. Les services sont exposés via des API. L’interface, c’est-à-dire le couplage entre applications est faible ce qui permet d’appeler ces services avec peu de connaissance sur la manière dont les services sont implémentés. Cela permet de réutiliser rapidement des services.

A l’instar du SOA, l’architecture microservice est conçu sur un ensemble de fonctions faiblement couplés.

3. Architecture des réseaux de mobile 5G

III-1) Architecture SBA

Les fonctions du cœur de réseau 5G sont très proches des fonctionnalités du cœur de réseau 4G. L’évolution Next-Gen (NG Core) consiste à séparer le plan de contrôle du plan de trafic. Concernant le trafic, pour le réseau 5G comme pour le réseau 4G, les données IP sont encapsulées par le protocole GTP-U à travers un tunnel. Le protocole GTP-U est utilisé entre la station de base gNB et les fonctions UPF (User Plane Function).

L’architecture du plan de contrôle du réseau de mobiles 5G est une architecture hybride entre des applications Cloud Native, et la virtualisation.

Sur la figure 3, on présente à gauche l’architecture monolithique traditionnelle, et deux solutions complémentaires : la virtualisation des fonctions réseaux (NFV : Network Function Virtualization) et la méthodologie Cloud Native.

Figure 3 : L’architecture monolithique, l’architecture de virtualisation VNF et l’architecture Cloud CNF

Une application Cloud Native (CNA) est développée sous forme de microservices faiblement couplés. Chaque microservice est conditionné dans un conteneur. Un orchestrateur central planifie les conteneurs pour gérer efficacement les ressources du serveur et réduire coûts opérationnels. Les CNA nécessitent également un environnement DevOps.

DevOps fait référence à une méthodologie qui prend en compte le développement logiciel avec les contraintes d’administration des infrastructures informatiques. La partie développement (Dev) intègre le développement logiciel, l’automatisation et le suivi du projet informatique et la partie opérationnelle (ops) intègre l’exploitation, la maintenance et la supervision de l’infrastructure informatique. L’équipe opérationnelle (ops) gère la stabilité du système et le contrôle de la qualité des services, et l’équipe développement (Dev) cherche à améliorer les services à moindre coût en ajoutant de nouvelles fonctionnalités. L’équipe ops doit donc constamment valider les évolutions proposées par l’équipe dev.

La méthodologie DevOps permet d’obtenir les avantages suivant pour les applications Cloud Native :

  • une évolutivité facilitée par une architecture modulaires (microservice) ;
  • la réduction du CAPEX et de l’OPEX par mutualisation des applications (hébergement sur des machines virtuelles ou conteneurs) ;
  • l’automatisation des fonctions applicatives.

La solution alternative NFV (Network Function Virtualization) a été initialement proposée et adaptée au cœur de réseau 5G par le groupe de travail de l’ETSI. L’architecture NFV décrit les interactions entre l’infrastructure matérielle (NFVI), la gestion des machine virtuelles (VNFM : Virtual Network Function Manager) et l’automatisation des VM sur les infrastructures matérielles.

La spécification NFV a permis de définir un environnement stable pour la mise en place automatisée de machines virtuelles et de conteneurs, chaque VM ou conteneur exécutant une fonction du réseau 5G (NFV : Network Function Virtualized).

L’architecture SBA du cœur du réseau de contrôle 5G est une solution hybride SOA/microservices.

Figure 4: L’architecture SBA du réseau 5G [9]

La mise en place des fonctions réseaux, la supervision (monitoring) nécessite un orchestrateur afin d’automatiser le déploiement des services (établissement ou relâchement d’un service ou d’un microservice). Une plateforme de service permet de fournir un environnement temps-réel qui utilise une pile de protocoles open-source pour le déploiement de fonction réseaux NF.

La plateforme de service permet l’intégration et le déploiement de nouvelles fonctions sur un réseau en production :

  • CI : l’intégration continue de nouvelles fonctionnalités (CI – Continuous Integration) ;
  • CD : le déploiement continue ou la distribution continue permettant d’automatiser l’ajout d’un nouveau code dans une bibliothèque de code partagé et dans un environnement de production (CD – Continuous delivery/continuous deployment), et résoudre ainsi la difficulté connue sous le nom « integration hell», ou l’enfer de l’intégration.

L’approche CI/CD permet de créer de créer plusieurs versions d’une application, chaque version étant gérées par un serveur de distribution (un serveur référentiel comme github) et de développer l’environnement client afin de tester rapidement la nouvelle version.

Une fois testée en laboratoire, il est assez rapide de rajouter une nouvelle fonction réseau NF (avec la nouvelle version) tout en conservant en parallèle l’ancienne version de la fonction. Le client peut ainsi tester sur son environnement réel la nouvelle version et la conserver en production.

Figure 5 : L’approche CI/CD [9]

L’environnement complet est représenté sur la figure 6 suivante

Figure 6 : L’environnement de production du cœur de réseau 5G [8]

L’approche CI/CD est parfaitement adaptée pour la mise en place du découpage de réseau (Network Slicing) puisqu’elle permet de déployer des nouvelles fonctionnalités rapidement en fonction des spécificités de chaque service.

Figure 7 : L’architecture SBA [10]

MOLI : Management and Orchestration Layer Interface

SOBI : Southbound Interface (SoBI)

III-2) Les fonctions réseau NF (Network Function)

Les fonctions réseau NF se compose d’opérations basées sur un modèle de demande-réponse ou sur un modèle de souscription/notification.

Le protocole HTTP2 est un protocole commun à l’ensemble des fonctions du réseau (NF) remplaçant ainsi les protocoles DIAMETER, GTP-C du réseau de mobiles 4G. Les fonctions réseaux NF communiquent à travers l’interface SBI grâce à un système d’API, principalement le JSON.

Figure 8 : L’interface SBI entre deux fonctions NF

Dans l’architecture SOA, un bus d’intégration permet la communication entre chaque fonction NF. Lorsqu’une fonction NF démarre, elle interroge dans un premier temps un catalogue de fonction pour découvrir les fonctions existantes et communiquer avec elles. Nous avons vu précédemment que le bus ESB enregistre les services que fournit chaque application (appelée capacité de service) dans un registre.

Dans l’architecture réseau 5G, le catalogue de fonction se nomme NRF (Network Repository function). Il offre un service de découverte des fonctions du réseau de mobile et un service d’enregistrement (service registration management et service discovery mechanisms).

La fonction NRF:

  • implémente une fonction d’authentification via une règle de sécurité d’accès sur chaque requête de services reçue
  • délivre un certificat à la fonction NF qui l’interroge. La fonction NF initiatrice d’une requête pourra ainsi prouver son authenticité à la fonction NF cible (qui rend le service).

Figure 9 : L’interface SBI et la communication JSON

Dans le cas de l’architecture SOA, les événements d’intégration sont utilisés pour synchroniser l’état du domaine sur plusieurs fonctions (microservices ou systèmes externes). Cette fonctionnalité est effectuée en publiant des événements d’intégration.

La fonction NF peut se décomposer en plusieurs microservices, notamment un agent_NRF permettant à la fonction NF de se déclarer auprès du NRF. Ainsi, en cas d’évolution de la fonction du NF, l’agent_NRF peut mettre à jour les fonctionnalités au niveau du NRF.

Lorsqu’un événement est publié sur plusieurs microservices récepteurs (sur tous les microservices abonnés à l’événement d’intégration), le gestionnaire d’événements de chaque microservice récepteur gère l’événement.

Figure 10 : Le NF découpé en microservice (Source China Telecom [11])

Dans l’architecture microservices, chaque microservice dispose de sa propre base de données. Pour l’architecture SBA du réseau 5G, la fonction réseau NF (microservice) dispose soit de sa propre base de données UDSF (Unstructured Data Storage Function) soit partage la base de données UDSF avec plusieurs NF.

Comme en 4G, la base de données UDSF contient le contexte de chaque mobile UE (User Equipment).

Figure 11 : La base de données

   4. Conclusion

Si le cœur de réseau 5G présente beaucoup d’analogie fonctionnelle avec le cœur de réseau 4G, l’évolution majeure consiste en un découpage de fonction réseau NF dans un environnement agile permettant de déployer et adapter dynamiquement le cœur de réseau en fonction de la charge et d’apporter rapidement de nouvelles fonctionnalités.

La méthodologie DevOps et l’approche CD/CI permet la mise à jour de certains microservices tout en conservant des microservices de versions plus anciennes pour assurer la stabilité avec des terminaux non compatibles avec cette mise à jour.

Ainsi en maintenant des microservices en fonction (version 1.0) tout en proposant des microservices dans une nouvelle version (version 1.1) cela permet à certains téléphones de profiter des dernières évolutions sans impacter certains terminaux mobiles qui peuvent continuer à fonctionner sur les anciennes versions.

Figure 12 : Le cœur de réseau 5G [7]

L’architecture SBA permet donc une meilleure adaptation aux évolutions de service (Network Slicing).

Figure 13 : Comparaison de l’architecture monolithique et SBA (HPE [12])

La figure 14 fait une synthèse des améliorations ainsi apportées par l’architecture SBA

Figure 14 : Comparaison des architectures [4]

 

Références :

[1] Andrea Zerial

https://www.organisation-performante.com/le-monolithe-dans-l-it-pour-en-comprendre-l-origine/

https://www.organisation-performante.com/les-evolutions-du-si-2-soa-et-le-monolithe-seffrita/

[2] Mickael BARON :  https://mickael-baron.fr/soa/introduction-microservices

[3] Thimothée Barray : https://slides.com/tyx/sflive2020-bb8c28

[4] Michael Sukachev : https://fr.slideshare.net/MichaelSukachev/soa-vs-microservices-vs-sba

[5] Jonathan Huteau, Jérôme Cognet,

https://blog.link-value.fr/architectures-de-projet-b42dc5213857

[6] https://www.ibm.com/cloud/blog/soa-vs-microservices

[7] https://docs.microsoft.com/fr-fr/dotnet/architecture/microservices/multi-container-microservice-net-applications/integration-event-based-microservice-communications

[8] https://images.samsung.com/is/content/samsung/p5/global/business/networks/insights/white-paper/cloud-native-5g-core/Cloud-Native-5G-Core-Samsung-5G-Core-Volume-2.pdf

[9] https://www.redhat.com/fr/topics/devops/what-is-ci-cd

[10] https://5g-monarch.eu/wp-content/uploads/2019/05/5G-MoNArch_761445_D2.3_Final_overall_architecture_v1.0.pdf

[11] https://www.3g4g.co.uk/5G/5Gtech_6004_2017_11_Service-Based-Architecture-for-5G-Core-Networks_HR_Huawei.pdf

[12] http://www.hpe.com/info/5g

 

 

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 2)

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III) La virtualisation du cœur de réseau

Les entités du cœur de réseau AMF, SMF, NEF, PCF sont des fonctions qui peuvent être virtualisées. Ces fonctions gèrent le plan de contrôle du réseau de mobiles et les performances fonctionnelles sont analysées au niveau du support opérationnel OSS (FCAPS).

L’entité UPF peut également être virtualisée, cette fonction gère le plan utilisateur. La fonction UPF possède des capacités d’aiguillage de trafic à partir de la classification de flux UL-CL (Uplink Classifier). Ainsi, la fonction UPF peut avoir le rôle de point de branchement (multi-homing), point d’ancrage de session (PSA : PDU Session Anchor) ou classificateur de flux pour définir le prochain saut. La classification de flux est une fonctionnalité supportée par la fonction UPF afin de diriger le trafic localement en fonction des filtres appliqués au trafic UE.

Le contrôle des fonctions virtuelles dans le cœur de réseau 5G est réalisé par deux fonctions nommées NSSF (Network Slice Selection Function) et NRF (Network Repository Function).

  • Le rôle du NSSF est de sélectionner le jeu de tranches réseau que l’utilisateur va pouvoir utiliser en fonction de son contrat d’abonnement (SLA) pour lui apporter la QoE (Quality of Experience) souhaitée. Le choix du slice se faisant au moment de l’enregistrement du mobile, la fonction NSSF dialogue avec la fonction AMF ou la fonction NSSF d’un autre PLMN.
  • Le rôle du NRF est de fournir un contrôle des fonctions virtuelles (NF) et des services proposés par les fonctions virtuelles.
    • La fonction NRF est un catalogue qui est mis à jour au moment de l’activation de la fonction virtuelle (enregistrement) et mis à jour lorsque la fonction virtuelle est redimensionnée. Elle propose ainsi un service de découverte de fonctions virtuelles
    • Toute fonction virtuelle NF peut demander à la fonction NRF, par une procédure de souscription, d’être informée dès qu’une nouvelle instance est créée.

Figure 5 : Inscription d’une fonction virtuelle au niveau de la fonction NRF (TS 29.510)

Une sous-instance virtuelle est composée au minimum de fonctions AMF, SMF, PCF, NRF. L’opérateur (OSS) met en place un ou plusieurs sous réseaux virtuels SNI et peut à tout moment activer ou désactiver un sous-réseau (procédure NSI figure 3). Chaque fonction activée vient se déclarer auprès de la fonction NRF (figure 5).

Une instance de réseau permet de gérer un type de service. Le type de service est défini par la variable S-NSSAI. Le S-NSSAI contient 2 champs :

  • SST sur 8 bits défini le type de slice (Slice Service Type)
    • SST = 1 : eMBB (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 2 : URLLC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 3 : mMTC (normalisée 3GPP) ;
    • SST = 4 : V2X (normalisée 3GPP) ;
    • SST= 5 : HMTC (High Performance MTC normalisée 3GPP – R.17 – mise à jour janvier 2022);
    • SST=6 : HDLLC (High Data Low Latency Communication 3GPP – R.18 mise à jour juin 2023)
    • SST de 128 à 255 sont définis par l’opérateur.
  • SD (Slice Differentiator) est une information optionnelle qui permet de décliner plusieurs types de sous-service dans une catégorie SST donnée afin de différencier les clients.

La fonction NSSF permet d’identifier les NSI. Cette fonction est configurable via une API REST.

Voici un exemple de configuration de la fonction NSSF :

https://host:port/v1/nssf/configurations/nsiprofiles
POST
Content-Type: application/json
BODY
{
    « name »: « NSI001 »,
    « nrfUri »: « https://nrf.bloglaunay.com »,
    « nsiId »: « 1 »,
    « targetAmfSets »:
    [
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 001 »,
            « setFqdn »: « set001.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        },
        {
            « regionId »: « 01 »,
            « setId »: « 002 »,
            « setFqdn »: « set002.region01.amfset.5gc.mnc111.mcc208.3gppnetwork.org »
        }
    ]
}

Pour être plus complet, la configuration de la fonction NSSF permet aussi de diriger le choix de la fonction NRF en fonction du NSSAI demandé.

D’un point de vue opérateur : Lorsqu’une tranche de réseau est mise en œuvre, la fonction AMF peut toujours mettre à jour la configuration S-NSSAI de la fonction NSSF afin d’informer celle-ci des types de service supportés par la fonction AMF sur une zone de localisation TA.

Une fonction AMF peut gérer plusieurs tranches de réseaux S-NSSAI (il n’y a pas de limite fixée au niveau du cœur de réseau).

Figure 6 : La mise à jour de la fonction NSSF

L’entité NSSF sélectionne le (ou les) instances de réseau NSI correspondant(s) à la demande du mobile à partir du (ou de la liste des) S-NSSAI et détermine ainsi les fonctions AMF candidates correspondant spécifiquement (ou au mieux) à la demande de l’UE. Eventuellement, l’entité NSSF interroge la base de données NRF (Network Repository Function).

Figure 7 : Procédure d’enregistrement et sélection du NSI

L’entité NSSF renvoie à la fonction AMF qui l’a interrogée, la valeur NSSAI autorisée sur la zone TA et la liste des fonctions AMF candidates (figure 7).

Lorsque la station de base s’active (mise en route ou suite à une procédure de ré-initialisation), elle interroge les fonctions AMF pour connaître les tranches de réseaux (slices) supportées par chaque fonction AMF accessible comme le montre la figure 8.

 

Figure 8 : La déclaration des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Si la station de base gNB était déjà en fonctionnement, alors elle est informée des modifications NSSAI apportées au niveau de la fonction AMF via le message NG Setup request (figure 9).

Figure 9 : La mise à jour des slices supportées par les fonctions AMF auprès de l’entité gNB

Lorsque le mobile s’active, il réalise une procédure d’attachement auprès d’une fonction AMF. L’attachement se fait sur une fonction AMF parmi toutes les fonctions AMF qui ont été activées par le support opérationnel OSS et accessible par la station de base gNB.

La sélection de l’entité AMF est réalisée au moment de la procédure d’attachement. Le choix est effectué à partir de l’identifiant NSSAI émis dans la requête NAS REGISTER. La station de base gNB reçoit la requête RRC qui porte le message NAS et l’indicateur NSSAI à partir duquel il sélectionne une fonction AMF. Si plusieurs fonctions AMF candidates peuvent être choisies (cf figure 8), la station de base gNB fait son choix par équilibrage de charge.

La fonction AMF sélectionnée par l’entité gNB interroge la base de données UDM pour vérifier que l’indicateur NSSAI demandé par le terminal (requested NSSAI) est accepté. L’entité UDM transmet à la fonction AMF le NSSAI autorisé pour ce client (allowed NSSAI). A partir de ce moment, la fonction AMF consulte la fonction NSSF (Network Slicing Selection Function) à partir d’une requête GET en indiquant la liste des S-NSSAI autorisés.

Si après consultation de la fonction NSSF, la fonction AMF sélectionnée initialement (appelée AMF source) par la station de base n’est pas appropriée pour les services demandés (NSSAI), alors la fonction AMF source réalise la procédure de ré-allocation de la fonction AMF.

Concernant la ré-allocation (lors de la procédure d’attachement), deux options sont possibles :

Dans le cas de l’option A (figure 10), en fonction des informations de souscription et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer la requête initiale vers la fonction AMF cible via le message Namf_Communication_N1MessageNotify portant le message NG-RAN Reroute Message.

Cependant, comme il ne peut y avoir qu’un seul point de terminaison N2 entre l’entité gNB et la fonction AMF pour un UE donné, la fonction AMF cible met à jour le point de terminaison auprès du gNB via le message NG AMF Configuration Update.

 

Figure 10 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des transches de réseau du mobile UE : Option A

Dans le cas de l’option B (figure 11), en fonction des informations de souscriptions et de politique locale, la fonction AMF source décide d’envoyer le message NGAP Reroute NAS Message à l’entité gNB afin que celle-ci formule une nouvelle requête d’attachement vers la fonction AMF cible.

Figure 11 : Procédure de ré-allocation de la fonction AMF pour la gestion des tranches de réseau du mobile UE : Option B

Au niveau du cœur de réseau, le mobile s’enregistre sur une seule fonction AMF.

Le mobile peut demander à profiter de plusieurs tranches de réseaux (figure 12), les fonctions AMF, NSSF font parties des fonctions communes à toutes les tranches. Les fonctions PCF et NRF peuvent être communes ou spécifiques à une tranche de réseau.

Pour que le mobile puisse recevoir ou émettre des données, il faut mettre en place une session PDU. La session PDU est contrôlée par la fonction SMF, avec des règles PCF spécifiques.

Figure 12 : Les tranches de réseaux : Fonctions communes et spécifiques.

Il est aussi possible d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires comme imposer la direction de trafic (trafic steering) en sortie du réseau de mobiles Gi-LAN afin d’apporter des services comme de l’optimisation vidéo, optimisation http, un cache CDN, un cache de réalité virtuelle, un détecteur de malware, une fonction parentale, un parefeu, …

Au niveau du mobile, le mobile fait une demande d’enregistrement auprès du cœur de réseau. Le mobile indique dans sa requête NAS les tranches de réseaux souhaitées (Requested NSSAI). Le requested NSSAI correspond soit au NSSAI configuré pour le PLMN (configured NSSAI), soit au NSSAI autorisé pour le PLMN (allowed NSSAI). Ce dernier (allowed NSSAI) a été récupéré lors d’un précédent enregistrement. Si le mobile n’a aucun NSSAI configuré pour le PLMN sur lequel il s’enregistre, alors il transmet l’information NSSAI configurée par défaut (Default configured NSSAI).

L’information NSSAI est configurée sur la mémoire non volatile du mobile. Il ne revient pas au standard 3GPP d’indiquer où est stockée cette information mais aux fabricants de terminaux. Le mobile peut contenir plusieurs informations NSSAI, chaque NSSAI est couplée à l’identifiant SUPI et est identifiée par le PLMN ID (cf. TS 24.501). Si on change l’identifiant SUPI, les informations NSSAI sont supprimées de la mémoire du terminal.

Dans le cas des smartphones, l’information NSSAI est configurée par défaut (Default configured NSSAI).

Dans le cas des terminaux IoT et URLCC, l’information NSSAI devrait être provisionnée afin de limiter l’impact de charge au niveau de la fonction AMF grand public lorsque les terminaux IoT s’allumeront.

Le mobile doit stocker les informations S-NSSAI du HPLMN. Si le mobile est enregistré sur un réseau visité VPLMN, le mobile doit aussi sauvegarder le NSSAI configuré pour ce VPLMN et doit faire la correspondance avec les S-NSSAI qu’il peut exploiter sur le réseau HPLMN. Le mapped NSSAI est utilisé en roaming pour faire la correspondance entre un S-NSSAI spécifique (128 à 255) du réseau H-PLMN et le S-NSSAI correspondant dans le VPLMN.

Lorsque le mobile demande l’établissement d’une session PDU, il transmet dans le message NAS l’information S-NSSAI souhaitée et des règles URSP (UE Route Selection Policy).

 

Le dernier paragraphe sera traité dans un autre article.

E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

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Le découpage du réseau (Network Slicing)

Au cours de cet article, nous allons décrire plus précisément le découpage du réseau de mobiles en reprenant plusieurs articles précédents sur la virtualisation et la programmation du réseau (NFV/SDN).

La vision du NFV dans cet article reprend les travaux de l’organisme de spécification ETSI et les fonctionnalités du SDN s’appuie sur le travail de l’ONF.

Ainsi, le SDN est vu comme un contrôleur de tranche de réseaux et un contrôleur du plan de transport, et le NFV gère l’allocation des ressources virtuellement (déploiement, dimensionnement et relachement).

Je remercie Antoine Mouquet (Expert 3GPP – Orange), Nicolas Bihannic (Chercheur Orange Labs) et le professeur Adlen Ksentini (Eurecom Sophia Antipolis) pour les échanges qui ont permis d’améliorer considérablement cet article.

Le déploiement d’un réseau 5G s’effectue en deux étapes :

  • La première étape est le déploiement d’un accès radioélectrique 5G. La 5G-NSA est la 5G non autonome. Pour le déploiement à venir (5G NSA option 3), le cœur de réseau est le réseau 4G (EPC) et l’accès radioélectrique 5G est contrôlé par une station de base 4G grâce au mécanisme de double connectivité ;
  • La deuxième étape est nommée 5G-SA, il s’agit de la 5G autonome. Le cœur de réseau est entièrement 5G permettant ainsi d’apporter de la souplesse du cœur de réseau en exploitant la virtualisation des fonctions réseaux.

Le découpage du réseau s’appuie sur la virtualisation du cœur de réseau et la virtualisation de l’accès radioélectrique. Le découpage de réseau est la solution permettant d’apporter une qualité de service spécifique (SLA : Service Level Agreement) pour les utilisateurs en fonction des usages suivants :

  • les usagers de smartphone ;
  • les entreprises ;
  • des processus verticaux (IoT) ;
  • le marché de gros (wholesale business).

L’objectif de cet article est d’expliquer le fonctionnement du découpage du réseau (network slicing). Ce découpage doit nécessairement être mis en œuvre pour pouvoir répondre aux exigences des différents services auxquels la 5G souhaite répondre. La spécification 3GPP a normalisé à ce jour 4 catégories : smartphones (eMBB), les terminaux IoT (mMTC), les communications critiques (URLLC), les véhicules connectés (autonomes : V2X), mais les opérateurs peuvent mettre en œuvre d’autres fonctionnalités dédiées.

L’article est décomposé en quatre parties techniques :

  1. la description d’un réseau basé sur les services et identifications des services ;
  2. la description d’une tranche de réseau et mise en œuvre de la virtualisation ;
  3. la virtualisation du cœur de réseaux ;
  4. la virtualisation de l’accès radioélectrique.

En conclusion, nous reviendrons sur la virtualisation des fonctions du réseau et l’avantage de cette architecture.

I) Un réseau basé sur les services (SBA : Service Based Architecture)

Le réseau de 5ème génération est avant tout un réseau cellulaire devant assurer la continuité des services offerts par le réseau de mobiles 4G. Il est ainsi conçu pour répondre aux exigences des smartphones à très haut débit, et aux exigences du marché des objets connectés.

Toutefois, le réseau de mobiles 5G s’ouvre également à des applications nécessitant des latences faibles pour des communications critiques avec une convergence des marchés PMR (Private Mobile Radio), et des offres TETRA, GSM-R (voir la spécification FRMCS : Future Railway Mobile Communication System).

L’un des objectifs des spécifications 5G est de définir un déploiement automatique de fonctions réseaux afin de répondre aux différentes exigences à respecter (KPI : Key Performance Indicator) spécifique à chaque type de services à mettre en œuvre. La stratégie est de réduire le délai de la mise sur le marché d’un service Tiers players. On parle ainsi de services verticaux et pour identifier les besoins, nous allons dans un premier temps lister de manière non exhaustive un panel de secteurs :

  • La réalité augmentée et la réalité virtuelle : l’humain interagit avec son environnement nécessitant une latence de 7 à 15 ms, un débit de 250 Mbps (3D/ 12k) à 2.34 Gbps pour de la 3D 24 k et une perte de paquets de 10-6; Le Wi-VR (Weak Interactive VR) peut nécessiter une latence RTT de 10 ms (Ultimate VR) ;
  • Le secteur de l’automobile avec des connectivités pouvant gérer des services de loisir (Infotainment), de télématique (IoT), de sécurité routière (partage d’informations, assistance à la conduite, conduite coopérative, gestion d’une file de camions (platooning), opération à distance) ;
  • Le secteur de l’énergie et du smart-grid (latence < 10 ms, disponiblité de 99,999% et un TEB de 10-9) ;
  • Le secteur de la santé (tracking de patient ou de matériel, soin à distance, soin en urgence) avec le téléchargement d’imagerie radio jusqu’à la télé-chirurgie ;
  • Le secteur de l’industrie 4.0 (smart factory) : automatisation du processus de fabrication, logistiques, maintenance prédictive, systèmes cyber-physiques (C2C : Control To Control Communication), robots mobiles;
  • Le secteur de l’IoT avec la technologie LPWAN qui permet à titre d’exemple la gestion des déchets, le suivi des mobiles, la mesure de consommation (gaz, électricité, eau, …), la détection de fuite, le parking intelligent ;
  • La sécurité publique (Push To Talk, vidéo, …) répondant aux exigences du réseau TETRA;
  • Le secteur du smart-cities (lampadaire intelligent, sécurité publique par détection de bruit).

La liste est non exhaustive, et chaque service nécessite des caractéristiques que l’on peut résumer avec les critères suivants :

  • latence ;
  • débit ;
  • sécurité de la communication;
  • mobilité ;
  • localisation ;
  • accessibilité ;
  • disponibilité ;
  • résilience ;
  • densité de connexion.

Les indicateurs de performance doivent être respectés au niveau du cœur de réseau et de l’accès radioélectrique.

Figure 1 : Des exemples de services 5G

II) Description d’une tranche de réseau et mise en œuvre de la virtualisation

II-1) Définition

La spécification 3GPP défini :

  • Un modèle d’une tranche de réseau (Network Slice Template). Le NST est une description complète d’une tranche de réseau en listant les fonctions virtuelles, les ressources matérielles nécessaires pour chaque fonction en vue de gérer le plan de trafic de bout en bout. Ce modèle sert de référence pour instancier une tranche de réseau ;
  • Une instance de tranche de réseau (NSI : Network Slice Instance) correspond aux entités du réseau de mobile qui répondent aux indicateurs de performances demandés par le support opérationnel et fonctionnel (OSS/BSS). Une entité est une ressource matérielle et une fonction logicielle déployée au moment de la création de l’instance. Afin de simplifier le réseau de mobile, chaque instance se décompose de sous-instance (SNI : Sub Network Instance) qui sont partagées. Ainsi, une instance de tranche de réseau est composée d’une sous-instance RAN (Radio Access Network), d’une sous-instance de cœur de réseau 5G CN (Core Network). Une sous-instance SNI peut appartenir à plusieurs instances de tranche de réseau ;
  • Un support opérationnel et de supervision. Afin de s’assurer que les indicateurs de performances soient respectés à tout instant, la tranche de réseau (NS : Network Slice) contrôle l’instance de tranche de réseau (NSI) à partir de fonctions de gestion et de supervision. La supervision permet d’alerter le contrôleur si les performances se dégradent et le contrôleur va pouvoir gérer de nouvelles entités ou mettre à l’échelle une ou plusieurs entités (scalability and elasticity).

La supervision d’une tranche de réseau est essentielle pour valider la qualité de service (QoS) et le respect des indicateurs de performance.

L’isolation opérationnelle de chaque tranche permet aux utilisateurs verticaux (OTT ou entreprise) de pouvoir configurer, superviser, contrôler leur tranche de réseau de manière indépendante.

L’isolation au niveau du réseau signifie que les clients verticaux ont des ressources dédiées. La description des slices permet à un utilisateur de profiter de fonctions réseaux dédiées et d’un accès radioélectrique partagé. Le client étant ici le demandeur de service auprès d’un opérateur, et l’utilisateur est celui qui utilise le service en bout de chaîne (terminal).

L’isolation opérationnelle permet donc de partager des ressources matérielles et logicielles comme des hébergeurs de cloud, en isolant les fonctions réseaux entre elles.

L’isolation au niveau réseau (figure 2) permet de proposer des ressources dédiées, à la fois au niveau du cœur de réseau, mais également au niveau de l’accès radioélectrique (RAN dédié). Des applications comme la sécurité civile ou le smart-grid peuvent nécessiter une isolation du réseau. Les réseaux PNI-NPN (Public Network Integrated Non-Public Network) sont des réseaux dédiés dont l’accès radioélectrique peuvent être partagés avec le réseau PLMN.

Figure 2 : Les ressources dédiées ou partagées du réseau de mobiles 5G

A l’instar des solutions portées par les hébergeurs cloud, il n’est pas nécessaire de déployer une tranche de réseau (slice) par client vertical, mais de partager le slice entre plusieurs clients.

II-2) Gestion d’une NSI (Network Slice Instance)

L’instance est mise en œuvre à partir d’un gabarit et la procédure de déploiement et d’activation d’un slice est défini par les étapes suivantes (figure 3, 3GPP SA5).

Figure 3 : Gestion d’un slice. De l’activation à la désactivation

La procédure (figure 3) met en œuvre les entités du réseau de mobiles 5G en gérant la durée de vie des instances à partir des fonctionnalités NFV décrites par l’organisme ETSI (se référer à l’article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/tag/5g-nfv/).

Une tranche de réseau NSI peut contenir des fonctions réseaux physiques (PNF : Physical Network Function) ou virtuelles (VNF : Virtual Network Function).

Le réseau de transport n’est pas défini dans le cadre du travail de l’organisme 3GPP.

II-3) La virtualisation des fonctions du réseau

La figure 4 rappelle l’architecture système pour la mise en œuvre de fonctions virtuelles.

Figure 4 : L’architecture ETSI NFV

On identifie 3 groupes :

Le premier groupe est le système de gestion des réseaux de mobiles. Il est composé :

  • d’un support système OSS (Operation Support System). Le support OSS est une suite logicielle permettant d’administrer le réseau opérateur et de superviser les ressources. Le support OSS maintient un inventaire des entités réseaux, provisionne des services, configure les entités et récupère les éléments de supervision de chaque entité réseau ;
  • d’un support commercial (Business Support System). Le support BSS gère le déploiement de services à la demande des clients. Il offre ainsi les outils logiciels pour gérer les commandes jusqu’à la mise en paiement des services.
  • D’un support de gestion et de supervision (EM/DM). La gestion EM/DM permet de contrôler et de superviser les fonctions virtuelles et les ressources matérielles.

Le deuxième groupe est le système de gestion et d’orchestration des ressources matérielles et virtuelles (NVF – MANO : Management and Orchestration). Il a pour rôle :

  • sous l’ordre du support système OSS, l’orchestrateur MANO ordonne le déploiement ou la libération de fonctions virtuelles en respectant les contraintes matérielles inhérentes à chaque fonction ;
  • de superviser le bon fonctionnement des fonctions logicielles et des ressources matérielles allouées ;
  • de contrôler le déploiement de machines virtuelles ou de containeurs, de vérifier l’allocation de ressources et de libérer les ressources ;
  • de conserver des contextes sur les ressources utilisées, les ressources restantes, les images des fonctions virtuelles et les gabarits de chaque fonction virtuelle.

Le 3ème groupe correspond aux machines physiques et au déploiement des instances, ainsi que les fonction de routage.

II-4) Le système de gestion des réseaux de mobiles

II-4-1) OSS/BSS et NM

La phase de préparation est réalisée au niveau du support système OSS/BSS par la fonction Gestion de Réseau (NM : Network Management) via un contrôleur de slice. On peut trouver également l’acronyme NSMF (Network Slicing Management Function). Ce dernier soumet l’ordre à un orchestrateur (à travers le point de référence Os-Ma-nfvo) qui va pouvoir gérer l’infrastructure de virtualisation à partir du modèle de slice.

Le NSMF prend en charge le déploiement du end-to-end slice. On pourrait le nommer un end-to-end slice orchestrateur.

Le gestionnaire de réseau (NM) fourni les fonctions de gestion du réseau de mobiles, ce qui inclut les fonctions de virtualisation. Le NM supporte les fonctions de gestion FCAPS (fault, configuration, accounting, performance, security) du cœur de réseau 5GC et du réseau IMS. Il supervise le FCAPS spécifique pour maintenir et exposer le SLA.

Dans le cas de la gestion de slice, c’est le gestionnaire de réseau MN qui initie la gestion du cycle de vie de chaque fonction virtuelle (figure 3).

II-4-2) EM

Le gestionnaire d’élément (EM : Element Manager) est responsable de la gestion FCAPS au niveau d’un élément logiciel VNF (Virtual Network Function) ou d’un élément matériel (NE : Network Element). Les fonctions du gestionnaire d’entité correspondent à :

  • la gestion de fautes;
  • la gestion de la configuration ;
  • la gestion des éléments de facturation ;
  • la collection des mesures de performance à effectuer ;
  • la gestion des éléments de sécurité.

Un gestionnaire d’éléments peut gérer des fonctions virtuelles à travers des interfaces propriétaires. Un gestionnaire d’éléments peut aussi être une fonction réseau virtuelle.

 

II-4-3) NFV-MANO

II.4.3.1) NFVO

L’orchestrateur joue un rôle primordial :

  • Il gère l’orchestration de ressources : il coordonne l’attribution des ressources matérielles : l’orchestrateur autorise, met à l’échelle, libère les ressources physiques (NFVI : Network Function Virtualization Infrastructure) parmi l’ensemble des DataCenters (DC). Il ordonne les ordres au gestionnaire de ressource matérielle (VIM : Virtualized Infrastructure Manager) à travers le point de référence Or-Vi ;
  • Il gère l’orchestration de service : il contrôle l’établissement ou la libération d’une ou plusieurs fonctions virtuelles VNF en ordonnant l’ordre au gestionnaire VNFM via l’interface Or-Vnfm.
  • il gère la topologie des NSI (nommé VNF Forwarding Graph dans l’article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/02/04/network-functions-virtualisation-nfv-pour-le-reseau-4g5g/)

Pour gérer les services réseaux, l’orchestrateur s’appuie sur des catalogues de ressources définissant le gabarit souhaité :

  • Catalogue VNFD contient le descripteur de chaque instance VNF en terme de déploiement et de fonctionnement (pour la gestion FCAPS) ;
  • Catalogue de service permet de lister l’ensemble des fonctions VNF à cascader pour obtenir un sous réseau d’instances (SNI) ;
  • Catalogue NFVI contenant les ressources nécessaires pour mettre en œuvre un service NFV.

II.4.3.2) VNFM

Le gestionnaire VNFM (Virtual Network Function Manager) gère :

  • Le cycle de vie des fonctions virtuelles VNF : création, mise à l’échelle, maintenance et libération des instances VNF ;
  • Supervise et détecte les fautes (FCAPS) des fonctions virtuelles VNF.

Il expose :

  • une interface nord à l’orchestrateur à travers le point de référence Or-Vnfm ;
  • une interface sud pour injecter des règles au gestionnaire de ressource à travers le point de référence vi-Vnfm.

II.4.3) VIM

Une infrastructure matérielle est un serveur COTS hébergeant un hyperviseur. L’infrastructure est découpée en domaine, chaque domaine porte une VM ou un containeur.

Le gestionnaire VIM gère :

  • les ressources des infrastructures NFVI (stockage, CPU, carte réseau, …) d’un domaine ;
  • les ressources virtuelles (machines virtuelles et/ou containeur) du domaine ;
  • l’hyperviseur.

Ainsi, le gestionnaire VIM gère le cycle de vie des ressources virtuelles allouées à un domaine, conserve l’appairage entre la machine virtuelle et la machine physique, analyse via un agent les performances matérielles, logicielles et virtuelles et gère les performances et les fautes.

Il expose :

  • une interface nord à l’orchestrateur à travers le point de référence Or-Vi ;
  • une interface nord au gestionnaire de machine virtuelle VMF à travers le point de référence vi-Vnfm.

II.4.4) Pour aller plus loin

Il y a une différence entre le gestionnaire d’éléments (EM) et le gestionnaire de fonctions réseau virtuelles (VNFM) : Le gestionnaire d’éléments EM supervise la partie fonctionnelle du réseau de mobiles alors que le gestionnaire VNMF gère les entités virtuelles.

L’infrastructure NFVI est décomposée en plusieurs parties :

  • les ressources matérielles : CPU, mémoire RAM, carte réseau. Un commutateur (exemple TOR) et un élément de stockage fait également parti des ressources matérielles ;
  • la couche de virtualisation : Cette couche permet de faire abstraction des ressources matérielles en offrant des ressources logiques. Cette abstraction est réalisée par l’hyperviseur.

La suite dans un autre article.

 

 

 

 

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.