JP7824552B2 - プロトコル中継装置、プロトコル中継システム、プロトコル中継方法、及びプロトコル中継プログラム - Google Patents

Description

本発明は、プロトコル中継装置、プロトコル中継システム、プロトコル中継方法、及びプロトコル中継プログラムに関する。

近年、５ＧＣ（5th Generation Core network）が提供されている。５ＧＣとは、５Ｇ無線を収容するモバイルコアネットワークシステムである。一方、従来の４ＧＣ（4th Generation Core network）のコアネッワーク(ＥＰＣ: Evolved Packet Core)では、装置間のインターフェースをPoint to Pointで仕様を決めており、制御プレーン（Control Plane)とユーザプレーン（User Plane)の機能とが分離されていなかった。

これに対し、５ＧＣでは、制御プレーンとユーザプレーンの機能が明確に分離されており（これを、Ｃ／Ｕ分離(ＣＵＰＳ:Control and User Plane Separation)とも言う。）、Ｃ／Ｕ分離することで、制御プレーンとユーザプレーンのそれぞれの機能を独立して開発することができる。これにより、５ＧＣでは、制御プレーンの処理に、サービスベース・アーキテクチャ(ＳＢＡ: Service Based Architecture)が導入されている。

５ＧＣにおいて、サービスベース・アーキテクチャが導入されたことで、サービスメッシュが組み込まれ、制御プレーン関連装置においてコンテナ化によりマイクロサービス・アーキテクチャ(Micro Service Architecture)を構成することができる。

サービスベース・アーキテクチャ内では、ＨＴＴＰ（Hyper Text Transfer Protocol）によりistio等によるサービスメッシュを介した通信が行われる。一方、セッション管理部とユーザプレーン装置（ＵＰＦ：User Plane Function）とのＮ４インターフェースでは、ＲＦＣＰ（パケット転送制御プロトコル）というプロトコルが使用されている。また、ユーザプレーン装置と基地局（ｇＮＢ：next Generation Node B）とのＮ３インターフェースでは、ＧＴＰ－Ｕ（GPRS Tunneling Protocol for User Plane）というプロトコルが使用されている。

ここで、例えば、５ＧＣのオープンソースソフトウェア（Open Source Software）であるｆｒｅｅ５ｇｃには、ユーザプレーン装置をコンテナで構築できる旨が開示されている（非特許文献１）。

また、ｆｒｅｅ５ｇｃにおいて、ＲＦＣＰとＧＴＰ－Ｕの各プロトコルでは、対向装置に自装置自身の固有のＩＰ（Internet Protocol）アドレスを公開する必要がある。そのため、ＲＦＣＰとＧＴＰ－Ｕの各プロトコルでは、コンテナ化された各ユーザプレーン装置にＩＰ（Internet Protocol）アドレスを付与する必要がある。

そこで、各ユーザプレーン装置に外部装置と通信可能なＩＰアドレスを付与する技術として、例えば、Ｍｕｌｔｕｓが開示されている（非特許文献２）。

"free5gc"，［online］，GitHub Inc.，［令和4年7月7日検索］，インターネット＜https://github.com/abousselmi/docker-free5gc＞ "Multus"，［online］，GitHub Inc.，［令和4年7月7日検索］，インターネット＜https://github.com/k8snetworkplumbingwg/multus-cni＞

コンテナ化されたユーザプレーン装置に固有のＩＰアドレスを付与して通信する場合、柔軟な運用が難しい、という問題がある。例えば、各コンテナに固有のＩＰアドレスを付与して通信する場合、コンテナのスケールアウトやスケールインが必要な運用シーンにおいて装置毎に設定変更が必要となり、ダイナミックなスケールアウトまたはスケールインのような柔軟なコンテナの運用が難しい。

本発明は、このような点に鑑みてなされたのであり、コンテナ化されたユーザプレーン装置の柔軟な運用を図ることができる、プロトコル中継装置、プロトコル中継システム、プロトコル中継方法、及びプロトコル中継プログラムを提供することを課題とする。

本発明に係るプロトコル中継装置は、１又は２以上のＵＰＦ（User Plane Function）に接続されるプロトコル中継装置であって、前記ＵＰＦからの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦに接続の確立を通知するＵＰＦコンテナ管理部と、パケット転送制御プロトコルの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵ（Protocol Data Unit）セッションを転送処理するＵＰＦを決定して、当該ＵＰＦにその決定した結果を通知する制御プレーン処理部と、基地局から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤ（identification）を識別し、前記結果に基づいて、前記ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦに転送するユーザプレーン処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、プロトコル中継装置、プロトコル中継システム、プロトコル中継方法、及びプロトコル中継プログラムにより、コンテナ化されたユーザプレーン装置の柔軟な運用を図ることができる。

本実施形態に係るプロトコル中継システムの全体構成を示すブロック図である。 基地局に対する隠蔽の方式について示した、プロトコル中継システムの全体構成を示すブロック図である。 本実施形態に係るプロトコル中継システムのプロトコル中継装置と、ＵＰＦポッドの構成を示したブロック図である。 プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、ＵＰＦポッドの隠蔽処理を実行する全体の流れを示すフローチャートである。 プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、ＵＰＦポッドとの接続確立を実行する流れを示すフローチャートである。 プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、セッション管理部との通信を実行する流れを示すフローチャートである。 プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、Ｕプレーン処理による転送を実行する流れを示すフローチャートである。 プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、ＵＰＦポッドの切り離しを実行する流れを示すフローチャートである。 プロトコル中継装置の機能を実現するコンピュータの一例を示すハードウェア構成図である。 ５ＧＣのシステムアーキテクチャを示したブロック図である。 Ｂｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートにおけるアップデート前の環境を示した説明図である。 Ｂｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートにおけるアップデート後の環境を示した説明図である。 ＵＰＦコンテナを隠蔽する前の状態を示した説明図である。 ＵＰＦコンテナを隠蔽した後の状態を示した説明図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、「本実施形態」と称する。）について説明する。まず、本技術の概要において、従来技術を比較例として説明する。以下、同一の部材や構成には、同一の符号を付し、説明を適宜、省略する。

＜本技術の概要＞
図１０は、５ＧＣのシステムアーキテクチャを示したブロック図である。図１０に示すように、５ＧＣのシステムアーキテクチャ５００Ｐは、端末２０１、基地局２０２、アクセス／移動管理部２０３、セッション管理部２０４、ネットワーク機能公開管理部２０５、ネットワーク機能登録管理部２０６、ポリシー制御部２０７、統合データ管理部２０８、認証サーバ管理部２０９、ＵＰＦポッド３００、及びデータネットワーク４００を備えて構成されている。なお、「／」は、「および」の意図で使用している。

端末２０１は、無線端末（ＵＥ：User Equipment）を示している。
基地局２０２は、５Ｇの無線方式に対応した無線基地局（ｇＮＢ：next generation Node B）を示している。

アクセス／移動管理部２０３は、アクセス及びモビリティを管理する機能（ＡＭＦ：Access and Mobility Management Function）を示している。
セッション管理部２０４は、セッションを管理する機能（ＳＭＦ：Session Management Function）を示している。

ネットワーク機能公開管理部２０５は、サービスを公開するために集中化された地点として機能（ＮＥＦ：Network Exposure Function）し、システムの外部から発信された全ての接続要求を承認する役割を示している。
ネットワーク機能登録管理部２０６は、ネットワーク機能とそれらが生成するサービスを登録する機能（ＮＲＦ：Network Repository Function）を示している。

ポリシー制御部２０７は、５Ｇシステムのポリシーと規則を制御する機能（ＰＣＦ：Policy Control Function）を示している。
統合データ管理部２０８は、ユーザとサブスクリプションに関連する多くのサービスを担当する機能（ＵＤＭ：Unified Data Management）を示している。
認証サーバ管理部２０９は、認証に関連する手順を処理する機能（ＡＵＳＦ：Authentication Server Function）を示している。

ＵＰＦポッド３００は、ユーザデータのパケットを転送する機能（ＵＰＦ：User Plane Function）を示している。データネットワーク４００は、インターネットや何らかのサービスを提供するサーバが接続されたネットワークの総称（ＤＮ：Data Network）を示している。

なお、ＵＰＦポッド３００は１つしか図示されていないが、複数のＵＰＦポッド３００が相互に接続されてネットワークを構成している。また、ＵＰＦポッド３００は、ＵＰＦの一例であり、ＵＰＦは、例えば、コンテナ、仮想マシン、サーバなどで実現することができる。なお、ＵＰＦポッド３００は、ＵＰＦコンテナを構成する最小単位として、表示する。

また、サービスベース・アーキテクチャ５００Ｑは、アクセス／移動管理部２０３、セッション管理部２０４、ネットワーク機能公開管理部２０５、ネットワーク機能登録管理部２０６、ポリシー制御部２０７、統合データ管理部２０８、及び認証サーバ管理部２０９で実現されている。

本技術において、ＵＰＦコンテナのアップデート時の比較例について、説明する。ＵＰＦコンテナのアップデートには、新旧環境下において、可逆的な方式と不可逆的な方式とがあり、５Ｇのような公衆通信網を運用する事業会社においては、可逆的な方式が求められることが多い。

例えば、Ｂｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートは、可逆的な方式であり、新旧２面の環境を用意し、新環境に切り替え後、旧環境に切り戻しすることができる。一方、ローリングアップデート方式は、不可逆的な方式であり、コンテナの環境を順次、新環境に移行しつつ、旧環境を開放するため、旧環境に切り戻しすることができない。

ＵＰＦコンテナのＢｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデート時は、Ｂｌｕｅ環境からＧｒｅｅｎ環境へＵプレーントラフィックの方路が変更される。このため、ＵＰＦコンテナのＢｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートでは、端末２０１と、Ｂｌｕｅ環境のＵＰＦポッド３００との間で成立していたＵプレーントラフィックの接続が切断されてしまい、端末２０１からの通信が、一時的に使用できなくなってしまう。

図１１Ａは、Ｂｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートにおけるアップデート前の環境を示した説明図であり、図１１Ｂは、Ｂｌｕｅ／Ｇｒｅｅｎアップデートにおけるアップデート後の環境を示した説明図である。

図１１Ａに示すように、アップデート前のＵプレーントラフィックの方路Ｔは、Ｂｌｕｅ環境に向いている。また、ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐは、Ｂｌｕｅ環境で使用され、ＵＰＦポッド３０４Ｐ～３０６Ｐは、Ｇｒｅｅｎ環境で使用されることになっている。

図１１Ｂに示すように、アップデート後において、Ｂｌｕｅ環境のＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐで転送されていたＵプレーントラフィックの方路Ｔは、アップデートによって切断され、アップデート後に発生した新規のＵプレーントラフィックの方路Ｕは、Ｇｒｅｅｎ環境で転送処理される。

この場合、Ｂｌｕｅ環境とＧｒｅｅｎ環境のＵＰＦコンテナの構成を隠蔽することができれば、Ｕプレーントラフィックの方路Ｔが切断される影響を回避することができる。

＜隠蔽の検討＞
柔軟なＵＰＦコンテナを運用するためには、ＵＰＦコンテナの構成を隠蔽することが考えられる。

図１２Ａは、ＵＰＦコンテナを隠蔽する前の状態を示した説明図であり、一方、図１２Ｂは、ＵＰＦコンテナを隠蔽した後の状態を示した説明図である。

ＵＰＦコンテナ（ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐ）の構成を隠蔽するために、ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐとセッション管理部２０４との間に、中継装置１００ＰというＧａｔｅｗａｙを設けることが考えられる（図１２Ｂ参照）。この場合、セッション管理部２０４は、中継装置１００ＰのＩＰアドレスと通信することになり、ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐが、１つの装置として認識されてしまう。

セッション管理部２０４は、ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐとの通信だけでなく、Ｃプレーン処理として、端末２０１側にＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３ＰのＩＰアドレスを通知する機能を有している。そのため、図１２ＢのようにＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐを隠蔽した場合、端末２０１側には単一のＩＰアドレスが通知されることになる。

この場合、中継装置１００Ｐは、端末２０１とＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐとの間で処理されるＵプレーン通信において、ＵＰＦポッド３０１Ｐ～３０３Ｐごとに、適切にＰＤＵセッションを振り分ける必要がある（図１２Ｂの実線矢印参照）。

ここで、Ｎ３インターフェースのＧＴＰ―ＵやＮ４インターフェースのＦＲＣＰには、サービスベース・アーキテクチャのような方式（Kubernetesの一般的な通信方式）は採用されていない。そのため、ＵＰＦコンテナを隠蔽する場合は、Ｎ３インターフェース及びＮ４インターフェースの双方を同時に隠蔽することが必要になる。

そこで、本実施形態に係るプロトコル中継装置は、ＵＰＦコンテナの構成を適切に隠蔽することにより、コンテナ化されたＵＰＦの柔軟な運用を図れるようにする。

＜プロトコル中継システムにおける隠蔽の概要＞
［１．セッション管理部に対するＵＰＦポッドの隠蔽］
図１は、本実施形態に係るプロトコル中継システムの全体構成を示すブロック図である。なお、図１では、セッション管理部２０４に対するＵＰＦポッド３００～３０３の隠蔽の方式について示している。

図１に示すように、プロトコル中継システム５００は、端末２０１、基地局２０２、アクセス／移動管理部２０３、セッション管理部２０４、プロトコル中継装置１００、及びＵＰＦポッド３０１～３０３を備えて構成されている。ＵＰＦポッド３０１～３０３は、いずれかに限定する必要がない場合、単に、ＵＰＦポッド３００という。

プロトコル中継装置１００は、セッション管理部２０４とＣプレーン処理を実行して、ＰＦＣＰ通信を終端させる。また、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３０１～３０３へのＣプレーン調整を実行して、各ＵＰＦポッド３０１～３０３に調整結果を通知する。なお、Ｃプレーン調整とは、ＰＤＵセッションに対するＵＰＦポッド３００を決定することを意味している。

［２．基地局に対するＵＰＦポッドの隠蔽］
図２は、基地局に対する隠蔽の方式について示した、プロトコル中継システムの全体構成を示すブロック図である。

図２に示すように、プロトコル中継装置１００は、端末２０１又は基地局２０２からのＵプレーン通信を受信する。プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン調整結果に基づき、Ｃプレーンのトラフィックを、該当するＵＰＦポッド３０１～３０３に転送する。

＜プロトコル中継装置の概要＞
図３は、本実施形態に係るプロトコル中継システムのプロトコル中継装置と、ＵＰＦポッドの構成を示したブロック図である。

図３に示すように、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０（制御プレーン処理部）、Ｕプレーン処理部２０（ユーザプレーン処理部）、及びＵＰＦコンテナ管理部３０を備えて構成されている。

Ｃプレーン処理部１０は、セッション管理部２０４からのＲＦＣＰの要求パケットをバッファに一時保存する。Ｃプレーン処理部１０は、ＲＦＣＰの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦを決定する。Ｃプレーン処理部１０は、ＵＰＦポッド３０１，３０２との間でやり取りするＲＦＣＰパケットを生成し、当該ＵＰＦポッド３０１，３０２に転送処理するＰＤＵセッション情報を改変したＲＦＣＰパケットで通知する。このように、Ｃプレーン処理部１０は、当該ＵＰＦポッド３０１，３０２に、転送処理の調整結果（決定した結果）を通知する。

Ｕプレーン処理部２０は、基地局２０２から受信したＵプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、調整結果に基づいて、Ｕプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦ３０１，３０２に転送する。

ＵＰＦコンテナ管理部３０は、１又は２以上のＵＰＦポッド３０１，３０２からの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦポッド３０１，３０２に接続の確立を通知する。また、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３０１，３０２から切断要求を受信した場合は、切断要求元のＵＰＦポッド３０１，３０２に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元のＵＰＦポッド３０１，３０２のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する。このように、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０と通信し、ＵＰＦコンテナの構成を把握することができる。

＜ＵＰＦポッドの構成＞
ＵＰＦポッド３０１，３０２のそれぞれは、接続管理部３１０を備えて構成されている。接続管理部３１０は、プロトコル中継装置１００に接続要求を通知して、接続を確立する。接続管理部３１０は、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０と通信し、プロトコル中継装置１００へＵＰＦポッド３００の構成を通知する。

＜初期状態＞
図３に示すように、一例として、プロトコル中継システム５００は、２つのＵＰＦポッド３０１，３０２を備えている。２つのＵＰＦポッド３０１，３０２は、ＵＰＦコンテナを構成する。

プロトコル中継装置１００は、プロトコル中継装置１００の基地局２０２に対向するインターフェース（ｇＮＢ対向インターフェース）と、プロトコル中継装置１００のセッション管理部２０４に対向するインターフェース（ＳＭＦ対向インターフェース）と、プロトコル中継装置１００のＵＰＦポッド３００に対向するインターフェース（ＵＰＦ対向インターフェース）を備えている。

ＵＰＦポッド３０１，３０２は、各ＵＰＦポッド３００の基地局２０２に対向するインターフェース（ｇＮＢ対向インターフェース）と、各ＵＰＦポッド３００のセッション管理部２０４に対向するインターフェース（ＳＭＦ対向インターフェース）とを備えている。

＜ＵＰＦポッドの隠蔽処理＞
本実施形態に係るプロトコル中継システム５００では、プロトコル中継装置１００が、ＵＰＦポッド３００を隠蔽する処理を実行する。

図４～図８は、プロトコル中継システムのプロトコル中継装置が、ＵＰＦポッドの隠蔽処理を実行する流れを示すフローチャートである。図４では、プロトコル中継装置１００が、ＵＰＦポッドの隠蔽処理を実行する全体の流れを示すフローチャートを示しており、図５～図８では、各ステップにおける詳細な流れを示すフローチャートを示している。

まず、図４において、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３００との接続を確立する（ステップＳ１）。具体的には、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０において、ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦポッド３００に接続の確立を通知する。なお、ステップＳ１の詳細な処理については、図５を用いて後述する。

次に、プロトコル中継装置１００は、セッション管理部２０４との通信を行う（ステップＳ２）。具体的には、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、ＲＦＣＰの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定して、当該ＵＰＦポッド３００にその決定した結果を通知する。なお、ステップＳ２の詳細な処理については、図６を用いて後述する。

また、プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理による転送を行う（ステップＳ３）。具体的には、プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理部２０において、基地局２０２から受信したＵプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、決定した結果に基づいて、Ｕプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦポッド３００に転送する。なお、ステップＳ３の詳細な処理については、図７を用いて後述する。

そして、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３００の切り離しを実行する（ステップＳ４）。具体的には、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０において、ＵＰＦポッド３００から切断要求を受信した場合、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元のＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する。なお、ステップＳ４の詳細な処理については、図８を用いて後述する。

プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０により、切断要求元のＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除すると、ＵＰＦポッド３００の隠蔽処理を終了する。

このように、プロトコル中継システム５００のプロトコル中継装置１００は、基地局２０２及びセッション管理部２０４に対して、ＵＰＦポッド３００を隠蔽することができるので、ＵＰＦポッド３００の構成が変更されても対向装置に影響を与えることなく、コンテナ化されたＵＰＦポッド３００の柔軟な運用を図ることができる。

特に、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０は、スケールインなどにより停止したＵＰＦポッド３００を切断することができるので、ＵＰＦポッド３００の構成に合わせて、柔軟な運用を図ることができる。

次に、図４に示した、ステップＳ１のＵＰＦポッド３００との接続確立を実行する処理について、図５のフローチャートを用いて、詳細に説明する。

［ＵＰＦポッドとの接続確立］
各ＵＰＦポッド３００は、接続管理部３１０から、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０に接続要求を通知する。これにより、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０において、各ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信する（ステップＳ１１）。この接続要求には、接続要求元であるＵＰＦポッド３００の、対向する基地局２０２のインターフェースのＩＰアドレスと、対向するセッション管理部２０４のインターフェースのＩＰアドレスと、が含まれる。

ＵＰＦコンテナ管理部３０は、受信した、接続要求元であるＵＰＦポッド３００の、対向する基地局２０２のインターフェースのＩＰアドレスと、対向するセッション管理部２０４のインターフェースのＩＰアドレスを、接続ＵＰＦ情報として保管する（ステップＳ１２）。

プロトコル中継装置１００は、接続ＵＰＦ情報の保管後、ＵＰＦコンテナ管理部３０から、接続要求元であるＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０に、接続の確立を通知する（ステップＳ１３）。

この場合、ＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０は、プロトコル中継装置１００と、接続が確立した状態とし、対向装置をプロトコル中継装置１００としてＧＴＰ－Ｕの転送の間の処理を受け付け可能な状態とする。なお、ＧＴＰ－Ｕの転送処理自体は、例えば、公知技術のｆｒｅｅ５ｇｃと同等のものを想定する。

プロトコル中継装置１００は、ステップＳ１３において、接続要求元のＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０に接続の確立を通知すると、図４のステップＳ２に進む。

次に、図４に示した、ステップＳ２のセッション管理部２０４との通信処理について、図６のフローチャートを用いて、詳細に説明する。

［セッション管理部との通信］
プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、セッション管理部２０４からＲＦＣＰの要求パケットを受信する（ステップＳ２１）。プロトコル中継装置１００は、受信した要求パケットをＣプレーン処理部１０のバッファで保管する。

次に、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、ＲＦＣＰの要求パケット内で指定して、ＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定する（ステップＳ２２）。この場合、例えば、２通りの決定論理を下記に例示し、プロトコル中継装置１００は、ＰＤＵセッションが存在し続ける間、決定した結果（調整結果）をＣプレーン処理部１０において保管する。

１つ目の決定論理は、全てのＵＰＦポッドに処理を割り付ける方法である。２つ目の決定論理は、特定のＵＰＦポッドに処理を割り付ける方法である。

全てのＵＰＦポッドに処理を割り付ける場合、プロトコル中継装置１００のＣプレーン処理部１０は、全てのＵＰＦポッド３００を、当該ＰＤＵセッションＩＤのＵプレーントラフィックの転送装置として決定する。これにより、プロトコル中継装置１００は、当該ＰＤＵセッションＩＤのＵプレーントラフィックを、ラウンドロビンなどで負荷分散することができる。

具体的には、Ｃプレーン処理部１０は、例えば、所定のＰＤＵセッションＩＤごとに、全てのＵＰＦポッド３０１，３０２，・・・を、転送先に割り当てる。

一方、特定のＵＰＦポッドに処理を割り付ける場合、一例として、ＰＤＵセッションを特定するＰＤＵセッションＩＤをキーにして、接続状態のＵＰＦポッド３００の選択肢の範囲内で特定のＵＰＦポッド３００を選定するハッシュなどのロジックを用意して、当該ＰＤＵセッションＩＤに対応した転送先のＵＰＦポッド３００を決定する。これにより、プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーントラフィックを受信した際、ＰＤＵセッションＩＤ単位で特定のＵＰＦポッド３００に転送することができる。

具体的には、Ｃプレーン処理部１０は、ある特定のＰＤＵセッションＩＤに、転送先のＵＰＦコンテナとしてＵＰＦポッド３０１を割り当て、また他の特定のＰＤＵセッションＩＤに、転送先のＵＰＦコンテナとしてＵＰＦポッド３０２を割り当てる。

次に、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、パケットの送信元を、プロトコル中継装置１００のＵＰＦ対向インターフェースのＩＰアドレスに付け替え、また、送信先を、決定した転送先のＵＰＦポッド３００のＳＭＦ対向インターフェースのＩＰアドレスに付け替えて、パケットを転送する（ステップＳ２３）。なお、ステップＳ２２において、全てのＵＰＦポッド３００に処理を割り付ける場合は、複数のＵＰＦポッド３００に通知することになるため、その際は、Ｃプレーン処理部１０は、転送先のＵＰＦポッド３００ごとに複数のパケットを生成し、当該ＵＰＦポッド３００へ転送する。

次に、Ｃプレーン処理部１０は、ＵＰＦポッド３００からの応答パケットを受信する（ステップＳ２４）。

そして、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、受信した応答パケットの送信元を、プロトコル中継装置１００のＳＭＦ対向インターフェースのＩＰアドレスに付け替え、送信先を、セッション管理部２０４に付け替えて、パケットを転送する（ステップＳ２５）。この場合、プロトコル中継装置１００は、Ｃプレーン処理部１０において、ステップＳ２１でバッファに保管したＰＦＣＰの要求パケットを削除する。

プロトコル中継装置１００は、ステップＳ２５において、バッファに保管したＰＦＣＰの要求パケットを削除すると、図４のステップＳ３に進む。

次に、図４に示した、ステップＳ３のＵプレーン処理による転送処理について、図７のフローチャートを用いて、詳細に説明する。

［Ｕプレーン処理による転送］
プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理部２０において、プロトコル中継装置１００のｇＮＢ対向インターフェースと、プロトコル中継装置１００のＵＰＦ対向インターフェースで、Ｕプレーンのトラフィックを受信した際、ＰＤＵセッションＩＤを識別する（ステップＳ３１）。

プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理部２０により、基地局２０２からプロトコル中継装置１００の方向と、ＵＰＦポッド３００からプロトコル中継装置１００の両方向からのＵプレーントラフィックの転送を設定する（ステップＳ３２）。

この場合、プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理部２０において、Ｃプレーン処理部１０で決定した、当該ＰＤＵセッションＩＤのＵプレーントラフィックの転送先のＵＰＦポッド３００の情報（すなわち調整結果のことであり、これを転送先ＵＰＦポッド情報ともいう。）を参照して、プロトコル中継装置１００のｇＮＢ対向インターフェースのＩＰアドレスと、当該ＰＤＵセッションＩＤのＵプレーントラフィックの転送先であるＵＰＦポッド３００のｇＮＢ対向インターフェースのＩＰアドレスとにより、ネットワークアドレス変換を設定する。

なお、図６のステップＳ２２において、全てのＵＰＦポッドに処理を割り付けた場合、転送先は全てのＵＰＦポッド３００になるため、ラウンドロビン等の負荷分散ロジックによりネットワークアドレス変換する転送先のＵＰＦポッド３００のｇＮＢ対向インターフェースのＩＰアドレスに変動させる。

また、プロトコル中継装置１００は、Ｕプレーン処理部２０において、ＵＰＦポッド３００からの戻りのＵプレーントラフィックを受信した場合、転送元のＵＰＦポッド３００のｇＮＢ対向インターフェースのＩＰアドレスと、プロトコル中継装置１００のｇＮＢ対向インターフェースのＩＰアドレスとにより、ネットワークアドレス変換を設定する。

プロトコル中継装置１００は、ステップＳ３２において、Ｕプレーントラフィックの両方向の転送を設定すると、図４のステップＳ４に進む。

次に、図４に示した、ステップＳ４のＵＰＦポッド３００の切り離し処理について、図８のフローチャートを用いて、詳細に説明する。

［ＵＰＦポッドの切り離し］
ＵＰＦポッド３００のスケールインなどを契機に、ＵＰＦポッド３００を停止することがある。停止する各ＵＰＦポッド３００は、接続管理部３１０から、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０に切断要求を通知する。これにより、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０において、ＵＰＦポッド３００から切断要求の通知を受信する（ステップＳ４１）。

プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０は、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応する接続ＵＰＦ情報を削除する（ステップＳ４２）。

また、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、Ｕプレーン処理部２０において、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するネットワークアドレス変換の設定を削除する（ステップＳ４３）。これにより、プロトコル中継装置１００は、プロトコル中継システム５００において、ステップＳ４２で削除したＵＰＦポッド３００への転送を止めることができる。

プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０は、切断要求元のＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０に、切断完了を通知する（ステップＳ４４）。これにより、ＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０は、ＵＰＦコンテナ管理部３０から切断完了の通知を受信すると、プロトコル中継装置１００との接続が切断された状態（切断確立の状態）である判断し、対向装置（プロトコル中継装置１００）に対し、ＧＴＰ－Ｕの転送処理を受付不可能な状態にする。

プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３００の接続管理部３１０に、切断完了を通知すると（ステップＳ４４）、ＵＰＦポッド３００の隠蔽処理を終了する。

＜プロトコル中継装置のハードウェア構成＞
本実施形態に係るプロトコル中継装置１００は、例えば、図９に示すような構成のコンピュータ９００によって実現される。

図９は、プロトコル中継装置の機能を実現するコンピュータの一例を示すハードウェア構成図である。コンピュータ９００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）９０２、ＲＡＭ９０３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）９０４、入出力Ｉ／Ｆ（Interface）９０５、通信Ｉ／Ｆ９０６およびメディアＩ／Ｆ９０７を有する。

ＣＰＵ９０１は、ＲＯＭ９０２またはＨＤＤ９０４に記憶されたプログラム（プロトコル中継プログラム）に基づき作動することで、Ｃプレーン処理部１０、Ｕプレーン処理部２０、及びＵＰＦコンテナ管理部３０を具現化する。ＲＯＭ９０２は、コンピュータ９００の起動時にＣＰＵ９０１により実行されるブートプログラムや、コンピュータ９００のハードウェアに係るプログラム等を記憶する。

ＣＰＵ９０１は、入出力Ｉ／Ｆ９０５を介して、マウスやキーボード等の入力装置９１０、および、ディスプレイやプリンタ等の出力装置９１１を制御する。ＣＰＵ９０１は、入出力Ｉ／Ｆ９０５を介して、入力装置９１０からデータを取得するともに、生成したデータを出力装置９１１へ出力する。なお、プロセッサとしてＣＰＵ９０１とともに、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等を用いても良い。

ＨＤＤ９０４は、ＣＰＵ９０１により実行されるプログラムおよび当該プログラムによって使用されるデータ等を記憶する。通信Ｉ／Ｆ９０６は、通信網（例えば、ＮＷ（Network）９２０）を介して他の装置からデータを受信してＣＰＵ９０１へ出力し、また、ＣＰＵ９０１が生成したデータを、通信網を介して他の装置へ送信する。

メディアＩ／Ｆ９０７は、記録媒体９１２に格納されたプログラム（例えば、プロトコル中継プログラム）またはデータを読み取り、ＲＡＭ９０３を介してＣＰＵ９０１へ出力する。ＣＰＵ９０１は、目的の処理に係るプログラムを、メディアＩ／Ｆ９０７を介して記録媒体９１２からＲＡＭ９０３上にロードし、ロードしたプログラムを実行する。記録媒体９１２は、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＰＤ（Phase change rewritable Disk）等の光学記録媒体、ＭＯ（Magneto Optical disk）等の光磁気記録媒体、磁気記録媒体、半導体メモリ等である。

例えば、コンピュータ９００が本発明のプロトコル中継装置１００として機能する場合、コンピュータ９００のＣＰＵ９０１は、ＲＡＭ９０３上にロードされたプログラムを実行することにより、プロトコル中継装置１００の各機能を実現する。また、ＨＤＤ９０４には、ＲＡＭ９０３内のデータが記憶される。ＣＰＵ９０１は、目的の処理に係るプログラムを記録媒体９１２から読み取って実行する。この他、ＣＰＵ９０１は、他の装置から通信網（ＮＷ９２０）を介して目的の処理に係るプログラムを読み込んでもよい。

＜効果＞
以下、本発明に係るプロトコル中継システム５００において、ＵＰＦポッド３００を隠蔽処理等の効果について、説明する。

本発明に係るプロトコル中継装置１００は、１又は２以上のＵＰＦポッド３００に接続されるプロトコル中継装置であって、ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦポッド３００に接続の確立を通知するＵＰＦコンテナ管理部３０と、ＲＦＣＰの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定して、当該ＵＰＦポッド３００にその決定した結果を通知するＣプレーン処理部１０と、基地局２０２から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、決定した結果に基づいて、ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦポッド３００に転送するＵプレーン処理部２０と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るプロトコル中継装置１００によれば、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信し、ＵＰＦポッド３００と接続を確立する。Ｃプレーン処理部１０は、ＲＦＣＰの要求パケットを受信し、ＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定する。また、Ｃプレーン処理部１０は、ＵＰＦポッド３００に転送処理のその決定した結果を通知する。Ｕプレーン処理部２０は、基地局２０２からユーザプレーントラフィックを受信すると、そのセッションＩＤを識別し、転送処理の決定した結果に基づいて、ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦポッド３００にユーザプレーントラフィックを転送する。

これにより、プロトコル中継装置１００は、コンテナを構成するＵＰＦポッド３００の構成を、基地局２０２及びセッション管理部２０４に対して、隠蔽することができる。よって、プロトコル中継装置１００は、コンテナ化されたＵＰＦポッド３００の柔軟な運用を図ることができる。

また、本発明に係るプロトコル中継装置１００は、ＵＰＦコンテナ管理部３０において、ＵＰＦポッド３００から切断要求を受信した場合、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元のＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する、ことを特徴とする。

本発明に係るプロトコル中継装置１００によれば、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３００から切断要求を受信すると、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該ＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する。

これにより、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３００の構成に合わせて、Ｃプレーン処理部１０が転送処理を実行するＵＰＦポッド３００を決定することができるので、ＵＰＦポッド３００の柔軟な運用を図ることができる。

本発明に係るプロトコル中継システム５００は、１又は２以上のＵＰＦポッド３００と、ＵＰＦポッド３００に接続されるプロトコル中継装置１００と、を備えるプロトコル中継システムであって、ＵＰＦポッド３００は、プロトコル中継装置１００に接続要求を通知して、接続を確立する接続管理部３１０を、備え、プロトコル中継装置１００は、ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦポッド３００に接続の確立を通知するＵＰＦコンテナ管理部３０と、ＲＦＣＰの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定して、当該ＵＰＦポッド３００にその決定した結果を通知するＣプレーン処理部１０と、基地局２０２から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、決定した結果に基づいて、ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦポッド３００に転送するＵプレーン処理部２０と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るプロトコル中継システム５００によれば、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３００からの接続要求を受信し、ＵＰＦポッド３００と接続を確立する。Ｃプレーン処理部１０は、ＲＦＣＰの要求パケットを受信し、ＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦポッド３００を決定する。また、Ｃプレーン処理部１０は、ＵＰＦポッド３００にその決定した結果を通知する。Ｕプレーン処理部２０は、基地局２０２からユーザプレーントラフィックを受信すると、そのセッションＩＤを識別し、決定した結果に基づいて、ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦポッド３００にユーザプレーントラフィックを転送する。

これにより、プロトコル中継システム５００は、コンテナを構成するＵＰＦポッド３００の構成を、基地局２０２及びセッション管理部２０４に対して、隠蔽することができる。よって、プロトコル中継システム５００は、コンテナ化されたＵＰＦポッド３００の柔軟な運用を図ることができる。

また、本発明に係るプロトコル中継システム５００は、プロトコル中継装置１００のＵＰＦコンテナ管理部３０において、ＵＰＦポッド３００から切断要求を受信した場合、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元のＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する、ことを特徴とする。

本発明に係るプロトコル中継システム５００によれば、ＵＰＦコンテナ管理部３０は、ＵＰＦポッド３００から切断要求を受信すると、切断要求元のＵＰＦポッド３００に対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該ＵＰＦポッド３００のＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する。

これにより、プロトコル中継システム５００は、ＵＰＦポッド３００の構成に合わせて、Ｃプレーン処理部１０が転送処理を実行するＵＰＦポッド３００を決定することができるので、ＵＰＦポッド３００の柔軟な運用を図ることができる。

なお、本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により可能である。

１０ Ｃプレーン処理部（制御プレーン処理部）
２０ Ｕプレーン処理部（ユーザプレーン処理部）
３０ ＵＰＦコンテナ管理部
１００ プロトコル中継装置
１００Ｐ 中継装置
２０１ 端末
２０２ 基地局
２０３ アクセス／移動管理部
２０４ セッション管理部
２０５ ネットワーク機能公開管理部
２０６ ネットワーク機能登録管理部
２０７ ポリシー制御部
２０８ 統合データ管理部
２０９ 認証サーバ管理部
３００～３０３，３０１Ｐ～３０６Ｐ ＵＰＦポッド
３１０ 接続管理部
４００ データネットワーク
５００ プロトコル中継システム
５００Ｐ システムアーキテクチャ

Claims (8)

1. １又は２以上のＵＰＦ（User Plane Function）に接続されるプロトコル中継装置であって、
   前記ＵＰＦからの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰ（Internet Protocol）アドレスを保管し、当該ＵＰＦに接続の確立を通知するＵＰＦコンテナ管理部と、
   パケット転送制御プロトコルの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵ（Protocol Data Unit）セッションを転送処理するＵＰＦを決定して、当該ＵＰＦにその決定した結果を通知する制御プレーン処理部と、
   基地局から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤ（identification）を識別し、前記結果に基づいて、前記ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦに転送するユーザプレーン処理部と、
   を備えることを特徴とするプロトコル中継装置。
2. 前記ＵＰＦコンテナ管理部は、
   前記ＵＰＦから切断要求を受信した場合、切断要求元の前記ＵＰＦに対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元の前記ＵＰＦのＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のプロトコル中継装置。
3. １又は２以上のＵＰＦと、前記ＵＰＦに接続されるプロトコル中継装置と、を備えるプロトコル中継システムであって、
   前記ＵＰＦは、
   前記プロトコル中継装置に接続要求を通知して、接続を確立する接続管理部を、備え、
   前記プロトコル中継装置は、
   前記ＵＰＦからの前記接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦに接続の確立を通知するＵＰＦコンテナ管理部と、
   パケット転送制御プロトコルの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦを決定して、当該ＵＰＦにその決定した結果を通知する制御プレーン処理部と、
   基地局から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、前記結果に基づいて、前記ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦに転送するユーザプレーン処理部と、
   を備えることを特徴とするプロトコル中継システム。
4. 前記ＵＰＦコンテナ管理部は、
   前記ＵＰＦから切断要求を受信した場合、切断要求元の前記ＵＰＦに対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元の前記ＵＰＦのＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のプロトコル中継システム。
5. １又は２以上のＵＰＦに接続されるプロトコル中継装置のプロトコル中継方法であって、
   前記プロトコル中継装置は、
   前記ＵＰＦからの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管するステップと、
   前記ＵＰＦに接続の確立を通知するステップと、
   パケット転送制御プロトコルの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦを決定して、当該ＵＰＦにその決定した結果を通知するステップと、
   基地局から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、前記結果に基づいて、前記ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦに転送するステップと、
   を実行することを特徴とするプロトコル中継方法。
6. 前記プロトコル中継装置は、
   前記ＵＰＦから切断要求を受信した場合、切断要求元の前記ＵＰＦに対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元の前記ＵＰＦのＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除するステップを、
   更に実行することを特徴とする請求項５に記載のプロトコル中継方法。
7. コンピュータに、
   １又は２以上のＵＰＦからの接続要求を受信して、接続要求元のインターフェースに応じたＩＰアドレスを保管し、当該ＵＰＦに接続の確立を通知する手順、
   パケット転送制御プロトコルの要求パケットを受信すると、当該要求パケット内で指定するＰＤＵセッションを転送処理するＵＰＦを決定して、当該ＵＰＦにその決定した結果を通知する手順、
   基地局から受信したユーザプレーントラフィックのセッションＩＤを識別し、前記結果に基づいて、前記ユーザプレーントラフィックにネットワークアドレス変換を実行して、該当するＵＰＦに転送する手順、
   を実行させるためのプロトコル中継プログラム。
8. 前記ＵＰＦから切断要求を受信した場合、切断要求元の前記ＵＰＦに対応するＩＰアドレスを削除するとともに、当該切断要求元の前記ＵＰＦのＩＰアドレスにネットワークアドレス変換する設定を削除する手順、
   を更に実行させるための請求項７に記載のプロトコル中継プログラム。