Buku Komunitas SDN-RG

SDN integration in LTE mobile backhaul network

Siti Amatullah Karimah

Abstrak Tantangan utama pada jaringan mobile masa depan ialah bagaimana meningkatkan throughput dalam mendukung meningkatnya trafik jaringan. Software Defined Network merupakan teknologi baru yang diharapkan dapat mengatasi permasalah tersebut, namun sejauh ini SDN hanya di integrasikan pada arsitektur jaringan 4G, tanpa adanya perubahan mendasar. Dalam paper ini dijabarkan mengenai jaringan mobile 4G dimana pendekatan Software Defined Network dapat digunakan untuk mendesain ulang arsitektur saat ini. Dalam paper ini dibahas didalamnya jalur migrasi yang dapat digunakan untuk menjamin terjadinya fase transisi tersebut. Tujuannya bukanlah untuk jangka pendek namun untuk memenuhi kebutuhan throughput masa depan dengan membenahi jaringan transport pada mobile backhaul dan memindahkan sebagian besar elemen jaringan LTE saat ini ke cloud. Pendekatan ini akan menghilangkan adanya core network yang dikenal saat ini dan menggantikannya dengan menyederhanakan jaringan akses yang dibentuk oleh base station (eNodeB) yang saling terhubung melelui jaringan backhaul yang dikendalikan oleh SDN switch yang berada di cloud yang bekerja bersama dengan elemen jaringan LTE lainnya.

I. Introduction

Diperkirakan bahwa pada tahun 2017 jumlah perangkat mobile akan melebihi jumlah keseluruhan penduduk dunia. Dan juga diperkirakan bahwa layanan video akan meningkat signifikan yang berimbas pada permintaan peningkat kapasitas jaringan LTE dengan ukuran yang lebih kecil. Ukuran kecil dari sel LTE ini akan berimbas pada banyaknya jumlah base station yang dibutuhkan sehingga membutuhkan jaringan bakhaul dengan konektivitas yang lebih tinggi. Peningkatan jumlah base station ini berdampak pada kebutuhan akan penyederhanaan jaringan akses. Salah satu solusi penyederhanaan jaringan akses ini ialah menggunakan teknologi SDN. Integrasi dengan teknologi SDN diharapkan dapat meningkatan fleksibilitas yang diperlukan dan manajemen resource yang optimal untuk mengakomodasi kebutuhan jaringan mobile dimasa depan. SDN yang di implementasikan di jaringan mobile dinamakan Software Defined Mobile Network (SDMN). Proyek yang sama sebenarnya pernah dilakukan dalam hal pengintegrasian jaringan LTE dan SDN dengan mempertahankan arsitektur LTE yang ada. Yang membedakannya dengan paper ini ialah, paper ini menjabarkan perubahan arsitektur jaringan LTE yang terintegrasi dengan jaringan SDN dengan proses migrasi yang lancar.

II. LTE Mobile Networks and SDN Overview

Jaringan mobile terdiri dari layer fisik dan juga logic. Layer fisik dibentuk oleh switch jaringan (L2), router (L3)dan juga link fisik dengan topologi dan teknologi yang berbeda-beda seperti pada gambar 1.

• Logical Layer Terdiri dari elemen jaringan (eNodeB, MME, S/P-GW, HSS, dll) yang menjalankan fungsi : o Attachment o Mobility o Transport Data o Implementasi Control Plane

• Physical layer Menyediakan fungsi konektivitas dan transportasi yang dibutuhkan pada logical layer.

• Access Network Terdiri dari sebagian besar eNodeB yang menyediakan radio access kepada UE.

• Backhaul Terdiri dari seluruh switch jaringan yang berfungsi mengagregasi trafik dari access network dan juga menyedikan konektivitas dengan core network.

• Network element Mengimplementasikan seluruh koneksi mobility dan juga fungsi billing yang berlokasi di core network.

Mobility merupakan critical function pada jaringan mobile. Teknologi baru apapun harus dapat memastikan reabilitas dan low latency yang pantas pada proses handover. Mobility di jaringan LTE dilakukan menggunakan metode yang berbeda-beda bergantung pada apakah target eNodeB baru berada pada Tracking Area ID (TAI) yang berbeda atau tidak. TAI akan berasosiasi dengan Mobility Management Entitiy (MME) yang sama. Pada umumnya fungsi mobility dilakukan menggunakan interface S1-MME yang telah didefinisikan antara eNodeB dan MME. Pada skenario yang dibahas pada paper ini, fungsi mobility dilakukan menggunakan interface X2 yang didefinisikan antar eNodeB. Gambar 2 akan mendeskripsikan control functionality yang akan mengatur proses handover berdasarkan interface S1-MME antar logical element (eNodeB, MME dan S/P-GW) dimana perubahan pada MME dibutuhkan.

Masalah mendasar pada protocol IP dari sudut pandang mobility adalah bahwa alamat IP mengidentifikasi node dan akan menyesuaikan IP yang dimiliki berdasarkan IP subnet ia berada. Solusi yang ditawarkan untuk mengatasi hal ini ialah disedikannya tunneling pada alamat IP user didalam GTP tunnel yang dibangun antara eNodeB dan S/P-GW. GTP tunnel akan memberikan identitas unik setiap traffic flow yang mendapatkan penanganan QoS yangberbeda-beda antara UE dan PDN GW. Traffic Flow Template (TFT) digunakan untuk melakukan mapping atau pemetaan trafik ke EPS bearer yang sesuai. GTP Tunneling Endpoint Identifier (TEID) secara jelas akan mengidentifikasi tunnel endpoint termasuk didalamnya tiap paket data user ,memisahkan trafik berdasarkan user dan juga memisahkan bearer dari user seperti yang terlihat pada Gambar 3.

Kapanpun UE berpindah ke eNodeB baru, GTP tunnel harus dibangun ulang antara eNodeB baru dengan S/P-GW dimana inner data flow akan tetap menjaga alamat IP user asli (tidak perlu mengubah-ubah alamat IP). Proses handover di inisiasi dan di atur melalui interface S1 seperti pada Gambar 4. MME akan tanggap terhadap proses mobility dan akan berkomunikasi dengan S/P-GW untuk membangun ulang GTP tunnel antara eNodeB baru dan S/P-GW.

A. SDN Overview Telah dipahami bersama bahwa jaringan pada masa depan akan memerlukan kepekaan yang tinggi terhadap layanan-layanan yang muncul dan juga kepekaan terhadap optimasi penggunaan resource jaringan. Semua hal ini dapat dicapai dengan bantuan teknologi Software Defined Network (SDN). SDN diperkirakan akan menjadi key enabler pada pengembangan infrastruktur jaringan telekomunikasi dalam menghadapi perkembangan jaringan mobile masa depan yang mendasari lahirnya Software Defined Mobile Network (SDMN). SDMN pada dasarnya merupakan pendekatan networking/jaringan dimana control plane akan dipisahkan dari hardware jaringan telekomunikasi secara spesifik untuk kemudian diberikan kepada software application yang bernama controller. Fitur yang ada pada SDMN akan menyederhanakan kerja router maupun switch dengan cara memindahkan CP ke server tersentralisasi yang bekerja sebagai controller. Controller memiliki seluruh kontrol jaringan dimana ia dapat mereduksi kongesti dengan menambahkan fungsi traffic management dan optimized resource allocation yang akan mengalokasi resource secara optimal. Gambar 5 memperlihatkan interkasi antara controller dan switch-**switch pada jaringan berbasis SDN. Interkasi ini berdasarkan API yang telah terdefinisikan dengan baik seperti OpenFlow. SDN membuat perangkat jaringan seperti switch dan router bersifat “programmable” atau dapat di program dengan fungsionalitas tertentu. Oleh karenanya SDN diharapkan dapat meningkatkan data throughput akibat dari penyederhanaan kerja switch. Pendekatan yang dilakukan pada paper ini ialah untuk mempersingkat kerja dari perangkat jaringan agar perangkat-perangkattersebut dapat lebih fokus dalam manajemen forwarding data (fungsi-fungsi yang biasa dijalankan oleh router diambil alih oleh adanya controller).

Teknologi SDN akan memungkinkan beberapa kemungkinan skenario sebagai berikut :

• Pemisahan individual traffic flow untuk membagi resource yang tersedia dalam mendukung berbagai macam Mobile Virtual network Operator (MVNO).
• Mengoptimalkan proses re-direction flow kepada layanan/aplikasi yang spesifik.
• Mengefisienkan manajemen dan penggunaan resource.

Walaupun begitu, SDMN diperkirakan akan memiliki permasalah dalam efisiensi mobility management dan juga skalabilitas dalam menangani ratusan ribu flow user pada tiap radio access network (eNodeB). Sejauh ini dapat diambil kesimpulan bahwa SDMN memilik fungsionalitas tambahan dibanding SDN yang diperuntukkan untuk fixed network dimana SDMN akan mengakomodasi kebutuhan tambahan jaringan mobile sepeti halnya mobility management, efisiensi proteksi terhadap air interface dan perangkat mobile dari trafik yang tidak diinginkan, dan juga penggunaan tunneling pada proses transportasi paket secara berkala.

III. Software Defined Networks Integration in LTE

Integrasi SDN menjadi SDMN membutuhkan beberapa desain arsitektur sebagai berikut : • Lokasi SDMN controller • MME : Tanggap terhadap mobility • S/P-GW : mengkontrol jaringan transport • Distribusi controller • single controller • many controller Kedua model distribusi controller diatas akan diletakkan dekat dengan access network namun memiliki hierarki topologi tersendiri antar controller di access network namun akan tetap tersentralisasi di core network. Integrasi antara SDN dan elemen jaringan LTE baik sebagai bagian dari MME mapun S/P-GW harus dapat mengakomodir efisiensi pada proses handover. Tujuannya ialah untuk menjaga basis alamat IP UE dan penggunaan SDMN untuk meningkatkan fleksibilitas arsitektur jaringan LTE. Gambar 6 memperlihatkan arsitektur LTE saat ini dimana terdapat beberapa opsi pengintegrasiannya dengan SDN controller.

Gambar 7 mendeskripsikan salah satu opsi pengintegrasian SDN ke arsitektur LTE. Opsi ini terdisi dari pemisahan (decoupling) S/P-GW menjadi logical dan data plane. Bagian logical pada S/P-GW (S/P-GWc) menyediakan alokasi alamat IP kepada UE dan menjalankan TFT kepada data flow user. Bagian data plane dari S/P-GW (S/P-GWu) menyediakan terminasi GTP tunnel dan menahan (anchoring) GTP tunnel selama proses handover. Hal ini dibiarkan berlangsung sementara seluruh elemen jaringan dijaga agar tidak terpengaruh terhadap proses handover tersebut dan MME tetap dapat berinteraksi dengan S/P-GWc.

Gambar 8 menunjukkan integrasi SDN dan arsitektur LTE opsi kedua, dimana opsi ini akan mengizinkan SDN controller menerima mobility event langsung dari MME agar dapat langsung menerapkan rule baru pada node switching untuk dapat mengoptimasi routing path/jalur perutean.

IV. Migration Path of SDN Integration in LTE

Integrasi fungsionalitas SDN controller dan MME menyediakan integrasi yang mulus dalam jangka panjang namun menjadi solusi buruk bagi jaringan mobile SDN saat ini karena keharusannya menambahkan kebutuhan-kebutuhan spesifik jaringan mobile dimana data plane harus dioptimasi untuk kecepatan tinggi dan pemrosesan yang dilakukan pada flow-level (menggunakan OpenFlow). Pada SDMN, control plane dipisahkan dari elemen dasar jaringan ke server yang tersentralisasi. Maka, pada proses migrasi ini, tujuannya ialah memindahkan controller dan fungsionalitas S/P-GW kedalam elemen jaringan yang sama dengan MME. Oleh karenanya, fungsionalitas S/P-GW menjadi terhapuskan dan digantikan oleh SDN berbasis jaringan packet switched. Penambahan ini akan menambahkan fleksibilitas jaringan dalam menerima trafik dengan throughput yang besar, mengoptimalkan manajemen jaringan dan memungkinkan dilakukannya traffic engineering. Gambar 9 memperlihatkan integrasi mobility dengan SDN controller yang dimasukan ke dalam bagian dari elemen jaringan MME.

Mobility merupakan critical aspect dari jaringan mobile yang membutuhkan fungsionalitas tersendiri secara spesifik pada elemen jaringan. Hubungan yang erat antara SDN controller dan MME, dalam fungsi waktu akan mengefisienkan penangan proses mobility yang dilakukan oleh SDN controller. Integrasi ini menyediakan meanajemen handover yang efisien pada SDMN. OpenFlow controller akan menambahkan dan mengurangi flow dari flow table sesegera mungkin ketika handover terjadi untuk kemudian dilaporkan ke MME. Masukan pada *flow table diantarany Packet Header yang berfungsi mendefinisikan flow, action untuk mendefinsikan pemrosesan paket dan juga statistiknya. Disamping integrasi MME dan SDN controller paper ini pun menggambarkan penggunaan teknologi 802.1ad untuk melakukan proses double tagging pada switch* Ethernet seperti pada Gambar 10.

Double tagging ini akan mengizinkan penggunan lebih dari 2^12 service tag sebagai outer tunnel dan 2^12 customer tag sebagai inner tunnel. (total 2096 inner dan outer tunnel). Outer VLAN ini dapat digunakan untuk membangun tunnel antar eNodeB dan router IP yang berlokasi pada segmen Ethernet yang sama menyediakan akses ke internet publik. Outer VLAN yang dibangun dari eNodeB dapat dimasukkan ke dalam Mobile Virtual Network Operator (MVNO) yang berbeda pada area dengan 400 eNodeB.

Integrasi fungsionalitas controller dengan MME dan S/P-GW kedalam satu elemen jaringan yang sama akan menyederhanakan fungsionalitas jaringan. Hal ini akan menyebabkan gangguan selanjutnya dimana data plane diatur dari satu elemen MME/Controller. Evolusi menuju arsiterktur ini dapat dilakukan dimana MME akan menjaga interfacenya dalam menerima signaling dari interface S1-MME. MME akan menangani proses standar (yang biasa dilakukannya) dan membangun GTP tunnel antara eNodeB lama dan S/P-GW. Secara bersamaan MME akan memiliki fungsionalitas SDN yang akan membangun komunikasi antara model baru eNodeB dan IP router secara langsung pada layer 2 tanpa adanya GTP tunneling. Pada skenario yang dipaparkan, pada MME yang sama, ketika menerima signaling dari eNodeB berbasis SDN melalui interface S1-MME akan membangun koneksi dengan switch SDN yang diterminasi melalui L2 menggunakan interface TUN. Networking stack yang digunakan pada data plane diperlihatkan pada Gambar 12. Radio layer di terminasi pada eNodeB dimana GTP digunakan mengikuti S-GW dan P-GW yang menyediakan jembatan kepada internet publik.

Penggunaan 802.1ad pada backhaul dan integrasi antara MME dan SDN controller mengizinkan penghapusan GTP tunnel. Hal ini akan menghasilkan penyederhanaan stack pada eNodeB yang menterminasi radio layer melalui keseluruhan jaringan pada backhaul seperti yang digambarkan pada Gambar 13. Maka dari itu, S/P-GW disederhanakan setelah menghilangkan GTP dan terdiri dari Ethernet switch sederhana dan IP router yang menuju internet publik. Pada arsitektur ini mobility dilakukan oleh SDN controller.

Arsitektur ini mengantarkan pada optimasi pada jaringan transport dan juga menjadikan control plane memiliki skalabilitas yang akan mengkonvergensikan kedalam satu elemen jaringan MME dengan fungsionalitas SDN controller yang tertanam didalamnya. MME pada akan menjaga networking stack mereka seperti yang terlihat pada gambar 14. Perubahan pada data plane terjadi bersamaan dengan penjagaan proses signaling pada MME untuk mendukung eNodeB lama agar dapat melakukan transisi yang baik dan lancar. MME akan dapat mengatur elemen jaringan yang dimilikinya seperti eNodeB dan S/P-GW namun integrasi dengan SDN akan menjadikan fungsi GTP dihilangkan.

Elemen-elemen pada jaringan mobile LTE pada umumnya berlokasi pada core network, dimana pengintegrasian SDN dengan topologi seperti ini membuat jaringan tidak memilki skalabilitas. Maka dari itu, pada arsitektur yang ditawarkan oleh paper ini ialah membuat agar elemen-elemen jaringan dapat berlokasi sedekat mungkin dengan eNodeB di backhaul. Hal ini membuat access network bersifat standalone dimana koordinasi terhadap beberapa acces network akan dilakukan menggunakan database yang tersentralisasi dan handover antar MME yang berada pada tiap access network tetap dilakukan menggunakan interface S1. Signaling networking stack yang dikenal akan tetap sama dalam berinteraksi dengan elemen jaringan LTE yang lama seperti S/P-GW dan juga MME yang ada pada jaringan serti yang terlihat pada Gambar 15.

Dalam hal penyederhanaan arsitektur jaringan LTE yang terintegrasi dengan SDN, maka permasalahan skalabilitas haruslah dipecahkan. Solusi yang dipaparkan adalah dengan memindahkan elemen jaringan LTE pada arsitektur baru dimana MME akan digabungkan dengan SDN controller pad access network seperti yang terlihat pada Gambar 16.

Arsitektur ini mengizinkan penggunaan 802.1ad untuk tiap access network dalam menyediakan penyederhanaan arsitektur LTE dimana beberapa pecahan-pecahan fungsi jaringan akan diserahkan kepada virtual operator menggunakan VLAN.

V. Conclusions

Paper ini memaparkan integrasi antara teknologi LTE dengan SDN dengan membuat penggabungan fungsionalitas antara MME dengan SDN controller. Hal ini mengenalkan arsitektur baru dimana jaringan transport akan disederhanakan dan akan berbasis switch. Control plane pun akan disederhanakan dengan melakukan penggabungan elemen jaringan LTE seperti MME, S/P-GW yang digabungkan ke dalam satu komponen jaringan. Selain itu, elemen jaringan LTE baru ini, dimana terdapat fungsi SDN controller didalamnya dapat di virtualisasikan dan beberapa instance nya dapat di diambil oleh data center untuk melakukan penyederhanaan pada data plane. Pengimplementasian sistem ini telah diuji cobakan dimana source code yang digunakan akan tersedia untuk pengembangan selanjutnya. Hasil dari uji coba menunjukkan kecocokan pengintegrasian elemen jaringan LTE dengan SDN controller yang dijalankan diatas cloud dapat meningkatkan throughput setelah mengurangi adanya overhead dan mencegah terjadinya fragmentasi ketika GTP-U dihilangkan dari user plane antara eNodeB dan S/P-GW.

REFERENSI

Costa-Requena, J. , SDN integration in LTE mobile backhaul network, IEEE International Conference Information Networking (ICOIN), Phuket 2014