[論文レビュー] SIFM: A network architecture for seamless flow mobility between LTE and WiFi networks - Analysis and Testbed Implementation

Dhathri R. Purohith, Krishna M. Sivalingam|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2017

IPv6, Mobility, Handover, Networks, Security参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LTEとWiFiネットワーク間でのシームレスなフローレベルモビリティを実現するソフトウェア定義ネットワーキング（SDN）ベースのアーキテクチャ、SIFMを提案する。モビリティ意思決定をフローモニタリング・コントローラーに集中化することで、パフォーマンスを向上させる。ns-3シミュレーションおよび実際のテストベッドを用いた評価により、PMIPv6と比較してシームレスなハンドオーバーを実現し、スループットを向上させるとともにシグナリングオーバーヘッドを低減した。

ABSTRACT

This paper deals with cellular (e.g. LTE) networks that selectively offload the mobile data traffic onto WiFi (IEEE 802.11) networks to improve network performance. We propose the Seamless Internetwork Flow Mobility (SIFM) architecture that provides seamless flow-mobility support using concepts of Software Defined Networking (SDN). The SDN paradigm decouples the control and data plane, leading to a centralized network intelligence and state. The SIFM architecture utilizes this aspect of SDN and moves the mobility decisions to a centralized Flow Controller (FC). This provides a global network view while making mobility decisions and also reduces the complexity at the PGW. We implement and evaluate both basic PMIPv6 and the SIFM architectures by incorporating salient LTE and WiFi network features in the ns-3 simulator. Performance experiments validate that seamless mobility is achieved. Also, the SIFM architecture shows an improved network performance when compared to the base PMIPv6 architecture. A proof-of-concept prototype of the SIFM architecture has been implemented on an experimental testbed. The LTE network is emulated by integrating USRP B210x with the OpenLTE eNodeB and OpenLTE EPC. The WiFi network is emulated using hostapd and dnsmasq daemons running on Ubuntu 12.04. An off-the-shelf LG G2 mobile phone running Android 4.2.2 is used as the user equipment. We demonstrate seamless mobility between the LTE network and the WiFi network with the help of ICMP ping and a TCP chat application.

研究の動機と目的

• 異種のLTEおよびWiFiネットワーク間でのシームレスなフローレベルモビリティの課題に対処すること。
• PGWにおけるシグナリングオーバーヘッドと複雑さを低減するため、モビリティ意思決定を集中化すること。
• SDNの原則を用いてネットワーク状態のグローバルな視認性を活用することで、ネットワークパフォーマンスを向上させること。
• 提案アーキテクチャの実現可能性とパフォーマンス向上を、シミュレーションおよび実環境のテストベッド環境で示すこと。

提案手法

• SIFMアーキテクチャは、制御とデータプレーンを分離する、集中型のフローモニタリング・コントローラー（FC）を導入し、モビリティ意思決定を管理する。
• FCはSDNの原則を用いてネットワーク状態のグローバルな視認性を維持し、知的かつ調整されたハンドオーバー意思決定を可能にする。
• 既存のLTE（OpenLTE eNodeBおよびEPC経由）およびWiFi（hostapdおよびdnsmasq経由）インfraストラクチャと統合される。
• モビリティはフロー単位で管理され、ネットワーク遷移中のデータセッションの継続性が保証される。
• USRP B210xを用いたLTEエミュレーションと、標準のLinuxデーモンを用いたWiFi実装により、テストベッド上で実装される。
• ICMP pingおよびTCPチャットアプリケーションを用いてパフォーマンスを評価し、シームレスなハンドオーバーを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集中型SDNベースのフローモニタリング・コントローラーは、LTEとWiFiネットワーク間でのシームレスなフローレベルモビリティを実現できるか？
• RQ2 SIFMアーキテクチャは、PMIPv6と比較してPGWにおけるシグナリングオーバーヘッドと複雑さをどのように低減するか？
• RQ3 SIFMアーキテクチャは、PMIPv6と比較してスループット、遅延、およびハンドオーバー遅延の点で、どのようなパフォーマンス向上を示すか？
• RQ4 SIFMアーキテクチャは、実機（USRP B210x）および実ユーザー機器（LG G2 Android 4.2.2）を用いた実環境のテストベッド環境でもシームレスなモビリティを達成できるか？
• RQ5 FCが提供するグローバルなネットワーク可視性は、モビリティ意思決定をどのように向上させるか？

主な発見

• ICMP pingおよびTCPチャットアプリケーションによる検証により、SIFMはLTEとWiFiネットワーク間で最小限のハンドオーバー中断を伴うシームレスなフローモビリティを実現した。
• SIFMアーキテクチャは、フローモニタリング・コントローラーにモビリティ制御を集中化することで、PGWにおけるシグナリングオーバーヘッドと複雑さを低減した。
• ns-3シミュレーションにおけるパフォーマンス評価では、ベースラインのPMIPv6アーキテクチャと比較して、向上したネットワークスループットと低いハンドオーバー遅延が得られた。
• テストベッド実装により、実ハードウェア（USRP B210x）および実ユーザー機器（LG G2 Android 4.2.2）を用いたSIFMの実現可能性が確認された。
• 集中型のフローモニタリング・コントローラーは、より良いネットワーク全体の可視性を提供し、より効率的かつ調整されたモビリティ意思決定を可能にした。
• SIFMは、シミュレーションおよび実環境デプロイの両方で一貫したパフォーマンス向上を示し、スケーラビリティおよび耐障害性の妥当性を検証した。