使用SRv6访问5G网络中的边缘应用

摘要

随着多接入边缘计算在 5G 及未来网络中的出现，运营商必须优化终端用户的数据路径，同时确保根据其策略使用资源。在本文中，我们回顾了现有的边缘资源访问解决方案，强调了它们的局限性，并提出了在 5G/边缘架构中使用基于 IPv6 的分段路由（SRv6）的方案。

CCS 概念

网络 →移动网络->网络架构。

关键词

5G; 边缘计算; MEC; 移动网络; SRv6

1 引言

边缘计算将计算资源更靠近用户和设备，从而降低延迟、提高可靠性并支持带宽密集型应用。这项技术在 5G 及未来移动网络环境中尤为重要，因为它提高了最终用户的体验质量，并更有效地利用了移动回程和核心网络 [6]。尽管一些移动网络运营商已经启动了边缘计算解决方案的试点项目和部署，但这些部署通常是部分的，或者针对特定的用例，例如工业物联网或内容分发。

如图 1 所示，我们考虑 5G 及未来网络，其中应用程序具有多个实例，这些实例部署在不同的边缘数据网络上。移动网络运营商 (MNO) 必须根据特定策略（例如，遵守 SLA）在正确的位置和正确的时间提供对适当实例的访问。在这种情况下，需要解决许多问题，例如实例管理（创建、销毁或迁移应用程序实例）、绑定（将用户设备 (UE) 请求的服务映射到将提供服务的特定实例 ID）和访问（确保配置数据平面，以便 UE 可以访问绑定的实例）。在我们目前的工作中，我们主要关注对实例的动态访问，认为解决方案应满足五个核心要求：

图1：5G环境下的边缘计算。

（R1）5G控制平面：该解决方案必须与现有的5G控制平面兼容。

（R2）运营商控制：MNO应能控制绑定和有效接入。这使得运营商能够根据为切片定义的SLA来执行QoS，并有效管理资源。

（R3）用户移动性：用户应该能够在地理位置上移动，并可能因此导致绑定和数据路径更新。

(R4) 运行时更新：可以动态创建新服务和新实例。如果合适，应更新绑定，从而实现对此实例的无缝使用。

（R5）可扩展性：该方法应能随着移动用户数量和实例数量的增加而扩展，无论QoS规则的粒度如何。

2 相关工作

将UE与实例连接的简单方法是将实例ID硬编码到客户端应用程序中（S0）。这种解决方案的灵活性最差。当服务只有一个唯一的实例时，这种方法可能有意义，但不能满足大多数用例。

在他们的白皮书中，ETSI提出了UE与实例[5]连接的两种方式：（S1）应用开发者负责使UE能够获取实例ID（基于应用的解决方案）；（S2）UE发现实例ID（基于DNS的解决方案）。对于基于应用的解决方案（例如URL重定向），绑定更新完全取决于开发者。可以努力考虑用户移动性，但是此解决方案依赖于用于初始访问的中央实例，因此不满足可伸缩性标准。关于基于DNS的方法，它们可以随用户数量扩展，但是由于缓存失效延迟，它们不适用于用户移动性。

表1：访问边缘应用程序实例的现有解决方案

在5G网络中，另一种解决方案是将绑定责任委托给网络运营商，并使用流量控制来访问目标实例[3]。基于流量控制的解决方案避免了UE需要知道实例精确标识符的需求，为资源管理和用户移动性提供了额外的灵活性。上行链路分类器(S3)可以由SMF插入到数据路径中，以执行流量控制。该解决方案适用于有限数量的移动用户和服务实例，但控制规则的复杂性和运行时更新所需的控制消息数量构成了一个重要的缺点。或者，可以使用IPv6多宿主(S4)根据源IP前缀路由PDU，但此信息可能不足以在正确的时间选择正确的实例。

表 1 总结了现有访问应用程序实例的解决方案，这些解决方案与上一节中提出的要求相关。

3 提议与初步实验

为了支持对边缘应用程序实例的动态访问和更新，我们建议依靠SRv6来实现移动用户平面[4]。在这种方法中，SRv6被用作移动网络的用户平面，允许运营商明确指示数据包往返移动节点的路由。此外，数据路径可以以高粒度进行控制，同时在网络核心对数据包进行轻量级处理。实际上，SRv6将应用程序数据路径和底层传输层集成到一个协议中，这意味着所有流量控制操作都可以由任何支持SR的中间节点以无状态方式执行。我们采用的通用架构如图2所示，其中SR网关将入站和出站GTP-U流量映射到SRv6（即[4]中的“具有未更改gNB GTP-U行为的增强模式”）。我们还在SR域中添加了一个控制器，以便动态更新SRv6源节点上的规则，这些规则强制执行遵循运营商策略的数据路径。我们的控制器被SMF视为单个UPF，从而大大简化了SMF维护的状态，并避免了与多个UPF进行复杂的交互来设置、链接和拆除GTP-U隧道。骨干路由器对数据包的处理也得到了简化，因为数据路径仅在边缘节点上设置，从而避免了状态管理，并减少了运行时更新所需的控制消息数量。此外，此解决方案允许功能链，而无需额外成本。

图 2：SRv6 在 5G 网络中的集成。

我们使用UERANSIM [2] 搭建了接入网测试平台，使用free5GC [1] 搭建了核心网的控制平面，以及由控制器和多个基于Linux且支持SRv6的路由器组成的段路由域。控制器使用Go语言实现，包含一个数据包转发控制协议（PFCP）接口，用于与free5GC的SMF通信。目前，规则（包括GTP-U/SRv6映射规则）在配置文件中是静态定义的。我们已在此测试平台上成功执行了一个用例，其中UE根据其连接的5G切片访问两个不同的应用程序实例。

4 未来工作

未来的工作旨在增强我们当前的实现，以允许控制器动态地重新配置SR网关，以便它可以处理运行时更新。此外，我们正在研究用户移动性，以便能够在我们的控制器中集成5G切换程序。