Slide 1: 耐障害性を重視した自律分散モバイルシステム
耐障害性を重視した 自律分散モバイルシステム NS 研究会＠沖縄コンベンションセンター †渡邊 大記, †島 慶一, †堀場 勝広 †SoftBank Corp. 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 1
Slide 2: 背景：社会インフラとしてのモバイルシステム
背景：社会インフラとしてのモバイルシステム CN: Core Network RAN: Radio Access Network ⚫ 正常に稼働し続けることが最重要 ∘ 1000万オーダーの加入者が接続する巨大通信システム ⚫ 避けようのない障害の存在 ∘ 原因：物理的な設備故障、自然災害（特に日本） ∘ 障害発生を前提とすることが必要 ⚫ 現在のモバイルシステムは耐障害性に課題あり ∘ CN (制御部) が輻輳に弱い（規模性が低い） ∘ RAN-CN の分断に弱い（耐分断性が低い） 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 2
Slide 3: 背景：社会インフラとしてのモバイルシステム
背景：社会インフラとしてのモバイルシステム CN: Core Network RAN: Radio Access Network 正常に稼働し続けることが最重要 耐障害性を重視したモバイルシステムが重要 ⚫ ∘ 1000万オーダーの加入者が接続する巨大通信システム ⚫ 避けようのない障害の存在 モバイルシステムの性質の整理が必要 ∘ 原因：物理的な設備故障、自然災害（特に日本） ∘ 障害発生を前提とすることが必要 その上で耐障害性を設計に組み込むことが必要 ⚫ 現在のモバイルシステムは耐障害性に課題あり ∘ CN (制御部) が輻輳に弱い（規模性が低い） ∘ RAN-CN の分断に弱い（耐分断
Slide 4: モバイルシステムの性質・挙動
モバイルシステムの性質・挙動 UE: User Equipment (端末) ⚫ 音声通話サービスを発端（今はデータ通信も存在） ∘ 誰が、どのくらいの時間、回線を利用していたか？の把握と密接な関係 ∘ 認証・認可・アカウンティング（AAA）として整理 ⚫ UE が無線基地局を切り替えながら通信を継続 ∘ どの基地局からどの基地局へ端末と回線(Session)を引っ越す？の制御 ∘ UE/Session Mobility として整理 ⚫ 対向との間にポリシを適用した通信が存在 ∘ 端末がどこに移動しても通信相手との間にポリシを適用した通信路が発現する ∘ User Plane（U-plane）
Slide 5: モバイルシステムの性質・挙動
モバイルシステムの性質・挙動 モバイルシステムは 音声通話サービスを発端（現在はデータ通信も存在） (i). AAA によって保証される情報を、 ⚫ ∘ 誰が、どのくらいの時間、回線を利用していたか？の把握と密接な関係 (ii). UE/Sess. Mobility に応じて共有し合い、 ⚫ 端末が無線基地局を切り替えながら通信を継続 ∘ どの基地局からどの基地局へ端末と回線を引っ越す？の制御 (iii). 結果として U-plane が発現する ⚫ 通信相手との間に接続性が存在 ∘ 端末がどこに移動しても接続性が維持される という３大要件を持った通信システムだと整理 2024/02/29 -
Slide 6: 標準的な 5G System (5GS)
標準的な 5G System (5GS) NF: Network Function ⚫ UE/RAN/CN から構成 ∘ RAN-CN 間は SCTP 接続 ∘ UE：CN 内では IMSI で識別 ∘ CN は NF による マイクロサービスアーキテクチャ • NF の役割ごとに個別管理される UE Context の整合性が重要 UE の状態を示す揮発性データ 暗号鍵、seq 番号、認証情報、 UE IP Addr.、 無線区間 ID 等 2024/02/29 -- 2024/03/01 認証認可、位置登録、回線確立までの流れ(簡略版) © SoftBank Corp. 6
Slide 7: 標準的な 5G System (5GS)
標準的な 5G System (5GS) IMSI IMSI Auth UE IP IMSI 無線区間ID Auth IMSI Param Addr ⚫ UE/RAN/CN から構成 ∘ RAN-CN 間は SCTP 接続 ∘ UE：CN 内では IMSI で識別 ∘ CN は NF による 整合性を取らなければならない マイクロサービスアーキテクチャ 複数のデータが分散している • NF の役割ごとに個別管理される UE Context の整合性が重要 UE の状態を示す揮発性データ 暗号鍵、seq 番号、認証情報、 UE IP Addr.、 無線区間 ID 等 2024/02/29 --
Slide 8: CN が輻輳に弱い（規模性が低い）
CN が輻輳に弱い（規模性が低い） 1000万台 10万局 数か所 ⚫ AMF への過集中 ∘ UE(107台)：AMF(<数ヶ所) 2024/02/29 -- 2024/03/01 認証認可、位置登録、回線確立までの流れ(簡略版) © SoftBank Corp. 8
Slide 9: CN が輻輳に弱い（規模性が低い）
CN が輻輳に弱い（規模性が低い） UE Context の 整合性が重要なため 1000万台 10万局 数か所 ⚫ AMF への過集中 ∘ UE(107台)：AMF(<数ヶ所) ⚫ 1 req 処理するために 複数 NF 間で msg 交換 ∘ 各 NF は req に対して トランザクション処理 ∘ 失敗時にはロールバック処理 平常時も高コストなメッセージ交換 問題発生時にはさらに輻輳しやすい 2024/02/29 -- 2024/03/01 認証認可、位置登録、回線確立までの流れ(簡略版) © SoftBank Corp. 9
Slide 10: RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い)
RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い) 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. TN: Transport Network (キャリア網) 10
Slide 11: RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い)
RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い) データ通信路 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. TN: Transport Network (キャリア網) 11
Slide 12: RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い)
RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い) データ通信路 ⚫ TN に障害発生 ∘ 一部 RAN が CN から分断 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. TN: Transport Network (キャリア網) 12
Slide 13: RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い)
RAN-CN の分断に弱い (耐分断性が低い) データ通信路 ⚫ TN に障害発生 ∘ 一部 RAN が CN から分断 ∘ 多くの RAN は無線を停止 ∘ 結果：UE が通信障害 障害点が UE のデータ通信路に 無関係な場合でも通信障害 分断地域内の通信も移動も不可能 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. TN: Transport Network (キャリア網) 13
Slide 14: モバイルシステムが抱える耐障害性の課題
モバイルシステムが抱える 耐障害性 の課題 ⚫ 本発表における耐障害性：「規模性」 と 「耐分断性」 ∘ 物理破損や災害由来の障害は起こってしまう ⚫ 耐障害性を備えたモバイルシステムの設計が重要 ∘ 規模性がある・・・そもそも輻輳しづらいアーキテクチャ ∘ 耐分断性がある・・・部分的な分断が起きても可能な限り通信サービス継続 ∘ 耐障害性の性質 + モバイルシステム3大要件 を満足する必要あり • 耐障害性 + AAA、Mobility、U-plane 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 14
Slide 15: 比較：通信システムとしてのインターネット
比較：通信システムとしてのインターネット AS: Autonomous System ⚫ AS による世界最大の通信システム ∘ AS 内・AS間の通信に障害が発生してもインターネットは機能する自律分散性 ∘ モバイルシステムと比較して 規模性・耐分断性 に優れる ⚫ 経路制御と TCP/IP に基づく通信モデル ∘ 端末の IP Addr. をもとに BGP/IGP による 外部AS-LAN 間の到達性 ∘ 端末の IP Addr. を ARP で解決する LAN 内の端末特定 提案 インターネットのモデルを参考にした 耐障害性を重視した自律分散モバイルシステム 2024/02/29 --
Slide 16: 自律分散モバイルシステム（ADMobile）
自律分散モバイルシステム（ADMobile） ⚫ RAN に CN 機能を統合 ∘ C-plane に関する RAN Core Convergence • CN U-plane の配置は問わない ∘ RAN ごとに UE context 管理 • 全種類が IMSI に対応づく • UE あたりの整合性管理場所が1か所 ∘ 加入者DBのみ中央 Autonomous Decentralized Mobile System 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 16
Slide 17: 自律分散モバイルシステム（ADMobile）
自律分散モバイルシステム（ADMobile） ⚫ RAN に CN 機能を統合 IMSI 無線区間ID UE IP ∘ C-plane に関する Addr Auth RAN Core Convergence • CN U-plane の配置は問わない ∘ RAN ごとに UE context 管理 • 全種類が IMSI に対応づく • UE あたりの整合性管理場所が1か所 ∘ 加入者DBのみ中央 Autonomous Decentralized Mobile System 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 17
Slide 18: ADMobile の規模性
ADMobile の規模性 1000万台 10万局 ⚫ そもそも輻輳しづらい ∘ 加入者DBへの問い合わせ以外 各 RAN 内で CN C-plane が完結 ∘ UE Context の整合性管理が 各 RAN で完結 ∘ UE:RAN=100:1（局所化） Autonomous Decentralized Mobile System 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 18
Slide 19: ADMobile の耐分断性
ADMobile の耐分断性 ⚫ 分断されてもなるべく 通信サービスを継続 ∘ RAN-CN 分断が存在しない • 無線を停止しない ∘ 分断エリア内の通信可能 • 分断エリア内の移動も可能 ∘ RAN 主導で使用する CN U-plane を制御可能 • 障害点を回避可能 • その先に IX や Starlink があれば インターネットに抜けることも可能 Autonomous Decentralized Mobile System 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 19
Slide 20: 参考：3GPP 標準な構成要素との対応関係
参考：3GPP 標準な構成要素との対応関係 ⚫ CN C-plane ∘ AMF/SMF など一連の NF ⚫ CN U-plane ∘ I-UPF、PSA-UPF 3GPP 標準の構成要素と 完全に対立するわけではない Autonomous Decentralized Mobile System 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 20
Slide 21: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス 初期登録 初期認証認可 （加入者DBへアクセス） 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 21
Slide 22: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE Context 生成 UE Context が有効な限り UE は通信サービス利用可能 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 22
Slide 23: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス 回線確立要求 （加入者DBへアクセス） 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 23
Slide 24: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE IP Addr UE Context の更新 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 24
Slide 25: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス 無線区間ID UE IP Addr CN C-plane が UE Context を CN U-plane に配布 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 25
Slide 26: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE IP Addr U-plane の発現処理 ポリシを適用した 通信路の成立 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 26
Slide 27: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE IP 無線区間ID Addr UE Context の更新 無線区間IDと UE IP Addr の対応付け （ARP に類似） 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 27
Slide 28: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE IP 無線区間ID Addr ハンドオーバ 発生 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 28
Slide 29: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス 無線区間ID UE IP Addr RAN-RAN 間で UE Context 全種を 転送 例：Xn Interface UE IP 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 29 Addr
Slide 30: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UE IP Addr UEはAD-RAN#A に属するらしい 移動先 RAN との 無線接続完了 U-plane は 三角ルーティング UEはAD-RAN#A に属するらしい 無線区間ID UE IP Addr 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 30
Slide 31: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス UEはAD-RAN#B に属するらしい 再度 U-plane の発現処理 ポリシを適用した 通信路の収束 UEはAD-RAN#B 無線区間ID UE IP に属するらしい Addr 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 31
Slide 32: ADMobile における一連の利用シーケンス
ADMobile における一連の利用シーケンス Central Cloud への 到達性が消失 ポリシを適用した 通信路の自律的収束 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 32
Slide 33: 関連研究
関連研究 ⚫ Client-Server 型 ∘ RAN-CN 間接続が存在 • 耐分断性に課題 • NF 型は規模性にも課題 ∘ Magma のみ例外 • ただし現状 大規模な 移動管理はスコープ外 ⚫ DC-SBA ∘ C-plane RAN-CN Conv. • データ種別に応じて動的に計算場所を制御 モバイルシステムの分類 • RAN-CN 分断時に強いわけではない 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 33
Slide 34: まとめ
まとめ ⚫ 今のモバイルシステムの耐障害性における2つの課題 ∘ 規模性が低い、耐分断性が低い ⚫ インターネットは世界最大の通信システム ∘ 規模性と耐分断性に優れる（自律分散協調） ⚫ 自律分散モバイルシステムの提案 ∘ モバイルシステムの要件の整理：AAA、Mobility、U-plane ∘ インターネットのような仕組みで要件を成立させる ⚫ 今後の目標：プロトタイプ実装と規模性・耐分断性の評価 2024/02/29 -- 2024/03/01 © SoftBank Corp. 34
Slide 35: SoftBank Corp. Research Institute of Advanced Technology
SOFTBANK CORP. RESEARCH INSTITUTE OF aren ADVANCED TECHNOLOGY