傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)一般基于特定接入技術(shù)并針對大規(guī)模公共網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，無法靈活適配小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)以及異構(gòu)無線技術(shù)嵌纲。本文介紹了Magma在構(gòu)建低成本異構(gòu)無線接入方面的探索俘枫。原文: Building Flexible, Low-Cost Wireless Access Networks With Magma
摘要
當(dāng)今仍然有數(shù)十億人受限于網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及價格原因，沒有接入互聯(lián)網(wǎng)逮走。本文將介紹一個用于建設(shè)低成本無線接入網(wǎng)的靈活鸠蚪、開放系統(tǒng)--Magma，該系統(tǒng)旨在連接因人口密度低或收入水平低等原因而被運營商忽略的用戶师溅，同時保留蜂窩網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)有的功能茅信，如認證和計費策略等。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)墓臭，與傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)相比蘸鲸，Magma采用了廣泛利用互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計模式的方法，在邊緣終止特定的接入網(wǎng)協(xié)議窿锉，并將接入網(wǎng)從核心架構(gòu)中抽象出來酌摇。這一決定允許Magma使用SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))原則重構(gòu)無線核心網(wǎng)膝舅，并利用現(xiàn)代分布式系統(tǒng)的其他技術(shù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)運營商的成本和運營復(fù)雜性窑多，同時實現(xiàn)彈性仍稀、可擴展性和豐富的策略支持。
1. 簡介
良好的互聯(lián)網(wǎng)連接已成為全世界人民和企業(yè)的基本需求埂息。然而技潘，全球有超過三分之一的人口沒有接入互聯(lián)網(wǎng)[54]，并且還有許多用戶缺乏重要應(yīng)用所需的高速連接耿芹。這個問題主要是經(jīng)濟問題：商業(yè)網(wǎng)絡(luò)運營商聲稱崭篡，互聯(lián)網(wǎng)如今似乎已經(jīng)完成了在商業(yè)上可行的用戶覆蓋范圍[29]挪哄。為了覆蓋更多用戶吧秕，必須降低互聯(lián)網(wǎng)接入成本，或者讓傳統(tǒng)迹炼、大規(guī)模商業(yè)運營商以外的實體建立可持續(xù)砸彬、可擴展的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。我們需要有效方法來降低資本和運營成本斯入，通過更便宜的設(shè)備和軟件砂碉，減少對高技能網(wǎng)絡(luò)管理員的依賴，以及增加對現(xiàn)有本地能力的利用刻两。同時增蹭，運營商需要有效管理有限的網(wǎng)絡(luò)資源，以實現(xiàn)可持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)運營磅摹。蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常通過為每個用戶制定策略來實現(xiàn)這些目標(biāo)滋迈，包括每個用戶的數(shù)據(jù)上限、費率限制或基于使用量的收費策略户誓。
不幸的是饼灿，傳統(tǒng)無線解決方案不能很好適用于很多被服務(wù)覆蓋所影響的用戶場景。由于無線電的傳播特性帝美，在非授權(quán)頻譜上運行的WiFi接入點一般不能為大的地理區(qū)域(如人口稀少的農(nóng)村地區(qū))提供有效覆蓋碍彭。此外，WiFi網(wǎng)絡(luò)通常不提供精細策略來管理資源悼潭。相比之下庇忌，蜂窩基站提供更廣泛的覆蓋，支持更多用戶舰褪，并連接到支持更靈活策略的核心網(wǎng)絡(luò)杨耙。然而，今天的蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)依賴于昂貴的設(shè)備酒唉、復(fù)雜的協(xié)議和高度熟練的勞動力，限制了經(jīng)濟有效連接更多用戶的能力软族。雖然蜂窩網(wǎng)可以擴展到大量用戶群，但并不能很好的縮容残制，也就是說立砸，小型蜂窩網(wǎng)絡(luò)的部署通常相當(dāng)昂貴。Magma旨在彌合這兩類解決方案之間的差距：具有豐富策略初茶、大量用戶群和長距離的蜂窩網(wǎng)絡(luò)颗祝，以及更簡單但擴展性較差的WiFi網(wǎng)絡(luò)。
更為根本的是恼布，我們注意到螺戳，選擇使用蜂窩無線接入網(wǎng)(RAN)這一決策迫使網(wǎng)絡(luò)運營商做出一系列影響深遠的決定，而這些決定與他們選擇的接入網(wǎng)技術(shù)沒有內(nèi)在聯(lián)系折汞。這種選擇使網(wǎng)絡(luò)運營商備受約束：(i)特定的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)--即3GPP定義的用于網(wǎng)絡(luò)管理的接口以及策略執(zhí)行路徑上的設(shè)備倔幼，(ii)為滿足大規(guī)模電信運營商需求而發(fā)展的供應(yīng)商生態(tài)體系，以及(iii)特定的無線電頻譜及相關(guān)監(jiān)管要求爽待。Magma項目旨在改變這一切损同，它創(chuàng)建了一個開源的運營商級無線網(wǎng)絡(luò)平臺，支持廣泛的部署場景鸟款。Magma的部署可以利用任何現(xiàn)成的膏燃、最適合其用戶密度或部署場景的無線接入技術(shù)。Magma通過接入網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)這一目標(biāo)何什，接入網(wǎng)關(guān)在盡可能接近無線電的情況下終止特定的協(xié)議组哩。因此，Magma允許運營商使用單一核心網(wǎng)絡(luò)和管理平臺处渣，在熱點地區(qū)(如體育場館)用WiFi熱點增強現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署伶贰，或使用LTE基站為農(nóng)村地區(qū)家庭服務(wù)。
理想情況下幕袱，可以從小規(guī)模開始部署新網(wǎng)絡(luò)，并隨著時間的推移而擴展悠瞬。Magma通過在商品硬件上運行軟件組件的橫向擴展實現(xiàn)了"隨需求擴容(scale as you go)"的設(shè)計们豌，這在云計算環(huán)境中很常見。Magma還利用了云環(huán)境中常用的開源軟件組件(如Open vSwitch浅妆、gRPC望迎、Kubernetes、Prometheus)凌外。Magma通過采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)概念簡化了網(wǎng)絡(luò)管理辩尊，這樣就可以用一個中央控制點來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)策略、管理用戶等康辑。Magma采用分層控制平面來提高可擴展性摄欲。Magma只支持高效互聯(lián)網(wǎng)接入的基本功能(如認證轿亮、計費和基于用戶的策略)，而放棄了一些復(fù)雜功能胸墙。例如我注，雖然Magma支持移動性(在接入網(wǎng)關(guān)的服務(wù)區(qū)域內(nèi))和漫游，但還不支持接入網(wǎng)關(guān)之間的用戶無縫移動迟隅，這是因為移動性不是Magma的商業(yè)部署所支持的用例要求(例如家庭寬帶或回傳到WiFi熱點)但骨。正如通過其他工作所看到的[38]，現(xiàn)代終端主機協(xié)議和應(yīng)用程序可以在沒有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生移動性支持的情況下表現(xiàn)良好智袭。
本文將介紹設(shè)計和部署Magma的經(jīng)驗教訓(xùn)奔缠，討論支持異構(gòu)無線電、回傳技術(shù)以及靈活策略的目標(biāo)吼野，以低成本支持所有這些功能校哎，從而引導(dǎo)我們開發(fā)了一個新穎的軟件架構(gòu)。Magma被用于現(xiàn)實世界的部署箫锤，這些部署在地理范圍贬蛙、用戶數(shù)量雨女、技術(shù)選擇和使其在財務(wù)上可持續(xù)的商業(yè)模式方面有很大不同谚攒。在第2節(jié)中，我們將闡述Magma的核心原則氛堕，即無線接入技術(shù)不應(yīng)決定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)馏臭。然后在第3節(jié)討論接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計如何使Magma支持各種技術(shù)、可擴展的控制平面讼稚、容錯等括儒。第4節(jié)介紹實驗評估，證明Magma的設(shè)計和實施實現(xiàn)了良好的性能和可擴展性锐想，同時討論兩個生產(chǎn)級接入網(wǎng)絡(luò)帮寻。與傳統(tǒng)方法相比，由于較低的運維赠摇、硬件和軟件成本固逗，在一次部署中可以節(jié)約43%的成本。我們的部署經(jīng)驗也指明了Magma是如何向上藕帜、向下擴展的烫罩，在撰寫本文時，有一個支持美國45個州的800多個eNodeB(基站)的部署洽故，第5節(jié)介紹了相關(guān)工作贝攒。最后在第6節(jié)討論正在進行的關(guān)于Magma的工作和未來的挑戰(zhàn)。
道德时甚。本文沒有提出任何道德問題隘弊，對于第4節(jié)中討論的部署哈踱，只考慮運維數(shù)據(jù)，沒有接觸任何用戶數(shù)據(jù)或流量梨熙。
2. 無線接入技術(shù)不應(yīng)該決定網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
傳統(tǒng)上嚣鄙，無線接入技術(shù)的選擇決定了關(guān)于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一系列其他決定。相比之下串结，Magma的出發(fā)點是哑子，每一種無線接入技術(shù)在覆蓋不同用戶群方面都可以發(fā)揮作用，網(wǎng)絡(luò)運營商應(yīng)該能夠使用最適合部署場景的無線和回傳技術(shù)肌割。簡而言之卧蜓，無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)該像互聯(lián)網(wǎng)本身一樣，將鏈路層抽象化把敞。
2.1. WiFi vs 蜂窩接入網(wǎng)
作為現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的延伸而出現(xiàn)的兩類主要的無線接入技術(shù)具有不同的設(shè)計理念弥奸，WiFi擴展了IP網(wǎng)絡(luò)，而現(xiàn)代蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)開始是對語音電話網(wǎng)絡(luò)的擴展奋早。兩類接入網(wǎng)絡(luò)之間的許多差異直接源于這種早期區(qū)別盛霎。
WiFi： WiFi允許沒有經(jīng)驗的用戶自己運行簡單的低成本局域網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)使用未經(jīng)授權(quán)的無線電頻譜(通常在2.4GHz和5GHz)耽装，不需要WiFi網(wǎng)絡(luò)運營商提前獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)愤炸。同時，任何人都可以訪問相同的頻譜掉奄，但要受到傳輸功率的限制规个。因此，WiFi網(wǎng)絡(luò)與嬰兒監(jiān)視器姓建、無繩電話和智能電表等設(shè)備共享頻段诞仓，所以WiFi MAC層必須假定WiFi接入點(AP)在存在物理層干擾的情況下運行。再加上限制功率從而限制了發(fā)射距離速兔，WiFi最適合在小范圍內(nèi)密集覆蓋墅拭。考慮到干擾的可能性涣狗，WiFi服務(wù)是盡力而為的谍婉，與互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計理念一致。企業(yè)級WiFi部署屑柔，如大學(xué)校園和公司辦公大樓的部署屡萤，對多個接入點的重疊干擾進行更集中的管理。然而掸宛，干擾的風(fēng)險意味著服務(wù)仍然是盡力而為的死陆。
蜂窩網(wǎng)絡(luò)： 蜂窩接入網(wǎng)允許電信運營商向其用戶提供無線服務(wù)，通常使用運營商長期擁有或以高成本租賃的授權(quán)頻譜。由于無線電對某一地理區(qū)域的頻譜有獨家使用權(quán)措译，因此蜂窩網(wǎng)被設(shè)計為廣域覆蓋和高頻譜效率别凤，由資源豐富的實體進行部署，因為只有他們才可以獲得土地领虹、建造和連接塔臺规哪，并雇用熟練的工作人員。
無論何種接入技術(shù)塌衰，任何規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)都需要在設(shè)備诉稍、人員方面進行大量投資，就蜂窩網(wǎng)絡(luò)而言最疆，還需要監(jiān)管許可杯巨。因此，除了非常小的網(wǎng)絡(luò)努酸，運營商通過策略來管理有限的頻譜服爷，包括接入控制；根據(jù)時間获诈、使用量或更復(fù)雜的技術(shù)來收取費用仍源，其中包括社區(qū)價值[36]；使用上限舔涎；以及節(jié)流笼踩。例如，LTE的策略規(guī)范幾乎達到300頁[14]终抽。一個簡單的策略例子是："客戶C的速率限制為X Mbps戳表，如果在t1時間段內(nèi)發(fā)送了Y GB數(shù)據(jù)桶至，就在t2時間段內(nèi)將其限制為Z Mbps昼伴。"支持靈活的策略可以幫助運營商以經(jīng)濟上可持續(xù)的方式觸達服務(wù)不足的用戶：即使是出于社會責(zé)任原因運營的網(wǎng)絡(luò)也會產(chǎn)生成本，必須有效管理有限的資源镣屹。
這些功能由復(fù)雜的分組核心網(wǎng)實現(xiàn)圃郊，該網(wǎng)絡(luò)將多個基站連接到互聯(lián)網(wǎng)，與互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的漸進式演進相比女蜈，每一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)都是重新思考從認證到控制和數(shù)據(jù)平面模塊化的機會持舆。
不同世代的3GPP標(biāo)準(zhǔn)[15]有不同的分組核心架構(gòu)伪窖，UTMS("3G")與LTE("4G")不同逸寓，而后者又與5G不同，并且各代標(biāo)準(zhǔn)都與企業(yè)級WiFi不同覆山。圖1顯示了LTE和5G之間的差異竹伸，圖片來自[46]。不同無線技術(shù)也體現(xiàn)為基站的差異(eNodeB與gNB)，但也要關(guān)注移動核心網(wǎng)的模塊化演進勋篓。WiFi又有所不同吧享，而且標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，其授權(quán)譬嚣、認證和計費(AAA钢颂，Authorization, Authentication, and Accounting)等功能大致對應(yīng)于LTE的移動管理實體(MME，Mobility Management Entity)和歸屬用戶服務(wù)器(HSS拜银，Home Subscriber Server)組件殊鞭。
如今蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WiFi之間的界限越來越模糊，運營商將每種技術(shù)部署在該技術(shù)更適合的場景中尼桶。近年來钱豁，大型WiFi部署已經(jīng)采用更復(fù)雜的用戶認證、功率控制疯汁、無縫移動性等方法[23,24,60]牲尺，Eduroam[58]和OpenRoaming[57]等努力為WiFi用戶提供類似蜂窩網(wǎng)的廣域漫游。同時幌蚊，蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在可以使用"輕授權(quán)(lightly licensed)"頻譜谤碳，如公民頻段無線服務(wù)(CBRS，Citizen’s Band Radio Service)[17]溢豆，支持無線頻譜動態(tài)分配蜒简，使無線系統(tǒng)能獨占部分頻譜(以數(shù)十分鐘為單位)。企業(yè)正在為一系列用例部署私有蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)漩仙，如工業(yè)自動化搓茬、醫(yī)療應(yīng)用以及酒店和體育賽事的互聯(lián)網(wǎng)接入，這些用例需要比傳統(tǒng)WiFi更好的頻譜效率队他、認證和性能卷仑。
2.2. 降低門檻
Magma旨在降低為缺乏網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的人群提供無線網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)的成本。我們認為麸折，運營商應(yīng)該能夠為任何部署選擇合適的接入技術(shù)锡凝，而不是被鎖定在只和該接入類型兼容的核心架構(gòu)上。支持異構(gòu)技術(shù)的統(tǒng)一設(shè)計可以攤薄軟件構(gòu)建工程成本以及培訓(xùn)和支持網(wǎng)絡(luò)運維人員的費用垢啼。此外窜锯，這種設(shè)計使運營商能夠在統(tǒng)一的核心網(wǎng)上支持多種無線技術(shù)(例如，在購物中心使用WiFi芭析，在其他地方使用蜂窩網(wǎng)絡(luò))锚扎。
蜂窩接入的準(zhǔn)入門檻很高，部署蜂窩接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)運營商必須在基礎(chǔ)設(shè)施方面進行大量資本投資(CapEx)馁启。相比之下驾孔，WiFi接入點的成本可能低于100美元，但即使是低成本的蜂窩部署，成本也至少要高出WiFi 1-2個數(shù)量級助币。傳統(tǒng)上浪听，蜂窩核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是為擁有數(shù)百個基站的大型部署而設(shè)計的，無法以合理成本"縮減"到小規(guī)模的初始部署眉菱。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的運營成本也很高(OpEx)迹栓，需要依靠高技能工作人員來管理設(shè)備。此外俭缓，偏遠社區(qū)可能負擔(dān)不起高質(zhì)量克伊、低延遲的回傳(如光纖)鏈接，而蜂窩網(wǎng)絡(luò)通常依賴這種鏈接华坦。相反愿吹，這些地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)可能使用可靠性和性能較低的衛(wèi)星或無線回傳鏈接。
相比之下惜姐，WiFi部署可以從小規(guī)模開始犁跪，但在規(guī)模擴張方面存在很大障礙。WiFi網(wǎng)絡(luò)通常不需要熟練人員來部署歹袁。WiFi本質(zhì)上是一種盡力而為接入技術(shù)坷衍，可以利用任何可用的回傳，甚至是基于同一物理WiFi的臨時網(wǎng)格(ad-hoc mesh)回傳条舔。然而枫耳，WiFi通常不提供可擴展的方式來實施網(wǎng)絡(luò)策略，或者(除了專有和特定于供應(yīng)商的解決方案)來管理大型網(wǎng)絡(luò)孟抗。因此迁杨，面向WiFi的運營商很難像大型(通常是蜂窩)運營商那樣在大范圍內(nèi)提供財務(wù)上可持續(xù)的服務(wù)。
盡管WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間存在差異凄硼，但并沒有根本障礙铅协。網(wǎng)絡(luò)策略的構(gòu)建模塊在每個國家都一樣，缺少的只是架構(gòu)支持帆喇。軟件定義網(wǎng)絡(luò)可以通過分布式基礎(chǔ)設(shè)施支持網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的控制來幫助解決這些差距警医，并且采用基于商品組件的可擴展技術(shù)可以降低成本。簡而言之坯钦，采用并擴展成功的互聯(lián)網(wǎng)和云原生技術(shù)實現(xiàn)可伸縮性和可管理性，使我們創(chuàng)建既靈活又低成本的無線接入網(wǎng)絡(luò)成為可能侈玄。
3. Magma架構(gòu)
Magma不是通過簡單的重新實現(xiàn)一個符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的移動核心網(wǎng)來克服現(xiàn)有解決方案的缺點。相反律秃，如圖3所示爬橡，Magma通過在直連無線接入網(wǎng)的接入網(wǎng)關(guān)(AGW)中盡早終止特定無線協(xié)議，使這些接入網(wǎng)關(guān)在統(tǒng)一的設(shè)計中處理各種無線技術(shù)棒动。Magma架構(gòu)超越了3GPP傳統(tǒng)的RAN/核心網(wǎng)的分解模式糙申，將額外功能放在接入網(wǎng)關(guān)中，目的是使分組核心網(wǎng)更具可伸縮性船惨，從而能夠縮小規(guī)模柜裸。值得注意的是，Magma采用了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)系統(tǒng)架構(gòu)粱锐，使用分層的控制平面設(shè)計疙挺，每個接入網(wǎng)關(guān)的本地控制器與集中式編排器交互。編排器是系統(tǒng)的中央控制點怜浅，維護與全系統(tǒng)配置有關(guān)的權(quán)威狀態(tài)(配置狀態(tài))铐然。與用戶設(shè)備(UE)活動有關(guān)的運行時狀態(tài)被定位到為特定UE提供服務(wù)的基站所在的AGW。
每個AGW都是一個小型故障域恶座，確保任何組件故障或升級影響到的用戶相對較少锦爵。通過這種方式，Magma架構(gòu)類似于現(xiàn)代云原生系統(tǒng)奥裸，旨在運行在容易發(fā)生故障的低成本硬件上[26]险掀。Magma采用了云計算架構(gòu)的其他想法，包括使用gRPC進行組件間通信湾宙，用于狀態(tài)同步的"期望狀態(tài)(desired state)"模型樟氢，以及基于軟件的、可編程的數(shù)據(jù)平面侠鳄。雖然在云計算部署中很常見埠啃，但這些決定大大偏離了典型3GPP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和管理方式。
3.1. 無線接入技術(shù)抽象
如圖1所示伟恶，無線接入技術(shù)的細節(jié)傳統(tǒng)上會體現(xiàn)在核心網(wǎng)中碴开。為了解決這個問題，Magma確定了一套核心功能博秫，AGW必須為任何無線技術(shù)實現(xiàn)這些功能(例如潦牛，為特定用戶找到合適的策略)，并以獨立于接入技術(shù)的方式提供這些功能挡育。這些功能構(gòu)成了AGW的核心巴碗，如圖4的右側(cè)所示。特定無線技術(shù)的控制協(xié)議在靠近無線的特定技術(shù)模塊中被提前終止即寒，這些模塊在圖的左邊橡淆，與右邊的通用功能(如用戶管理召噩、訪問控制和管理)進行通信，所基于的信息與RAN無關(guān)逸爵。
考慮添加一個新的活躍UE的例子。UE通過臨時(未經(jīng)認證的)無線鏈路與附近的基站通信师倔。在傳統(tǒng)4G實現(xiàn)中构韵，基站將請求轉(zhuǎn)發(fā)給移動管理實體(MME，Mobility Management Entity)溯革，MME發(fā)起UE身份驗證流程贞绳，查詢用戶數(shù)據(jù)庫，對終端進行認證致稀，創(chuàng)建新會話冈闭，并將為終端服務(wù)所需參數(shù)通知給其他組件，包括:(a)為終端分配IP地址抖单，并在數(shù)據(jù)平面設(shè)置相應(yīng)的QoS參數(shù);(b)指示基站建立到終端的加密信道;和(c)向UE提供加密通道的對稱密鑰萎攒。這一系列事件完成后，UE將和移動核心網(wǎng)建立一個活動會話矛绘，從而能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)耍休。
這些功能在Magma AGW中以抽象化無線技術(shù)細節(jié)的方式進行，如圖4右側(cè)所示货矮。例如羊精，Magma的用戶數(shù)據(jù)庫具有跨無線接入類型的所有能力的聯(lián)合，即使數(shù)據(jù)庫中的某些字段只對某些技術(shù)有效也沒有關(guān)系囚玫。例如喧锦，QoS策略在WiFi中不如在4G網(wǎng)絡(luò)中豐富，而4G策略又不如5G策略豐富抓督。同樣拓型，UE認證和會話建立是由涵蓋4G趾牧、5G和WiFi的通用功能以通用方式完成的签则。在4G拢驾、5G和WiFi的不同設(shè)備中實現(xiàn)的數(shù)據(jù)平面，在Magma中通過通用定铜、可編程的數(shù)據(jù)平面實現(xiàn)阳液。
表1顯示了4G、5G和WiFi的各種組件是如何被映射到一套共同的Magma抽象中的宿稀。這里的核心思想是趁舀，通過執(zhí)行一組功能，從而驗證用戶祝沸，建立會話狀態(tài)矮烹，控制數(shù)據(jù)平面，等等罩锐。Magma以一種與無線技術(shù)無關(guān)的通用方式完成所有這些工作奉狈，從而提供了一種將特定無線技術(shù)的細節(jié)從核心中抽象出來的方法，并且將相關(guān)協(xié)議終止在靠近無線本身的地方涩惑。
此外仁期，Magma增加了一些不屬于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的通用功能，如設(shè)備管理和遙測竭恬。再加上SDN架構(gòu)跛蛋，這就簡化了對分布在廣大地理區(qū)域的大量設(shè)備的管理。Magma不需要登錄到特定設(shè)備中去配置或檢查統(tǒng)計數(shù)據(jù)痊硕，而是從編排器中提供中央管理和監(jiān)控赊级，并且其他接入北向API的系統(tǒng)也可以利用這些數(shù)據(jù)。我們發(fā)現(xiàn)岔绸，將設(shè)備管理和遙測視為Magma的首要職責(zé)理逊，可以大大降低運營接入網(wǎng)的復(fù)雜性和成本(第4.3.1節(jié))。
我們并不指望當(dāng)前Magma的功能分解(圖4)是最基本的盒揉，但我們的經(jīng)驗表明晋被，無論從工程角度還是從廣泛的用例來看，至少是有用的(第4節(jié)將進一步討論)刚盈。組件之間的模塊化使Magma的內(nèi)部接口可以獨立于RAN發(fā)展羡洛，這與迭代開發(fā)方法相一致，與3GPP僵化的接口定義形成鮮明對比藕漱，使得團隊能夠?qū)GW功能進行重大改變欲侮，如添加新功能(如5G支持)或重構(gòu)內(nèi)部服務(wù)，而不需要將這些變化向南向RAN或向北向調(diào)度器API暴露谴分。
圖4左邊特定于RAN的模塊和右邊的通用功能之間的所有通信都基于gRPC[5]锈麸，這是一個開源RPCRPC框架，所有長距離通信(例如從AGW到編排器)也是如此牺蹄。雖然這是構(gòu)建現(xiàn)代分布式系統(tǒng)的典型方法忘伞，但與為3GPP組件之間的通信協(xié)議有很大不同，后者將終端(如UE和MME)的一致性要求泄露到網(wǎng)絡(luò)級協(xié)議中沙兰。通過在HTTP上運行氓奈，gRPC繼承了TCP/IP對丟包和延遲的彈性，這在一些為更良好的受控環(huán)境(如專線)而設(shè)計的3GPP協(xié)議中是沒有的鼎天。一個具體例子是GTP(GPRS隧道協(xié)議舀奶，GPRS Tunneling Protocol)，它對丟包和延遲很敏感斋射，以至于在質(zhì)量較差或擁擠的回傳鏈路(如衛(wèi)星或共享微波鏈路)上很難運行育勺。因此但荤，采用gRPC使Magma有更大的自由度來實施替代的一致性模型，而不會在更多樣化的回傳網(wǎng)絡(luò)條件下破壞UE狀態(tài)機涧至。在實踐中腹躁，這種容忍度有助于減少設(shè)備上的錯誤處理。雖然UE在經(jīng)歷了3GPP協(xié)議級故障后應(yīng)該重新連接南蓬，但我們發(fā)現(xiàn)某些使用了低端基帶處理器的UE無法完成可靠的處理纺非。當(dāng)UE無法重連時，故障表現(xiàn)讓使用這些設(shè)備的人感到困惑赘方，他們會覺得這是因為信號不好烧颖，而且故障通常只在強制UE重啟后才會解決。由于Magma在AGW本地終止GTP窄陡，不用穿越回傳鏈路炕淮，所以UE永遠不會經(jīng)歷GTP連接中斷，也不需要處理這類錯誤泳梆。
雖然和無線技術(shù)無關(guān)鳖悠，但Magma必須對功能開發(fā)優(yōu)先級做出實際選擇。許多早期Magma部署使用的是LTE优妙，所以優(yōu)先支持LTE功能乘综，而把5G的支持放在后面。一個很好的例子是對QoS策略的支持套硼，如第2.2節(jié)所述卡辰，今天LTE和5G都支持實行速率限制和使用上限的簡單策略。當(dāng)然也可以支持更復(fù)雜的策略(尤其是在5G中)邪意，目前正在開發(fā)對更豐富策略的全面支持九妈。
3.2. 分層SDN控制平面
Magma采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)架構(gòu)，以減少操作復(fù)雜性以及對熟練員工的依賴雾鬼。運營商不用基于分布式的設(shè)備集合進行配置萌朱，而是在編排器上指定整個網(wǎng)絡(luò)的策略。編排器提供了中央控制點策菜，并公開北向API晶疼，以便與其他系統(tǒng)集成(例如，用于指標(biāo)又憨、警報和監(jiān)控的系統(tǒng))翠霍。然而，在單一中央控制器中運行整個控制平面會對系統(tǒng)的可擴展性造成限制蠢莺。因此寒匙，像網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(NVP，Network Virtualization Platform)[37]和開放虛擬網(wǎng)絡(luò)(OVN躏将，Open Virtual Network)[42]這樣的實用SDN系統(tǒng)采用了分層的控制平面锄弱，這也是Magma使用的模型考蕾。
在分層控制平面設(shè)計中，我們確定控制平面中哪些組件會影響全網(wǎng)范圍棵癣，這些組件是中央控制器的候選對象辕翰。例如夺衍，為了向網(wǎng)絡(luò)添加新用戶狈谊，關(guān)于該用戶的長期信息是全網(wǎng)信息，由中央控制器創(chuàng)建和維護沟沙。相反河劝，與UE相關(guān)的許多運行時狀態(tài)可以被定位到單個AGW。例如矛紫，UE接入時與某個AGW相關(guān)聯(lián)赎瞎，UE會話狀態(tài)可以由該AGW的本地控制平面創(chuàng)建和管理。因此颊咬，大部分控制平面能夠隨著基站和用戶數(shù)量的增加而擴展务甥，而不會增加中央控制器的處理負載。
中央控制平面和本地控制平面之間的這種劃分大致上與控制平面狀態(tài)變化的時間尺度相一致喳篇。新用戶的增加發(fā)生在配置時間尺度上敞临，該狀態(tài)是集中管理的。會話狀態(tài)的創(chuàng)建(當(dāng)UE接入并連接到AGW時)發(fā)生的頻率更高麸澜，這種運行時狀態(tài)由AGW的本地控制器處理挺尿。
與任何SDN架構(gòu)一樣，必須考慮"無頭(headless)"操作炊邦，即數(shù)據(jù)平面節(jié)點與中央控制平面斷開連接的情況编矾。在傳統(tǒng)SDN方法中，目標(biāo)是確保數(shù)據(jù)平面在沒有控制平面的情況下繼續(xù)運行馁害，只是在控制平面斷開時窄俏，無法對數(shù)據(jù)平面進行更新。有了分層控制平面碘菜，即使無法連接中央控制器凹蜈，許多本地操作仍然可以處理。例如炉媒，因為本地控制平面有足夠的信息(例如踪区，緩存的用戶資料)來處理會話的建立，AGW仍然可以為連接到基站的UE建立會話吊骤。相反缎岗，網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的活動，如增加用戶或改變用戶策略白粉，必須等到中央控制平面再次可用传泊。Magma對可用性和一致性進行了權(quán)衡鼠渺，正如CAP定理[22, 28]所暗示的那樣。一般來說眷细，唯一的問題是在斷開連接時拦盹，存儲在AGW中的狀態(tài)有可能是舊的，比如可能允許UE暫時消耗超過其配額的資源溪椎。
這種設(shè)計有助于實現(xiàn)Magma的可擴展目標(biāo)普舆，既允許最小足跡(縮容)，也允許擴大規(guī)模校读。最小的Magma部署可以是單一AGW和一個編排器沼侣。編排器通常是部署在云上的三個虛擬機實例，而AGW本身是一個小型(4核)X86商品服務(wù)器歉秫。這比傳統(tǒng)蜂窩式分組核心網(wǎng)的硬件要少得多蛾洛。擴容基本上只需要增加AGW，從而可以支持更多基站和UE雁芙，而編排器上的負載沒有增加多少轧膘。第4.3節(jié)將討論我們在擴容方面的經(jīng)驗。
將本地控制面功能放在AGW上的決定兔甘，雖然有利于可擴展性谎碍，但確實需要權(quán)衡利弊，尤其是這樣會讓一些需要AGW之間協(xié)調(diào)的功能變得復(fù)雜裂明。值得注意的是椿浓，雖然Magma支持同一個AGW提供服務(wù)的基站之間的移動性，但AGW之間的無縫移動性需要在切換期間從一個AGW到另一個AGW進行一些控制面狀態(tài)的通信闽晦。雖然沒有這個功能也能支持許多用例扳碍，但希望將來能增加這一功能。
3.3. 小型故障域的容錯
基于Magma建立低成本解決方案的愿景仙蛉，對架構(gòu)如何處理容錯有很大影響笋敞。低成本硬件很容易發(fā)生故障，因此Magma采用了大多數(shù)現(xiàn)代云系統(tǒng)的一致看法荠瘪，即預(yù)計個別組件會發(fā)生故障夯巷，但必須控制單一組件故障影響到的用戶(即故障域必須很小)，并且不能影響其他組件哀墓。這種方法對軟件升級等操作也有積極影響趁餐，因為有可能在不關(guān)閉整個系統(tǒng)的情況下獨立升級小部件，這與傳統(tǒng)3GPP實施方式形成了鮮明對比篮绰。
Magma類似SDN的架構(gòu)比典型3GPP實施更充分的將狀態(tài)本地化后雷。在標(biāo)準(zhǔn)實施中，UE運行狀態(tài)分散在幾個大型組件中(例如，LTE下的PGW臀突、SGW和MME)勉抓。相比之下，Magma將UE運行狀態(tài)定位到單一AGW候学，從而簡化了故障處理藕筋。存儲在AGW中的運行狀態(tài)被定期檢查，并可能被復(fù)制到作為云服務(wù)運行的AGW備份實例梳码。當(dāng)一個AGW發(fā)生故障時隐圾，備份云實例接管服務(wù)，管理受影響的一組UE連接边翁，直到主AGW被重啟翎承。如上所述，即使與編排器斷開連接符匾，AGW也可以繼續(xù)與UE建立會話。第3.4節(jié)中描述的狀態(tài)同步方法可以減輕這種故障的長期影響瘩例。
雖然傳統(tǒng)蜂窩分組核心網(wǎng)通常需要為數(shù)百萬用戶服務(wù)啊胶，但Magma將大部分功能分配給了大量接入網(wǎng)關(guān)，因此每個AGW都是一個故障域垛贤，維持少量(通常少于10個)基站服務(wù)的相對較少的UE狀態(tài)焰坪。單個AGW故障會影響到目前由附屬基站服務(wù)的UE集合，但對網(wǎng)絡(luò)其他部分或其他客戶沒有影響聘惦，這與標(biāo)準(zhǔn)移動核心網(wǎng)實施中典型的大型故障域形成了鮮明對比某饰。
3.4. 狀態(tài)同步
移動核心網(wǎng)的狀態(tài)需要在組件之間進行同步，一般來說善绎，某個組件是某些狀態(tài)的權(quán)威所有者黔漂，需要與其他組件同步狀態(tài)。在Magma中禀酱，狀態(tài)可以采取三種形式之一炬守，Magma對此做出不同的保證。
首先是與UE及其網(wǎng)絡(luò)活動相關(guān)的運行時狀態(tài)剂跟。與現(xiàn)有用戶設(shè)備和RAN設(shè)備的向后兼容性要求Magma實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定義的狀態(tài)機减途，以支持網(wǎng)絡(luò)接入等操作。由于UE本身曹洽、RAN設(shè)備或Magma的"核心"網(wǎng)元中的事件鳍置，運行時狀態(tài)的修改隨時可能發(fā)生。重要的是送淆，Magma中的運行時狀態(tài)被封裝在AGW中税产，如第3.3節(jié)所述，AGW是Magma的故障域，我們?yōu)锳GW定義了崩潰恢復(fù)故障模型砖第。此外撤卢，大多數(shù)運行時狀態(tài)都是短暫的，在發(fā)生故障時可以恢復(fù)梧兼，比如UE可以重新接入放吩。
其次是配置狀態(tài)，與Magma網(wǎng)絡(luò)組件(如AGW)的配置相關(guān)羽杰。該狀態(tài)只會由編排器寫入并異步推送到AGW渡紫，例如應(yīng)用于用戶類別的網(wǎng)絡(luò)策略，或由AGW應(yīng)用于連接的RAN設(shè)備的無線配置考赛。AGW在崩潰后會恢復(fù)配置狀態(tài)惕澎，配置狀態(tài)的真實來源持久存儲在編排器中(Postgres)，允許通過編排器修改配置狀態(tài)颜骤。配置狀態(tài)通常在人能夠感知的時間尺度上發(fā)生變化(即幾分鐘或幾小時)唧喉。
最后，Magma還管理指標(biāo)狀態(tài)忍抽，即來自Magma組件的遙測數(shù)據(jù)八孝。這些數(shù)據(jù)雖然有用，但都是基于盡力而為模型采集的鸠项。
像其他云原生系統(tǒng)一樣干跛，Magma對運行時狀態(tài)和配置狀態(tài)采用了"期望狀態(tài)"模型。意思是祟绊，為了同步所需的狀態(tài)變化(例如楼入，在數(shù)據(jù)平面中增加一個新會話)，其最終狀態(tài)是通過API設(shè)置的牧抽。這與3GPP規(guī)范中常見的"CRUD(創(chuàng)建嘉熊、讀取、更新阎姥、刪除)"接口形成對比记舆。Magma用期望狀態(tài)模型取代了CRUD模型，以簡化部分故障情況下對系統(tǒng)各組件變化的推理呼巴。這是在挑戰(zhàn)環(huán)境中常見的情況泽腮，端到端系統(tǒng)的一部分(如回傳)遠不如其他部分(如UE和RAN之間的鏈接)可靠。下面將通過一個簡單的例子來進一步解釋衣赶。
考慮在AGW中為一組活躍會話建立數(shù)據(jù)面狀態(tài)的情況诊赊。假設(shè)有兩個活躍會話，X和Y府瞄，然后第三個UE接入碧磅，需要建立會話Z碘箍。在CRUD模型中，控制平面將指示數(shù)據(jù)平面"添加會話Z"鲸郊。相比之下丰榴，期望狀態(tài)模型將傳達整個新狀態(tài)："現(xiàn)在會話集合是X、Y秆撮、Z"四濒。CRUD模型在面對故障時很脆弱，如果丟了一個消息职辨，或者某個組件暫時無法接收更新盗蟆，接收端就會與發(fā)送端不同步。因此舒裤，控制平面有可能認為會話X喳资、Y和Z已經(jīng)建立了，而數(shù)據(jù)平面只有X和Y的狀態(tài)腾供。通過發(fā)送所有狀態(tài)仆邓，可以確保一旦接收端能夠再次接收消息，就會重新與發(fā)送端同步台腥。
這種方法在云原生世界中并不新奇宏赘，但與典型的3GPP系統(tǒng)不同，從而允許Magma容忍偶爾的通信失敗(例如由低質(zhì)量回傳引起的失敗)或由于軟件重啟黎侈、硬件故障等導(dǎo)致的組件失效。將3GPP協(xié)議的范圍限制在網(wǎng)絡(luò)的最邊緣闷游，使我們能夠靈活的重新考慮狀態(tài)同步峻汉，以提高容錯能力(此外還有上面提到的其他好處)。
最后脐往，考慮一下Magma如何管理一個特別的策略狀態(tài)：根據(jù)數(shù)據(jù)量向用戶收費休吠，以及重復(fù)消費的可能性∫挡荆基于數(shù)據(jù)量的計費策略通常使用第三方在線收費系統(tǒng)(OCS)來實現(xiàn)瘤礁，該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)運營商現(xiàn)有的業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)(BSS)以及Magma集成。在這種安排下梅尤，計費和收費(billing and charging) 由OCS處理柜思，而Magma處理計量和記賬(metering and accounting) 。OCS跟蹤用戶賬戶余額(如美元)巷燥，然后通過Magma向用戶授權(quán)少量數(shù)據(jù)配額(如1MB)赡盘。當(dāng)用戶接近用完其配額時，Magma代表用戶向OCS申請另一個配額缰揪，OCS決定是否批準(zhǔn)或拒絕該請求陨享。從Magma的角度來看，一個用戶是否被分配了配額是配置狀態(tài)，而用戶當(dāng)前配額的剩余量是運行時狀態(tài)抛姑。因此赞厕，雖然某個惡意用戶有可能通過在AGW之間戰(zhàn)略性移動來實現(xiàn)雙花，但作為商業(yè)決策定硝，允許的最大雙花消費額度是以配額大小為上限的皿桑。對于那些特別關(guān)注這個問題的運營商，也可以在分布式環(huán)境中采用基于容量的記賬技術(shù)[31]喷斋。
3.5. 軟件數(shù)據(jù)平面實現(xiàn)
數(shù)據(jù)平面負責(zé)(i)識別活躍會話的流量(進出活躍UE的流量)唁毒；(ii)收集這些流量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；(iii)添加和刪除隧道頭星爪；以及(iv)執(zhí)行策略浆西，如每個用戶的速率限制。Magma數(shù)據(jù)平面使用Open vSwitch(OVS)[47]實現(xiàn)顽腾，OVS提供了可編程數(shù)據(jù)平面近零，由OpenFlow[39]控制。雖然OpenFlow和OVS是方便的實現(xiàn)選擇抄肖，但不是架構(gòu)的根本久信，未來也可以選擇其他實現(xiàn)。重要的是漓摩，數(shù)據(jù)平面是高度可編程的裙士，并且完全用軟件實現(xiàn)。
數(shù)據(jù)平面的軟件實現(xiàn)使Magma能夠在商用硬件上運行管毙。雖然數(shù)據(jù)平面的吞吐量腿椎、延遲和抖動對蜂窩網(wǎng)絡(luò)很重要，但我們發(fā)現(xiàn)OVS提供了完全足夠的性能夭咬，OVS的性能已經(jīng)被研究和優(yōu)化了很多年[47]啃炸。在第4節(jié)中，我們評估了OVS在Magma環(huán)境中的性能卓舵。值得注意的是南用，系統(tǒng)的其他方面，如回傳和RAN容量掏湾，可能比接入網(wǎng)關(guān)內(nèi)的數(shù)據(jù)平面有更大的總體性能影響裹虫。
圖4中的"數(shù)據(jù)平面配置"生成一組基于規(guī)則對數(shù)據(jù)平面進行編程所需的指令，以處理當(dāng)前會話流忘巧。目前恒界，這些命令都是OpenFlow命令，如果用不同轉(zhuǎn)發(fā)引擎替換OVS砚嘴，那么只有"數(shù)據(jù)平面配置"組件會受到影響十酣。
3.6. 與其他網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合
到此為止涩拙，我們已經(jīng)介紹了Magma的的獨立部署模式，Magma的所有可能的部署模式如下：
- 獨立部署(Standalone) 耸采。Magma支持獨立的網(wǎng)絡(luò)兴泥，所有3GPP控制和用戶平面流量都在AGW中終止。
- 本地分發(fā)漫游(Local breakout roaming) 虾宇。Magma與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合搓彻，控制面流量在外部終止，但用戶面流量仍由AGW處理嘱朽，并直接路由進出互聯(lián)網(wǎng)的流量锣杂。
- 歸屬地漫游(Home roaming) 糜俗。Magma與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合，控制和用戶平面通信都終止在外部網(wǎng)絡(luò)中。
與AGW終止來自無線網(wǎng)絡(luò)的特定接入?yún)f(xié)議一樣苇侵，Magma引入了額外組件來終止與外部核心網(wǎng)絡(luò)的特定接入?yún)f(xié)議竿痰，該組件被稱為聯(lián)盟網(wǎng)關(guān)(FeG, Federation Gateway) 霎终。FeG實現(xiàn)了3GPP定義的接口备典，以支持"歸屬地漫游"和"本地分發(fā)漫游"。AGW中提供了豐富的策略執(zhí)行艰赞，因此后者在Magma中是可能的佣谐。例如，AGW可以通過查詢聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)據(jù)庫獲得適用于UE的策略方妖，然后在AGW中執(zhí)行該策略狭魂。UE和MNO核心網(wǎng)之間的信令流量由編排器中的FeG服務(wù)處理。用戶數(shù)據(jù)面流量通過隧道連接到一個類似組件党觅，即GTP聚合器(GTP-A, GTP Aggregator)趁蕊，它反過來連接到MNO現(xiàn)有的P-GW。
與AGW不同仔役，F(xiàn)eG和GTP-A是路徑上的集中式設(shè)備，這么設(shè)計基于一個實際的目的：傳統(tǒng)的MNO喜歡在敏感的核心網(wǎng)絡(luò)和"擴展"網(wǎng)絡(luò)之間通過單一接入點互連[31]是己。正如第4.3.2節(jié)所討論的又兵，這對可擴展性有影響。
4. 演進
Magma做出了一些與傳統(tǒng)核心網(wǎng)不同的基本設(shè)計選擇卒废，以提高靈活性和可擴展性沛厨，同時支持豐富的網(wǎng)絡(luò)策略，目的是為了支持實際的蜂窩接入部署摔认。為了評估Magma逆皮，我們首先考慮模擬環(huán)境中的系統(tǒng)性能，然后討論大規(guī)模商業(yè)部署参袱。
4.1. 支持典型部署
仿真測試平臺
盡管可以基于小規(guī)模部署評估Magma在實際部署中的性能电谣，但評估有數(shù)百個UE和RAN組件的場景是不切實際的秽梅。此外，由于隱私和商業(yè)考慮剿牺，很難從商業(yè)部署中提取數(shù)據(jù)企垦。因此，我們使用商業(yè)仿真系統(tǒng)Spirent Landslide[53]來評估Magma晒来，該系統(tǒng)允許我們以可復(fù)制的方式仿真虛擬UE和RAN組件的任意配置钞诡。
我們在評估中部署了Magma的最新穩(wěn)定版本，即v1.6.1湃崩，在實驗室的AWS EC2實例集群和兩個AGW上部署了編排器荧降。第一個AGW是裸機AGW，運行在Intel J3160 4核1.6GHz CPU上攒读，有8GB內(nèi)存和4個英特爾I210 1Gbps網(wǎng)卡朵诫。第二個是運行在Intel Xeon 6126 2.60GHz、8GB內(nèi)存和2個10G Mellanox ConnectX-3網(wǎng)卡上的虛擬AGW整陌。我們?yōu)樘摂MAGW分配了可變數(shù)量的vCPU拗窃，下面的實驗中會有定義。裸機和虛擬AGW都直接連接到Landslide模擬器上泌辫，并分別通過1Gbps和10Gbps鏈接連接到互聯(lián)網(wǎng)随夸。我們還驗證了在實驗中，內(nèi)存不是AGW的瓶頸震放，并且編排器部署中的所有機器都在容量閾值下運行宾毒。最后，在所有實驗之前殿遂，模擬UE的模擬SIM卡被預(yù)先配置給編排器和AGW诈铛，這是網(wǎng)絡(luò)運營商部署Magma的典型做法。
與傳統(tǒng)核心網(wǎng)不同墨礁，Magma的AGW與RAN設(shè)備同處一地(例如幢竹，在塔臺站點)，Magma的擴展單位是AGW本身：隨著運營商網(wǎng)絡(luò)增長恩静，既需要增加額外的RAN容量(即無線設(shè)備)焕毫，也需要增加"核心網(wǎng)"容量(即AGW實例)。由于AGW處于與基站相關(guān)的所有流量的路徑上驶乾，AGW的配置應(yīng)該保證基站容量只受到RAN容量的限制邑飒，而不是AGW。這是一個值得注意的點级乐，在一定程度上激發(fā)了Magma的設(shè)計：當(dāng)將核心網(wǎng)功能與RAN網(wǎng)元共址時疙咸，RAN是站點的性能瓶頸。
推薦(典型的)部署方案是每個"基站"有一個AGW风科，在LTE網(wǎng)絡(luò)的情況下撒轮，實際上是由1-3個eNodeB組成乞旦。一個典型eNodeB(如表2或圖2中描述的)最多可以支持96個同時活躍用戶以及最多20MHz無線信道，這個信道容量又對應(yīng)于理想條件下126Mbps的峰值總吞吐量[16]腔召，典型基站最大容量為378Mbps杆查。我們注意到，與基站成本相比臀蛛，AGW的額外成本并不高亲桦，與相關(guān)工作中觀察到的基站成本分類相似[31]。雖然LTE基站的成本變化很大浊仆，而且根據(jù)我們的經(jīng)驗客峭，主要成本是非網(wǎng)絡(luò)，如土地抡柿、電力和塔臺(也稱為"無源基礎(chǔ)設(shè)施")舔琅，一個代表性部署可能包括表2中的硬件，AGW成本占基站有源設(shè)備成本的3%以下洲劣。電力成本在"離網(wǎng)"地點可能特別重要备蚓，但這些成本主要由無線設(shè)備的電力需求驅(qū)動，因此不會受到移動核心網(wǎng)實施的很大影響囱稽。請注意圖2中對太陽能和電池電源的使用郊尝。
Magma必須能夠支持這種類型的工作負荷流昏。我們通過模擬上述基站的峰值負載來評估：共有288個UE以3UE/秒的速率接入(或"附著")到網(wǎng)絡(luò)，然后每個UE以1.5Mbps的速率執(zhí)行簡單的HTTP下載吞获，總負載為432Mbps况凉。圖5展示了結(jié)果，重點是AGW的總CPU利用率和實現(xiàn)的吞吐量各拷。簡單來說刁绒，AGW在大約1.5分鐘內(nèi)接受了所有新用戶的連接請求，之后AGW在UE發(fā)出HTTP請求的時間內(nèi)進入穩(wěn)定狀態(tài)烤黍。在這個實驗中膛锭，UE的平均持續(xù)吞吐量在整個實驗期間達到了預(yù)期的432Mbps，表明性能受到RAN的限制蚊荣，而不是Magma的AGW，和預(yù)期一致莫杈。
我們承認媳叨，其他的RAN配置(包括vRAN/cRAN)也可以存在腥光，許多RAN組件可以有效的同時運行在同一個運營商網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上。Magma可以有效用于這些部署糊秆，分配一個(或多個)AGW來支持一系列RAN設(shè)備武福。然而，到目前為止痘番，沒有大規(guī)模Magma部署使用這種配置(據(jù)我們所知)捉片，Magma可以部署在任何通用計算上(例如，虛擬機或容器)汞舱，與RAN基礎(chǔ)設(shè)施一起運行伍纫。同樣，無線設(shè)備供應(yīng)商可以將AGW集成到與傳統(tǒng)eNodeB相同的物理設(shè)備中昂芜，以實現(xiàn)RAN和AGW組件的整合莹规。
4.2. 控制面與用戶面分離
不同的網(wǎng)絡(luò)使用模式會對核心網(wǎng)用戶平面或控制平面組件造成壓力：前者的一個常見例子是人類用戶訪問視頻內(nèi)容，而后者的例子則是大量設(shè)備組成的物聯(lián)網(wǎng)工作負載泌神，它們只偶爾交換一些小信息良漱。這給傳統(tǒng)蜂窩核心網(wǎng)帶來了重大的可擴展性挑戰(zhàn)，并促使人們努力將控制平面和數(shù)據(jù)平面組件分離欢际，以便運營商可以獨立(靜態(tài)或動態(tài))擴展母市，這在LTE和5G中被稱為"控制/用戶平面分離(CUPS)"。
Magma的分布式設(shè)計很容易實現(xiàn)CUPS架構(gòu)幼苛。默認情況下窒篱，每個AGW在網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面，所有控制平面功能都在AGW上作為用戶空間進程實現(xiàn)舶沿，配置狀態(tài)由編排器管理墙杯。
圖5中我們可以看到AGW在兩個不同的特征域內(nèi)運行。實驗開始時括荡，當(dāng)UE接入網(wǎng)絡(luò)時高镐，AGW的CPU主要處理接入請求相關(guān)的控制平面工作負載，包括執(zhí)行驗證用戶所需的加密操作畸冲，以及在數(shù)據(jù)平面和控制平面設(shè)置用戶嫉髓、會話的狀態(tài)，為UE實現(xiàn)所需策略邑闲。根據(jù)我們的經(jīng)驗算行，這是計算最密集的控制平面流程。當(dāng)UE接入后苫耸，CPU主要處理與轉(zhuǎn)發(fā)UE流量有關(guān)的用戶平面工作負載州邢。
圖6說明了裸機AGW是如何應(yīng)對"最壞情況"時的控制平面工作負載的，即新UE激增褪子，然后造成數(shù)據(jù)平面飽和量淌。我們將連接成功率(CSR骗村，connection success rate) 定義為實驗期間每5秒鐘的連接嘗試總數(shù)中，成功的連接嘗試數(shù)量呀枢。我們觀察到胚股，在超過2UE/s時，裸機AGW無法為所有連接嘗試提供服務(wù)裙秋，連接成功率(CSR)在超過這一點時呈線性下降琅拌。在每個AGW的基礎(chǔ)上，Magma的控制平面性能相對有限,工程上正在積極改善這一點残吩。接入率也是硬件的一個功能：虛擬AGW的4個vCPU實例支持每秒16次接入财忽，這將使上述"典型"站點的RAN容量在18秒內(nèi)達到飽和。
最后，考慮每個AGW對控制和用戶平面的資源分配蛹锰。為了做到這一點深胳，我們靜態(tài)限制了用戶平面可用的內(nèi)核數(shù)量，并評估了穩(wěn)態(tài)吞吐量和中位連接成功率铜犬，結(jié)果顯示在圖7和圖8中舞终。請注意，實驗使用的是虛擬機AGW癣猾，因此絕對吞吐量數(shù)字與早期實驗沒有可比性敛劝。我們觀察到，增加用戶面可用內(nèi)核可以提高穩(wěn)態(tài)吞吐量纷宇，代價是降低連接成功率(即控制面性能)夸盟，但是允許內(nèi)核調(diào)度器在用戶面和控制面任務(wù)之間靈活分配資源，可以提供高吞吐量和良好的連接成功率像捶。我們注意到上陕，可以將用戶面性能提高到超過當(dāng)前所顯示的性能，不過我們用的商業(yè)測試設(shè)備無法產(chǎn)生超過2.5Gbps的總負載拓春。
綜合仿真結(jié)果表明释簿，Magma可以用低成本商品硬件處理典型工作負載。對于更密集的工作負載硼莽，Magma的控制面和用戶面容量可以隨著額外的硬件而擴展辕万。最后我們注意到，這些結(jié)果為單個Magma AGW的性能定義了一個上限，Magma網(wǎng)絡(luò)的容量與AGW呈線性擴展關(guān)系渐尿。
4.3. 部署
接下來看看Magma的大型商業(yè)部署。首先請注意矾瑰，Magma是一個由Linux基金會管理的開源項目砖茸，因此核心開發(fā)團隊(包括本文作者)并不直接運維任何生產(chǎn)部署，所有例子來自項目生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的合作伙伴殴穴。
Magma的采用情況凉夯。 為了了解Magma在實踐中的使用情況，我們采訪了兩位在Magma開源項目的產(chǎn)品管理和營銷部門工作的人采幌，他們經(jīng)常與運營商以及Magma生態(tài)系統(tǒng)中的其他商業(yè)實體交流劲够。根據(jù)我們的討論，截至2022年2月休傍，在非洲征绎、亞洲、北美和南美的8個國家磨取，有20個商業(yè)網(wǎng)絡(luò)正在使用Magma運營人柿。這些網(wǎng)絡(luò)支持一系列接入模式和策略。例如忙厌，Magma已被用于為WiFi熱點提供回傳的網(wǎng)絡(luò)凫岖，為家庭和企業(yè)提供固定無線寬帶，將傳統(tǒng)移動運營商的服務(wù)擴展到室內(nèi)WiFi的"運營商"WiFi逢净，以及傳統(tǒng)移動寬帶服務(wù)哥放。今天，Magma代碼庫有大約100個活躍提交者爹土。
Magma的部署情況甥雕。 為了展示Magma的使用情況，我們與最大的商業(yè)實體之一FreedomFi合作着饥，為部署Magma的運營商提供支持犀农。FreedomFi提供了兩個重要部署的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過了去標(biāo)識化處理宰掉，我們在分析中只使用運營數(shù)據(jù)(而不是用戶數(shù)據(jù))呵哨。
4.3.1. 固定無線熱點
FreedomFi的首批商業(yè)部署之一是AccessParks[1]，一家位于美國的運營商轨奄，在大型戶外區(qū)域提供公共WiFi熱點網(wǎng)絡(luò)孟害，在他們部署的地方需要多個WiFi接入點(AP)以提供一致的服務(wù)。隨著CBRS頻譜的出現(xiàn)挪拟，AccessParks試圖用LTE為其中某些大型部署的WiFi熱點提供回傳服務(wù)挨务。終端用戶通過傳統(tǒng)WiFi機制和現(xiàn)有受控門戶系統(tǒng)連接到AccessParks的WiFi接入點，而Magma網(wǎng)絡(luò)中的UE是固定無線調(diào)制解調(diào)器，將WiFi AP連接到互聯(lián)網(wǎng)谎柄。圖10說明了該設(shè)置丁侄。
AccessParks于2020年12月開始部署10個試點站點筷黔，以評估Magma。今天仗颈，該網(wǎng)絡(luò)由14個站點組成佛舱，為200多個接入點提供回傳服務(wù)，并計劃繼續(xù)擴大揽乱。圖9介紹了網(wǎng)絡(luò)活躍用戶和每小時吞吐量名眉。
AccessParks網(wǎng)絡(luò)策略非常簡單。因為LTE網(wǎng)絡(luò)只是作為回傳凰棉，所有UE的訪問都可以不受限制损拢。每個用戶的策略由AccessParks預(yù)先配置在使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(即WiFi接入點AAA的RADIUS)的專屬門戶和預(yù)付費計費軟件中。
運維復(fù)雜性撒犀。 AccessParks最初試點Magma的部分動機是他們在前兩年的部署中對其他商業(yè)和開源蜂窩核心軟件運維復(fù)雜性的不良體驗福压。雖然運維復(fù)雜性是主觀的，但表現(xiàn)出來的一個可量化指標(biāo)是運營商的勞動力成本或舞，更簡單的系統(tǒng)應(yīng)該需要更少的員工時間和支持來管理荆姆，表3顯示了AccessParks的比較結(jié)果。對于相同的接入網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施映凳，與傳統(tǒng)架構(gòu)相比胆筒，AccessParks使用Magma的持久性部署成本減少了43%，主要受益于支持成本和站點配置和規(guī)劃工程時間的減少诈豌。
4.3.2. 特許加盟MNO(Franchised MNO Extension)
第二個(據(jù)我們所知也是最大的)Magma部署是一個早期階段部署彤蔽，以提供一個特許、中立主機網(wǎng)絡(luò)庙洼，其獨特之處在于顿痪，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的實際部署不由任何一個網(wǎng)絡(luò)運營商管理镊辕。相反，"微型網(wǎng)絡(luò)運營商"(包括個人蚁袭、小型ISP和企業(yè))將LTE和5G RAN設(shè)備與FreedomFi定制的Magma AGW一起部署征懈，以支持其專有的流量計費和結(jié)算系統(tǒng)。
服務(wù)和策略揩悄。 中立主機網(wǎng)絡(luò)由FreedomFi運營受裹，允許現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)運營商客戶使用該網(wǎng)絡(luò)進行服務(wù)。該網(wǎng)絡(luò)支持的核心"策略"是將所有用戶流量傳回適當(dāng)?shù)囊苿泳W(wǎng)絡(luò)運營商虏束，而用戶的移動網(wǎng)絡(luò)運營商則在其現(xiàn)有核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用其標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)策略進行計費、收費和流控厦章。FreedomFi網(wǎng)絡(luò)在盡力而為基礎(chǔ)上提供接入镇匀，每個微型網(wǎng)絡(luò)運營商利用3.5GHz頻段的共享CBRS[17]頻譜(如之前介紹的部署)。這項服務(wù)需要將數(shù)以千計的分布式AGW與合作伙伴MNO的集中式核心網(wǎng)整合起來袜啃，需要利用第3.6節(jié)中介紹的聯(lián)盟功能汗侵。
規(guī)模。 截至目前群发，該網(wǎng)絡(luò)仍處于早期測試階段晰韵，所以沒有大規(guī)模用戶流量。然而熟妓，仍然提供了一個有用的例子雪猪，說明Magma控制平面如何隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而擴大。即使沒有用戶起愈，Magma仍然管理設(shè)備配置只恨、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，并支持與合作伙伴MNO核心網(wǎng)的互連抬虽。
FreedomFi網(wǎng)絡(luò)于2021年11月開始初步部署官觅，截至2022年4月，由5370個AGW和880個eNodeB組成(FreedomFi報告說阐污，AGW和eNodeB數(shù)量的差異是由于供應(yīng)鏈問題休涤，AGW是商品X86 PC，而蜂窩無線電是專業(yè)設(shè)備笛辟，供應(yīng)商較少功氨，該網(wǎng)絡(luò)中使用的設(shè)備2022年1月才開始發(fā)貨)。目前隘膘，該網(wǎng)絡(luò)平均每周增加150個新的AGW和90個新的eNodeB疑故，所有這些都由微型網(wǎng)絡(luò)運營商臨時部署，分布在全美45個州弯菊。
有一個專門的編排器支持這個網(wǎng)絡(luò)纵势，運行在6個由Kubernetes(EKS)管理的AWS虛擬機上[18]踱阿。其中3個實例專門用于"重量級"任務(wù)，如運行FeG钦铁、配置設(shè)備和報告指標(biāo)软舌，這些系統(tǒng)都配備了16個vCPU和32GB內(nèi)存。其余編排器服務(wù)運行在一個較小的虛擬機集合上(4 vCPU/16GB RAM)牛曹。GTP-A運行在一臺帶有3.4GHz 8核至強E2278G CPU佛点、32GB RAM和2x10G網(wǎng)卡的裸機服務(wù)器上，并部署在合作伙伴MNO的核心網(wǎng)設(shè)施附近黎比〕總體來說，F(xiàn)reedomFi每月運營成本約為4000美元阅虫。
我們認為該網(wǎng)絡(luò)的快速部署謹(jǐn)慎證明了Magma有能力支持具有獨特商業(yè)模式的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)演闭，希望在未來的工作中能進一步研究這個網(wǎng)絡(luò)的運行動態(tài)。
5. 相關(guān)工作
開源LTE/5G核心網(wǎng)颓帝。 有幾個項目與我們目標(biāo)一致米碰，即創(chuàng)建一個開源的LTE/5G蜂窩核心網(wǎng)[4, 9, 10, 13]。在這些項目之前购城，也有類似的努力來建立開放的2G和3G網(wǎng)絡(luò)[11, 12]吕座。除了OpenBTS[11] (一個GSM到VOIP的橋接)，每一個都專注于實現(xiàn)傳統(tǒng)的瘪板、符合3GPP標(biāo)準(zhǔn)的核心網(wǎng)絡(luò)吴趴。Aether[2, 43]是一個開源5G連接邊緣平臺，集成了5G連接和邊緣云服務(wù)器篷帅。與Magma一樣史侣，Aether采用云原生設(shè)計原則，然而并沒有重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計以打破無線接入技術(shù)與核心網(wǎng)的耦合魏身，而且Aether并不關(guān)注低成本設(shè)備以覆蓋服務(wù)不足的用戶惊橱。
擴展網(wǎng)絡(luò)連接。 已經(jīng)提出了很多新的建議及解決方案箭昵，以擴大互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)税朴，為邊緣人群服務(wù)[25, 30, 44, 45, 48, 55, 56]。同樣家制，如社區(qū)網(wǎng)絡(luò)[3, 6, 7, 21]和小型ISP[32]等小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)運營商有豐富的為農(nóng)村社區(qū)提供服務(wù)[27]的歷史正林。在這些廣泛領(lǐng)域中，Magma與社區(qū)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工作關(guān)系最為密切[19, 33, 51]颤殴。
NextG蜂窩核心架構(gòu)觅廓。 網(wǎng)絡(luò)研究界正在積極思考下一代網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。PEPC[50]通過將用戶狀態(tài)整合到一個位置來重構(gòu)分組核心網(wǎng)涵但，其精神與Magma的AGW相似杈绸。ECHO[40]重構(gòu)了EPC帖蔓，以在不太可靠的公共云基礎(chǔ)設(shè)施上運行。SCALE[20]探索了可彈性擴展的蜂窩控制平面瞳脓，KLEIN[49]介紹了類似的彈性控制和數(shù)據(jù)平面塑娇。雖然這些工作都集中在(邏輯上)中心化的核心網(wǎng)，但所介紹的技術(shù)也是對Magma的有益補充劫侧。
其他工作采取了更"干凈"的方法來重新設(shè)想蜂窩核心網(wǎng)埋酬。CellBricks[38]考慮了高度聯(lián)合的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，并將對移動性烧栋、認證和計費的支持轉(zhuǎn)移到終端主機写妥，其實現(xiàn)為Magma的擴展。SoftCell[34]采用SDN原則來提高分組核心網(wǎng)的可擴展性和靈活性审姓。Magma借鑒了這些工作的靈感耳标，同時保持了向后兼容的、符合標(biāo)準(zhǔn)的邊緣邑跪，以促進生產(chǎn)部署。
Magma的想法直接源自最近對服務(wù)不足社區(qū)的核心架構(gòu)探索工作呼猪。CCM[31]提出了分布式的蜂窩2G核心網(wǎng)画畅，能夠在不可靠的農(nóng)村回傳連接上實現(xiàn)半斷開操作，這項工作是Magma的早期靈感來源宋距，并將這些概念擴展到現(xiàn)代無線接入技術(shù)轴踱。同樣，CoLTE[52]提供了一個輕量級核心網(wǎng)谚赎，和AGW一樣淫僻，與RAN網(wǎng)元共處一地，但與Magma不同的是壶唤，它側(cè)重于小型雳灵、獨立的社區(qū)網(wǎng)絡(luò)。
開放無線接入網(wǎng)闸盔。 最近的一些倡議集中在開放無線接入網(wǎng)悯辙。例如，OpenRAN項目[59]和O-RAN聯(lián)盟[8,41]制定了解耦的3GPP RAN標(biāo)準(zhǔn)迎吵，各層之間有開放接口躲撰。這些努力是對Magma的補充，專注于蜂窩接口击费，即Magma接入網(wǎng)關(guān)之前的那部分網(wǎng)絡(luò)拢蛋。
6. 結(jié)論
本文介紹了我們在設(shè)計和部署Magma方面的經(jīng)驗，Magma是用于構(gòu)建接入網(wǎng)絡(luò)的開源平臺蔫巩，其最重要的設(shè)計決定是在靠近無線的接入網(wǎng)關(guān)中終止特定的RAN協(xié)議谆棱，這個簡單的設(shè)計決定帶來了許多好處：支持不同的無線技術(shù)快压，容忍回傳鏈路的中斷，使用低成本軟件數(shù)據(jù)平面础锐，并通過分層SDN控制平面實現(xiàn)自然擴展嗓节。Magma還采用了現(xiàn)代云計算設(shè)計模式(例如，期望狀態(tài)同步皆警，容忍單個組件故障)和開源軟件組件(例如拦宣，gRPC、Open vSwitch信姓、Kubernetes鸵隧、Prometheus)筹燕。根據(jù)Magma支持實用網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)犁苏，我們展示了Magma可以支持的典型部署場景，并討論了兩個基于Magma的大規(guī)模商業(yè)網(wǎng)絡(luò)寺董。重要的是菊值，Magma還可以縮小規(guī)模外驱，其最小占地面積小，支持增量部署腻窒，從而填補了傳統(tǒng)WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)之間的空白昵宇。Magma的所有軟件組件都可以在GitHub(https://github.com/magma/magma)上找到。
Magma的主要設(shè)計目標(biāo)是通過支持異構(gòu)無線和回傳技術(shù)儿子，降低資本和運營成本瓦哎，覆蓋服務(wù)不足的社區(qū)。我們相信柔逼，Magma也很適合其他部署場景蒋譬，包括企業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)。Magma未來的工作是擴大支持的功能集愉适，包括接入網(wǎng)關(guān)之間的無縫移動性以及網(wǎng)絡(luò)虛擬化犯助。我們期待著擴展Magma代碼庫，以及軟件貢獻者社區(qū)维咸，從而發(fā)展平臺為更多用戶服務(wù)也切。
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