JP2015035729A

JP2015035729A - 通信システム及び通信方式

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Publication number: JP2015035729A
Application number: JP2013165863A
Authority: JP
Inventors: 宏基馬場; Hiroki Baba; 信博東; Nobuhiro Higashi; 松本　実; Minoru Matsumoto; 実松本; 安川　正祥; Masanaga Yasukawa; 正祥安川; 則武　克誌; Katsushi Noritake; 克誌則武
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: JP6012080B2

Abstract

【課題】ネットワークの制御機能及び転送機能におけるCプレーン、Uプレーン処理を完全に分離する構成をとり、Cプレーン処理の制御機能から受信した制御内容に応じて、必要な処理、対象装置を決定して、フローテーブルを更新しUプレーンの経路を設定することで従来の課題を解決できる通信システム及び通信方式を提供する。
【解決手段】Cプレーン処理２、Uプレーン処理３を完全に分離し、汎用転送ハード１０に備わる複数のフロースイッチ１１をコントローラ２１を介して制御するアーキテクチャを採用し、かつCプレーン処理機能２については固定網と移動網の制御機能及び経路計算をすべて仮想化サーバ上で実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ネットワークを介した機器間の制御とその制御に従って通信フローを転送する通信システム及び通信方式に関するものである。

従来のネットワーク (NW : Network)は、経路制御とパケット転送が一体で搭載されており、入力されてきたパケットのヘッダを見て、スイッチが転送先を自身で決定し、次のスイッチに転送する。このような転送方式では、各ネットワーク機器が自律的に通信を行なえるという特徴があり、経路制御を分散的に行なうというのは、耐障害性の高いネットワークを実現するTCP/IPネットワークの基本である。しかし、ネットワーク全体を俯瞰した柔軟な経路制御ができず、経路制御を行うためにネットワーク機器ごとに設定を施さなければならないという手間も生じる。

従来のネットワーク機器では、レイヤー構造に転送制御を行なっていた。L2スイッチではMACアドレス、ルータはIPアドレス、ファイアウォールはTCP/UDPのポート番号などを元に各機器が転送制御を行っている。

これに対してOpenFlow[非特許文献１]で用いられているフロー制御では、こうした各レイヤーのアドレスや識別子すべてを見てトラフィックを特定してアクションを実施する。アクションはユニキャスト、マルチキャスト、帯域制御、廃棄、負荷分散、障害回復、仮想ポートの転送制御などがある。また、OpenFlowでは専用コントローラーが経路制御を行ない、スイッチ側のパケット転送を一元的に制御するという中央集権型のアーキテクチャとなっている。経路制御を行なうOpenFlowのコントローラーは、負荷が集中させないようフロー単位で経路を最適化したり、障害時にはいち早く通信が回復するよう、経路を動的に変更する。そのため、既存のMAC/IPアドレスなどに加えて、物理ポートやレイヤ４のプロトコルなど、さまざまな制御情報を元にした「フローテーブル」を作成し、これをスイッチに伝搬する。

モバイルコアネットワークシステムでは、常時移動する移動端末の接続位置を常に管理する方式が従来から知られている[非特許文献２]。

従来技術の通信システムによる移動管理方法の構成図を図１４に示す。単一の移動管理制御装置(MME)701には複数の無線基地局(eNodeB)702が接続され、それぞれの無線基地局(eNodeB)702には、複数の無線端末が接続する。移動管理制御装置(MME)701は加入者情報データベース装置(HSS)703と接続する。また、無線基地局(eNodeB)702とS-GW(Serving Gateway)704が接続し実際のUプレーン（User plane）処理を行う。

移動網のCプレーン（Control plane）処理については安価な汎用サーバ装置を利用して機能を実現し、スケールアウト技術、仮想化サーバ内の機能間のIF統合・機能の整理・統合による制御処理の効率化が検討されている。つまり、Cプレーン処理は汎用ハードウェア上で動作することによるスケールアウト、さらに既存機能の単純なソフト化だけでなく、ソフト化と同時に装置間IFを不要とするよう機能間の統合が検討されている。

また、移動網のUプレーンについては現状ではGTP-U（GPRS (General Packet Radio Service) Tunneling Protocol for User Plane）処理は専用の装置/ソフトウェアで実現されており、GTP-CやGTP-Uの連携動作には専用の装置内IFが必要なため、Cプレーン同様に単純なスケールアウトはできない。つまり、装置ごと／装置内のIFで実現したものを仮想化サーバと連携する方向で検討されているが、ベンダや制御対象機能が変わるとIFが変わるため制御できない。

OpenFlow Configuration and Management Protocol OF-CONFIG 1.0 3GPP TS 23.401 V12.0.0 (2013-03))

従来のネットワーク (NW : Network)は，経路制御（Cプレーン）とパケット転送（Uプレーン）が一体で搭載されており、入力されてきたパケットのヘッダを見て、スイッチが転送先を自身で決定して次のスイッチに転送するため、ネットワーク全体を俯瞰した柔軟な経路制御ができない。このため、経路制御を行うためにネットワーク機器ごとに設定を施さなければならないという問題があった。

さらに、IP網ではこれまでRIP/OSPF/IS-ISといったプロトコルによりルーティングテーブルを形成して、各網内のIPによるエンドエンドでの接続経路を制御し、IP網間でEGP/BGPといったプロトコルにより制御することでIPアドレスによりエンドエンドのノード間の通信を実現している。しかし、これらのCプレーンに関するソフトウェア処理を転送装置上で行うことで装置機能の増加、性能低下につながる。

また、移動網におけるSGWやPGW、固定網におけるエッジルータなどのNW (Network)制御装置も同様にCプレーンとUプレーン処理が一体実装されており、いずれかの性能がボトルネックとなることで、性能の制約になっている。

すなわち、図１５に示すように、従来のNW (Network)装置810は専用のハードウェア上に制御機能やUプレーンパケット処理機能811,812,813が一体実装されており、転送系NW装置820においても経路計算が分散して実施されるように経路計算機能821が分散配備されている。

これによって、転送系NWを構成するスイッチやルータ、制御系NWを構成するサーバ等の装置において、Cプレーン処理(経路計算、制御機能)とUプレーン(スイッチング、パケット転送)が一体で実装されていることで、いずれか一方のリソースがボトルネックになることによる系全体の性能低下が課題である。また、装置ごとに機能が異り、かつ膨大な数の専用装置が存在するため、装置自体のコストに加えて、それらをオペレーションするために膨大なコストがかかる。さらに、それらの装置のCプレーン処理リソース（CPU、メモリ）はルータであればRIP/OSPF等、制御サーバであれば移動管理・GTP等の当該装置固有のプロトコル・機能しか動作させられない。したがって、NW全体のCプレーンリソースの利用効率の低下が課題となる。

また、固定・移動固有の制御(Ｃプレーン)機能、Ｕプレーン処理を行うために専用のC・Uプレーン処理を一体実装した装置を利用することになり、個々の網だけでなく複数網間でCプレーン・Uプレーンのリソース利用効率の向上が課題となる。

本発明の目的は、上記の問題点に鑑み、ネットワークの制御機能及び転送機能におけるCプレーン、Uプレーン処理を完全に分離する構成をとり、汎用のCプレーン処理リソース上で実現された制御機能から受信した制御内容に応じて、必要な処理、対象装置を決定して、フローテーブルを更新しUプレーンの経路を設定することで従来の課題を解決できる通信システム及び通信方式を提供することである。

本発明は上記の目的を達成するために、ルーチングを行う制御機能であるCプレーンと、転送機能であるUプレーンとを有し、端末からの接続要求を受けた要求元基地局からパケット転送経路設定要求を受けたときに、前記要求元基地局から接続先端末が接続される接続先基地局へパケット転送を行う通信システムにおいて、前記Cプレーンと前記Uプレーンとが完全に分離されており、汎用サーバハードウェアを仮想化した仮想化サーバ上で動作する汎用サーバソフトウェアによって前記Cプレーンが構成され、複数の汎用スイッチを備えた転送フロースイッチ網からなる転送網によって前記Uプレーンが構成されていることを特徴とする通信システムを提案する。

また、本発明は上記目的を達成するために、前記通信システムを用いた通信方式であって、前記接続要求を発した端末の通信を前記要求元基地局とS-GW/P-GWの間で識別して通信経路を制御するためのGTPトンネル内のGTPトンネルID(TEID)をL2タグに変換し、前記GTPトンネルIDの端点のアドレスを前記要求元基地局のMACアドレスに変換し、QCIをフレーム優先度に変換した変換データを生成する手段を前記コントローラに設けるとともに、前記転送網には、前記変換データに基づき、L2タグ、宛先／送信元MACアドレスをマッチングルールとして、転送パケットに対するアクションのフロー制御ルールが設定されており、端末が移動して要求先基地局に接続し、該端末から要求先基地局にハンドオーバ実施コマンドが送られたときに、要求元基地局から要求先基地局にEPSベアラコンテキストを引き継ぎ、前記要求先基地局は端末が移動して接続すると前記GTPトンネルの接続先が、前記要求元基地局から前記要求先基地局に切り替わったことをMMEに通知し、前記MMEは該通知をS/P-GW(C)に通知して各制御サーバのEPSベアラコンテキストを更新し、前記通知を受けたS/P-GW(C)はEPSベアラコンテキスト情報を含むGTPフロー更新要求を前記コントローラに送信し、前記GTPフロー更新要求を受けたコントローラはGTPトンネルIDとIPアドレスの情報から、割り当てられたタグ情報を抽出し、前記転送網の汎用スイッチに対してIPアドレスを更新するとともにIPアドレスに対応するMACアドレスを設定して、古いフロー制御情報を削除し、新しいマッチングルールとアクションの更新を要求し、該要求が完了した後、前記コントローラはP-GW(C)に対してGTPフローの更新が完了したことを通知し、該通知を受けたP-GW(C)は、ハンドオーバに伴うパス切り替えが完了したことをMMEを介して要求先基地局に通知することを特徴とする通信方式を提案する。

本発明の通信システム及び通信方式によれば、Cプレーン処理機能については固定網と移動網の制御機能及び経路計算をすべて仮想化サーバ上で実現し、Ｕプレーン処理については転送網に備わる複数の汎用スイッチで実現することにより、Ｃプレーン処理とＵプレーン処理を完全に分離し、Ｃプレーンの処理のリソース上で実現された制御機能によって前記汎用スイッチを制御するようにしたので、経路制御を行うためにネットワーク機器ごとに設定を施す必要が無くなるとともに、転送網における処理を簡略化して性能の向上を図ることができる。さらに、Cプレーン処理機能を実現する仮想化サーバと、Ｕプレーン処理機能を実現する転送網は完全に分離されているので、いずれか一方のリソースがボトルネックになることが無く、系全体の性能向上とリソース利用効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明により、固定網と移動網のそれぞれに共通した転送網と仮想化サーバを備えることにより、複数網間でCプレーン・Uプレーンのリソース利用効率の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態における通信システムを説明する図本発明の第１実施例の通信システムを示す図本発明の第２実施例の固定網と移動網における制御・転送プレーン技術を共通化したアーキテクチャの詳細を説明する図第２実施例に対応する従来例を説明する図本発明の第３実施例の固定網と移動網における制御・転送プレーン技術を共通化したWiFiオフロードの詳細な接続構成を説明する図実施例３に対応する従来例を説明する図本発明の第４実施例におけるネットワーク構成法を説明する図第４実施例に対応する従来例のネットワーク構成法を説明する図本発明の第５実施例の移動トンネル制御について説明する図第５実施例に対応する従来例を説明する図本発明の一実施形態の通信システムにおいて端末がハンドオーバを実施した場合の処理の流れを説明する図従来例の通信システムにおいて端末がハンドオーバを実施した場合の処理の流れを説明する図本発明の一実施形態及び従来例におけるコントローラと汎用スイッチとの間のコマンド発生数の詳細を説明する図従来例の通信システムにおける移動管理方法を説明する構成図従来例の通信システムにおける課題を説明する図

本発明は、ネットワークの制御機能及び転送機能におけるCプレーン（経路制御）処理とUプレーン（パケット転送）処理を完全に分離するアーキテクチャを備えた通信方式及び通信システムの発明である。

つまり本発明では、Cプレーン処理はサーバハードウェアを仮想化し、汎用サーバソフトウェア上で実現している。また、UプレーンはSDN(Software-Defined Networking )相当の低機能な転送フロースイッチ網で実現している。さらに、CプレーンとUプレーン間の連携機能をコントローラが行い、制御機能から受信した制御内容に必要な処理と対象装置を決定して、フローテーブルを更新することで、これまでのNW (Network)と同等の機能を維持しながら、新たなサービス追加に対応できるようにした。

すなわち、本発明の通信システム１では図１に示すように、Cプレーン処理２、Uプレーン処理３を完全に分離し、汎用転送ハード１０に備わる複数のフロースイッチ１１をコントローラ２１を介して制御するアーキテクチャを採用し、かつCプレーン処理機能２については固定網と移動網の制御機能及び経路計算をすべて汎用的なハードウェアを用いた仮想化サーバ上で実現する。

なお、サーバ仮想化（server virtualization）とは、周知のように、１台の物理的なサーバコンピュータを複数台の仮想的なコンピュータに分割し、それぞれに別のOSやアプリケーションソフトを動作させる技術である。これにより、プロセッサやメモリ、ディスクをまとめて仮想的に複数の領域に分割し、それぞれがあたかも1台のコンピュータであるかのように振る舞い、異なるOSやアプリケーションを同時に実行できる。また、物理的に複数のコンピュータを用意する場合に比べ、物理的資源の管理にかかる手間が省け、資源配分を需要に応じて柔軟に配分することができるという利点がある。

したがって、サービス制御機能２２、ネットワーク制御機能２３は共通の汎用サーバハードウェア２４，２５上で動作し、必要な制御情報を仮想化サーバ間で交換し、必要なＵプレーン処理をコントローラ２１に指示することでサービス・機能を実現する。

これによって、固定網と移動網との間で異なる機能は仮想化サーバ上で独立に実現し、物理的なサーバリソース及び転送リソースを共有し、必要なリソースを適宜割り当てて利用することが可能となる。従って、複数網間でCプレーン・Uプレーンのリソース利用効率の向上を図ることができる。

上記のアーキテクチャによって、Cプレーン処理とUプレーン処理が分離して独立にリソース割り当てが可能となるため、いずれか一方がボトルネックとなることがなくなり、C/Uプレーンを独立にスケールアウトすることができる。

また、固定網と移動網との間でそれぞれ専用の装置を利用せず、共通のハードウェアを利用して制御ソフトウェアの違いだけで、個々のサービスを実現することで、固定網及び移動網のリソース効率化を実現することができる。

次に、本発明の第１実施例の通信システムを図２を参照して説明する。

図２に示すように、Cプレーン処理は汎用サーバで実現し、Uプレーンは汎用フロースイッチで実現する。なお、図中のサーバリソース４が汎用サーバ群であり、転送リソース５がネットワーク上で分散配置された汎用フロースイッチ群である。また、サービス制御系リソース６は固定・移動の転送系が共通化されている。

さらに、本実施例では、サーバリソース（汎用サーバ群）の上に各制御機能を専用ハードを用いずに各制御機能間で共通のサーバリソースから必要なリソースを割り当てる。

サーバリソース４、転送リソース５ともに個々の機能・サービスに特化した専用ハードウェアを使うのではなく、固定／移動の固有の機能やサービスに必要なソフトウェアを汎用サーバ上で動作させて個々のサービスに必要な機能を実現して、転送リソース５も固定・移動のサービスに必要なルーティング・スイッチング処理設定を共通の汎用ハードウェアにコントローラ２１を介して投入することで、固定・移動系のサービスをサーバリソース４及び転送リソース５を共有しながら実現することができる。

つまり、Cプレーン、サーバ処理を汎用サーバ化し、サービス／NW制御リソースに割り当てる。さらに、移動管理、トンネル制御、AAA、加入者DB等のNW制御機能は仮想化サーバ上で集中処理し、固定・移動で共通な機能は同一制御サーバを利用するとともに、QoS、DHCP、NAT、プロシキ、SIP等のサービス制御機能（セッション制御等）を固定・移動で共通化してサーバリソース利用効率を向上することができる。

また、転送面は共通技術を利用して固定・移動のサービスに必要な転送リソースを動的に割り当て、固定・移動で共通の転送技術（共通転送網７０）によりリソースを共用することで転送リソースの有効利用を図ることができる。

このように本実施例においては、前述の特徴に基づき、固定サービスについては、必要となるＩＭＳ（IP Multimedia Subsystem ）、トンネル制御、AAA（Authentication(認証)、Authorization(認可）、Accounting(アカウンティング)）、加入者管理を汎用サーバリソース４から必要な分だけ固定系サービスに割り当て、そのうえで上記の機能を仮想化サーバベースで実現する。さらに、制御信号が適切に仮想化サーバにルーティングされるように制御信号用のフロースイッチング情報を必要な転送リソース５にコントローラ２１を介して設定する。

また、ユーザがネットワークに接続し、仮想IMS、AAAサーバとの認証を完了するとこの結果に基づいて、IMS, AAA等の制御サーバはコントローラ２１にユーザパケットを適切にルーティングするためのフロー制御を要求する。

これを受けて、コントローラ２１を介して固定系サービスに必要なPPP、VoIPのパケットを適切なＳＩＰサーバや他のネットワークにルーティングするためのフロー制御情報を必要な転送リソース５に追加することで、インターネットアクセス、音声サービスを実現する。

移動サービスについても同様に移動サービスに必要となる移動管理、トンネル制御、AAA、加入者DBなどの制御サーバをサーバリソース４から必要なリソースを確保して、汎用サーバ上に仮想化サーバとして立ち上げる。さらに、制御信号が適切に仮想化サーバにルーティングされるように制御信号用のフロースイッチング情報を必要な転送リソース５にコントローラ２１を介して設定する。

また、移動端末がモバイルネットワークに接続、移動、通信する際には制御信号が上記サーバに送信され、その結果をもとにコントローラ２１を介して汎用スイッチにユーザデータが適切にインターネットや相手端末に届くようにコントローラ２１を介して制御する。

これを受けて、コントローラ２１が関係する転送リソース５を確保し、必要なフロー制御情報を投入することで、移動管理、ハンドオーバ、ベアラ制御を実現することができる。

上記の構成により、固定・移動で共通なコントロールIFを介したC/Uプレーン分離型構成による独立なスケールアウトが可能となる。

従来の3GPPのアーキテクチャではxGWのCプレーン及びUプレーンのリソースが一体実装されることで両者のバランスを柔軟に変更できないという課題があった。

しかし、上記のように、本発明により、Cプレーン処理２は汎用サーバで実現し、Uプレーン３は汎用フロースイッチで実現するため、両者独立にスケールアウトが可能となる。また、サーバリソース４、転送リソース５が仮想化され、固定・移動機能に共通化されていることで、各固定・移動NW (Network)の加入者に単一の網で需要に応じて必要最低限のリソースを柔軟に割り当てることができる。これにより、サービスを提供できるためリソース利用効率を従来よりも向上させることができる。

次に、本発明の第２実施例を図３を参照して説明する。

第２実施例では固定網と移動網における制御・転送プレーン技術を共通化したアーキテクチャの詳細を説明する。

図３に示すように、第２実施例では固定網４０と移動網５０において共通の制御ＰＦ（platform ）110と転送プレーン120を持つため制御信号プロトコルのインタワーク機能をソフトウェアで実現し、汎用ハードウェア上の共通プラットホーム上で実現可能となる。つまり、「エッジ制御」、「回線」、「変換GW」、「HSS」、「MME」、「EPC制御」等を共通制御ＰＦ110で行い、「エッジ」、「EPC」の転送を共通転送プレーン120にて行う。このように、技術を共通化することで各網固有機能・ＩＦが不要になるとともに、インタワークもパラメータ間の重畳／変換で実現できるため連係機能を小規模に抑えることができる。これにより、専用装置が不要となりコストの低減につながる。

また、共通転送プレーン120は共通転送網７０全体をカバーするため固定網４０及び移動網５０のＵプレーンプロトコル処理を行わず、汎用フロースイッチの機能で実現可能な必要最低限の処理が制御ＰＦ110から転送プレーン120に指示される。

上記実施例のように本発明を適用することで、固定網４０及び移動網５０の連携機能をＣプレーンのソフトウェア部分に閉じることができるため、従来に比べて連携に必要となる専用装置が不要となり、汎用サーバと汎用スイッチが利用できるためコストの低減につながる。このため、移動網４０と固定網５０の連携サービスの安価な実現が可能となる。さらに、技術を共通化することで各網固有機能・ＩＦが不要になるとともに、インタワークもパラメータ間の重畳／変換で実現できるため連携機能を小規模に抑えることができる。

これに対して図４に示すような従来のWiFiオフロードのアーキテクチャでは、固定網４０と移動網５０との間で、認証・制御信号、Ｕプレーンパケットのプロトコル変換が必要となり、固定網４０と移動網５０の両ＮＷ (Network)のプロトコルに対応した変換ＧＷ（gateway）が必要となる。つまり、固定網の制御・移動網の制御機能すべてに対応し、かつ両機能をインタワーク(プロトコル変換、セッション状態管理連携)するＧＷが必要となる。このため、変換ＧＷ装置が複雑化し、高性能なハードウェア上に多くの機能が必要となり、かつ専用のハードウェアとなり高価になりやすい。

このように、従来、固定網４０と移動網５０は各網の要件を満たす技術を利用して構成されてきたため、WiFiオフロードのように固定・移動の連携する場合、移動・固定両方の網の機能要件に対応したGWを配備する必要があり、中間のGW装置は高機能になりやすいという課題があった。

しかし、上記のように本実施例によれば、双方の網に共通の技術を用いてその中で各網に必要な機能を構築することで、より簡易に連携機能が実現できるため、より少ない機能でWiFiオフロード機能を実現することができる。

次に、本発明の第３実施例を説明する。

第３実施例では固定網と移動網における制御・転送プレーン技術を共通化したWiFiオフロードの詳細な接続構成を説明する。

図５に示すように、第３実施例ではSaMoGで必要となっているEAP-SIM/AKA認証処理及び移動認証サーバ接続はすべて汎用サーバ６１上の共通制御プラットホーム上で実現される。

各機能をソフトウェアベースで実現し、SaMoGとしての連携制御を行う機能を配備することで、WiFi接続する端末８２の認証とアドレス割り当て、及びサービスへの通信路を設定する。この処理はすべて汎用サーバ６１上のソフトウェア処理で行い、接続完了後のPDN（public data network：公衆データ網）６２へのスイッチング部分のみをコントローラ２１を介して汎用フロースイッチ群（汎用スイッチ網(共通転送網)７０）に指示することでWiFiを介した移動網サービスへの接続が実現される。

このように本実施形態のNW (Network)構成法で実現した場合、固定網４０を構成する複数のＬ２スイッチ(L2SW)４１が配備されたＬ２レイヤの処理でPPP/PPPoE/GTP相当の機能を維持しつつ、汎用スイッチの利用によって安価にUプレーン機能を実現することができる。さらに、高機能処理(Ｃプレーン)は装置間IFを排除して仮想化サーバ内で集中処理することにより、共通転送網７０（固定網４０，移動網５０）での状態管理を排除することができる。

これに対して従来のSaMoGのアーキテクチャでは、図６に示すように、複数の装置間で認証及びトンネル制御機能が分散しており、状態管理の制御を装置間で連携して実施している。

すなわち、従来の移動固定連携アーキテクチャではWiFiで固定網４０等から移動網５０に接続するためには、EAP-SIM/AKAプロトコル終端と移動網５０の認証サーバ接続、DHCPによるアドレス払い出し、GTPによる移動網との接続、および上記３つの機能の連携動作が装置内で必要となり、変換ＧＷ機能で多くの機能・処理を実施する必要がある。

次に、本発明の第４実施例を説明する。

第４実施例では、本発明を適用した上記実施形態におけるNW (Network)構成法を説明する。

図７に示すように、第４実施例では、移動制御はGTP機能を転送レイヤの相当機能で代替してハンドオーバ等を実現する。例えば、タグベースのスイッチング等である。固定制御は制御面やISP（Internet Service Provider）ごとにVLANを構成する。

すなわち、本実施例では、汎用スイッチ７１(例えばVLAN Switch )を複数配備した汎用フロースイッチ網７０（共通転送網）上にPPPoE、GTPトンネル相当の機能をフロー制御（VLANタグ制御等）により実現する。これによって、PPPoEやGTPのプロトコルヘッダ処理を簡略化しGW装置(BRAS、S/P-GW)のＵプレーン処理負荷を低減する。

また、本実施例では、固定端末８１及び移動端末８２はまず汎用サーバ６１上の認証サーバ(LAC-RADIUS、MME・HSS)と通信し認証処理を行う。この際認証信号はあらかじめ、汎用スイッチ網（共通転送網７０）において適切なサーバにルーティングされるようフロー制御情報（VLANタグ制御情報等）を投入しておく。

次に、汎用サーバ６１内の振り分け制御サーバ、MME・S/P-GWのGTP-C処理が、端末と適切なサービス網(ISP等)を接続するために必要なフロー制御を決定し、コントローラ（図示せず）に指示する。これには、端末ごとにサービスに接続するためのパスを制御するためにVLANタグ等を割り当てて用いることができる。

このようにCプレーンとUプレーンを分離し、Cプレーンを集中制御して、Uプレーン処理を共通的に処理することにより、NW (Network)制御でハンドオーバを実現することで、セッション管理の信号量や、スループットの向上につながる可能性がある。

これに対して従来の固定網及び移動網におけるインターネット接続と移動網の移動制御処理においては、移動端末の制御はS/P-GW-eNodeB間でGTPトンネルを生成し、端末の移動に合わせてEPSベアラコンテキストを更新してハンドオーバを行い、固定端末の制御はPPPoE、L2TP、PPPを組み合わせてNTE振り分けを実現している。

すなわち、図８に示すように、固定網４０では固定端末８１のインターネット接続のため、BRAS装置４２まで各家庭からPPPoEトンネル接続４５を行い、BRAS装置４２がLAC-RADIUS４３と連携動作して契約者の契約ISP６３を判定する。このISP６３が接続するNTE４４に対してL2TP４６で接続してL2の経路を構築し、各家庭が契約したISP６３へ直接PPP接続することで、インターネットアクセスを実現している。

また、移動端末８２のインターネット接続のため、移動網５０ではPDNと呼ばれるサービス網(ISP)６２はP-GW５１と接続する。移動端末８２とPGW５１間はGTPトンネル５２によって接続し、端末の移動に合わせて信号をMME、S/P-GW間で送受信することでトンネル通信経路を適宜切り替えることでハンドオーバを実現している。この際、各移動端末８２が利用しているGTPトンネル等の情報をCプレーンで認識するための情報がEPSベアラコンテキスト５３と呼ばれ、MME、S/P-GWで管理してトンネル接続の状態を管理している。

次に、本発明の本発明の第５実施例を説明する。

第５実施例では、本発明を適用した上記実施形態における移動トンネル制御（ハンドオーバ等）について説明する。

具体的に図９を参照して、本発明を適用し、移動制御(ハンドオーバ等)を汎用サーバ、汎用スイッチ網上で実現する際の適用方式について説明する。

汎用サーバ６１上にMME６４、S/P-GW６５，６６のGTP制御部分をソフトウェアとして配備し、これらと制御情報を交換し、汎用フロースイッチ網（共通転送網）７０の汎用スイッチ７１を制御するコントローラ２１も配備する。

移動端末８２のＩＳＰ網などのサービス網への接続ために、MME、S/P-GW(C)サーバ上でEPSベアラコンテキスト６７を生成し、EPSベアラコンテキスト６７を汎用ベアラ情報６８に変換し、その情報をもとにコントローラ２１へ指示することで汎用フロースイッチ網７０上に通信路が設定される。このときの汎用ベアラ情報６８としては、「ベアラID」、「L2タグ」、「無線ベアラID」、「端末IPアドレス」、「S1端点MAC」、「フレーム優先度」等がある。

このベアラは汎用スイッチ上ではL2タグ情報をキーとして制御し、L2タグをベースとして各移動端末８２に向けてパケットを転送する。つまり、汎用ベアラ情報６８の「L2タグ」、「S1端点MAC」、「フレーム優先度」を主に使用してコントローラ２１への制御指示を行う。

移動端末８２が別のeNodeBに移動すると、移動先のeNodeBが端末の移動を認識し、MME、S/P-GW間でS1端点のIPアドレス、すなわち移動先のeNodeBのIPアドレスを更新し、コントローラ２１に対してフロー制御の更新を要求する。これを受けて、セッション情報変換処理を行い、当該IPアドレスに該当するMACアドレスを特定し、コントローラ２１は移動前後に関係するスイッチ群に対してフローテーブルの更新をOpenflow等の汎用IFを介して実施する。

上記第５実施例では、コントローラ２１上でEPSベアラコンテキスト６７を汎用ベアラ情報６８に変換して汎用フロースイッチ網（共通転送網）７０に指示することにより、既存技術GTPの機能を汎用スイッチの基本的な機能で代替することでコントローラ２１が送信する信号を抑えることができる。

これに対して従来技術の一例としては、図１０に示すように、GTP-U機能（GTP拡張209）を汎用スイッチ207上に実装し、ベアラ制御する方式（既存研究（エリクソン論文））が知られている。

上記エリクソン論文に記載された技術では、汎用サーバ201上のMME202、S/P-GW(C)203,204をベースとして、コントローラ206を介して拡張したスイッチ群（207,222）にGTP-Uパケットの制御を行うよう専用の制御IFを介して指示する。このため、制御サーバ側のEPSベアラコンテキスト210は現在のEPCと共通の情報が使用でき、GTPトンネルID(TEID)をベースに移動端末８２の通信路を識別し、制御することができる。EPSベアラコンテキスト205の情報としては、「ベアラID」、「GTPトンネルID」、「無線ベアラID」、「端末IPアドレス」、「S1端点のIPアドレス」、「QCI」等がある。

しかし、上記方式では、汎用スイッチ207が具備する基本機能だけでは実現できず、拡張機能222を付加して移動体向けに拡張したスイッチが必要となるため、汎用スイッチ207よりも高機能化するためコストが上昇してしまう点が課題となる。

次に、本実施形態の通信システムにおいて端末がハンドオーバを実施した場合の処理の流れを図１１を参照して説明する。なお、ここでは、端末がハンドオーバを実施したときの処理の流れを示す。また、eNodeB(evolved NodeB ：基地局)をeNBと称する。

UE（User Equipment ：端末）301はMACアドレスがMAC1であるSource eNB(302)に接続しており、そのGTPトンネルIDはTEID1でTEID1の端点のアドレスはIP1であるとする。これをコントローラ(307)において、TEID1をＬ2タグ1に変換し、IP1をSource eNB(302)のMACアドレス(MAC1)に変換し、QCIをフレーム優先度に変換する。

この変換データをもとに、フローが通過する汎用スイッチ群（図中は汎用スイッチ305）にはタグ1、宛先／送信元MACアドレスをマッチングルールとして、そのパケットに対するアクション（タグの付与／削除、どの物理ポートへ送信する）等のフロー制御ルールが設定されているものとする。

UE（301）が移動して、Target eNB（303）に接続すると、UE（301）からTarget eNB（303）にハンドオーバ実施コマンドが送られ（S401）、Source eNB（302）からTarget eNB（303）にEPSベアラコンテキストが引き継がれる（S402）。

この後、UE（301）からの上りデータトラヒックはTarget eNB（303）を介して汎用スイッチ網（305）を通り、インターネット等に送られる（S403,S404）。

一方で、UE（301）への下りトラヒックはベアラの切り替えが必要となる。そこで、Target eNB（303）はTEID1のGTPトンネルがIP2のeNBに切り替わったことをMME(Mobility Management Entity)（304）に通知し（S405）、MME（304）はそれをS/P-GW(C)（306）に通知して各制御サーバのEPSベアラコンテキストを更新する（S406）。

これが完了すると当該のEPSベアラコンテキスト情報を含むGTPフロー更新要求がコントローラ（307）に送信される（S407）。コントローラ（307）ではTEIDとIPアドレスの情報から、割り当てられたタグ情報を抽出し、汎用スイッチ群（305）に対してIPアドレスを更新するとともにIPアドレスに対応するMACアドレスを設定して、古いフロー制御情報を削除し、新しいマッチングルールとアクションの更新を要求する（S408）。

これが完了するとコントローラ（307）からP-GW(C)（306）にGTPフローの更新が完了したことを通知し（S409）、ハンドオーバに伴うパス切り替えが完了したことがMME（304）を介してTarget eNB（303）に通知される（S410）。

上記が完了すると下りトラヒックの経路が切り替わり、ハンドオーバ手続きが完了する。

次に、図１２を参照して従来の通信システムにおいて端末がハンドオーバを実施するときの処理の流れを詳細に説明する。

UE（311）はアドレスがIP1のSource eNB（312）に接続しており、そのGTPトンネルIDはTEID1でTEID1の端点のアドレスはIP1であるとする。コントローラ（317）はTEID1に対応したGTPヘッダ情報を汎用スイッチ（315）に送信し、仮想ポートを使ったGTPヘッダの付与。宛先eNBへパケットを転送するための物理ポートを設定しているものとする。

UE（311）が移動して、Target eNB（313）に接続するとUE（311）からTarget eNB（313）にハンドオーバ実施コマンドが送られ（S501）、Source eNB（312）からTarget eNB（313）にEPSベアラコンテキストが引き継がれる（S502）。この後、UE（311）からの上りデータトラヒックはTarget eNB（313）を介して汎用スイッチ網（315）を通り、インターネット等に送られる（S503,S504）。

一方で、UE（311）への下りトラヒックはベアラの切り替えが必要となる。そこで、Target eNB（313）はTEID1のGTPトンネルがIP2のeNBに切り替わったことをＭＭＥ（314）に通知し（S505）、MME（314）はそれをS/P-GW(C)（316）に通知して各制御サーバのEPSベアラコンテキストを更新する（S506）。

これが完了すると当該のEPSベアラコンテキスト情報を含むGTPフロー更新要求がコントローラ（317）に送信される（S507）。指定されたEPSベアラの情報からコントローラ（317）は関係する汎用スイッチ（315）内のフローテーブルとGTPカプセル化テーブルの更新・追加・削除を行う（S508,S509）。

これが完了すると,GTPフロー制御更新完了をP-GW(C)（316）に通知し（S510）、パス切り替え完了をMME（314）経由でTarget eNB（313）に送信し（S511）、パスの切り替えが完了する。

以上により、ハンドオーバ処理が完了する。

次に、図１３を参照して、上記図１１を参照して説明した本実施形態の通信システムにおけるコントローラ307と汎用スイッチ305との間のコマンド発生数と、上記図１２を参照して説明した従来例の通信システムにおけるコントローラ317と汎用スイッチ315との間のコマンド発生数の詳細を説明する。

図１３において縦軸は１時間当たりのコマンド発生数を表す。また、(a)〜(l)のそれぞれが表すのは次の通りである。(a)：Attach、(b)：Detach、(c)：位置登録(X-GW変更なし)、(d)：位置登録(X-GW変更あり)、(e)：ハンドオーバ(X-GW変更なし)、(f)：ハンドオーバ(X-GW変更あり)、(g)：PDNコネクション(追加)、(h)：PDNコネクション(削除)、(i)：PCRF起動のQoS設定、(j)：網起動による無線リソース解放、(k)：端末起動による無線リソース取得、(l)：網起動による無線リソース取得。

従来例の通信システムにおいては、(a)〜(l)のそれぞれの１時間当たりのコマンド数は、(a)：０．２、(b)：０．２、(c)：８、(d)：０．０２、(e)：２０、(f)：０．２、(g)：０．２、(h)：０．２、(i)：０．２、(j)：７５、(k)：２０、(l)：１０であった。

これに対して、本実施形態の通信システムにおいては、(a)〜(l)のそれぞれの１時間当たりのコマンド数は、(a)：０．１、(b)：０．１、(c)：４、(d)：０．０１、(e)：１０、(f)：０．１、(g)：０．１、(h)：０．１、(i)：０．１、(j)：６０、(k)：１０、(l)：５であった。

このように本実施形態によれば、コントローラ307と汎用スイッチ305との間の１時間当たりのコマンド発生数は、従来例よりも約２２％も減少している。

上記のように本実施形態の通信システムによれば、ネットワークの制御機能及び転送機能におけるCプレーン、Uプレーン処理を完全に分離する構成をとり、Cプレーン処理の制御機能から受信した制御内容に応じて、必要な処理、対象装置を決定して、フローテーブルを更新しUプレーンの経路を設定しているので、従来の課題を解決することができる。

本発明は、ネットワーク（転送網）を介した機器間の制御とその制御に従って通信フローを転送する通信システム及び通信方式に関し、Ｃプレーン処理とＵプレーン処理を完全に分離し、汎用スイッチをコントローラを介して制御するようにしたので、経路制御を行うためにネットワーク機器ごとに設定を施す必要が無くなるとともに、転送網における処理を簡略化して性能の向上を図ることができる。さらに、Cプレーン処理機能を実現する仮想化サーバと、Ｕプレーン処理機能を実現する転送網は完全に分離されているので、いずれか一方のリソースがボトルネックになることが無く、系全体の性能向上とリソース利用効率の向上を図ることができる。

１…通信システム、２…Ｃプレーン処理、３…Ｕプレーン処理、４…サーバリソース、５…転送リソース、６…サービス制御系リソース、１０…汎用転送ハード、１１…フロースイッチ、２１…コントローラ、２２…サービス制御機能、２３…ネットワーク制御機能、２４，２５…汎用サーバハードウェア、110…制御ＰＦ、120…転送プレーン、４０…固定網、４１…Ｌ２スイッチ、４２…BRAS装置、４３…LAC-RADIUS、４４…NTE、４６…L2TP、５０…移動網、５２…GTPトンネル、５３…EPSベアラコンテキスト、６１…汎用サーバ、６２…ＰＤＮ、６３…ISP、６４…MME、６５…S-GE、６６…P-GW、６７…EPSベアラコンテキスト、６８…汎用ベアラ情報、７０…共通転送網、７１…汎用スイッチ、８１…固定端末、８２…移動端末、301…UE(端末)、302…Source eNB、303…Target eNB、304…MME、305…汎用スイッチ、306…S/P-GW(C)、307…コントローラ。

Claims

ルーチングを行う制御機能であるCプレーンと、転送機能であるUプレーンとを有し、端末からの接続要求を受けた要求元基地局からパケット転送経路設定要求を受けたときに、前記要求元基地局から接続先端末が接続される接続先基地局へパケット転送を行う通信システムにおいて、
前記Cプレーンと前記Uプレーンとが完全に分離されており、
汎用サーバハードウェアを仮想化した仮想化サーバ上で動作する汎用サーバソフトウェアによって前記Cプレーンが構成され、
複数の汎用スイッチを備えた転送フロースイッチ網からなる転送網によって前記Uプレーンが構成されている
ことを特徴とする通信システム。
複数の汎用スイッチのそれぞれが所定箇所に配備されており、所定経路に配備された前記汎用スイッチを介して端末から発信されたパケットデータを転送する前記転送網と、
汎用サーバからなり、端末からの接続要求を受けた要求元基地局からパケット転送経路設定要求を受けたときに、前記要求元基地局から接続先基地局へのパケット転送経路を計算し、該計算結果に基づいて前記転送網における汎用スイッチを制御してパケット転送経路の設定を行う前記仮想化サーバとを備えている
ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記転送網は、固定端末に接続される固定網と移動端末に接続される移動網の双方を一体構成するパケット転送網である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の通信システム。
前記仮想化サーバは、
SaMoGで必要とするEAP-SIM/AKA認証処理及び移動認証サーバ接続を行う共通制御プラットホームと、
公衆データ網へのスイッチング接続を前記転送網の汎用スイッチに指示するフロー制御を行うコントローラとを備えている
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の通信システム。
前記転送網において、PPPoE及びGTPトンネル相当の機能を、端末をサービス網に接続するためのパスを制御する前記フロー制御によって構成し、
前記仮想化サーバは、
端末と通信して該端末の認証処理を行う認証サーバと、
端末と適切なサービス網を接続するために必要なフロー制御を決定し、前記コントローラに指示する振り分けサーバ及びGTP-C制御処理を行うMME・S/P-GWのソフトウェアとを備えている
ことを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
前記転送網の汎用スイッチとしてVLANスイッチを用いるとともに、
前記仮想化サーバは、適切なサーバにルーティングされるように前記VLANスイッチをVLANタグによって制御する手段を有する
ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
前記仮想化サーバは、
EPSベアラコンテキストを、少なくともL2タグとS1端点MACとフレーム優先度とを含む汎用ベアラ情報に変換する手段と、
前記汎用ベアラ情報に基づいて前記コントローラへ制御指示を行う手段とを備えている
ことを特徴とする請求項４又は５に記載の通信システム。
前記請求項１乃至７の何れかに記載の通信システムを用いた通信方式であって、
前記接続要求を発した端末の通信を前記要求元基地局とS-GW/P-GWの間で識別して通信経路を制御するためのGTPトンネル内のGTPトンネルID(TEID)をL2タグに変換し、前記GTPトンネルIDの端点のアドレスを前記要求元基地局のMACアドレスに変換し、QCIをフレーム優先度に変換した変換データを生成する手段を前記コントローラに設けるとともに、
前記転送網には、前記変換データに基づき、L2タグ、宛先／送信元MACアドレスをマッチングルールとして、転送パケットに対するアクションのフロー制御ルールが設定されており、
端末が移動して要求先基地局に接続し、該端末から要求先基地局にハンドオーバ実施コマンドが送られたときに、要求元基地局から要求先基地局にEPSベアラコンテキストを引き継ぎ、
前記要求先基地局は端末が移動して接続すると前記GTPトンネルの接続先が、前記要求元基地局から前記要求先基地局に切り替わったことをMMEに通知し、
前記MMEは該通知をS/P-GW(C)に通知して各制御サーバのEPSベアラコンテキストを更新し、
前記通知を受けたS/P-GW(C)はEPSベアラコンテキスト情報を含むGTPフロー更新要求を前記コントローラに送信し、
前記GTPフロー更新要求を受けたコントローラはGTPトンネルIDとIPアドレスの情報から、割り当てられたタグ情報を抽出し、前記転送網の汎用スイッチに対してIPアドレスを更新するとともにIPアドレスに対応するMACアドレスを設定して、古いフロー制御情報を削除し、新しいマッチングルールとアクションの更新を要求し、
該要求が完了した後、前記コントローラはP-GW(C)に対してGTPフローの更新が完了したことを通知し、
該通知を受けたP-GW(C)は、ハンドオーバに伴うパス切り替えが完了したことをMMEを介して要求先基地局に通知する
ことを特徴とする通信方式。
前記転送パケットに対するアクションは、タグの付与／削除、及びパケットの転送先物理ポートの指示を含む
ことを特徴とする請求項８に記載の通信方式。