Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ESTUDIO DE LA TECNOLOGÍA NFV APLICADA AL NÚCLEO EPC EN REDES LTE Y ANÁLISIS DE ENTORNO DE ORQUESTACIÓN OSM PARA SU GESTIÓN TRABAJO FIN DE MÁSTER Jaime Andrés Cárdenas Córdova 2016 Universidad Politécnica de Madrid Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Máster Universitario en Ingeniería de Redes y Servicios Telemáticos TRABAJO FIN DE MÁSTER ESTUDIO DE LA TECNOLOGÍA NFV APLICADA AL NÚCLEO EPC EN REDES LTE YANÁLISIS DE ENTORNO DE ORQUESTACIÓN OSM PARA SU GESTIÓN Autor Jaime Andrés Cárdenas Córdova Director David Fernández Cambronero Departamento de Ingeniería de Sistemas Telemáticos 2016 Resumen El foco álgido de las comunicaciones desde sus inicios ha sido el direccionamiento de los datos. Se han implantado técnicas y métodos para mejorar la eficiencia de su transmisión, pero para ello se necesita de equipos dedicados cada vez más sofisticados y potentes que tienen características funcionales especializadas para el tratamiento de la información, lo que ha generado que las distintas infraestructuras de red se vuelvan cada vez más complicadas, tanto para operarla como para su mantenimiento. Esto conlleva gastos en adquisición de equipos, soporte de profesionales y mantenimiento de red. Por tal motivo, la convergencia actual de las redes de comunicaciones ha enfocado su objetivo en virtualizar su funcionamiento con el fin de tener una gestión mediante software, dando paso a tecnologías como NFV y SDN. NFV se ha planteado como solución actual al crecimiento desmedido del tráfico de datos. Se necesita agilizar su control y a la vez se busca abaratar costos en implementación y gestión de servicios por parte de los operadores de red. En la actualidad las redes móviles son el medio de transmisión de datos más utilizado, siendo los principales interesados en innovar sus arquitecturas de red con el fin de mejorar sus servicios y prestaciones pero con una gestión flexible a costos más bajos, prestando atención a las redes LTE como el objetivo de implementación de NFV. Con esta visión general se plantea el estudio del estado del arte de las tecnologías NFV, analizando profundamente los conceptos básicos para su aplicación teórica sobre los componentes del núcleo de red en entornos LTE. Con esto se explican y analizan los métodos viables para su implementación, así como el despliegue, buscando la factibilidad del uso de la tecnología de virtualización. Además el proyecto se adentra en el análisis de herramientas actuales desarrolladas para el uso, despliegue y gestión de redes con funciones virtualizadas. Se estudian las funcionalidades que cada una presenta, así como su arquitectura y compatibilidad con distintos entornos. Todas las herramientas detalladas están basadas en código libre lo cual permite tener un mejor control sobre ellas al momento de su utilización o modificación a conveniencias de estudio. Para entender el trabajo que realizan estas herramientas, se ha seleccionado una de las más actuales del mercado conocida como OSM y junto con ella se planteó un escenario sencillo virtualizado en VNX donde se puede poner en práctica el estado del arte investigado. De este modo se tiene un acercamiento más tangible sobre el uso y despliegue de funciones de red virtualizadas, estudiando paso a paso todos los procedimientos que se efectúan al momento de ejecutar un entorno de red con NFVs. i Abstract The main goal of communications since its beginning has been the data addressing. Have been implemented techniques and methods to improve the efficiency of transmission, but this requires increasingly sophisticated and powerful dedicated computers that have characteristics and specialized functions for information processing, which has meant that the various infrastructures network become highly complicated, both to operate and to maintain. This involves costs in acquiring equipment, professional support and network maintenance. Therefore, the current convergence of communications networks has focused in virtualizing its operation in order to have a management by software, leading to technologies such as NFV and SDN. Has been proposed NFV as the current solution to uncontrolled growth of data traffic. It is necessary expedite its control and at the same time seeks to decrease costs in implementation and services management by network operators. Today mobile networks are the most used way of data transmission, being the primarily interested in innovating their network architectures in order to improve their services and performance but with a lower flexible management and costs, being the LTE networks the NFV deployment goal. With this overview, it is projected technology NFV state of the art study, having a deep analysis of the basic concepts in order to its theoretical application over the LTE core networks environments. With this, they explain and analyze all the viable methods for implementation and deployment, and thus seek the feasibility of using virtualization technology. The project also focus in current tools analyzing, developed for use, deployment and management of virtualized networks functions. The features that each one presents as well as its architecture and compatibility with different environments are studied. All detailed tools works with open source code, which allows better control over them at the time of use or modification to study conveniences. To understand the work of these tools, we have selected one of the current market known as OSM, and while have used a virtualized VNX simple scenario where you can implement state of the art investigation. Therefore, you have a more tangible approach with the use and deployment of virtualized network functions; studying systematically, all the procedures performed when running a network environment with NFVs. ii Índice general Contenido Resumen .................................................................................................................................. i Abstract ................................................................................................................................... ii Índice general ........................................................................................................................ iii Índice de figuras ................................................................................................................... vi Siglas ................................................................................................................................... viii 1 Introducción .................................................................................................................... 1 1.1 Motivación ............................................................................................................... 2 1.2 Objetivos .................................................................................................................. 3 1.3 Estructura del Documento .................................................................................... 4 2 Sistemas de Comunicación Móvil ................................................................................ 6 2.1 Redes Móviles de Telecomunicación ................................................................... 6 2.1.1 Introducción .................................................................................................... 6 2.1.2 Redes Móviles de Nueva Generación .......................................................... 8 2.1.3 Antecedentes de la Evolución 3G................................................................. 9 2.1.4 Evolución a UMTS........................................................................................ 10 2.2 Redes Móviles LTE ............................................................................................... 12 2.3 Arquitectura de Red LTE .................................................................................... 14 2.3.1 Arquitectura E-UTRAN ............................................................................... 15 2.3.2 Arquitectura de EPC .................................................................................... 16 2.3.3 Serving Gateway (S-GW) ............................................................................ 17 2.3.4 PDN Gateway (P-GW) ................................................................................. 18 2.3.5 Arquitectura de Protocolos de Comunicación a través de LTE ............. 19 3 Estudio de la Tecnología NFV .................................................................................... 22 3.1 Virtualización ........................................................................................................ 22 3.2 Virtualización de Redes ....................................................................................... 24 iii 3.3 Virtualización de Funciones de Red (NFV) ...................................................... 24 3.3.1 NFV ISG (Grupo de Especificación de la Industria) ................................ 26 3.3.2 Marco Arquitectónico NFV ......................................................................... 26 3.3.3 Infraestructura de NFV ................................................................................ 27 3.3.4 NFV MANO (Gestión y Orquestación) ..................................................... 28 3.3.5 NFV Casos de Uso ........................................................................................ 29 3.4 Beneficios de NFV ................................................................................................ 31 4 Desarrollo ...................................................................................................................... 33 4.1 Aplicación de NFV a Redes Móviles LTE ......................................................... 33 4.2 VNF de EPC .......................................................................................................... 34 4.2.1 Coexistencia entre redes Virtualizadas y No-Virtualizadas de EPC .... 37 4.2.2 Virtualización Parcial de EPC ..................................................................... 37 4.2.3 Virtualización de la Entidad de Gestión de Movilidad (vMME) .......... 39 4.3 Agrupamiento de Entidades EPC en entorno NFV ......................................... 40 4.3.1 Segmento Uno ............................................................................................... 41 4.3.2 Segmento Dos ............................................................................................... 41 4.3.3 Segmento Tres ............................................................................................... 42 4.3.4 Segmento Cuatro .......................................................................................... 42 4.4 Tipos de Escenarios de Comunicación con vEPC ............................................ 43 4.4.1 Escenario de Comunicación End to End ................................................... 43 4.4.2 Escenario con Arquitectura de Plano de Usuario sin Estado ................. 44 4.4.3 Uso del Protocolo OpenFlow en Arquitectura LTE-EPC........................ 45 4.5 Recomendaciones en Implementación de Virtualización de EPC ................. 48 4.6 Retos y Aplicaciones de la Gestión y Orquestación de NFV .......................... 49 4.6.1 Entorno MANO desarrollado por la ETSI ................................................ 49 4.6.2 Retos y Puntos de Investigación ................................................................. 53 4.6.3 Proyectos Desarrollados Sobre NFV MANO ........................................... 54 5 Caso Demostrativo ....................................................................................................... 61 5.1 Componentes Básicos de Escenario ................................................................... 61 5.1.1 Herramienta VNX ........................................................................................ 62 5.1.2 Herramienta OPENMANO ......................................................................... 64 iv 5.1.3 Herramienta OPENSATACK ..................................................................... 66 5.1.4 Herramienta JUJU ........................................................................................ 70 5.1.5 Herramienta RIFT.ware ............................................................................... 72 5.2 Propuesta de Escenario Práctico ........................................................................ 76 5.2.1 Escenario Openstack .................................................................................... 77 5.2.2 Escenario OSM .............................................................................................. 80 5.2.3 Detalles del Modelo de Datos ..................................................................... 82 5.2.4 Proceso de Interconexión de Componentes.............................................. 86 5.2.5 Flujo de Trabajo de OSM ............................................................................. 92 5.3 Pasos Para Creación de Descriptores VNF y NS.............................................. 97 6 Conclusiones y Líneas Futuras de Investigación ..................................................... 99 6.1 Conclusiones ......................................................................................................... 99 6.2 Líneas Futuras de Investigación ....................................................................... 101 Bibliografía ......................................................................................................................... 102 Anexos ................................................................................................................................ 105 v Índice de figuras Figura 2.1. Evolución de la Telefonía Móvil. ..................................................................... 8 Figura 2.2. Arquitectura de Red GSM e introducción de GPRS. .................................. 11 Figura 2.3. Arquitectura de Red LTE. [5] ......................................................................... 15 Figura 2.4. Red de Acceso E-UTRAN [5] ......................................................................... 16 Figura 2.5. Arquitectura de Núcleo de Red EPC[5] ........................................................ 17 Figura 2.6. Funciones Principales y Conexiones Lógicas de S-GW [4] ........................ 18 Figura 2.7. Funciones Principales y Conexiones Lógicas de P-GW [4] ........................ 19 Figura 2.8. Pila de Protocolos de Plano de Usuario en LTE. [4] ................................... 21 Figura 2.9. Pila de Protocolos de Plano de Control en LTE.[4] ..................................... 21 Figura 3.10. Pila de Protocolos de Plano de Control en LTE.[11] ................................. 23 Figura 3.11. Pila de Protocolos de Plano de Control en LTE.[11] ................................. 23 Figura 3.12. Pila de Protocolos de Plano de Control en LTE. [11] ................................ 23 Figura 3.13. ETSI visión de NFV. [14] ............................................................................... 25 Figura 3.14. Marco Arquitectónico de tecnología NFV. [14] ......................................... 27 Figura 3.15. NFVI Multiplicidad y Campos de Aplicación NFV [16] .......................... 28 Figura 3.16. Arquitectura de Gestión y Orquestación desarrollada por NFV. [17] ... 29 Figura 3.17. Pila de Protocolos de Plano de Control en LTE. [19] ................................ 30 Figura 4.18. Virtualización General de EPC. [18] ........................................................... 35 Figura 4.19. Creación y Reubicación de Instancias VNF.[18] ........................................ 36 Figura 4.20. Coexistencia entre Redes Virtualizadas y No Virtualizadas.[18] ........... 37 Figura 4.21. .Virtualización Parcial de Componentes EPC.[18] .................................... 38 Figura 4.22. Virtualización según Servicio Específico. [18] ........................................... 38 Figura 4.23. Sistema General vMME [21] ......................................................................... 39 Figura 4.24. Agrupamiento de entidades EPC en entorno NFV. [22] .......................... 40 Figura 4.25. Agrupación de componentes vEPC. [22] .................................................... 43 Figura 4.26. Ejemplo de escenario vEPC con túnel tradicional GTP[23]. .................... 44 Figura 4.27. Arquitectura Propuesta escenario plano de usuario sin estado. [24] ..... 45 Figura 4.28. Arquitectura vEPC Basada en OpenFlow [25] .......................................... 46 Figura 4.29. Proceso de unión inicial OF.[25] .................................................................. 47 Figura 4.30. Proceso de configuración de portadora OF.[25] ........................................ 47 Figura 4.31. Arquitectura MANO propuesta por ETSI NFV. [27] ................................ 50 Figura 4.32. Arquitectura funcional de Brahmaputra. ................................................... 55 Figura 4.33. Arquitectura OpenMANO de Telefónica [27]. .......................................... 56 Figura 4.34. Vista simplificada de la arquitectura OSM[28].......................................... 57 vi