《多接入边缘计算（MEC）及关键技术》读书笔记 | 第8章 基于MEC的固移融合

Posted 2021-07-08 COCOgsta

第8章 基于MEC的固移融合

8.1 固移融合的目标

• 高效：要求网络架构和功能的融合，由融合后的核心网功能负责统一的控制和管理，而不是通过复杂的核心网互操作实现；要求物理设施的共享，包括传输资源、机房资源、虚拟化基础设施资源
• 一致性的业务体验：一致性网络资源，包括空口资源、回传资源；一致性业务资源，即所能访问的业务资源是相同的，如CDN
• 更好的业务体验：支持多连接聚合以及流量疏导和无损切换，从而提高系统容量、优化网络性能、提升用户体验

8.2 融合核心网

• 3GPP和BBF分别启动了固移融合的研究项目5WWC和5G-FMC

8.2.1 5G融合核心网标准化工作的框架

• 3GPP的固移融合标准化工作关注于如何解耦接入网和核心网，从而使得5G的融合核心网能够天然地支持不同的接入技术。分为NG-RAN、固定接入以及非3GPP接入（主要是指WLAN）
• BBF关注的是固定接入与固网核心网以及5G核心网之间的关系。提出了3种网络模型，融合模型、互操作模型和共存模型
• 5G固移融合还支持用户同时通过多种接入技术接入5G核心网
• 另一个混合接入的关键技术是ATSSS，即5G核心网如何支持3GPP接入和非3GPP接入之间的接入流量疏导、切换和分裂。BBF尚未展开相关研究

8.2.2 3GPP固移融合网络架构

8.2.2.1 支持固定接入

• 5WWC中主要考虑两大类场景，第一类场景中家庭网关为5G-RG，第二类场景中家庭网关为FN-RG。5G-RG是一种能够作为3GPP UE接入5G核心网的新型家庭网关，FN-RG为传统家庭网关，不支持任何3GPP流程，需要W-5GAN支持互操作功能来使得FN-RG能够接入5G核心网
• 5WWC主要工作进展集中于第一类场景，根据接入网络以及末端设备能力的不同，可将第一类场景细化为6种具体的网络架构
  • 使用有线接入网的5G系统的非漫游架构（5G-RG、末端设备不支持N1接口）
  • 使用有线接入网的5G系统的非漫游架构（5G-RG、末端设备为3GPP UE）
  • 使用NG-RAN的5G系统的非漫游架构（5G-RG、末端设备不支持N1接口）
  • 使用NG-RAN的5G系统的非漫游架构（5G-RG、末端设备为3GPP UE）
  • 支持混合接入的5G系统的非漫游架构（末端设备不支持N1接口）
  • 支持混合接入的5G系统的非漫游架构（末端设备为3GPP UE）

8.2.2.2 支持可信非3GPP接入

• 可信非3GPP接入网由可信非3GPP接入点和可信非3GPP网关功能组成
• TNAP使用户终端能够通过非3GPP的无线或者有线的接入技术接入TNAN
• TNGF，为TNAN提供N2/N3接口，从而使得UE能够通过TNAN接入5G核心网

8.2.3 BBF固移融合网络架构

8.2.3.1 融合模型

• 5G-RG通过W-5GAN与核心网建立N1'接口，末端设备如手机、电脑、机顶盒等都通过5G-RG和W-5GAN接入5G核心网
• 混合接入场景的融合模型中，通过NG-RAN建立的是N1、N2和N3接口，通过有线接入建立的是N1'、N2'和N3'接口

8.2.3.2 互操作模型

• 互操作模型中，已部署的有线网络不需要做改动，有线核心网通过5G FMIF与5G核心网交互
• FMIF分为FMIF CP和FMIF UP，分别支持控制面的N1、N2接口和用户面的N3接口

8.2.3.3 共存模型

• 共存模型的关键是支持已部署的固网与5G固网接入网共存。因此，AGF与5G-RG之间的协议交互必须要利用或者适配已有的固定接入网的特征

8.2.4 基于MEC的5G融合核心网

• 基于集中式的移动网络架构，是无法有效实施固移融合的
• 基于MEC的5G融合核心网架构分为3个层次
  • 用户侧：用户终端设备，例如移动网络中的UE、固定网络中的RG等
  • 边缘侧：靠近用户部署的网络功能，部署的位置不高于城域网，主要包括负责接入和汇聚的网络功能，例如移动接入网、边缘UPF、非3GPP接入网络、固定网络等
  • 中心侧：用于集中管控的网络功能，包括移动核心网、固定核心网中的AAA和BPCF网元等，部署的位置通常是城域网之上的区域级机房或数据中心

8.3 多网协同管理

8.3.1 技术路线

• 两种技术路线：融合核心网、独立于接入网络的高层网络功能
• 第二种技术路线中，多网协同网络功能与底层承载网络技术进行了解耦，即多网协同是通过高层的网络协议协商实现的，不需要对现有的网络进行改动，因此其实现的复杂度相对较低

8.3.2 多接入管理服务MAMS

• MAMS是一个可编程的框架，它提供了一种多接入环境中基于业务需求灵活选择网络路径的机制
• 网络路径选择和配置消息通过用户面数据进行传输，因此不会影响底层接入网络的控制面信令协议

8.3.2.1 背景与动机

• 用户的业务体验依赖于网络路径的选择。为了保证在不同场景下用户的最优业务体验，需要为用户的数据传输灵活地选择和组合接入网和核心网

8.3.2.2 技术需求

• 与接入技术无关
• 支持常用的传输部署
• 上下行接入路径的选择相互独立
• 核心网络的选择与上下行接入技术无关
• 网络路径选择自适应
• 多路径支持和接入链路容量聚合
• 基于用户面交互的可扩展机制
• 控制平面和数据平面分离
• 无损路径切换
• 适配MTU差异的拼接与分段
• 基于协商协议配置网络中间设备
• 基于策略的最优路径选择
• 控制信令与接入技术无关
• 服务发现和可达

8.3.2.3 MAMS参考架构和协议栈

• 包含NCM、CCM、N-MADP、C-MADP元素
• 基于TCP的MAMS控制面协议栈，WebSocket用于在NCM和CCM之间传输管理和控制消息
• MAMS用户面协议栈包括多接入汇聚子层、多接入适配子层。多接入汇聚子层可以使用已有的协议，如MPTCP。多接入适配子层可以使用IPSec、DTLS或客户端NAT来实现

8.3.2.4 MAMS与MEC

• NCM和N-MADP部署在MEC服务器上，N-MADP也可以部署在别的网元上，如多个接入网共用的网关或路由器上

8.3.3 基于MEC的多网协同管理

8.3.3.1 背景与动机

• 接入网与核心网解耦后如何进行网络内部端到端的QoS保证
• MAMS与MEC在功能设计上有矛盾之处

8.3.3.2 应用需求与技术需求

• 应用需：流量分流、流量疏导、流量切换、链路聚合
• 基于MEC的多网协同管理功能的技术需求与MAMS的技术需求总体上是一致的。唯一不同的是，前者不要求接入网和核心网解耦，这是因为前者部署的位置并不在网络内部，而是在MEC平台上

8.3.3.3 参考架构和协议栈

8.3.4 MEC的TCP切换

• TFO是一种能够在TCP连接建立阶段传输数据的机制
• TFO的核心组件是快速打开信息记录程序，FOC是由服务器产生的消息认证码。客户端在一个常规TCP连接中请求得到FOC后，可在未来TCP连接的3次握手过程中使用该FOC传输数据
• 客户端IP地址发生了改变，服务器在认证FOC时会判定FOC非法。而对于MEC-TCPS，若服务器发现数据分组源IP地址没有通过认证时，服务器会向MEC平台的用户认证服务查询客户端的其他IP地址，并使用查询得到的IP地址重新进行认证，从而保证客户端即使IP地址发生了改变，依然能够通过MEC-TCPS机制实现TCP连接的快速切换

8.4 内容智能分发

8.4.1 CDN与边缘计算结合的必然性

• 两种技术相同的技术理念，即“服务靠近用户”

8.4.2 共享CDN

• 基于MEC的灵活路由能力，使得移动网络的用户能够直接访问固网中已部署的CDN资源；同时，在MEC平台上部署缓存应用，对热点内容进行透明缓存和内容再生
• 采用白名单的方式，边缘UPF对5G用户的数据分组进行解析，当发现访问域名/IP地址与白名单匹配时，就将数据分组从eUPF转发至共享CDN

8.4.3 合作CDN

• 在边缘计算节点上部署CDN服务，将边缘计算节点直接作为CDN边缘节点加入已有CDN系统
• PCF/SMF配置该内容应用的边缘CDN节点的IP地址，eUPF负责监听；当eUPF监听到用户数据分组的目标IP地址匹配时，将数据分组通过eUPF转发给边缘CDN节点

8.5 小结

• 本章讨论了基于MEC的固移融合，主要聚焦于3个方向：融合核心网、多网协同管理和内容智能分发。
• 对于融合核心网，首先梳理了5G融合核心网的标准进展情况，给出了标准工作的框架，并详细讨论了3GPP和BBF所提出的融合核心网的网络架构。在此基础上，考虑到不同网络的实际部署架构不同，本章提出了基于MEC的5G融合核心网架构，该架构的核心思想是用户面的融合节点位于网络边缘，而控制面的融合节点位于网络中心。
• 对于基于MEC的多网协同管理，本章首先简要介绍了MAMS协议；然后给出了一种基于MEC的多网协同管理框架MNMS，MNMS的技术需求是MAMS的子集，因此可以复用MAMS的协议栈进行实现；然后针对接入环境中的业务连续性问题，给出了一种MEC的TCP快速切换方法。
• 对于基础MEC的内容智能分发，本章给出了两个具体的技术方案：共享CDN和合作CDN。共享CDN利用MEC的灵活路由能力，使移动用户能够访问固网CDN；合作CDN在MEC平台上部署CDN服务，使得MEC能够作为CDN边缘节点整合进入CDN系统。这两种技术方案都能实现CDN的固移统一服务。