[論文レビュー] On Session Continuation among Slices for Inter-Slice Mobility Support in 3GPP Service-based Architecture

Muhammad Mohtasim Sajjad, Dhammika Jayalath+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

IPv6, Mobility, Handover, Networks, Security参考文献 21被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、3GPPのサービス指向アーキテクチャ（SBA）におけるスライス間移動時のセッション継続を可能にする3つの標準化ソリューション—MIPv6-RR/BU、GTPv1-U、およびハイブリッドMIPv6/GTPv1-U—を提案する。GTPv1-Uおよびハイブリッドソリューションは、MIPv6-RR/BUに比べてリource使用量を増加させるが、より低いサービス中断遅延を達成する。MIPv6-RR/BUはリソース使用量を最小限に抑えるが、遅延が高くなる。

ABSTRACT

The 3GPP has provided its first standard specifications for network slicing in the recent Release 15. The fundamental principles are specified which constitute the standard network slicing framework. These specifications, however, lack the session continuation mechanisms among slices, which is a fundamental requirement to achieve inter-slice mobility. In this paper, we propose three solutions which enable session continuation among slices in the current 3GPP network slicing framework. These solutions are based on existing, well-established standard mechanisms. The first solution is based on the Return Routability/Binding Update (RR/BU) procedure of the popular Internet standard, Mobile IPv6 (MIPv6). The second solution is based on the 3GPP standard GPRS Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U), which establishes a GTP tunnel between previous and new slice for session continuation. The third solution is a hybrid solution of both MIPv6-RR/BU and GTPv1-U protocols. We compare the performance of all these solutions through analytical modelling. Results show that the GTPv1-U based and the hybrid MIPv6/GTPv1-U solutions promise lower service disruption latency, however, incur higher resource utilization overhead compared to MIPv6-RR/BU and 3GPP standard PDU Session Establishment process.

研究の動機と目的

• 3GPPのサービス指向アーキテクチャ（SBA）におけるリリース15で定義されたものと同様に、ネットワークスライス間でのセッション継続メカニズムの欠如を解消すること。
• 特にIPv6を含むIPベースのセッションに対して、異なるネットワークスライス間でのシームレスなスライス間ハンドオーバー（Inter-Slice Handover, ISHO）を可能にすること。
• 後方互換性および導入可能性を確保するため、既存の標準プロトコルに基づくソリューションの設計を行うこと。
• 遅延、シグナリングコスト、リソース利用率の観点から、提案されたソリューションの性能トレードオフを評価・比較すること。

提案手法

• MIPv6のリターンルータビリティおよびバインディングアップデート手順を活用し、ホームスライスメカニズムを介してトラフィックを再ルーティングするMIPv6-RR/BUソリューションを提案する。
• セッション継続を実現するために、旧スライスと新スライスのUPF間のGTPv1-Uトンネルを管理する新しいスライス間ゲートウェイ（ISGW）エンティティを導入する。
• MIPv6バインディングアップデート中の一時的なGTPトンネルを活用することで、中断時間を短縮するハイブリッドMIPv6/GTPv1-Uソリューションを構築する。
• 伝送遅延（Tnf,nf）、処理遅延（PDnf）、CPUリソース消費量（CP）などのシステムパラメータを用いた解析的モデリングにより、パフォーマンスを評価する。
• SBAおよび非SBAノード間での制御プレーンパケット処理および伝送コストを関数としてモデル化し、シグナリングコストを定式化する。
• UPF数（NUPF）と処理負荷の変動を想定し、リソースオーバーヘッドと遅延の両面から各ソリューションの性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIPv6-RR/BU、GTPv1-U、ハイブリッドソリューションといった、異なる標準プロトコルは、スライス間ハンドオーバー時のセッション継続をどのように比較して実現するか？
• RQ2 GTPv1-UとMIPv6-RR/BUを用いる場合、リソースオーバーヘッドが旧スライスおよび新スライスに与える影響は何か？
• RQ3 提案されたソリューションのシグナリングコストは、標準3GPP PDUセッション確立プロセスと比較してどのように変化するか？
• RQ4 スライス間移動におけるサービス中断遅延とリソース利用率のトレードオフは、どのように変化するか？
• RQ5 導入されたUPFの数（NUPF）が、各ソリューションのパフォーマンスに与える影響は何か？

主な発見

• GTPv1-Uベースのソリューションは、標準3GPPプロセスと比較して最小限の遅延増加で、最も低いサービス中断遅延を達成する。
• MIPv6-RR/BUソリューションは、旧スライスでのリソース割り当てを回避するため、標準3GPPプロセスと同等の最小限のリソースオーバーヘッドを発生させる。
• ハイブリッドMIPv6/GTPv1-Uソリューションは、一時的なトンネルを活用することで、純粋なGTPv1-Uに比べてリソースオーバーヘッドを低減するが、依然としてMIPv6-RR/BUに比べて高いオーバーヘッドを有する。
• シグナリングコストは、標準3GPPプロセスが最も低く、次にGTPv1-U（3%の追加コスト）、MIPv6-RR/BU（35–45%の追加コスト）、MIPv6/GTPv1-U（55–60%の追加コスト）の順に増加する。
• UPF数（NUPF）の変動を想定した結果、旧スライスUPF数が少ない場合、MIPv6/GTPv1-UはGTPv1-Uに比べてリソース消費量を低減することが確認された。
• 解析的結果から、すべての指標において最適なソリューションは存在せず、ユースケース要件に応じたトレードオフに配慮した導入が不可欠であることが確認された。