[论文解读] 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 2

一句话总结

本文提出了三种符合标准的解决方案——MIPv6-RR/BU、GTPv1-U 和混合 MIPv6/GTPv1-U——实现了在 3GPP 服务化架构（SBA）中跨网络切片移动时的会话连续性。GTPv1-U 和混合解决方案在服务中断延迟方面表现更优，但相比 MIPv6-RR/BU，其资源开销更高；而 MIPv6-RR/BU 通过最小化资源使用，以增加延迟为代价。

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.

研究动机与目标

• 为解决 3GPP 在 Release 15 中定义的基于服务的架构（SBA）中网络切片之间缺乏会话连续性机制的问题。
• 实现跨不同网络切片的 IP 会话（特别是 IPv6）的无缝跨切片移动（跨切片切换，ISHO）。
• 基于现有标准化协议设计解决方案，以确保向后兼容性和部署可行性。
• 评估并比较所提解决方案在延迟、信令成本和资源利用率方面的性能权衡。

提出的方法

• 提出基于移动 IPv6 的返回可路由性（Return Routability）和绑定更新（Binding Update）流程的 MIPv6-RR/BU 解决方案，通过“主切片”机制重定向流量。
• 引入新的跨切片子网关（Inter-Slice Gateway, ISGW）实体，用于管理旧切片和新切片用户面功能（UPF）之间的 GTPv1-U 隧道，以实现会话连续性。
• 开发混合 MIPv6/GTPv1-U 解决方案，利用 MIPv6 绑定更新期间的临时 GTP 隧道，以减少中断时间。
• 采用基于系统参数（如传输延迟 Tnf,nf、处理延迟 PDnf 和 CPU 资源消耗 CP）的分析建模方法评估性能。
• 将信令成本建模为 SBA 和非 SBA 节点之间控制面数据包处理和传输成本的函数。
• 在不同数量的用户面功能（NUPF）和处理负载下比较各解决方案，以评估资源开销和延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同标准化协议（MIPv6-RR/BU、GTPv1-U、混合方案）在实现跨切片切换期间的会话连续性方面表现如何比较？
• RQ2 与 MIPv6-RR/BU 相比，使用 GTPv1-U 时对前一个切片和新切片的资源开销有何影响？
• RQ3 与标准 3GPP PDU 会话建立过程相比，所提解决方案的信令成本有何差异？
• RQ4 在跨切片移动解决方案中，服务中断延迟与资源利用率之间的权衡关系如何？
• RQ5 部署的用户面功能数量（NUPF）如何影响各解决方案的性能？

主要发现

• 基于 GTPv1-U 的解决方案实现了最低的服务中断延迟，与标准 3GPP 流程相比延迟增加可忽略。
• MIPv6-RR/BU 解决方案资源开销最低，与标准 3GPP 流程相当，因为它避免了在旧切片子网中分配资源。
• 混合 MIPv6/GTPv1-U 解决方案通过使用临时隧道，相比纯 GTPv1-U 显著降低了资源开销，但仍高于 MIPv6-RR/BU。
• 信令成本最低的是 3GPP 标准流程，其次是 GTPv1-U（额外成本 3%），然后是 MIPv6-RR/BU（额外成本 35–45%），最后是 MIPv6/GTPv1-U（额外成本 55–60%）。
• 改变用户面功能数量（NUPF）的结果表明，当旧切片子网的 UPF 数量较少时，MIPv6/GTPv1-U 相比 GTPv1-U 显著降低了资源消耗。
• 分析结果证实，没有一种解决方案在所有指标上均最优，强调了需根据用例需求进行权衡感知的部署。