(Tóm tắt luận văn thạc sĩ) ứng dụng điện toán đám mây cho ảo hóa sgw trong mạng di động 4g lte

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ NGỌC LÂM

ỨNG DỤNG ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY CHO ẢO HOÁ SGW TRONG
MẠNG DI DỘNG 4G LTE

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
TÓM TẮT ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2023


Đề án tốt nghiệp được hồn thành tại:
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học: ……………………………………………………………
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ……………………………………………………………………………

Phản biện 2: ……………………………………………………………………………

Đề án tốt nghiệp sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm đề án tốt nghiệp thạc sĩ tại Học viện
Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng
Vào lúc:

....... giờ ....... ngày ....... tháng ....... .. năm ...............

1

LỜI MỞ ĐẦU
Với các nhà cung cấp hạ tầng máy chủ, các phương thức triển khai và vận hành cơ
sở hạ tầng theo cách truyền thống đã lạc hậu, kém linh hoạt khi nhu cầu phục vụ luôn
thay đổi. Thông thường, nhà cung cấp sẽ điều chỉnh năng lực phục vụ của hạ tầng máy
chủ bằng cách tăng/giảm số lượng các tài nguyên vật lý như CPU, RAM, ổ đĩa, … cho
phù hợp nhu cầu thực tế. Điều này sẽ gây gián đoạn dịch vụ, thời gian chuyển giao giữa
hai hệ thống lớn, ảnh hưởng đến khách hàng. Đặc biệt, với các nhà khai thác viễn thông,
điều này không được phép xảy ra.
Điện tốn đám mây và Ảo hóa chức năng mạng – NFV (Network Function
Virtualization) đang nổi lên như là công nghệ then chốt để vượt qua những thách thức mà
4G và các hệ thống di động phải đối mặt. Trong vài năm qua, Nền tảng dưới dạng dịch vụ
PaaS (Platform as a Service) của điện toán đám mây trong đà phát triển và được áp dụng
rộng rãi trong các doanh nghiệp CNTT. Nó đơn giản hóa việc cung cấp ứng dụng và đẩy
nhanh thời gian đưa sản phẩm ra thị trường đồng thời giảm chi phí. Các doanh nghiệp
Viễn thơng có thể tận dụng mơ hình tương tự để cung cấp 4G và các dịch vụ mạng cốt lõi
khác bằng cách sử dụng công nghệ NFV. Do vậy, đề án này với đề tài “Ứng dụng điện
toán đám mây cho ảo hóa SGW trong mạng di động 4G LTE” có mục tiêu là tập
trung nghiên cứu và xây dựng giải pháp triển khai nút mạng Serving Gateway (SGW)
trong mạng lõi 4G LTE trên nền tảng điện toán đám mây, dựa theo mơ hình thiết kế của
Viện tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu ETSI, đáp ứng việc triển khai, vận hành linh hoạt
với nhu cầu thay đổi năng lực phục vụ không ngừng từ các thuê bao 4G.
Nội dung đề án được trình bày trong ba chương, bao gồm:
Chương 1: Điện tốn đám mây và ứng dụng, trình bày tổng quan đặc điểm, lợi
ích của điện tốn đám mây. Trình bày các mơ hình thường dùng triển khai điện toán mây.
Phần cuối là các xu hướng khai thác dịch vụ của điện toán đám mây hiện nay. Liên hệ với
nhu cầu của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông di động.
Chương 2: Nút mạng SGW trong mạng di động 4G LTE, trình bày về kiến trúc

mạng di động 4G LTE, vị trí, đặc điểm nút mạng SGW trong mạng di động 4G LTE. Từ


2
đó, đưa ra các yêu cầu kỹ thuật của nút mạng SGW đáp ứng những tiêu chuẩn cung cấp
dịch vụ máy chủ trong phạm vi nhà khai thác viễn thông.
Chương 3: Triển khai nút mạng SGW dựa trên điện toán đám mây, đề xuất xây
dựng mơ hình kiến trúc SGW dựa trên kiến trúc NFV-MANO, phân tích hướng khai thác
theo dịch vụ của điện tốn đám mây. Từ đó đưa ra kịch bản triển khai trên nền tảng ảo
hóa, quy trình vận hành qua mơi trường điện tốn đám mây. Sau đó là thực nghiệm triển
khai và đánh giá kết quả theo các yêu cầu kỹ thuật ở Chương 2.
Cuối cùng là tóm tắt các kết quả nghiên cứu của đề án và đưa ra hướng nghiên cứu
tiếp theo.

Chương 1 - ĐIỆN TOÁN ĐÁM MÂY VÀ ỨNG DỤNG
1.1 Các dịch vụ và lợi ích của điện tốn đám mây
Điện tốn đám mây (xử lý dữ liệu đám mây) là công nghệ xử lý dữ liệu trong đó
tài nguyên và dung lượng máy tính được cung cấp cho người dùng dưới dạng dịch vụ
Internet. Người dùng có quyền truy cập vào dữ liệu của riêng họ, nhưng không cần quan
tâm đến cấu trúc cơ sở hạ tầng, hệ điều hành và phần mềm làm việc cùng.
Dựa trên định nghĩa của thuật ngữ đám mây, bất kỳ cơ sở hạ tầng nào khơng phải
là cục bộ đối với người dùng đều có thể đủ điều kiện là đám mây. Với đặc điểm: triển
khai theo yêu cầu, truy cập mạng rộng, khả năng mở rộng và tính linh hoạt, tập hợp tài
nguyên, giám sát tài nguyên, điện toán đám mây cung cấp ba loại dịch vụ chính ở thời
điểm hiện tại:
Hạ tầng như một dịch vụ
Infrastructure-as-a-Service (IaaS – Hạ tầng như một dịch vụ): Cung cấp cho người
dùng hạ tầng (thường là dưới hình thức các máy ảo) như là một dịch vụ. Hơn hẳn một
máy chủ cho thuê, không gian lưu trữ tập trung hay thiết bị mạng, máy trạm thay vì đầu
tư mua ngun tất cả thì có thể th đầy đủ dịch vụ bên ngồi. Những dịch vụ này thơng

thường được tính chi phí trên cơ sở tính tốn chức năng và lượng tài nguyên sử dụng, từ
đó ra chi phí, sẽ phản ảnh được mức độ của hoạt động. Đây là một sự phát triển của
những giải pháp lưu trữ web và máy chủ cá nhân ảo.


3

Hình 1.1. Các dịch vụ điện tốn đám mây

Nền tảng như là một dịch vụ
Platform-as-a-Service (PaaS – Nền tảng như là một dịch vụ): Cung cấp API cho
phát triển ứng dụng trên một nền tảng trừu tượng. Nó hỗ trợ việc triển khai ứng dụng mà
không quan tâm đến chi phí hay sự phức tạp của việc trang bị và quản lý các lớp phần
cứng và phần mềm bên dưới, cung cấp tất cả các tính năng cần thiết để hỗ trợ chu trình
hoạt động đầy đủ của việc xây dựng và cung cấp một ứng dụng và dịch vụ web sẵn sàng
trên Internet mà khơng cần bất kì thao tác tải hay cài đặt phần mềm cho những người phát
triển, quản lý tin học, hay người dùng cuối.
Phần mềm như một dịch vụ
Software-as-a-Service (SaaS – Phần mềm như một dịch vụ): Đây là một mơ hình
triển khai ứng dụng mà ở đó người cung cấp cho phép người dùng sử dụng dịch vụ theo
yêu cầu qua phần mềm thực thi từ xa. Những nhà cung cấp SaaS có thể lưu trữ ứng dụng
trên máy chủ của họ hoặc tải ứng dụng xuống thiết bị khách hàng, vơ hiệu hóa nó sau khi
kết thúc thời hạn. Các chức năng theo u cầu có thể được kiểm sốt bên trong để chia sẻ
bản quyền của một nhà cung cấp ứng dụng thứ ba. Ví dụ dịch vụ phổ biến là Office 365,
Facebook, Gmail, … có sẵn trong mơi trường lưu trữ trên đám mây.
Với đặc điểm và khả năng cung cấp những loại dịch vụ trên, điện toán đám mây
đem lại nhiều lợi ích:


4

 Hiệu quả cao: điện toán đám mây dựa trên ảo hóa, mức sử dụng cao do chia sẻ tài
nguyên chung, do đó cho phép cân bằng khối lượng cơng việc tốt hơn trên nhiều
ứng dụng.
 Tính sẵn sàng cao: các ứng dụng có thể tận dụng kiến trúc có tính sẵn sàng cao
giúp giảm thiểu hoặc loại bỏ thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch và ngoài kế
hoạch, do đó cải thiện mức độ dịch vụ người dùng và tính liên tục của doanh
nghiệp.
 Khả năng mở rộng linh hoạt: điện tốm đám mây có khả năng thêm và bớt dung
lượng tính tốn theo u cầu. Đây là tính năng hữu ích cho các ứng dụng có khối
lượng công việc thay đổi nhiều hoặc tăng trưởng không thể đốn trước.
 Khả năng khơi phục dữ liệu: điện tốn đám mây hỗ trợ về việc triển khai các giải
pháp sao lưu và phục hồi dữ liệu trên nền tảng điện toán đám mây. Việc này giúp
tiết kiệm thời gian, tránh lãng phí đầu tư và tăng sự tin tưởng của bên thứ ba.
 Giảm chi phí đầu tư: điện toán đám mây giúp cắt giảm đáng kể khối chi phí dành
cho phần cứng. Người sử dụng chỉ cần chi trả cho những gì sử dụng và trải nghiệm
mọi dịch vụ hàng đầu.

1.2 Các mơ hình điện tốn đám mây
Mơ hình triển khai điện tốn đám mây là một cấu hình cụ thể của các thơng số mơi
trường như khả năng truy cập, quyền sở hữu của cơ sở hạ tầng triển khai và kích thước
lưu trữ. Dưới đây là các kiểu mơ hình đám mây hiện nay.
Đám mây cơng cộng - Public cloud: là mơ hình điện tốn đám mây mà các tài
nguyên dịch vụ được sở hữu và vận hành bởi một bên thứ ba cụ thể là nhà cung cấp dịch
vụ điện tốn đám mây. Với mơ hình này, tất cả tài nguyên bao gồm phần cứng, phần
mềm và cơ sở hạ tầng hỗ trợ khác đều do nhà cung cấp đám mây sở hữu và quản lý.
Người sử dụng chỉ có thể truy cập các dịch vụ này và quản lý tài khoản của mình bằng
trình duyệt web hoặc các công cụ chuyên dụng từ xa.
Đám mây riêng - Private cloud: là mơ hình điện tốn đám mây mà các tài
nguyên được sở hữu riêng, thường là doanh nghiệp hoặc tổ chức. Một số công ty cũng trả

5
chi phí để thuê các nhà cung cấp dịch vụ bên thứ ba để lưu trữ đám mây riêng của họ. Đối
với mơ hình này, các dịch vụ và cơ sở hạ tầng thường được duy trì, vận hành trên một
mạng riêng.
Đám mây cộng đồng - Community cloud: là mô hình điện tốn đám mây sử
dụng trong một cộng đồng người dùng: có thể là một doanh nghiệp, tổ chức hoặc phạm vi
rộng hơn. Các doanh nghiệp hay tổ chức tương đồng với nhau có thể chia sẻ cùng và
cùng sử dụng tài nguyên với nhau. Đám mây cộng đồng hướng đến các doanh nghiệp và
tổ chức có mơ hình tương tự nhau và có nhu cầu chia sẻ cơ sở hạ tầng và tài nguyên công
nghệ.
Đám mây lai – Hybrid cloud: là mơ hình kết hợp giữa hai mơ hình đám mây
cơng cộng và đám mây riêng được ràng buộc, liên kết với nhau bằng một số công nghệ để
có thể chia sẻ dữ liệu và ứng dụng giữa chúng. Bằng cách cho phép dữ liệu và ứng dụng
có thể chia sẻ lẫn nhau giữa hai mơ hình, đám mây kết hợp mang lại cho doanh nghiệp sự
linh hoạt, nhiều tùy chọn triển khai hơn và giúp tối ưu hóa cơ sở hạ tầng, bảo mật và quy
trình hiện có.
Xem xét tất cả các yêu cầu kinh doanh và kỹ thuật, cũng như các chi tiết cụ thể
của từng mơ hình, là điều kiện tiên quyết để chuyển đổi thành cơng sang điện tốn đám
mây.

1.3 Xu hướng ứng dụng điện tốn đám mây trong khai thác viễn thơng
Ngày nay, nhà vận hành viễn thông đối diện với các thách thức tăng trưởng số
lượng người dùng và gia tăng các yêu cầu cho các ứng dụng hiện tại và mới. Thứ nhất,
theo dự đoán của Statista, đến năm 2025 sẽ có khoảng 18.22 triệu điện thoại trên thế giới.
Bên cạnh đó, Ericsson dự đốn rằng, lưu lượng truy cập di động mỗi tháng sẽ tăng gấp
3.95 lần trong khoảng thời gian từ 2023 đến 2027. Thứ hai, các ứng dụng tạo ra lưu
lượng truy cập như vậy sẽ rất đa dạng (ví dụ: video độ nét cao, Băng thơng rộng di động
nâng cao và Internet vạn vật) và hơn nữa, chúng sẽ có các yêu cầu khác nhau về Chất
lượng dịch vụ (QoS).

6
Để đối phó với những thách thức nói trên, các nhà khai thác viễn thông cần phát
triển cơ sở hạ tầng mạng của họ (mạng truy cập và lõi) để tìm cách tăng dung lượng, hỗ
trợ các loại lưu lượng khác nhau, đảm bảo các mức QoS khác nhau và tăng tốc thời gian
tiếp cận khách hàng. Mạng truy cập và mạng lõi của mạng di động thế hệ thứ 4 (4G) đề
cập đến Hệ thống gói phát triển (EPS – Evolved Packet System). Trong đó, phần lõi
tương ứng với Evolved Packet Core (EPC) chịu trách nhiệm xử lý điều khiển và lưu
lượng dữ liệu của thiết bị di động. Giải pháp truyền thống để mở rộng quy mô EPC là
thay thế các thực thể trong đó bằng các thực thể có cơng suất cao hơn.Vì giải pháp này
làm tăng cả chi phí đầu tư và chi phí hoạt động, nhà khai thác ln tìm kiếm giải pháp
thay thế cơng nghệ để mở rộng quy mô EPC.
Một giải pháp thay thế để phát triển EPC là Ảo hoá chức năng mạng (NFV). Các
mạng di động phổ biến với rất nhiều thiết bị phần cứng độc quyền. Ảo hóa chức năng
mạng và đưa lên điện tốn đám mây nhằm mục đích giảm độ phức tạp của mạng và các
vấn đề vận hành liên quan bằng cách tận dụng các công nghệ ảo hóa cơng nghệ thơng tin
tiêu chuẩn để hợp nhất các loại thiết bị mạng khác nhau vào các máy chủ, bộ chuyển
mạch và bộ lưu trữ. Việc hợp nhất phần cứng như vậy dự kiến sẽ làm giảm tổng chi phí
sở hữu. Phân bổ linh hoạt các Chức năng mạng trên nhóm tài nguyên phần cứng như vậy
có thể cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng mạng trong hoạt động mạng hàng ngày. Điều
này cũng giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với các dịch vụ cụ thể (ví dụ: thoại).
Những lợi thế có thể có của việc ảo hóa mạng lõi di động bao gồm:
 Giảm tổng chi phí.
 Cải thiện hiệu quả sử dụng mạng do phân bổ linh hoạt các Chức năng mạng khác
nhau trên nhóm tài ngun phần cứng đó.
 Tính sẵn sàng và khả năng phục hồi của dịch vụ cao hơn được cung cấp cho người
dùng/khách hàng cuối bằng cấu hình lại mạng vốn có của cơng nghệ ảo hóa.
 Tính linh hoạt: dung lượng dành riêng cho từng chức năng mạng có thể được thay
đổi linh hoạt theo tải thực tế trên mạng, do đó tăng khả năng mở rộng.

7

1.4 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày những đặc điểm, lợi ích của điện tốn đám mây trong tình
hình hiện tại. Tiếp theo, Chương 1 trình bày ba loại dịch vụ được cung cấp IaaS, PaaS,
SaaS; bốn mô hình sử dụng: đám mây cơng cộng, đám mây riêng tư, đám mây cộng
đồng, đám mây lai. Những loại hình đó cung cấp đầy đủ những nhu cầu của các cá nhân,
doanh nghiệp trong hiện tại. Từ đó, phân tích xu hướng và nhu cầu ứng dụng điện toán
đám mây trong doanh nghiệp Viễn thông. Tạo tiền đề giúp học viên xác định hướng
nghiên cứu thực hiện của đề án được trình bày trong các chương tiếp theo.

Chương 2 - NÚT MẠNG SGW TRONG MẠNG DI ĐỘNG 4G LTE
2.1 Đặc điểm nút mạng SGW

Hình 2.2. Kiến trúc tổng quan mạng di động 4G LTE

Hình 2.1 cho thấy kiến trúc tổng quan mạng di động 4G LTE bao gồm các phần tử
mạng và các giao diện chuẩn. SGW là nút mạng kết nối giữa mạng truy nhập vô tuyến
(radio) với mạng lõi EPC, quản lý chuyển mạch gói tin từ người dùng đến mạng lõi và
ngược lại. SGW được quản lý tập trung tại nơi khai thác.


8
SGW có vai trị thứ yếu trong các chức năng điều khiển. Nó chỉ chịu trách nhiệm
cho các tài nguyên của mình và ấn định chúng dựa trên yêu cầu từ MME, hay PGW. Nếu
yêu cầu nhận được từ PGW, SGW sẽ chuyển tiếp lệnh đến MME để MME điều khiển
đường truyền đến eNodeB. Tương tự khi yêu cầu khởi xướng từ MME, SGW sẽ thông
báo cho PGW. Trong quá trình di động giữa các eNodeB, SGW hoạt động như một điểm

neo di động. MME lệnh cho SGW cung cấp các tài nguyên đường truyền để chuyển
hướng số liệu khi có nhu cầu chuyển hướng số liệu từ một eNodeB đến eNodeB đích
trong q trình chuyển giao. Kịch bản di động cũng bao gồm cả việc thay đổi từ một
SGW này đến một SGW khác và MME điều khiển thay đổi này bằng cách lọai bỏ các
đường truyền trong SGW cũ và thiết lập các đường truyền trong SGW mới.
Đối với tất cả các luồng số liệu thuộc một UE trong chế độ kết nối, SGW chuyển
tiếp số liệu giữa eNodeB và PGW. Tuy nhiên khi UE trong chế độ rỗi, các tài nguyên
trong eNodeB được giải phóng, và tuyến số liệu kết cuối tại SGW. Nếu SGW nhận được
gói từ PGW trên đường truyền bất kỳ, nó sẽ nhớ đệm các gói này và khi các đường
truyền được nối lại các gói nhớ đệm sẽ được chuyển đi. SGW sẽ giám sát số liệu trong
các đường truyền này và có thể thu thập số liệu cần thiết cho thanh tốn và tính cước.
Nút mạng SGW gồm 2 phân hệ là SGW-CP và SGW-U. Trong đó SGW-CP thực
hiện việc nhận và gửi các bản tin tín hiệu trên mặt phẳng điều khiển. SGW-CP tạo các
thơng tin điều khiển tín hiệu như các định danh đường truyền, các thông tin phiên làm
việc người dùng liên quan trên mạng lõi, ngoài ra SGW cũng tạo và thu thập các thơng
tin tính cước. Phân hệ SGW-U thực hiện việc giám sát và cung cấp tài nguyên dữ liệu cho
thuê bao thông qua điều khiển lưu lượng sử dụng của người dùng căn cứ vào các thông
tin nhận được từ SGW-CP và PGW. Giữa SGW-CP và SGW-U sẽ thực hiện trao đổi
thông tin thông qua giao thức PFCP. Các kết nối với các nút mạng khác được biểu diễn
trong hình 2.2


9

Hình 2.3. Kết nối giữa SGW với các nút mạng khác

2.2 Yêu cầu kỹ thuật của SGW
 Khả năng dự phòng: giải pháp dự phòng được thiết kế ở mức nút mạng, khi 1
thành phần trong nút mạng gặp sự cố, sẽ có thành phần dự phịng tiếp tục phục vụ
phiên làm việc UE.

 Tính sẵn sàng cao: SGW có các giao diện giao tiếp với các nút mạng khác trong hệ
thống 4G LTE. Khi một giao diện ngừng hoạt động, sẽ ảnh hưởng đến sự hoạt
động của SGW và các nút mạng khác, kết quả là không phục vụ được UE. Do vậy,
các giao diện của SGW phải cam kết luôn hoạt động. Các mô đun cổng giao tiếp
phải hỗ trợ chuyển đổi dự phòng, đảm bảo thời gian chuyển đổi tối thiểu. Các mô
đun bị lỗi được khởi động lại mà không cần can thiệp thủ công.
 Khả năng phục hồi: sau khi xảy ra sự cố, nút mạng phải được phục hồi, quay lại
trạng thái sử dụng như trước, đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường.
 Khả năng mở rộng: nút mạng phải có khả năng dễ dàng cho việc nâng cấp, mở
rộng trong tương lai. Việc nâng cấp mở rộng bao gồm cả việc thêm máy tính vào
hệ thống để nâng cao chất lượng dịch vụ, cũng như việc phục vụ thêm số lượng
thuê bao người dùng.
 Khả năng xử lý dữ liệu tốc độ cao: Do mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu
có các yêu cầu hiệu suất khác nhau, mặt phẳng điều khiển yêu cầu độ trễ thấp để


10
xử lý thông báo báo hiệu, trong khi mặt phẳng dữ liệu yêu cầu thông lượng cao để
xử lý lưu lượng dữ liệu người dùng, nên cần phải tách riêng các mặt phẳng này để
có thể nhận được chúng được mở rộng một cách độc lập và hiệu quả trong quá
trình cung cấp.
 Khả năng giám sát, vận hành: Sự hoạt động của nút mạng SGW phải được giám
sát, thu thập thông tin cho hoạt động quản trị, vận hành. Bao gồm giám sát trạng
thái sẵn sàng của các mô đun nút mạng, thông lượng xử lý trên các giao diện, mức
độ tiêu thụ tài nguyên vật lý CPU/RAM, nhiệt độ hoạt động của máy chủ.

2.3 Kết luận chương 2
Nội dung chương trình bày tổng quan kiến trúc mạng di động 4G LTE và vị trí,
đặc điểm nút mạng SGW. Tiếp theo, trình bày các yêu cầu kỹ thuật với SGW khi hoạt
động trong mạng lõi EPC, bao gồm khả năng dự phịng, đáp ứng tính sẵn sàng cao, khả

năng phục hồi, mở rộng, khả năng xử lý dữ liệu tốc độ cao và khả năng giám sát, vận
hành.Từ những đặc điểm, yêu cầu kỹ thuật đó, nội dung Chương 3 sẽ xây dựng mơ hình
kiến trúc SGW trên điện toán đám mây, thực hiện triển khai và đánh giá kết quả theo các
bài toán kỹ thuật trên.

Chương 3 - TRIỂN KHAI NÚT MẠNG SGW DỰA TRÊN ĐIỆN
TOÁN ĐÁM MÂY
3.1 Mơ hình kiến trúc ảo hố SGW
Ảo hóa chức năng mạng (NFV) bổ sung các khả năng mới cho các mạng truyền
thông và yêu cầu bổ sung một bộ chức năng quản lý và điều phối mới vào mơ hình vận
hành, quản trị, bảo trì và cung cấp hiện tại. Trong các mạng viễn thông, việc triển khai
Chức năng Mạng (NF) thường được kết hợp chặt chẽ với cơ sở hạ tầng mà chúng chạy
trên đó. Việc xây dựng kiến trúc và triển khai SGW dựa trên điện toán đám mây được
tn thủ theo mơ hình Kiến trúc quản lý và điều phối Ảo hóa chức năng mạng NFVMANO mà Viện tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu ETSI đề xuất.


11

Hình 3.4. Mơ hình kiến trúc ảo hóa SGW

Dựa theo mơ hình kiến trúc NFV-MANO của ETSI, học viên ứng dụng sang các
thành phần trong mơi trường điện tốn đám mây, được thể hiện trong hình 3.1, bao gồm:
-

Triển khai hạ tầng ảo hóa bằng OpenStack - nền tảng điện tốn đám mây thực hiện
ảo hóa các tài ngun phần cứng, phần mềm hệ thống tạo ra các máy chủ ảo VM
tương tự như máy chủ vật lý.

-

VNF: Tương tự mơ hình của ETSI, VNF được cài đặt các chương trình phần mềm
chạy các chức năng tương ứng với nút mạng SGW trong EPC.

-

Hệ thống MANO bao gồm các chức năng VNFM, VNFO, thực hiện quản lý vòng
đời của các VNF, giám sát và theo dõi trạng thái và hiệu năng của các VNF, là
giao diện quản lý tập trung các VNF.

3.1.1 SGW as a Servcie
ETSI cũng đã xác định một số trường hợp sử dụng NFV bao gồm Nền tảng mạng
ảo dưới dạng dịch vụ (VNPaaS). VNPaaS tương tự như mơ hình Nền tảng dưới dạng dịch
vụ (PaaS) của điện tốn đám mây, nhưng thay vào đó nhắm mục tiêu vào miền mạng. Khi
đó, nhà cung cấp dịch vụ VNPaaS sẽ cung cấp bộ công cụ để khách hàng cung cấp (ví dụ:
phát triển, triển khai, quản lý và chấm dứt) các NS ảo của họ theo mơ hình trả tiền khi sử
dụng. Trong đề án này, học viên đề xuất một kiến trúc mới của VNPaaS để cung cấp dịch
vụ SGW, gọi là SGW-as-a-Service (SGWaaS). Kiến trúc được đề xuất tập trung vào việc


12
cung cấp các cơ chế quản lý vòng đời của Hệ thống mạng (NS) và Chức năng mạng được
ảo (VNF). Quản lý vòng đời ở đây đề cập đến các chức năng cần thiết cho việc triển khai,
quản lý và chấm dứt VNF. Nó dựa trên một kiến trúc mới dựa trên NFV của SGW, trong
đó SGW được phân tách thành các VNF với độ chi tiết tốt hơn so với những gì được biết
đến. Kiến trúc mới cho phép các giao diện khác nhau của SGW được triển khai và mở
rộng một cách độc lập.
SGWaaS phải đáp ứng các yêu cầu sau:
 Dựa vào Cơ sở hạ tầng NFV phân tán (NFVI) trải rộng trên các vị trí phân tán về
địa lý
 Hỗ trợ quản lý NFV phân tán, có thể mở rộng linh hoạt

 SGWaaS phải tự động hố việc quản lý vịng đời của NS và VNF
 Hỗ trợ mơ hình triển khai kết hợp. VNF có thể triển khai trên tài nguyên vật lý và
nguồn tài nguyên ảo (ví dụ máy ảo)

3.1.2 Nguyên tắc kiến trúc
Nguyên tắc kiến trúc quan trọng đầu tiên là chia nhỏ NFVI thành các phân vùng
hợp lý; mỗi cái quản lý các NS và VNF được triển khai trong các biên giới logic của nó.
Nguyên tắc thứ hai là sử dụng phối hợp dựa trên mẫu, góp phần tự động hóa việc
quản lý vòng đời. Kiến trúc sử dụng Đặc tả cấu trúc liên kết và phối hợp cho các ứng
dụng điện tốn đám mây (TOSCA) để mơ tả các NS và VNF. TOSCA là một tiêu chuẩn
OASIS để mô tả các ứng dụng đám mây bằng các mẫu dịch vụ và kế hoạch quản lý, cho
phép một công cụ điều phối TOSCA (còn gọi là bộ điều phối TOSCA) tự động hóa việc
triển khai và quản lý ứng dụng đám mây. Hình 3.2 mơ tả bằng đồ thị sự ánh xạ và mối
quan hệ này.


13

Hình 3.5. NFV ánh xạ tới TOSCA

3.1.3 Các lớp và thành phần chức năng
Hình 3.3 mơ tả kiến trúc đề xuất của SGWaaS. Nó cho thấy các thành phần chính
của kiến trúc. Các thành phần khác như quản lý ghi nhật ký tồn tại trong PaaS CNTT
thông thường là một phần không thể thiếu của kiến trúc được đề xuất. Tuy nhiên, học
viên không nêu chi tiết chúng trong bài báo này để tập trung vào các thành phần liên quan
đến đóng góp mới. Kiến trúc gồm bốn lớp:
1. Dịch vụ lõi: Lớp này chứa các dịch vụ do SGWaaS lưu trữ và quản lý. Việc cung
cấp vùng chứa là một dịch vụ phân tán để cung cấp và lập lịch biểu cho các máy
ảo. Nó được sử dụng để triển khai các VNF được đóng gói dưới dạng máy ảo hoặc
container. GTPv1 và GTPv2 là giao thức báo hiệu thiết yếu trong các mạng di

động 3GPP. Do đó, nhiều VNF tiềm năng sẽ hỗ trợ các giao diện GTPv1/v2,
SGWaaS bao gồm các cổng dịch vụ GTPv1/v2. Các dịch vụ này có thể phân phối
lưu lượng báo hiệu trên nhiều phiên bản VNF để cho phép khả năng mở rộng theo
chiều ngang.
2. Quản lý và điều phối dịch vụ: Lớp này cung cấp khả năng quản lý NFV phân tán.
Nó bao gồm một Bộ điều phối - Orchestrator, các Đại lý điều phối – Orchestrator
Agent, công cụ Khám phá VNF – VNF Discovery và các Kho lưu trữ. Bộ điều
phối chịu trách nhiệm quản lý tài nguyên tổng thế, NS đầu cuối và vùng điều phối.


14
Vùng điều phối là một phân vùng hợp lý trong NFVI mà SGWaaS chạy trên đó.
Trên thực tế, bộ điều phối chia NFVI thành nhiều vùng điều phối; mỗi cái được
quản lý bởi một đại lý điều phối. Đại lý điều phối là một cơng cụ điều phối
TOSCA có thể triển khai và quản lý các NS và VNF trong vùng của nó như được
mơ tả bởi các mẫu dịch vụ TOSCA, theo hướng dẫn của bộ điều phối. Bộ điều
phối có thể sử dụng các tiêu chí khác nhau để tạo và quản lý các vùng điều phối.
Tuy nhiên, điều quan trọng là vị trí địa lý để các đại lý điều phối được đặt gần với
các phiên bản NS và VNF.
Bộ điều phối và các đại lý điều phối sử dụng ba loại kho lưu trữ để hỗ trợ các chức năng
tương ứng. Danh mục NS & VNF (VNF catalog) chứa thông tin về NS và VNF. NS &
VNF Instance mô tả thực thể NS và VNF. Kho lưu trữ tài nguyên SGWaaS và NFVI lưu
giữ thông tin (ví dụ: mơ tả và vị trí) về các nguồn tài ngun dành riêng và có sẵn.
3. Cơng cụ và API: Lớp này bao gồm các công cụ và giao diện lập trình ứng dụng
khác nhau để truy cập các chức năng của SGWaaS.
4. Quản lý SGWaaS: Lớp này tương tác đồng thời với 3 lớp trước đó. Nó bao gồm
các thành phần chịu trách nhiệm về các chức năng quản lý liên quan đến SGWaaS.
Một ví dụ về các thành phần như vậy là giám sát, chịu trách nhiệm giám sát mức
tiêu thụ tài nguyên, tình trạng và KPI của các thành phần SGWaaS.

15
Hình 3.6. Kiến trúc tổng thể SGWaaS

3.2 Kịch bản triển khai SGW dựa trên điện tốn đám mây
3.2.1 Cơng cụ triển khai dịch vụ điện toán đám mây
Học viên sử dụng OpenStack làm công cụ triển khai dịch vụ điện toán đám mây.
Đây là phần mềm cung cấp cơ sở hạ tầng dưới dạng triển khai đám mây dịch vụ cho đám
mây công cộng và riêng tư. Được tổ chức bao gồm ba thành phần chính trong điện tốn
đám mây: tính tốn, lưu trữ và kết nối mạng.

3.2.2 Cơng cụ điều phối và quản lý MANO
NFV MANO là một yếu tố chính của kiến trúc ảo hố chức năng mạng (NFV) của
ETSI. Đây là một khung kiến trúc do ETSI xác định để quản lý và điều phối tất cả các tài
nguyên trong một trung tâm dữ liệu ảo hóa bao gồm các tài nguyên điện toán, kết nối
mạng, lưu trữ và máy ảo. Được xây dựng để giao tiếp với OpenStack về lập lịch, khởi
tạo, giám sát, quản lý và kết thúc các VNF, MANO có hệ thống cơ sở dữ liệu lưu thông
tin của các NS và NFV được mô tả trong tệp CSAR.
Người vận hành thao tác MANO qua giao diện quản trị
web. Hình 3.4 cho thấy vịng đời của VNF và mơ tả
từng giai đoạn cũng như cách chúng được quản lý.

3.2.3 Nền tảng máy ảo
Trong đề án này, học viên sử dụng các máy ảo
chạy trên nền tảng hệ điều hành Red Hat Enterprise
Linux 7.2, kernel 3.10.0-327, 16 core CPU, dung
lượng RAM 32 GB, dung lượng ổ đĩa HDD 100 GB để
thực thi chức năng nút mạng SGW (hình 3.5). Đây là
cấu hình tiêu chuẩn, để chạy các mô-đun theo thiết kế
phần mềm của SGW. Các máy ảo này gọi là SGW

flavor.

Hình 3.7. Vịng đời VNF trong
MANO


16

Hình 3.8. SGW flavor

SGW gồm các cổng kết nối mạng trên các giao diện:
 S11/S4 giao tiếp với MME/SGSN
 S5/S8 giao tiếp với PGW
 Sxa giao tiếp giữa SGW-CP với SGW-U theo mơ hình CUPS [4]
 S1U giao tiếp giữa eNodeB với SGW-U
 S5/S8-U giao tiếp giữa SGW-U với PGW-U
 Ga giao tiếp với CG
NFVI đảm bảo sự sẵn sàng của các dải mạng này, do OpenStack cung cấp.


17
Mặt phẳng dữ liệu yêu
cầu thông lượng cao để xử lý
lưu lượng dữ liệu người dùng.
Do vậy, học viên sử dụng Bộ
công cụ phát triển mặt phẳng
dữ liệu (DPDK – Data Plane
Development Kit). Hình 3.6
mơ tả ngun lý hoạt động
của DPDK. Các chức năng

thư viện của DPDK giúp cải

Hình 3.9. Nguyên lý hoạt động DPDK

thiện hiệu suất xử lý gói tin trên máy chủ bằng cách sử dụng bộ đệm vịng để truyền các
gói tin giữa NIC vật lý và ứng dụng. Bên cạnh đó, DPDK sử dụng cơ chế thăm dị định
kỳ trong đó kernel thăm dị các gói mới theo định kỳ, thay cho việc xử lý ngắt CPU theo
ngăn xếp kernel truyền thống. Với khả năng quản lý bộ đệm hiệu quả, sự gián đoạn CPU
được giảm thiểu và tối ưu hóa cũng như các cải tiến khác, DPDK đã được chứng minh là
đạt được hiệu suất gần như nguyên bản.

3.2.4 Quy trình vận hành
Để cung cấp SGW như một dịch vụ, các chức năng mạng của SGW nên được triển
khai dưới dạng VNF. Xem xét mức độ chi tiết hiện tại trong SGW, các khối cổng giao
tiếp, gọi là Gateway và khối xử lý nghiệp vụ gọi là Business sẽ được triển khai dưới dạng
VNF. Gateway VNF bao gồm tất cả các giao diện S4/S12, S11, S5S8, Sxa, Ga, S1u. Các
giao diện này sẽ được triển khai và mở rộng cùng nhau. Trên thực tế, chúng khơng có sự
tương tác trực tiếp với nhau. Do đó, học viên đề xuất phân tách các chức năng Gateway
VNF và triển khai chúng thành các VNF nhỏ hơn và độc lập để mỗi giao diện được triển
khai như một VNF riêng biệt.
Tình huống minh hoạ:


18
Trong trường hợp này, học viên giả định rằng SGWaaS hỗ trợ giao diện S11/S4,
S5/S8, Ga, S1U. Hình 3.7 hiển thị mẫu cấu trúc liên kết tổng thể, bao gồm các VNF:
SGWCP, SGWDP, S11/S4, S5/
S8, Ga, S1U. Các VNF này
được kết nối với TOSCA và
được triển khai trên máy ảo.

Việc triển khai nút và mối quan
hệ này sẽ đảm bảo Đại lý điều
phối sẽ xuất bản các thơng tin

Hình 3.10 Kiến trúc tổng thể SGW-as-a-Service

về các phiên bản VNF bằng cách tạo một bản ghi cho từng phiên bản trong VNF
Discovery. Học viên giả định rằng có hai vùng điều phối, mỗi khu vực có dịch vụ cung
cấp máy ảo (hình 3.8).
SGW-CP, S11/S4, S5/S8,
Sxa và Ga sẽ được triển khai
ở vùng 1 trong khi SGW-DP
yêu cầu năng lực xử lý dữ
liệu tốc độ cao sẽ được triển
khai ở vùng 2.

Hình 3.11. Kiến trúc dịch vụ con của SGW-as-a-Service

Hình 3.19 cho thấy sơ
đồ trình tự cấp cao để triển khai SGWaaS được mơ tả. Đầu tiên, Bộ điều phối phân tách
nó theo các vùng điều phối thành hai dịch vụ con. Sau đó, nó thêm các hoạt động xuất
bản/khám phá vào các mẫu dịch vụ (bước 1 và 2). Các dịch vụ con được mơ tả trong hình
3.9. Dịch vụ 1 bao gồm các VNF SGW-CP, S11/S4, S5/S8, Sxa và Ga (tức các VNF
được triển khai trong vùng SGWCP). Các VNF này được kết nối với TOSCA, hay còn
gọi là Bản ghi VNF, đảm bảo rằng Đại lý điều phối 1 sẽ xuất bản thông tin về các phiên
bản VNF này bằng cách tạo một bản ghi cho từng phiên bản trong công cụ Khám phá
VNF. Trong mẫu dịch vụ con 2, SGW-U và S1U VNF được kết nối với một nút TOSCA
mới, nút này cung cấp chế độ xem về các phiên bản SGW-CP VNF được triển khai ở một
khu vực khác. Việc triển khai nút này sẽ đảm bảo rằng Đại lý điều phối 2 sẽ truy vấn