JP5719068B2 - パケットゲートウェイユーザプレーンを実装する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、発展型パケットコア（Evolved Packet Core：ＥＰＣ）ゲートウェイのユーザプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）を実装する装置及び方法に関し、特に、移動通信のためのロングタームエボリューション（ＬＴＥ）規格において、ネットワークエンティティであるパケットデータネットワーク（ＰＤＮ）ゲートウェイ（ＰＧＷ）を仮想化する装置及び方法に関する。本発明は、ＰＧＷ及びサービングゲートウェイ（ＳＧＷ）が統合される場合のユーザプレーンの仮想化にも適用することができる。

ＰＤＮゲートウェイ（ＰＧＷ）及びサービングゲートウェイ（ＳＧＷ）は、発展型パケットコア（ＥＰＣ）として知られる４Ｇ移動コアネットワークのための重要なネットワークエンティティである。ＰＧＷはユーザ機器（ＵＥ）に外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）への接続性を提供し、ＳＧＷは基地局への接続性を提供する。ＰＧＷ及びＳＧＷは別個のデバイスとして実装することもできるし、単一の物理デバイス内に実装することもできる。従来のモノリシックＥＰＣゲートウェイデバイスは、同時に数百万ユーザにサービス提供し、これは通常、専用ハードウェアを有するマルチブレードサーバによって実施される。キャリアグレード可用性を実現するために、通常、双方向の冗長構成要素を用いてサービス障害を防ぐ。そのようなネットワークエンティティを購入、運用及び保守管理する支出は非常に高い。従来のＰＧＷ／ＳＧＷにおいて、制御プレーン（Ｃプレーン）機能及びユーザプレーン（Ｕプレーン）機能は同じエンティティ内に配置（collocate）される。コスト低減の目的のために、電気通信事業者は、そのようなネットワーク機能を専用ハードウェアから分離し、低コストのコモディティハードウェア、すなわち標準的なＩＴサーバ上でその機能を展開することを目標としている。しかしながら、そのようなゲートウェイデバイスのためにＣプレーンをＵプレーンから分離し、低コストのハードウェア上でＵプレーンパケットの処理を実施することは、サーバごとの処理能力が限られていることに起因して簡単でない。

したがって、標準的なＩＴハードウェアを用いてそのようなＰＧＷのデータプレーン処理部を実装し、そのようなデータプレーン処理部と適切な制御プレーンとのインタラクションを達成することが望ましい。

図１は、関連する３ＧＰＰ標準規格に従うロングタームエボリューション（ＬＴＥ）の発展型パケットコア（ＥＰＣ）のための基本アーキテクチャを示している。ｅＮｏｄｅＢ（ｅＮＢ）は、ユーザ機器（ＵＥ）とネットワークとの間の無線接続を提供する。全てのｅＮＢは少なくとも１つのモビリティ管理エンティティ（ＭＭＥ）に接続され、このＭＭＥは、ネットワークにアタッチするＵＥのためのＬＴＥ関連制御プレーンシグナリング、例えばモビリティ機能及びセキュリティ機能を扱う。ユーザデータプレーンは、サービングゲートウェイ（ＳＧＷ）及びＰＤＮゲートウェイ（ＰＧＷ）によって扱われる。図１は、ＳＧＷ及びＰＧＷが分離したシステムアーキテクチャを示しており、ＳＧＷ及びＰＧＷを相互接続するためのＳ５／Ｓ８インタフェースが定義されている。Ｓ５インタフェースは、ＳＧＷがホームネットワーク内にある非ローミングシナリオについて、又はＳＧＷ及びＰＧＷの双方が訪問先ネットワーク内に位置するローミングシナリオについて定義される。Ｓ８インタフェースは、ＳＧＷが訪問先ネットワーク内にあり、ＰＧＷがホームネットワーク内にあるローミングシナリオにおいて用いられるＳ５インタフェースの一変形である。Ｓ５／Ｓ８インタフェースが内部インタフェースとなるようにＳＧＷ及びＰＧＷを連結又は統合することも可能である。ゲートウェイネットワークエンティティの場合、移動通信をサポートするために実行される２種類の機能、すなわちＣプレーン機能及びＵプレーン機能が存在する。Ｃプレーン機能は、パス、トンネル及びモビリティ管理を担当し、Ｕプレーン機能は、移動ネットワーク及び外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）を通じてユーザデータパケットを搬送する。ＳＧＷ及びＰＧＷのような従来のＥＰＣネットワークエンティティは、Ｃプレーン機能及びＵプレーン機能が同じ物理ボックス内で結合される統合設計に従う。

クラウドコンピューティングシステムにおいてＥＰＣ制御プレーンを実装する方法が、特許文献１において取り上げられている。特許文献１において、第３世代ネットワークのＥＰＣは分割アーキテクチャを有し、この分割アーキテクチャにおいて、３ＧネットワークのＥＰＣの制御プレーンはクラウドコンピューティングシステム内にあり、クラウドコンピューティングシステムは、複数の制御プレーンモジュールを実行するコントローラを含み、その制御プレーンは、制御プレーンプロトコルを通してＥＰＣのデータプレーンと通信する。特許文献１は、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルへのＧＴＰプロトコルの拡張も提案している。１つの拡張は、カプセル化及びカプセル化解除を可能にする仮想ポートを定義するというものであり、別の拡張は、ＧＴＰトンネルエンドポイント識別子（ＴＥＩＤ）を用いたフロールーティングを可能にするというものである。

特許文献２は、移動通信のためのグローバルシステム（ＧＳＭ（登録商標））及び３Ｇにおけるゲートウェイノードのためのリソースプールモデルを提案しており、通信ネットワーク内の複数のネットワークリソースから或るネットワークリソースを選択する方法及び装置が提示されている。特許文献２の主な焦点は、ネットワークリソース選択エンティティを設計することであり、このネットワークリソース選択エンティティは、端末からネットワークリソースへの要求を受信し、次に、少なくとも１つのネットワークノードから、ネットワークリソースに関係するデータを検索する。特許文献２によって提案される解決策は、ネットワークにおけるキー情報を監視し、ドメインネームサーバー（ＤＮＳ）の応答を動的に変更して、或る特定のネットワークエンティティに要求を向ける。特許文献２及び本発明について、特許文献２は、進化型ＤＮＳにおいて選択ノードを追加することによってリソースプーリングを可能にする新たな方法を目標とすることである。しかしながら、特許文献２は、移動ネットワーク内のＰＧＷとしての役割を果たすＩＴサーバの性能限界を克服する方法としてリソースプールモデルを用いることを構想していない。

更なる従来技術が、L. Andriantsiferana、M. C. Centemeri、J. R. Iyer、W.-l. Tsao及びK. Viswanathによる特許文献３「Load balancing network access requests」、T. Jokiaho、M. Latvala、S. Ni、M. Panhelainen及びV.-P. Takalaによる特許文献４「Load balancer for multiprocessor platforms」、並びにK. Chowdhury、A. Gibbs及びR. Koodliによる特許文献５「Dynamic load balancing in a communication network」に記載されており、これらの全てが移動ネットワークにおける負荷分散メカニズム設計に焦点を当てている。特許文献３は、移動ネットワークにおいて負荷分散ユニットを用いて、複数の選択肢からゲートウェイを選択することを提案している。ローカルＤＮＳを用いて、識別されたゲートウェイを有するリストが生成され、リスト内のゲートウェイのシーケンスは、様々な技法、例えばラウンドロビン（round-robin）を用いて形成することができる。ローカル負荷分散ユニットをローカルＤＮＳに接続して、可能な選択肢を検索し、ゲートウェイを選択する。特許文献４は、負荷分散装置のマルチプロセッサプラットフォームを取り上げており、このマルチプロセッサプラットフォームは、電気通信ネットワーク内の共通の外部ＩＰアドレスを有する複数のＣＰＵノードからなるネットワーク要素の制御プレーントラフィックを分散させるように設計されている。この負荷分散装置において、着信ＧＴＰ−ＣメッセージからＴＥＩＤ−Ｃ値が特定され、その値がゼロに等しくない場合、そのＧＴＰ−ＣメッセージをＣＰＵノードに転送するのに用いられる。ゼロに等しい場合、ＧＴＰ−Ｃメッセージのメッセージタイプ値が更に特定される。特許文献５は、他のネットワーク要素と共有することができる動的かつリアルタイムの負荷因子（ＣＰＵ使用量、メモリ使用量、アクティブなセッション数及び着信データ負荷率等）を用いることによって、リソースプール（例えばＭＭＥプール）からネットワークエンティティを選択する方法及びシステムを提案している。

米国特許出願第２０１２／０３００６１５号 米国特許出願第２０１０／０２９１９４３号 米国特許第８０４６４３０号 欧州特許第１５１２０７３号 米国特許第８４２８６１０号

１つの実施形態では、パケットゲートウェイユーザプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）を実施する装置であって、それぞれがパケット処理ユニット（ＰＰＵ）として動作する複数の処理構成要素を設定するコンフィギュレータであって、各ＰＰＵは、ベアラと呼ばれる或る特定数の並列セッションに対しＰＧＷのユーザプレーン機能を実施する、コンフィギュレータと、外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）からのＩＰトラフィックを、或る特定のＰＰＵにマッピングするダウンリンクスイッチと、ＧＰＲＳトンネルプロトコル（ＧＴＰ）トラフィックを或る特定のＰＰＵにマッピングするアップリンクスイッチとを備え、前記コンフィギュレータは、特定のベアラに関するアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックが或る特定のＰＰＵを通ってルーティングされるように、前記ＰＰＵと、前記アップリンクスイッチと、前記ダウンリンクスイッチとを設定するようになっている、装置が提供される。

これは、処理構成要素を、ネットワーキング能力を有する標準的なコンピュータデバイスを用いてコスト効率のよい方法で実施することができるという利点を有する。更なる利点は、処理要素数をスケーリングして、多数のベアラについてパケット処理を並列に扱うのに十分な数の処理リソースを提供することができることである。更なる利点は、可能なパケット変更を含むパケット処理が標準的なコンピュータデバイスによって実行され、スイッチ内で行われないので、アップリンクスイッチ及びダウンリンクスイッチをコスト効率のよい方法で実施することができることである。

別の実施形態では、前記ダウンリンクスイッチは、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチであり、該ダウンリンクスイッチは、着信ＩＰトラフィックを、５タプルの情報に基づいてＰＰＵにマッピングし、前記５タプル情報は、送信元ＩＰアドレスと、宛先ＩＰアドレスと、送信元ポート番号と、宛先ポート番号と、プロトコルＩＤとを含んでいる。

これは、ダウンリンクスイッチが、標準的なＩＰスイッチであるので、コスト効率のよい構成要素（通常の又は標準的なオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチ）であり、スイッチによってパケット変更が実行されないので、パケットの転送においても効率的であるという利点を有する。更なる利点は、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）機能により、動作中にスイッチの転送動作を変更することが可能になることであり、これによって、より少ないコンピューティングデバイス又はより多くのコンピューティングデバイスを、処理を実行するように構成することができるので、ＰＧＷサービスのスケーラビリティを促進し、また、個々の処理構成要素が一時的にパケット処理に利用可能でなくなる可能性がある場合に、ＰＧＷサービスの回復力及び更新／保守管理機能もサポートする。

別の実施形態では、前記アップリンクスイッチは、着信ＩＰパケットのペイロード内にあるＧＴＰヘッダ内の所定のエリアから情報を読み出すオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチであり、前記パケットは前記読み出し情報に従って転送される。

これは、標準的なオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチがアップリンクスイッチとして動作するのに必要とする拡張機能が僅かしかないという利点を有する。なぜなら、拡張機能は、スイッチによって扱われる全てのＩＰパケットにおいてペイロードの僅かな部分のみを読み出すことしか必要とせず、特に、パケットは宛先ＰＰＵに転送される前に変更される必要がないためである。

別の実施形態では、前記ＧＴＰヘッダ内の所定のエリアから読み出された情報はトンネルエンドポイント識別子ＴＥＩＤである。

これは、ＴＥＩＤが、更なる処理中にハードウェアによって効率的に読み出し、扱うことができるコンパクトなデータであるという利点を有する。さらに、ＴＥＩＤは一意の識別子であり、これにより、ＴＥＩＤは、アップリンクスイッチにおける所与の着信ＩＰパケットについて、パケットがマッピングされる宛先ＰＰＵを一意に求めるのに適したデータとなる。

別の実施形態では、前記情報は、前記ＩＰパケットペイロードの或る特定のロケーションから或る特定の数のビットを読み出し、マッチングすることによって得られる。

これは、情報がＩＰパケットのペイロードにおける所定のオフセット、特にＧＴＰヘッダにおいて取得され、このため、パケットのペイロード内を更に検索することなく読み出すことができるという利点を有する。

別の実施形態では、前記オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応アップリンクスイッチは、前記ＧＴＰヘッダの読み出しに関連する拡張を提供するように強化されるか、又はビットシフトにより、ＩＰパケットペイロード内の或る特定のロケーションから或る特定の数のビットを読み出し、マッチングすることが可能である。

これは、ＰＰＵへのＩＰパケットの転送が制御される際に基づく情報を取得するのに必要なアップリンクスイッチの拡張が適度であり、パケットペイロードの読み出しを必要とし、このためコスト効率のよい方法で通常のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチに加えることができるという利点を有する。さらに、ＧＴＰに関するスイッチのそのような拡張は、スイッチのオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースに統合することができ、このため任意のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチの標準機能となる。

別の実施形態では、前記アップリンクスイッチは、ＧＴＰに関する拡張を有しない通常のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチであり、各ＰＰＵは、前記アップリンクスイッチを通じてパケットを送信するとき、該ＰＰＵ固有の一意のＩＰアドレスをソースアドレスとして用い、前記アップリンクスイッチによって受信されるＧＴＰトラフィックは、ＰＰＵの前記一意のＩＰアドレスに直接宛てられる。この例では、複数のＰＰＵ及びそれらの個々のＩＰアドレスの存在を含む、ＰＧＷ−Ｕのクラスタ構造は、ネットワークの内部（移動コアネットワーク）にさらされる。

これは、アップリンクスイッチがＧＴＰに関する拡張を一切必要とせず、したがって非常にコスト効率のよい通常の市販のＩＰスイッチとすることができるという利点を有する。しかしながら、この利点は、ＰＰＵの幾つかの異なるＩＰアドレスをコアネットワークにさらすことと引き換えである。これに対し、他の実施形態では、ＰＧＷ−Ｕは、単一のＩＰアドレスの下でコアネットワークの構成要素によってアドレス指定され、個々のＰＰＵへの前記単一のＩＰアドレスを対象にする着信パケットの分配及び分散は、アップリンクスイッチによってトランスペアレントに実行される。

別の実施形態において、ＰＧＷ−Ｕの動作に専用のアップリンクスイッチは、例えば上記の例のスイッチがデータセンタの通常のスイッチであり、ＰＧＷ−Ｕの動作に無関係の場合があるデータセンタの複数のコンピュータデバイスのＩＰトラフィックを扱う場合、完全に排除することができる。

別の実施形態では、ＰＧＷ−Ｕを実施するための装置の前記コンフィギュレータは、新たなベアラの作成時に、以下のステップ、すなわち、新たなＧＰＲＳトンネルのために、使用されていないＴＥＩＤを選択し、割り当てるステップと、ＰＰＵを選択するステップと、前記ＰＰＵにおける前記パケット処理関連情報、例えばカプセル化／カプセル化解除に用いられるＧＴＰヘッダの前記コンテンツを構成するステップと、前記ベアラの（外部ＰＤＮから前記発展型パケットコアネットワークへの）着信トラフィックが前記選択されたＰＰＵに転送されるように、前記ダウンリンクスイッチの前記フローテーブルを構成するステップと、前記ベアラの前記発展型パケットコアネットワークから外部ＰＤＮへの発信ＧＴＰトラフィックが前記選択されたＰＰＵに転送されるように、前記アップリンクスイッチの前記フローテーブルを構成するステップとを実行するように構成される。

これは、ベアラを処理するためのＰＰＵが予め決まっていないため、ベアラが作成されるときのＰＰＵの選択を、動的に変化する場合がある基準及び状況に従って行うことができるという利点を有する。さらに、ＰＰＵの選択及び配分は、ＰＧＷ−Ｕの実施に対し内部で行うことができ、それによって、外部ＰＤＮから発展型パケットコアネットワークへ通信するエンティティの動作がＰＰＵの選択に対しオブリビアス（oblivious）になる。

別の実施形態では、ＰＧＷ−Ｕを実施するための装置の前記コンフィギュレータは、トポロジ管理モジュールであって、前記Ｕプレーンにおいて現在セットアップされている全てのベアラを記録し、全ての機能しているＰＰＵを記録し、好ましくは前記ＰＰＵの使用量及びトラフィック負荷に関する情報を収集し、リソースプール内に十分なＰＰＵが存在しなくなると、新たなＰＰＵを作成し、好ましくはトラフィック負荷及び使用量に依拠してＰＰＵを削除するように構成される、トポロジ管理モジュールを備える。

これは、トポロジ管理モジュールによって収集される情報が、負荷分散、個々のＰＰＵの更新又は保守管理のような非機能的な態様の実施を容易にするという利点を有する。これは、ＰＧＷ−Ｕの能力を、高トラフィック負荷及び使用量の場合に更なるＰＰＵによってスケールアップし、より低いトラフィック負荷及び使用量の場合に低減し、これによってコンピューティングリソースの高度に経済的で効率的な使用につなげることができるという更なる利点を有する。

別の実施形態では、前記ＰＰＵは、サーバ上で実行されるソフトウェアと、仮想マシーン上で実行されるソフトウェアのうちの一方によって実施される。

これは、ＰＰＵの保守管理及び展開を、市販のデータセンタにおいて一般に利用可能なインフラストラクチャ及び手順により達成することができるという利点を有する。

別の実施形態では、前記アップリンクスイッチは前記情報を読み出し、該情報に基づいて、前記ＧＴＰパケットは、前記ＧＴＰプロトコルに従って前記ＧＴＰパケットのカプセル化解除を実行することなく前記ＰＰＵに転送される。

これは、ＧＴＰパケットをカプセル化解除することによって生じる処理オーバヘッドが回避され、このため、アップリンクスイッチによって実行されるのではなく、処理のコスト効率がより高いＰＰＵに委ねられるという利点を有する。

別の実施形態では、各ＰＰＵは、ＰＧＷ及び／又はＳＧＷの前記ユーザプレーン機能を実施することができる。

これは、本発明のアーキテクチャが、各ＰＰＵにおける他のタイプのユーザプレーン処理を受け入れるのに十分一般的であるという利点を有し、それにより、本発明の利点は、ＰＧＷ−Ｕの実施に拡張することができるのみでなく、より柔軟で、コスト効率がよく、効率的なユーザプレーン処理を必要とする他のサービスを実施することもできる。

別の実施形態では、ＰＧＷ−Ｕの機能を実行する方法であって、該方法は、それぞれがパケット処理ユニット（ＰＰＵ）として動作する複数の処理構成要素を、コンフィギュレータを通じて構成するステップあって、各ＰＰＵは、ベアラと呼ばれる或る特定の数の並列セッションに対しＰＧＷのユーザプレーン機能を実施する、ステップと、外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）からのＩＰトラフィックを、或る特定のＰＰＵにマッピングするダウンリンクスイッチと、ＧＰＲＳトンネルプロトコル（ＧＴＰ）トラフィックを、アップリンクスイッチを通じて或る特定のＰＰＵにマッピングするステップと、特定のベアラに関するアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックが或る特定のＰＰＵを通ってルーティングされるように、前記コンフィギュレータを通じて前記ＰＰＵ、前記アップリンクスイッチ及び前記ダウンリンクスイッチを構成するステップとを含む、方法が提供される。

そのような方法は、ＰＧＷ−Ｕを実施するための装置の実施形態に関係する、上記の段落に示されたのと同じ利益及び利点を提供する。

別の例によれば、コンピュータによって実行されると、このコンピュータが、上記の実施形態のうちの１つによる装置として動作するか、又は上記の段落のうちの１つにおいて定義されているような方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラムが提供される。

ＬＴＥのための基本アーキテクチャに対する概観の概略図である。 ＰＧＷ−Ｃ及びＰＧＷ−Ｕが分離している場合のシステムアーキテクチャの概略図である。 トンネル確立手順のステップを示すシーケンス図である。 ＰＰＵ内に記憶されるカプセル化／カプセル化解除情報を示すテーブルである。 ＰＧＷ−Ｏにおいて維持されるトンネル情報を示すテーブルである。 トンネル終端手順のステップを示すシーケンス図である。 ＰＧＷオーケストレータ（ＰＧＷ−Ｏ）の高レベルアーキテクチャの概略図である。 ３ＧＰＰ「General Packet Radio Service (GPRS); GPRS Tunneling Protocol (GTP) across the Gn and Gp interface」によるＧＴＰヘッダコンテンツを指定するテーブルである。 ＰＧＷ−ＯとＰＰＵとの間の例示的なインタフェースを示す図である。 オープンネットワークファウンデーション「OpenFlow Switch Specification Version 1.3.0 (Wire Protocol 0x04)」2012によるフローを管理するオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）コマンドの構造を示す図である。 ＴＦＴにおけるパケットフィルタの例を示すテーブルである。 ３ＧＰＰ「Policy and Charging Control architecture」2011による標準化されたＱＣＩ特性を示すテーブルである。 オープンネットワークファウンデーション「OpenFlow Switch Specification Version 1.3.0 (Wire Protocol 0x04)」2012によるオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチの主要構成要素を示す図である。 ＰＧＷ−ＵダウンリンクスイッチにおけるダウンリンクＳＤＦマッピングの一例を示す図である。 ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチにおけるアップリンクトラフィックルーティングの一例を示す図である。 ＰＧＷの第１の実施オプション及び第２の実施オプションの全体アーキテクチャを示す図である。 ＰＧＷの第３の実施オプションの全体アーキテクチャを示す図である。 ＰＵＳの設計の第３の実施オプションを示す図であり、この実施オプションは、Ｓ５−Ｕインタフェース上の最も外側のトランスポートレイヤヘッダにおける各ＰＰＵの特定のアドレスを用いることによって可能にされる。

まず、以下において用いられる幾つかの略記を説明する。
ＣＭＳ Cloud management system（クラウド管理システム）
ｅＮＢ eNodeB
ＥＰＣ Evolved Packet Core（発展型パケットコア）
ＧＰＲＳ General Packet Radio Service（汎用パケット無線サービス）
ＧＴＰ GPRS Tunneling Protocol（ＧＰＲＳトンネルプロトコル）
ＫＰＩ Key Performance Indicators（キー性能インジケータ）
ＬＴＥ Long Term Evolution（ロングタームエボリューション）
ＭＭＥ Mobility Management Entity（モビリティ管理エンティティ）
ＮＣＰ Network Configuration Platform（ネットワーク構成プラットフォーム）
ＰＣＣ Policy and Charging Control（ポリシ及び課金制御）
ＰＤＮ Packet Data Network（パケットデータネットワーク）
ＰＤＳ PGW-U Downlink Switch（ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ）
ＰＧＷ PDN Gateway（ＰＤＮゲートウェイ）
ＰＧＷ−Ｃ PGW Control plane（ＰＧＷ制御プレーン）
ＰＧＷ−Ｕ PGW User plane（ＰＧＷユーザプレーン）
ＰＩ Protocol Identifier（プロトコル識別子）
ＰＰＵ Packet Processing Units（パケット処理ユニット）
ＰＵＳ PGW-U Uplink Switch（ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ）
ＱＣＩ QoS Class Identifier（ＱｏＳクラス識別子）
ＳＤＦ Service Data Flows（サービスデータフロー）
ＳＧＷ Serving Gateway（サービングゲートウェイ）
ＴＥＩＤ Tunnel Endpoint Identifier（トンネルエンドポイント識別子）
ＴＦＴ Traffic Flow Template（トラフィックフローテンプレート）
ＵＥ User Equipment（ユーザ機器）

１つの実施形態によれば、パケットゲートウェイユーザプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）を実装する方法及び装置が提供され、この装置は、複数の処理構成要素を構成するコンフィギュレータであって、処理構成要素のそれぞれはパケット処理ユニットＰＰＵとして動作し、各ＰＰＵはベアラと呼ばれる或る特定の数の並列セッションに対しＰＧＷのユーザプレーン機能を実施する、コンフィギュレータと、外部パケットデータネットワークＰＤＮからのＩＰトラフィックを、或る特定のＰＰＵにマッピングするダウンリンクスイッチと、ＧＰＲＳトンネルプロトコルＧＴＰトラフィックを或る特定のＰＰＵにマッピングするアップリンクスイッチとを備える。前記コンフィギュレータは、特定のベアラに関するアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックが或る特定のＰＰＵを通ってルーティングされるように、前記ＰＰＵ、アップリンクスイッチ及びダウンリンクスイッチを構成するようになっている。

このような実施形態は、専用ハードウェアではなく、低コストのコモディティハードウェアによりＰＧＷ−Ｕプレーン機能を実現することを可能にする。単一のサーバのスループットは、このマシーンのハードウェア構成に制限されるので、ユーザプレーンデータ処理にコモディティハードウェアを用いることによる制限は、性能、例えばシステムスループットである。このような実施形態は、この制限を克服するリソースプールモデルを用いることができる。以下に記載される実施形態において、ＰＧＷ−ＣとＰＧＷ−Ｕとの間でのメッセージ交換を可能にする通信方法及びプロトコル手順も説明される。

１つの実施形態によれば、パケットの着信データプレーンストリームに対しＰＧＷが実行する処理は、完全に汎用プロセッサ／サーバ上のソフトウェアにおいて実施される。このサーバは、処理することができるパケット及び並列セッションの量に性能上の制限があるので、そのようなサーバのクラスタを用いることができ、各サーバに、担当する所定の１組のセッションを割り当てることができる。クラスタの内側を外部世界に対し隠し、かつ精緻な負荷分散を可能にするために、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチは、コントローラとともに、Ｕプレーン負荷分散装置として動作することができる。サーバのうちの１つによって処理されることになる全てのＵプレーンパケットはこのスイッチを通り、セッションＡに属する全てのパケットがこのセッションＡを担当するサーバに転送されることを確実にする適切なフロー転送規則が設定される。これは、新たなベアラがセットアップされる場合はいつでも、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチ及びサーバにおける並列構成を作成することにより達成される。コントローラは以下のタスクを担当する。（１）コントローラは、いずれのＩＴサーバがこのベアラを担当するかを決定する（例えば、ポートＮのアップリンクスイッチ及びポートＭのダウンリンクスイッチにアタッチされたサーバＭ）。（２）コントローラは、ベアラセットアップコマンドを、ＰＧＷ制御プレーンエンティティからＩＴサーバのための設定情報に変換する。（３）コントローラは、データパケットを或る特定のＩＴサーバにルーティングするために、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースを介して、アップリンクトラフィックのための１つのオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチ及びダウンリンクトラフィックのための１つのオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチを制御する。このため、実施形態は、ＩＴサーバ上のソフトウェアと、適切に設定されたオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチと、サーバのうちの１つに対し処理担当を割り当てるコントローラとの組み合わせを用いたそのようなＰＧＷを実施し、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチ及びＩＴサーバの双方を適切に構成する。

１つの実施形態によれば、ＰＧＷ機能を提供するために、専用ハードウェアを用いる代わりにコモディティハードウェア上にＰＧＷユーザプレーン機能を実装することができる。これにより、市販の機器を購入することによって設備投資金を低減することができ、システムがソフトウェアにおいて実装されるので運用支出を低減することができる。さらに、これにより、計算能力を柔軟に増減することによる精緻なリソース管理、及びＰＧＷユーザプレーン機能を提供するサーバのうちの幾つかについて選択的スタンバイ機能を実施することによる差別化されたサービス信頼性レベルが可能になる。

本発明の実施形態の手法を、特許文献１のような従来技術による手法と比較すると、大きな違いはユーザプレーン設計にある。特許文献１は、ＧＴＰサポートをオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチに追加し、スイッチにおいてカプセル化及びカプセル化解除を実施することを提案しているのに対し、本発明の実施形態は、ユーザプレーンが、この処理を実行する低コストのＩＴサーバのプールに基づくことができる解決策を提供する。本発明の実施形態によって用いられるスイッチは転送決定のみを行い、パケットを変更しないので、はるかに単純にすることができる。全体として、２つのタイプのスイッチが必要である。第１のタイプは市販の変更されていないオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチに対応し、第２のタイプは、着信パケットのＴＥＩＤに基づいて転送決定を行うためのサポートのみを必要とする。別の実施形態では、ＩＴサーバプール構造を内部ネットワークにさらすことの代償として、変更されていないオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチのみが用いられる。本発明の様々な実施形態におけるこれらのスイッチのいずれも、パケットを変更する必要がない。このため、特許文献１によって教示されるシステムの場合、トンネリングサポートを有する変更されたオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチの形態の非常に特殊なハードウェアが必要とされるのに対し、新たな手法は、コモディティオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチと、僅かに変更されたオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチと、コモディティＩＴサーバとの組み合わせを用いて、ＰＧＷの目標及び機能を達成することができる。

分離された（decoupled）ＰＧＷアーキテクチャ
「分離」（decoupling）という用語は、ＰＧＷの制御プレーンとユーザプレーンとの機能のデカップリングを表す。本発明の実施形態は、この種の分離を達成する。

ＧＰＲＳトンネリングプロトコル（ＧＴＰ）は、ＧＳＭ、ＵＭＴＳ及びＬＴＥネットワーク内の汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ）をサポートするのに用いられる通信プロトコルである。ＧＴＰは、ＧＴＰ制御プレーンプロトコル（ＧＴＰ−Ｃ）と、ＧＴＰデータ転送プロトコル（ＧＴＰ−Ｕ）とを含む。図１に示すように、ＬＴＥシステム内で、ＧＴＰ−ＣはＳＧＷとＰＧＷとの間でＳ５／Ｓ８インタフェースを介してシグナリングメッセージをトンネリングし、ＧＴＰ−ＵはＥＰＣにおいてＳＧＷとＰＧＷとの間でユーザデータパケットをトンネリングする。ＬＴＥネットワークにおいて、データプレーントラフィックはサービスデータフロー（ＳＤＦ）を介して搬送され、ＳＤＦは事業者によって定義されるポリシに基づいてベアラに向かう。ベアラは、ユーザ機器（ＵＥ）とＰＤＮとの間の論理伝送チャネルを提供する。ＩＰトラフィックはベアラを介して輸送される。伝送サービス品質（ＱｏＳ）を確保するために、１組のＱｏＳパラメータが各ベアラと関連付けられ、伝送チャネルの特性を示す。ＥＰＣを通過するＳＤＦは、５タプル、すなわち、送信元ＩＰアドレスと、宛先ＩＰアドレスと、送信元のポート番号と、宛先のポート番号と、プロトコル識別子（ＰＩ）とによって特定することができる。各ベアラには１つのトンネルが関連付けられ、これはトンネルエンドポイント識別子（ＴＥＩＤ）によって特定される。

本明細書において説明される実施形態は、仮想化及びソフトウェア定義ネットワーク（ＳＤＮ）関連技術を用いることにより、ＰＧＷの分離されたＣ／Ｕプレーンをコモディティハードウェア上でいかに実行させてシステムの弾力性を増大させるか、そのソリューションを提供することができる。説明した手法を用いることによって、Ｃプレーン機能は、Ｕプレーン機能と連結される必要がない。図２は、ＰＧＷの分離された制御プレーン及びユーザプレーンを可能にするシステムアーキテクチャの１つの実施形態の図を示している。このシステム図内には、３つの主要機能構成要素、すなわち、ＰＧＷ Ｃプレーン（ＰＧＷ−Ｃ）、ＰＧＷオーケストレータ（ＰＧＷ−Ｏ）、及びＰＧＷ Ｕプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）が存在する。ＰＧＷ−Ｃはソフトウェアとして実装され、データセンタにおいて実行される。ＰＧＷ−Ｃソフトウェアを実行するサーバ又は仮想マシーン（ＶＭ）は、制御プレーントラフィック負荷に従って拡大又は縮小することができる。複数のＰＧＷ−Ｃサーバ又はＶＭが存在する場合、それらの間で制御プレーントラフィックを分配する負荷分散装置（ＬＢ）が必要とされる。図２に示すようなＰＧＷ−Ｕプレーンは、複数のパケット処理ユニット（ＰＰＵ）と、ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ（ＰＵＳ）と、ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ（ＰＤＳ）によって構成される論理エンティティである。ＰＰＵは、論理ＰＧＷ−ＵにおいてＵプレーン機能を実行するエンティティであり、ＰＤＮに向かうＳＧｉインタフェースを終端する。ＰＧＷ−Ｏもソフトウェアベースであり、サーバ／ＶＭ又はサーバ／ＶＭのクラスタにおいて実行することができる。ＰＧＷ−Ｏは、ＰＧＷ−Ｃからの命令に従ってＧＴＰトンネル管理動作（トンネル作成、トンネル削除、トンネル変更）を実行する。ＰＧＷ−Ｏは、それに応じてオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルを用いてＰＵＳ及びＰＤＳのフローテーブルを構成し、また、それに応じてＰＰＵを構成する。ＰＰＵは、ＰＧＷ−ＯとＰＰＵとの間の通信をセットアップするのに用いられる技術に依拠して、プライベートＩＰアドレス又は公衆ＩＰアドレスのいずれかによってＰＧＷ−Ｏにより特定することができる。したがって、ＰＰＵ ＩＤという用語は、リソースプール内の異なるＰＰＵをアドレス指定するのに用いられる。各構成要素の詳細な機能は以下のセクションにおいて説明される。

図２に示すように、ネットワーク構成プラットフォーム（ＮＣＰ）は、幾つかのデータセンタサイト及びトランスポートネットワークにわたってクラウドコンピューティングリソースの展開を編成する論理的に集中化したプラットフォームである。ＮＣＰは移動ネットワークオペレータから移動仮想ネットワーク要求を受信する。ＮＣＰは、受信した要件を満たす展開計画の生成を担当する。展開計画は、移動仮想ネットワークの機能構成要素及びそれらの相互接続を指定する。展開計画は、異なる機能構成要素の初期構成及びセットアップシーケンスも含む。ＮＣＰは、１つ又は幾つかのクラウド管理システム（ＣＭＳ）とインタラクトして、展開計画を実行する。ＣＭＳは、データセンタ内の計算リソース及びネットワーキングリソースの管理及び制御を担当し、例えばＣＭＳは、基礎をなすハードウェアにおける必要なリソース（例えばＶＭ）を予約、セットアップ及び分解することによる、仮想サービスの追加又は除去を担当する。ＣＭＳは、自身が管理するデータセンタのリソースを監視することもできる。ＣＭＳ及びＮＣＰに関する更なる詳細は、本出願と同じ出願人により２０１３年５月１６日に出願された欧州特許出願第１３１６８０７５号において得ることもできる。

通信手順
ＰＧＷの分離された制御プレーン及びユーザプレーンをサポートするために、ＥＰＣにおいて用いられるメッセージ交換手順が、３ＧＰＰ ＴＳ２３．４０１：「Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)」によって提案される仕様に基づいて強化されるべきである。ＰＧＷは、ＰＤＮへのＳＧｉインタフェースを終了させる。ＰＧＷの制御プレーンは、ベアラ管理アクティビティにおいて、例えばベアラの作成、更新又は削除を含む。例えば、ＵＥがサービスを受信するために移動ネットワークに登録するプロセスであるアタッチ手順において、デフォルトベアラが確立される。この手順中に、１つ又は複数の追加の専用ベアラもトリガすることができる。ゲートウェイ選択はＭＭＥにおいて行われ、ＭＭＥはＳＧＷ及びＰＧＷ−Ｃを選択する。ＰＧＷ−Ｃは、任意のベアラ関連メッセージ、例えばセッション／ベアラ作成要求、ベアラ変更要求を受信すると、まず、３ＧＰＰ「Policy and Charging Control Architecture」2011に従ってＩＰ−ＣＡＮセッション確立手順を実行して、ＵＥのポリシ及び課金制御（ＰＣＣ）規則を定義し、次に、図３に示すようなトンネル確立／変更手順が、本発明が基づくシステムアーキテクチャにおいて実行されるようにトリガされる。このトンネル確立／変更手順は以下の主要ステップを含む。

ステップ１：ＰＧＷ−Ｃエンティティがベアラ作成／更新要求メッセージをＰＧＷ−Ｏに送信する。このメッセージ内には、ＰＧＷ−ＣのＩＰアドレス及びＴＥＩＤと、（ＰＧＷ及びＳＧＷが分離している場合）ＳＧＷ−Ｕ及びＳＧＷ−ＣのＩＰ及びＴＥＩＤと、ベアラＩＤとが含まれる。オプションで、新規の／更新されたパケットフィルタ、又は或る特定のベアラに関連付けられた全てのパケットフィルタの集合であるトラフィックフローテンプレート（ＴＦＴ）を含む。ＴＦＴフィルタリング規則は、５タプル（すなわち、送信元及び宛先のＩＰアドレス及びポート番号、並びにＰＩ）を用いて、ＳＤＦを適切なＱｏＳ処理によりベアラにマッピングする。

ステップ２：ＰＧＷ−ＯがＰＧＷ−Ｃエンティティからベアラ作成／更新要求メッセージを受信した後に、以下のサブステップが実行される。第１に、このベアラからのＵプレーンデータパケットを処理するために、ＰＰＵを選択して、Ｓ５／Ｓ８ ＴＥＩＤを割り当てる、ＰＰＵ選択機能が実行される。ＰＧＷ−ＯにおけるＰＰＵ選択モジュールは、複数のＰＰＵ選択アルゴリズムを維持することができ、その詳細は「ＰＧＷオーケストレータ（ＰＧＷ−Ｏ）」のセクションにおいて説明される。例えば、ＰＰＵは、オペレータのプリファレンス、例えばオペレータの現在のリソース利用量（例えばＣＰＵ、ＲＡＭ等）又はサービス関連パラメータ（例えば、ＰＰＵ内に維持されるベアラ数等）に従って選択することができる。

第２に、ＰＧＷ−Ｏは、ＰＵＳ、選択されたＰＰＵ、及びＰＤＳを通るパスをセットアップする。このパスは、以下の情報、すなわち、論理ＰＧＷ−ＵエンティティのＩＰと、ＰＰＵのＩＤと、ＰＤＳ及びＰＵＳの進入ポート（Ｐｏｒｔ＿ｉｎ）及び退出ポート（Ｐｏｒｔ＿ｏｕｔ）とによって特定される。上記の情報は、ＰＤＳ、ＰＵＳ及びＰＰＵがＰＧＷ−Ｏにアタッチされると、ＰＧＷ−Ｏのデータベース内に維持される。したがって、ＰＰＵが選択されると、内部パスも固定され、ＰＧＷ−Ｏは、ＰＤＳ及びＰＵＳがこのベアラから選択されたＰＰＵへトラフィックをルーティングするための転送規則（マッチング規則及び対応するアクションを有する）をセットアップする必要がある。さらに、ＰＧＷ−Ｏは、ＰＰＵがトラフィックを処理するための処理規則を定義する必要もある。
・ＰＵＳ：
Ｕプレーン上の新たなフローをセットアップするために、ＰＧＷ−ＯによってＰＵＳのフローテーブルにエントリが追加される。ＰＵＳの主要な機能は、アップリンクトラフィックを適切なＰＰＵにルーティングすることである。ＴＥＩＤはアップリンクトラフィックのためのＰＵＳにおけるフローマッチフィールドとして用いられる。データパケットのＴＥＩＤｔが、ＰＵＳ内に維持されるフローテーブルの或る特定のエントリとマッチしている場合、対応するアクション「パケットをＰＵＳポートｘに転送」が実行される。ポートｘはＰＰＵに接続され、ＰＰＵはＴＥＩＤｔを有するデータパケットを更に処理する。ダウンリンクトラフィックはＰＵＳを通過する必要がない。
・ＰＤＳ：
Ｕプレーン上に新たなフローをセットアップするために、ＰＧＷ−ＯによってＰＤＳのフローテーブル内にエントリが追加される。ＰＤＳの主要な機能は、ダウンリンクトラフィックを適切なＰＰＵにルーティングすることである。５タプル情報［送信元ＩＰ（IP src）、宛先ＩＰ（IP dest）、送信元ポート（Port src）、宛先ポート（Port dest）、ＰＩ］を、ダウンリンクトラフィックのためのＰＤＳにおけるフローマッチフィールドとして用いる。着信パケットの５タプル情報がフローテーブルの或る特定のエントリとマッチしている場合、対応するアクション「パケットをＰＤＳポートｚに転送」が実行される。アップリンクトラフィックはＰＤＳを通過する必要がない。
・ＰＰＵ：
図４に示すテーブルに示されているように、フロー単位ベースのＧＴＰカプセル化／カプセル化解除のためにＰＰＵによって用いられる処理規則がＰＰＵにおいて維持される。ＧＴＰヘッダコンテンツは、要求されたベアラ情報に従ってＰＧＷ−Ｏによって決定される。

第３に、図５に示すようなテーブルが、アクティブなフロー及び対応するベアラコンテキスト情報を記録するためにＰＧＷ−Ｏによって維持される。Ｕプレーンにおいて新たなベアラについてフローがセットアップされると、テーブル内にエントリが作成され、Ｕプレーンにおけるフローセットアップに一意のＩＤが割り当てられる。テーブル内に記録されるベアラコンテキスト情報は、
・ＰＧＷ−Ｃエンティティによって生成されるベアラ情報、すなわち、ＵＥのＩＰ及びポート番号と、サービスサーバのＩＰ及びポート番号（もし該当するならば、別様でワイルドカードを用いる）と、プロトコルＩＤと、ベアラＩＤと、このベアラの対応するＱｏＳ処理であり、
・論理ＰＧＷ−Ｕエンティティによって生成されるトンネル情報、すなわち、ＴＥＩＤ、フローＩＤであり、
・テーブル内にリストされているような、ＰＧＷ−Ｏによって生成される論理ＰＧＷ−Ｕエンティティ内の内部パスに関する情報と、
・ＰＧＷ及びＳＧＷが分離している（decoupled）場合、ＰＧＷ−ＵからＳＧＷ−ＵにダウンリンクＧＴＰトラフィックをルーティングするのに用いられるＳＧＷに関する情報、すなわちＳＧＷ−Ｕ及びＳＧＷ−ＣのＩＰアドレスＴＥＩＤとを含む。

ステップ３：ベアラ作成応答メッセージが、論理ＰＧＷ−ＵのＩＰアドレス及びＰＧＷのユーザプレーンのＴＥＩＤとともにＰＧＷ−ＯからＰＧＷ−Ｃエンティティに送信される。

デタッチ（Detach）プロセスはベアラを除去し、関連する状態をクリアする。ＰＧＷ−ＣがＳＧＷからベアラ削除要求（Delete Bearer Request）メッセージを受信した後、ＰＧＷ−Ｃエンティティは、３ＧＰＰ：「Policy and Charging Control architecture」2011に従ってＰＣＥＦが開始したＩＰ−ＣＡＮセッション終了手順を用い、図６に示すように、ベアラ削除要求メッセージ（ベアラＩＤを含む）をＰＧＷ−Ｏに送信する。ＰＧＷ−Ｏは、ＰＧＷ−Ｃエンティティからベアラ削除要求メッセージを受信すると、ベアラ削除要求メッセージから得られたベアラＩＤに従ってフローＩＤを検索し、対応するフローＩＤを有するフロー削除コマンドを生成してＵプレーンリソースを解放し、その後、ＰＧＷ−Ｏは図５からこのベアラのエントリを削除する。最終的に、ベアラ削除応答メッセージがＰＧＷ−Ｃエンティティに返送される。

ＰＧＷオーケストレータ（ＰＧＷ−Ｏ）
ＰＧＷ−Ｏは、Ｕプレーン全体のコア制御構成要素であり（したがって「ＰＧＷコントローラ」と呼ぶこともできる）、Ｕプレーン上のトンネルを管理、例えば作成、変更及び削除する。Ｕプレーン上のトンネルを動的に管理するために、ソフトウェア定義によるネットワーク（ＳＤＮ）に関連する技術、例えばオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）がこのシステムにおいて適用される。ＰＧＷ−Ｏは既存のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）コントローラを変更したものに基づいて実装することもできるし、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルを理解するコントローラとすることもできる。

図７に示すように、ＰＧＷ−ＯはＵプレーンリソースを編成（又は制御）し、様々なネットワークエンティティ間のＰＧＷ−Ｏに対するインタフェースを介してＰＧＷ−Ｃと論理ＰＧＷ−Ｕとの間の通信を可能にする。ＰＧＷ−Ｏと他のネットワークエンティティとの間の主要なインタフェースは、以下に示すとおりである。
・ＰＧＷ−ＣエンティティとＰＧＷ−Ｏとの間のインタフェース：
このインタフェースは、ＰＧＷ−ＣとＰＧＷ−Ｏとの間の通信をサポートする。このインタフェースによってサポートされるメッセージは、ベアラ作成／更新／削除の要求及び応答を含む。
・ＮＣＰとＰＧＷ−Ｏとの間のインタフェース：
このインタフェースは、ＮＣＰとＰＧＷ−Ｏとの間の通信をサポートするために、例えば、「リソースプールモデル」のセクションにおいて後に言及されるような自動スケーリング機能をサポートするために用いられる。
・ＰＧＷ−ＯとＰＤＳとの間のインタフェース：
これは、ＰＤＳのフローテーブルを構成するのに用いられるオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースである。
・ＰＧＷ−ＯとＰＵＳとの間のインタフェース：
これは、ＰＵＳのフローテーブルを構成するのに用いられるＧＴＰ拡張を用いて強化されたオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースである。ＧＴＰ拡張は以下の理由、すなわち、ＰＵＳがＴＥＩＤをフローマッチフィールド（これは「ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ」のセクションにおいて以下で説明する）として用いるが、これはオープンネットワークファウンデーションによるオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ） Ｖ１．３．０「OpenFlow Switch Specification Version 1.3.0 ( Wire Protocol 0x04 )」2012（これ以降、「オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチ規格」と呼ばれる）によってサポートされていないことに起因して、必要とされる。したがって、このインタフェースは、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルの現在のバージョンのＧＴＰ拡張を必要とする。オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）の拡張の実施に関して、特許文献１を参照することができる。
・ＰＧＷ−ＯとＰＰＵとの間のインタフェース：
このインタフェースの主要なタスクは、カプセル化／カプセル化解除関連パラメータを構成することであり、これらのパラメータは、ダウンリンクにおけるユーザプレーンフローを特定するマッチング規則（ＴＦＴから変換される）と、これらの規則にマッチするパケットに適用されることになるＧＴＰヘッダのコンテンツ（図８に示す）とを含む。ＴＥＩＤは、アップリンクトラフィックに対しユーザプレーンフローをマッチングするのに用いられる。トラフィックフローを特定することは、課金目的でも重要である。
また、インタフェースは、論理ＰＧＷ−Ｕ内部トポロジに関してＰＧＷ−Ｏを更新し（例えば、リソースプール内で新たなＰＰＵが起動され、ＰＤＳ及びＰＵＳと配線接続されるとき）、ＰＰＵからＰＧＷ−Ｏへのフローベースの統計を送信するのにも用いられる。
このインタフェースは、任意の既存の通信プロトコル、例えばＩＰによって実施することができる。１つの可能なオプションは、このインタフェースをＨＴＴＰ ＲＥＳＴインタフェースとして実装することである。ＨＴＴＰ ＲＥＳＴインタフェースを用いて新たなベアラを追加する一例が図９に示されている。ＰＰＵはフローごとのトラフィック統計も収集する。このトラフィック情報は、このインタフェースを介して課金目的でＰＧＷ−Ｃに転送される。

図７に示すようなＰＧＷ−Ｏの主要機能モジュールが以下のように説明される。

・トポロジ管理：トポロジ管理モジュールは、機能している全てのＰＰＵ、及び現在Ｕプレーンにおいてセットアップされている全てのベアラの記録を提供する。ＰＧＷ−Ｕ選択によって用いられるＰＰＵごとにこのモジュール内に維持される個々の情報は、論理ＰＧＷ−ＵエンティティＩＰアドレスと、ＰＰＵ ＩＤと、このＰＰＵ内に維持されるベアラと、それらの対応するＱｏＳ特性とを含む。上記の情報は、新たなベアラがＰＰＵに加えられると更新される。ＣＰＵ、ＲＡＭ使用量及びトラフィック負荷のようなリアルタイム情報が、ＰＧＷ−ＯとＰＰＵとの間のインタフェースを介して収集される。

・ＰＰＵ選択：このモジュールは、ＰＰＵをサービングエンティティとして選択して、外部ＰＤＮからのデータパケットをカプセル化するか、又はＥＰＣからのＧＴＰパケットをカプセル化解除するために、ＰＧＷ−Ｏによって用いられる。このモジュールにおいて複数のＰＧＷ−Ｕエンティティ選択アルゴリズムを実施することができ、これらはオペレータのプリファレンス及びＰＰＵの特性に従って設計される。ＰＰＵにおいてサービス提供されるベアラに従って、２種類のＰＰＵプール形成基準、すなわち同種ＰＰＵ及び異種ＰＰＵが存在する。
−ポリシ１：同種ＰＰＵ：リソースプール内の全てのＰＰＵが同じ特性を有する。これは、ベアラにサービス提供する１つのＰＰＵを選択することが、リソースプールにおける別のＰＰＵを選択することと何ら違いがないことを意味する。ＰＧＷ−Ｏは、各ＰＰＵ（ＣＰＵ、ＲＡＭ、トラフィック負荷等）の性能インジケータを維持し、この情報に基づいてＰＰＵを選択することができる。１つのオプションは、現在最低のリソース使用率を有するＰＰＵを選択することであり、これによりＰＧＷ−ＯはＵプレーンに負荷分散を提供する。別のオプションは、十分な空き容量を有するＰＰＵ間で最も高いリソース使用量を有するＰＰＵを選択することであり、これによりトラフィックを集中させ、高い利用度を達成する。
−ポリシ２：異種ＰＰＵ：このリソースプール構成シナリオにおいて、全てのＰＰＵが同様の特性であるわけではないと仮定される。例としては、或る特定のＱｏＳを提供するＰＰＵがあり、例えば、或るＰＰＵは保証された遅延を与えるように僅かに負荷をかけられ、或るＰＰＵは高信頼性を達成するように１＋１のホットスタンバイバックアップ保護により構成される等である。ＱｏＳクラス識別子（ＱＣＩ）を例示的なパラメータとして用いて、ＰＰＵを特徴付けることができる。図１２に示されるように、ＱＣＩを用いて、Ｕプレーントラフィック処理、例えばパケットエラー損失率（ＰＥＬＲ）、パケット遅延量（ＰＤＢ）を求める。例えば、論理ＰＧＷ−Ｕエンティティをセットアップする初期化フェーズ中に、又は後に「リソースプールモデル」のセクションにおいて説明されるような自動スケーリング手順中に、新たなＰＰＵが起動されると、このＰＰＵにおける実行サービスのＱＣＩがネットワーク構成プラットフォーム（ＮＣＰ）によって事前に割り当てられ、このため異なるＰＰＵは或る特定の種類のサービス、例えばウェブブラウジング、音声、ビデオ、ゲーム等をサービス提供するためにのみ用いられる。ベアラ作成要求メッセージがＰＧＷ−Ｏによって受信されると、適切なＱＣＩ特性を有するＰＰＵのみが標的の選択とみなされる。このようにして、同じＱＣＩを有するベアラが同じＰＰＵ内に維持される。新たなタイプのＱＣＩを有するベアラが要求されると、このＱＣＩを用いてサービスを提供するためにＰＰＵが起動される。このようにして、Ｕプレーントラフィックに精緻なリソース配分及び管理を適用することができ、例えば、異なる回復力要件を有するＰＰＵを別々に扱うことができる。

・標準的な制御モジュール：１つの実施形態において、ＰＧＷ−Ｏは、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースを介してＰＤＳのフローテーブルを構成し、ＧＴＰが強化されたオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）インタフェースを介してＰＵＳのフローテーブルを構成する。ＰＧＷ−Ｏは、ofp_flow_modコマンドを用いて、ＰＤＳ及びＰＵＳ転送テーブルにおけるフローを管理する。ofp_flow_modコマンドの構造が図１０に示され、これはオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）規格において定義されている。ofp_flow_modコマンドの構造は、マッチングのためのヘッダフィールドと、パケットに適用されるアクションとを含む。例えば、ＳＤＦは、ofp_matchを用いることによって、ＰＤＳにおける或る特定のＰＰＵに一意にマッピングすることができる。ＰＤＳのofp_match構造（後に「ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ」のセクションにおいて詳細に説明される）は、マッチングフィールドOXM_OF_IPV４_SRC、OXM_OF_IPV４_DST、OXM_OF_TCP_SRC、OXM_OF_TCP_DST、OXM_OF_ETH_TYPEを含む。マッチング後の対応するアクションは、「ＰＤＳポートｘへの出力」として定義することができ、これはＰＰＵに接続するポートである。フローエントリを追加するために、コマンドがOFPFC_ADDにセットされる。アクションタイプはOFPAT_OUTPUTにセットされ、OFPAT_OUTPUTは値として所望のスイッチ出力ポート数を有する。ＰＤＳと異なり、ＰＵＳのマッチングフィールドはＴＥＩＤであり、これについては後に「ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ」のセクションにおいて説明される。

・転送規則及びアクション変換：ＰＧＷ−ＯによってＰＰＵが選択され、関連するＳ５／Ｓ８ ＴＥＩＤを有するトンネルがセットアップされた後、このモジュールは、ベアラ関連情報に従って、論理ＰＧＷ−Ｕエンティティ構成要素（すなわち、ＰＤＳ、ＰＰＵ、ＰＵＳ）ごとにマッチング規則及びアクションを形成するようにトリガされる。ＰＧＷ−Ｕの主要な機能のうちの１つは、ダウンリンクトラフィックについてＳＤＦをベアラにマッピングすることである。ＰＧＷ−Ｏは、ＰＧＷ−ＣからダウンリンクトラフィックのＴＦＴを受信する。１つのパケットフィルタを有する例示的なＴＦＴを図１１に示す。この例において、定義されたパケットフィルタを用いてウェブブラウジングトラフィックを分類する。ＰＧＷ−Ｏは、ＴＦＴを、ＰＤＳにおける新たなオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）を作成するのに必要とされる以下の情報に変換する。
−ＰＰＵ選択ポリシに依拠して、フローに関連付けられたアクション（例えばＱＣＩに従ってＰＰＵを選択する）を定義するのにＴＦＴパラメータ値が必要とされる可能性がある。例えば、これらの値によってフローのためのＰＤＳの出力ポートが決まる場合がある（アクション＝ポートｘを出力）。
−フローの優先度は、ＴＦＴパケットフィルタパラメータ「優先順位評価インデックス（Evaluation−Precedence−Index）」内で与えられる値にセットされるものとする。この値は、同じ優先順序を守っている限り、ＰＤＳの転送テーブルにおいて用いられる優先方式に適応させることもできる。
−送信元ＩＰマッチングフィールド（OXM_OF_IPV4_SRC）は、ＴＦＴパケットフィルタパラメータ「ＩＰｖ４リモートアドレス（IPv4 remote address）」から導出されるものとする。
−宛先ＩＰマッチングフィールド（OXM_OF_IPV4_DST）は、ＴＦＴパケットフィルタパラメータ「ＩＰｖ４ローカルアドレス（IPv4 local address）」から導出されるものとする。
−ＴＦＴパケットフィルタパラメータ「プロトコル識別子／次のヘッダタイプ（Protocol Identifier/Next Header Type）」は、ポートの適切なマッチングフィールドを選択するのに用いられるものとする。この場合、プロトコルはＴＣＰであり、送信元ポートのためにオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）において用いられるマッチングフィールドはOXM_OF_TCP_SRCである。OXM_OF_TCP_SRCの値はＴＦＴパケットフィルタパラメータ「単一の遠隔ポート（Single remote port）」から導出されるものとする。
−宛先ポートのためにオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）において用いられるマッチングフィールドは、OXM_OF_TCP_DSTである。OXM_OF_TCP_DSTの値は、ＴＦＴパケットフィルタパラメータ「単一のローカルポート（Single local port）」から導出されるものとする。
−OXM_OF_ETH_TYPEは０ｘ０８００にセットされものとし、これはＩＰｖ４プロトコルのためのイーサネット（登録商標）タイプ値である。
−オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）におけるマッチングフィールドの残りの部分は、フロー構成において「任意（any）」にセットされるものとする。

・ＧＴＰ関連メッセージ中継：ＰＧＷ−Ｏは、カプセル化及びカプセル化解除に関連する情報、すなわち、ＵＥのＩＰアドレス及びポート番号と、サービスサーバのＩＰアドレス及びポート番号と、プロトコルＩＤと、ＧＴＰヘッダ（ヘッダフラグ及びＴＥＩＤ）とをＰＰＵに転送する。

・リソースモニタ：このモジュールは、論理ＰＧＷ−Ｕエンティティからのリソース使用量情報を監視及び記録するのに用いられる。

論理ＰＧＷ−Ｕエンティティ
本発明の実施形態によれば、ＰＧＷのユーザプレーン処理部はモジュラ論理ＰＧＷ−Ｕエンティティによって実施される。ＰＧＷの任務は、外部ＩＰネットワークと移動オペレータのネットワークとの間の分界点として機能し、ユーザーデータをＳＧＷにトンネリングすることである。中でも、ＰＧＷは、ＱｏＳ規則に従ってパケットフィルタリング、レートシェイピング及びパケットのマーキングも担当する。

このタスクに特殊なハードウェアを用いる従来のモノリシックＰＧＷサーバを用いる代わりに、説明される実施形態は、「ＰＰＵ」と呼ばれる低コストの商用オフザシェルフ（ＣＯＴＳ：commercial-off-the-shelf）のサーバのプールを用いる。ＰＰＵは、データプレーンパケットの必要な処理を完全にソフトウェア内で専用負荷分散デバイスとともに実施し、これによってプールは外部に対し単一のエンティティのように見える。図２に示すように、論理ＰＧＷ−Ｕエンティティは３つの主要構成要素を含む。
（１）パケット処理ユニット（ＰＰＵ）
（２）ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ（ＰＵＳ）
（３）ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ（ＰＤＳ）

負荷分散装置として機能するＰＵＳ及びＰＤＳの場合、実施形態はオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチを用いることができる。図１３に示すように、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）コントローラは、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルを用いてセキュアなチャネルを介してオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチを管理する。

パケット処理ユニット（ＰＰＵ）
上述したように、本発明の幾つかの実施形態において、ＰＰＵはＰＧＷのユーザプレーン機能を実施し、このため、これらの中でも主な機能は、着信ＩＰトラフィックを扱うことである。ＵＥのための各パケットは、所定のＱｏＳ規則に従って、ＤＰＩ（ディープパケットインスペクション）のためにパケットフィルタを通過し、レートシェイピング及びＱｏＳマーキングを受けて、ネットワーク内の適切なパケット転送を可能にしなくてはならない。

本発明の別の実施形態において、ＳＧＷ及びＰＧＷがともに統合されるとみなされる場合、ＰＰＵはＥＰＣアーキテクチャにおいて定義されたＳＧＷ−Ｕの機能を実施すること、例えば基地局に向けてデータパケットを転送すること、内部ｅＮＢモビリディのアンカポイントとして機能すること、ページング中にダウンリンクにおいてパケットをバッファリングすること、又は合法的傍受のためにユーザトラフィックを複製することもできる。

このために、ＰＰＵは、（外部ネットワークから着信する）ダウンリンクＩＰパケットを、ＧＴＰヘッダを用いてカプセル化し、ＥＰＣからのＧＴＰパケット（すなわち、ＵＥによって送信されるアップリンクパケット）をカプセル化解除する。ＧＴＰヘッダフラグ及びＴＥＩＤのようなこれらのタスクに必要な構成情報が求められ、ＰＧＷ−Ｏを介してＰＰＵに送信される。ＰＰＵは、アップリンクサービスレベル及びダウンリンクサービスレベルの課金も担当する。したがって、アップリンクトラフィック負荷及びダウンリンクトラフィック負荷、フロー使用持続期間のような統計情報は、ＰＧＷ−Ｏを介してＰＧＷ−Ｃに返送される。

リソースプールモデル
リソースプール：
提案される論理ＰＧＷ−Ｕエンティティの全体アーキテクチャは、リソースプール又はクラスタリングモデルに従い、複数の処理構成要素（ＰＰＵ）が着信トラフィックを共同で処理し、ＰＵＳ及びＰＤＳはこのクラスタへのトラフィックのエントリポイントとして機能する。本明細書において説明される実施形態はこのアーキテクチャに基づく。なぜなら、単一のＩＴサーバは、そのサーバのＣＰＵの速度又はインストールされているＲＡＭの量に起因して処理能力が限られているためである。このため、単一のＰＰＵが、「ベアラ」と呼ばれる或る特定の数の並列のセッションのパケットを処理し、この処理に必要なそれぞれの状態を保持することができる。しかし、より多くのベアラが処理される場合、これはこのサーバのみでは可能でない。そのようなスケーリングを可能にするために、ＰＵＳ及びＰＤＳが、負荷分散装置として、ＰＧＷ−Ｏからの制御を介してともに用いられる。説明された実施形態により、ＰＵＳ及び特にＰＤＳは、着信パケットを、このパケットを担当するＰＰＵ、すなわちパケットが属するベアラの状態を保持するＰＰＵに切り換えることが可能である。
リソースプール内のサーバ数は静的又は動的とすることができる。例えば、プール内の全てのサーバは、常にアクティブ状態にあることができるか、トラフィック負荷に従って起動若しくはシャットダウンされることができ、これはリソースプールの自動スケーリング機能と呼ばれる。これは拡張とみなされ、リソースプールがリソース使用率及びシステムの弾力性を改善するために実施することができるが、必須の機能ではない。

ＰＰＵの自動スケーリング：
ＰＰＵはソフトウェアとして実施され、例えばＩＴサーバ上で直接、又は仮想マシーン（ＶＭ）において実行することができる。したがって、仮想化されたＰＧＷアーキテクチャにおけるリソース管理方式の柔軟性を改善するように、自動スケーリング機能を導入することができる。自動スケーリング機能は、ネットワーク構成プラットフォーム（ＮＣＰ）とともにクラウド管理システム（ＣＭＳ）によって提供することができる。ＮＣＰは、選択されたキー性能インジケータ（ＫＰＩ）の値を読み取ることによって、ＰＰＵのステータスを監視する。これは、
・ＣＭＳによって提供することができるＰＰＵの性能関連パラメータ、例えばＣＰＵ使用量、ＲＡＭ使用量、又はＶＭ若しくはサーバの現在のトラフィック負荷、
・サービス関連パラメータ、例えばサービス提供されている加入者数又はＰＰＵ内に維持されるトンネル数、
とすることができる。

自動スケーリングポリシ及び対応するＫＰＩは、ＮＣＰによって展開テンプレートにおいて定義される。これは最初に（at the first place）論理ＰＧＷ−Ｕエンティティをセットアップするのに用いられる。

「ＰＧＷオーケストレータ」のセクションによれば、リソースプール内の複数のＰＰＵは同種又は異種であってよい。同種ＰＰＵのシナリオの場合、１つのスケーリングポリシをリソースプール全体に適用することができる。ＫＰＩが或る特定の値に達すると、ＮＣＰは対応する自動スケーリングポリシをトリガする（例えば「プール内の平均ＣＰＵ使用量が７０％よりも高い場合、１つの追加ＶＭを起動する」）。異種ＰＰＵのシナリオの場合、所定のＱｏＳ特性を有するベアラを実行するＰＰＵが割り当てられる。これはサービスコンテンツベースのリソース配分メカニズムである。したがって、ＮＣＰは、ＰＰＵがサービス提供しているサービスＱＣＩをプリセットするべきである（例えば音声用のＰＰＵ、ビデオ用のＰＰＵ等）。同じＱＣＩを有するＰＰＵは同じＰＰＵグループ、例えば音声グループ、ビデオグループ等にあるとみなされる。自動スケーリングは、或る特定のＰＰＵグループのＫＰＩに基づいてトリガされる。異なるスケーリングポリシを異なるＰＰＵグループに適用することができる。
自動スケーリング決定と、論理ＰＧＷ−Ｕエンティティの対する再設定とを実行するために、ＮＣＰはＣＭＳとインタラクトする。新たなＰＰＵが起動すると、このＰＰＵはＣＭＳによってＰＤＳ及びＰＤＳと配線接続される。ＰＧＷ−Ｏは更新され、新たに起動されたＰＰＵの新たなエントリを作成する。

ＴＥＩＤ割り当て：
トンネルエンドポイントＩＤ（ＴＥＩＤ）は、データパケットがいずれのトンネルに属するかを示すのに用いられ、ＧＴＰヘッダ内に存在する。ここでは様々なＴＥＩＤ割り当てアルゴリズムを適用することができる。例えば、ＰＰＵリソースプール全体が或る範囲のＴＥＩＤを共有することができる。ＰＧＷ−Ｏは、使用されていないＴＥＩＤを選択し、新たなトンネルに割り当てる。またオプションで、各ＰＰＵは、１つのＰＰＵと他のＰＰＵとの間で重複しない所定の範囲のＴＥＩＤを有する。ＰＰＵが起動されると、このＰＰＵに関連付けられたＴＥＩＤ範囲が存在する。ＰＧＷ−Ｏは、新たなベアラにサービス提供するＰＰＵを選択すると、このＰＰＵに属するＴＥＩＤ範囲から、使用されていないＴＥＩＤのみを選択する。

回復力プロビジョニング：
リソースプールモデルに基づいてＵプレーン機能を実施することにより、モノリシックなＰＧＷと比較してより柔軟な、回復力プロビジョニングのための解決法が提供される。ＰＰＵが失敗した場合、別のＰＰＵを起動することができ、この別のＰＰＵが、失敗したＰＰＵからタスクを引き継ぐ。モノリシックＰＧＷと比較して、ＰＰＵは軽量であり、このため起動に必要な準備時間もより短い。さらに、精緻な回復力プロビジョニングは、ＰＰＵの粒度で行うことができる。例えば、異種ＰＰＵリソースプールのシナリオでは、可用性の観点から高いＱｏＳ要件を有するＰＰＵは、高い回復力をもって実行するように設定することができる。これは、機能しているＰＰＵごとに、ホットスタンバイＰＰＵが起動され、同期した状態が維持されることを意味する。機能しているＰＰＵが失敗すると、ホットスタンバイＰＰＵが着信パケットの処理を即座に引き継ぐことができる。これはＰＤＳ及びＰＤＳにおける転送規則の必要な更新を実行するオーケストレータによって制御される。これによって１＋１の保護解決法が実現される。
低いＱｏＳ要件サービスを扱うＰＰＵの場合、Ｍ＋１の保護、Ｍ＋Ｎの保護、又は保護なしのような回復力解決法を、機能しているＰＰＵに適用することができる。

ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ
上記で説明したように、ＰＧＷ−Ｕダウンリンクスイッチ（ＰＤＳ）の主な機能は、外部ＰＤＮから或る特定のＰＰＵにダウンリンクパケットをルーティングすることである。この目的で、本発明は、ＰＧＷ−Ｏによって制御されるオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチに基づいてＰＤＳを実施することができる。ＰＧＷ−Ｏは、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）プロトコルを用いることによってマッチング規則及びアクション規則をＰＤＳに送信し、次にこれらの規則を用いて、ＰＤＳにおいて維持される転送テーブルを構成する。ここで重要なポイントは、ＰＰＵ Ｍによって扱われるセッションＡに属する全てのパケットがこのＰＰＵ Ｍに転送されるようにＰＤＳの転送を構成することである。これを行うために、ＰＧＷ−Ｏは、ＳＤＦから、着信ＩＰパケットを分類するのに必要な５タプルのヘッダフィールド（送信元及び宛先双方のＩＰアドレス及びポート番号、並びにプロトコルＩＤ）を抽出し、この情報を用いてＰＤＳを構成する。ＰＤＳにおけるダウンリンクＳＤＦマッピングが図１４に示されている。

このため、ＰＤＳにおいて維持されるフローテーブルが、ＧＴＰプロトコル又は同様の拡張を実際に実施することなく、ＴＦＴ内に含まれる情報に従って構成される。着信パケットが転送規則にマッチしていない場合、このパケットはＰＤＳによってドロップされるか又はＰＧＷ−Ｏに返送される。

ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ
１つの実施形態において、ＰＧＷ−Ｕアップリンクスイッチ（ＰＵＳ）の主な機能は、ＳＧＷからのアップリンクトラフィックを様々なＰＰＵに発送することである。ＳＧＷ及びＰＧＷがともに統合される場合の別の実施形態において、ＰＵＳの主な機能は、基地局からのアップリンクトラフィックを様々なＰＰＵに発送することである。

ＰＵＳはオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチに基づいて実施され、これはＰＧＷコントローラによって制御される。しかしながら、ＰＤＳによってハンドリングされるトラフィックと比較して、ＰＵＳによって受信されるアップリンクデータパケットはＧＴＰパケット、すなわちパケットがいずれのベアラに属するかの情報を含むＧＴＰヘッダを有するパケットである。トラフィックを正しいＰＰＵに向けるために、ＰＵＳはＧＴＰヘッダを扱うことができるべきである。ＰＵＳは２つの異なる方法で実施することができる。
１．ＧＴＰ ＲＥＡＤ機能を有するオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチを拡張：例えば図１５に示すように、ＰＵＳはＧＴＰヘッダからＴＥＩＤを取り出し、ＴＥＩＤに従ってトラフィックを向ける。これには、ＰＵＳがＧＴＰプロトコルを理解する必要があることに留意されたい。
２．ＰＵＳは、ＵＥ ＩＰパケットから或る特定の情報（ＰＤＳによってこのＩＰパケットの転送決定にも用いられる５タプル）を読み出すためにビットシフト機能を有する。ＰＵＳは、ＧＴＰパケットのペイロードから５タプルの組情報（すなわち、送信元及び宛先のＩＰ番号及びポート番号、並びにプロトコルＩＤ）を読み出し、それに従って、ＰＵＳはトラフィックを分配する。これは、パケット内の或る特定のエリアから情報を読み出す能力を必要とすることに留意されたい。これは例えば、マッチングのｎビットシフトによって実施することができ、これは本発明者らの知る限りまだ提案されていない新規の特徴である。

図１５は、ＰＵＳにおける例示的なアップリンクトラフィックルーティングを示している。さらに、オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）のＧＴＰに関連する拡張は特許文献１にも記載されている。これらの２つのオプションの全体アーキテクチャが図１６に示されている。

全体アーキテクチャの更なる第３の実施オプションが図１７に示されている。これは以下において説明される。図１６及び図１７のアーキテクチャ間の主要な差は、データプレーン上でＰＧＷとＳＧＷとが分離している場合にＰＰＵがＳＧＷと相互接続する方法、並びにＩＰアドレスの対応する設定及び使用量である。第３のオプションの基本的な差異は、各ＰＰＵが、ＳＧＷ／ｅＮＢと通信するとき、パケットを送信する際に、そのＰＰＵ固有の一意のＩＰアドレスを、データプレーン上のソースアドレスとして用いることである。これは図１８に示されている。ＰＰＵがＳＧＷの機能も実施し、したがって組み合わされたＳ／Ｐ−ＧＷ機能を有する場合、ＰＰＵがｅＮＢと直接通信する場合があることに留意するべきである。

第３の実施オプションのこの差異の効果は以下のとおりである。各ＰＰＵは直接宛先となる可能性があるので、ＰＧＷのクラスタ構造はネットワーク内部（移動コアネットワーク）にさらされる。利点は、Ｓ５−Ｕインタフェース上で送信されるＧＴＰパケットを、或る特定のＰＰＵの固有のＩＰアドレスに従って、そのＰＰＵにルーティングすることができることである。図１７においてＰＵＳを表すのに白い点線の（white−dotted）ボックスが用いられている。なぜなら、このアーキテクチャでは、ＰＵＳはシステム全体において必須でない構成要素となるためである。ＰＵＳは、データセンタネットワークと統合され、データセンタのクラウド管理システム（ＣＭＳ）によって制御される標準的な市販のルータ又はオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチとすることができる。この場合（ケースＡ）、オーケストレータへのインタフェースは必要でない。

一方、或る特定の環境では（ケースＢ）、例えばオペレータがサービスに依拠したアップリンクスイッチングを行うことを望むとき、オーケストレータによるオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチベースのＰＵＳコントローラが依然として必要である。そのようなシナリオは以下であり得る。
１．回復力プロビジョニング
或る特定のＰＰＵの場合、ＰＰＵに高い可用性を与えるには、１＋１のホットスタンバイメカニズムが好ましい。この場合、フェイルオーバメカニズムがＳＧＷ／ｅＮＢに対してトランスペアレントであるように、バックアップＰＰＵは、障害時にプライマリＰＰＵと同じＩＰアドレスを共有するべきである。このため、プライマリＰＰＵがダウンする障害の場合、ＰＧＷ−Ｏは、ＰＵＳの転送テーブルを、プライマリＰＰＵへのフローをバックアップＰＰＵに切り換えるように変更する。
２．ＰＰＵの保守管理及び更新
オペレータがＰＰＵにおけるソフトウェアを保守管理又は更新することが必要になると、ＰＰＵにおいて実行しているベアラを１つのＰＰＵから他のＰＰＵに切れ目なく移行する必要がある。このプロセスをＳＧＷ／ｅＮＢに対しトランスペアレントにしておくために、新たなＰＰＵは、古いＰＰＵと同じＩＰアドレスを有することが好ましい。このシナリオにおいて、ＰＵＳもフロー切り替えのために必要である。

第３のオプションにおいて、ＰＵＳがシステムアーキテクチャ内で用いられる場合、ＰＵＳとＰＧＷオーケストレータとの間のインタフェースも必要となる。このインタフェースは、第１及び第２の実施オプションにおいて提供されるインタフェースと異なる。インタフェース上の第３の実施オプションの影響、ＩＰアドレス指定方式、及びＧＷ選択プロセスの概略が以下のテーブルに与えられる。

Claims (13)

1. パケットゲートウェイユーザプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）を実施する装置であって、
   それぞれがパケット処理ユニット（ＰＰＵ）として動作する複数の処理構成要素を設定するコンフィギュレータであって、各ＰＰＵは、ベアラと呼ばれる或る特定数の並列セッションについて或るＰＧＷのユーザプレーン機能を実施するものであるコンフィギュレータと、
   外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）からのＩＰトラフィックを、或る特定のＰＰＵにマッピングするダウンリンクスイッチであって、通常のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチであり、着信ＩＰトラフィックを、５タプルの情報に基づいてＰＰＵにマッピングし、前記５タプルの情報は、送信元ＩＰアドレスと、宛先ＩＰアドレスと、送信元ポート番号と、宛先ポート番号と、プロトコルＩＤとを含む、ダウンリンクスイッチと、
   ＧＰＲＳトンネルプロトコル（ＧＴＰ）トラフィックを或る特定のＰＰＵにマッピングするアップリンクスイッチとを備え、
   前記コンフィギュレータは、特定のベアラに関するアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックが或る特定のＰＰＵを通ってルーティングされるように、前記ＰＰＵと、前記アップリンクスイッチと、前記ダウンリンクスイッチとを設定するようになっている、装置。
2. 前記アップリンクスイッチは、着信ＩＰパケットのペイロード内にあるＧＴＰヘッダ内の所定のエリアから情報を読み出すオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチであり、
   前記パケットは前記読み出し情報に従って転送される、請求項１に記載の装置。
3. 前記読み出し情報はトンネルエンドポイント識別子（ＴＥＩＤ）である、請求項２に記載の装置。
4. 前記情報は、前記ＩＰパケットペイロードの或る特定のロケーションから或る特定の数のビットを読み出し、マッチングすることによって得られる、請求項３に記載の装置。
5. 前記オープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応アップリンクスイッチは、前記ＧＴＰヘッダの読み出しに関連する拡張を提供するように強化されるか、又はビットシフトにより、前記ＩＰパケットペイロード内の或る特定のロケーションから或る特定の数のビットを読み出し、マッチングすることが可能である、請求項２〜４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記アップリンクスイッチは、ＧＴＰに関する拡張を有しない通常のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）スイッチであり、
   各ＰＰＵは、前記アップリンクスイッチを通じてパケットを送信するとき、該ＰＰＵ固有の一意のＩＰアドレスをソースアドレスとして用い、
   前記アップリンクスイッチによって受信されるＧＴＰトラフィックは、ＰＰＵの前記一意のＩＰアドレスに直接宛てられる、請求項１に記載の装置。
7. 前記コンフィギュレータは、新たなベアラの作成時に、
   新たなＧＰＲＳトンネルの使用されていないＴＥＩＤを選択し、割り当てるステップと、
   ＰＰＵを選択するステップと、
   前記ＰＰＵにおけるパケット処理関連情報を構成するステップと、
   前記ベアラに関連する（外部ＰＤＮから発展型パケットコアネットワークへの）着信トラフィックが前記選択されたＰＰＵに転送されるように、前記ダウンリンクスイッチのフローテーブルを構成するステップと、
   前記ベアラに関連する、前記発展型パケットコアネットワークから外部ＰＤＮへの発信ＧＴＰトラフィックが前記選択されたＰＰＵに転送されるように、前記アップリンクスイッチのフローテーブルを構成するステップと
   を実行するように構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記コンフィギュレータはトポロジ管理モジュールを備え、該トポロジ管理モジュールは、
   前記Ｕプレーンにおいて現在セットアップされている全てのベアラを記録し、
   全ての機能しているＰＰＵを記録し、
   前記ＰＰＵの使用量及びトラフィック負荷に関する情報を収集し、
   リソースプール内に十分なＰＰＵが存在しなくなると、新たなＰＰＵを作成し、
   トラフィック負荷及び使用量に依拠してＰＰＵを削除する
   ように構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記ＰＰＵは、
   サーバ上で実行されるソフトウェアと、
   仮想マシーン上で実行されるソフトウェアとのうちの一方によって実施される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記アップリンクスイッチは前記情報を読み出し、該情報に基づいて、前記ＧＴＰパケットは、前記ＧＴＰプロトコルに従って前記ＧＴＰパケットのカプセル化解除を実行することなく前記ＰＰＵに転送される、請求項２に記載の装置。
11. 各ＰＰＵは、ＰＧＷ又は統合されたＰＧＷ及びＳＧＷの前記ユーザプレーン機能を実施することができる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
12. パケットゲートウェイユーザプレーン（ＰＧＷ−Ｕ）の機能を実行する方法であって、
    それぞれがパケット処理ユニット（ＰＰＵ）として動作する複数の処理構成要素を、コンフィギュレータを通じて設定するステップであって、各ＰＰＵは、ベアラと呼ばれる或る特定数の並列セッションについて或るＰＧＷのユーザプレーン機能を実施する、ステップと、
    外部パケットデータネットワーク（ＰＤＮ）からのＩＰトラフィックを、ダウンリンクスイッチを通じて或る特定のＰＰＵにマッピングするステップであって、該ダウンリンクスイッチは、通常のオープンフロー（ＯｐｅｎＦｌｏｗ）対応スイッチであり、着信ＩＰトラフィックを、５タプルの情報に基づいてＰＰＵにマッピングし、前記５タプルの情報は、送信元ＩＰアドレスと、宛先ＩＰアドレスと、送信元ポート番号と、宛先ポート番号と、プロトコルＩＤとを含む、ステップと、
    ＧＰＲＳトンネルプロトコル（ＧＴＰ）トラフィックを、アップリンクスイッチを通じて或る特定のＰＰＵにマッピングするステップと、
    特定のベアラに関するアップリンクトラフィック及びダウンリンクトラフィックが或る特定のＰＰＵを通ってルーティングされるように、前記コンフィギュレータを通じて前記ＰＰＵと、前記アップリンクスイッチと、前記ダウンリンクスイッチとを設定するステップと
    を含む方法。
13. コンピュータが請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置として動作するか又は請求項１２に記載の方法を実行することを可能にするコンピュータプログラムコードを含むコンピュータプログラム。