[논문 리뷰] On Session Continuation among Slices for Inter-Slice Mobility Support in 3GPP Service-based Architecture

Muhammad Mohtasim Sajjad, Dhammika Jayalath외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 24.

IPv6, Mobility, Handover, Networks, Security참고 문헌 21인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 3GPP의 서비스 기반 아키텍처(SBA)에서 슬라이스 간 이동성 동안 세션 연속성을 보장하기 위해 표준화된 세 가지 솔루션—MIPv6-RR/BU, GTPv1-U, 및 하이브리드 MIPv6/GTPv1-U—을 제안한다. GTPv1-U 및 하이브리드 솔루션은 MIPv6-RR/BU보다 더 낮은 서비스 장애 지연을 달성하지만, 자원 사용량이 더 높다. MIPv6-RR/BU는 자원 사용을 최소화하는 대신 더 높은 지연을 유발한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 3GPP 서비스 기반 아키텍처(SBA)에서 리lease 15에 정의된 바와 같이 슬라이스 간 세션 연속성 메커니즘이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 특히 IPv6 기반 세션에 대해 서로 다른 네트워크 슬라이스 간에 원활한 슬라이스 간 이동(Inter-Slice Handover, ISHO)을 가능하게 하기 위해.
• 기존의 표준화된 프로토콜을 기반으로 설계하여 후행 호환성과 구현 가능성 보장을 위해.
• 지연, 신호 전송 비용, 자원 활용도 측면에서 제안된 솔루션 간의 성능 트레이드오프를 평가하고 비교하기 위해.

제안 방법

• MIPv6의 Return Routability 및 Binding Update 절차를 활용하여 홈 슬라이스 메커니즘을 통해 트래픽을 재지정하는 MIPv6-RR/BU 솔루션을 제안한다.
• 기존 슬라이스의 UPF와 새로운 슬라이스의 UPF 간 GTPv1-U 터널을 관리하기 위해 새로운 슬라이스 간 게이트웨이(ISGW) 엔티티를 도입한다.
• MIPv6 바인딩 업데이트 기간 동안 일시적인 GTP 터널을 사용하여 장애 시간을 줄이는 하이브리드 MIPv6/GTPv1-U 솔루션을 개발한다.
• 전송 지연(Tnf,nf), 처리 지연(PDnf), CPU 자원 소비(CP) 등의 시스템 파라미터를 사용하여 성능을 평가하기 위해 분석 모델링을 수행한다.
• SBA 및 비-SBA 노드 간 제어 평면 패킷 처리 및 전송 비용을 고려하여 신호 전송 비용을 함수로 모델링한다.
• 자원 과부하와 지연을 평가하기 위해 UPF 수(NUPF)와 처리 부하를 다양하게 설정하여 솔루션을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIPv6-RR/BU, GTPv1-U, 하이브리드 솔루션과 같은 다양한 표준화된 프로토콜이 슬라이스 간 이동 시 세션 연속성을 어떻게 달성하는가?
• RQ2 GTPv1-U를 사용할 경우 기존 슬라이스와 새로운 슬라이스의 자원 과부하에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 솔루션 간의 신호 전송 비용은 표준 3GPP PDU 세션 설정 과정과 비교해 어떻게 달라지는가?
• RQ4 슬라이스 간 이동성 솔루션에서 서비스 장애 지연과 자원 활용도 사이의 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ5 배치된 UPF의 수가 각 솔루션의 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GTPv1-U 기반 솔루션은 표준 3GPP 프로세스와 비교해도 지연 증가가 최소한이어서 가장 낮은 서비스 장애 지연을 달성한다.
• MIPv6-RR/BU 솔루션은 기존 슬라이스에서 자원 할당을 방지함으로써 가장 낮은 자원 과부하를 유발하며, 표준 3GPP 프로세스와 유사하다.
• 하이브리드 MIPv6/GTPv1-U 솔루션은 일시적인 터널을 사용함으로써 순수 GTPv1-U보다 자원 과부하를 줄였지만, 여전히 MIPv6-RR/BU보다는 높은 과부하를 유발한다.
• 신호 전송 비용은 표준 3GPP 프로세스가 가장 낮으며, 그 다음으로 GTPv1-U(3% 추가 비용), MIPv6-RR/BU(35–45% 추가 비용), MIPv6/GTPv1-U(55–60% 추가 비용) 순이다.
• UPF 수(NUPF)를 변화시켜 본 결과, 기존 슬라이스의 UPF 수가 적을 경우 MIPv6/GTPv1-U 솔루션이 GTPv1-U 대비 자원 소비를 줄이는 것으로 나타났다.
• 분석 결과는 어떤 한 솔루션도 모든 지표에서 최적은 아니며, 사용 사례 요구사항에 따라 트레이드오프를 고려한 배포가 필요하다는 점을 확인한다.