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Une passerelle convergente pour assurer une convergence fixe mobile totale

Les réseaux mobiles sont aujourd’hui très centralisés et comptent un petit nombre d’équipements, appelés Packet Gateways (PGW), qui permettent d’accéder à Internet. Actuellement le trafic mobile est bien moins important que le trafic issu des réseaux fixes, et ce même en période de pic de trafic où les quelques PGW suffisent encore à écouler tout le trafic cellulaire en France. Mais dans un futur proche il est probable que le trafic issu des réseaux sans fil,  en constante augmentation, atteindra des pointes de trafic bien plus élevées qu’aujourd’hui. Cela s’explique notamment par l’utilisation massive de services gourmands en bande passante et accessibles par le réseau , en particulier les services offerts par les acteurs de l’Internet tels que Google.

De plus, les utilisateurs se connectent massivement à Internet avec des terminaux mobiles (tablettes, smartphones, clés, etc.) via leur interface Wi-Fi ou cellulaire (3G/4G/5G). Ils ne prêtent d’ailleurs plus attention aux types d’accès et désirent avant tout utiliser leurs services quel que soit l’endroit où ils se trouvent et quel que soit la technologie d’accès radio.

Le trafic de données cellulaire traverse aujourd’hui le réseau de collecte mobile et le réseau cœur mobile (evolved packet core), défini par les standards du 3GPP, en venant d’Internet, alors que le trafic de données des points d’accès Wi-Fi (en particulier celui des passerelles domestiques) passe par le réseau de collecte du réseau fixe (défini par le Broadband Forum). Les réseaux fixes et cellulaires ont aujourd’hui des architectures largement distinctes, des modèles économiques différents (forfait dans le fixe, offre au volume dans le mobile), des procédures d’authentification propres. Il est donc à l’heure actuelle toujours difficile de passer d’une technologie d’accès à une autre sans casser la session de service en cours. C’est d’autant plus dommageable que les opérateurs cherchent à d’offrir une couverture complète en déployant massivement des réseaux cellulaires de toutes tailles (macro, small et femto cells) et des points d’accès Wi-Fi privés ou opérateur.

Pour remédier à ce problème, une nouvelle entité fonctionnelle nommée passerelle convergente, ou Convergent Gateway (voir keynote et vidéo),  a été définie et assure la complète convergence des accès filaires et sans fil (Wi-Fi et cellulaire) et la collecte des différents types de trafic pour offrir une connectivité sans couture.

Cet élément développé en collaboration avec l’Institut de Recherche Technologique b<>com localisé à Rennes, Lannion et Brest est construit sur la base d’une source logicielle en « open source » sous forme de modules qui peuvent être instanciés sur des machines virtuelles. La Convergent Gateway sépare clairement les points de terminaison des plans de contrôle et de transfert, allant au-delà de l’état de l’art actuel de séparation de ces deux plans, pour transporter dès que possible les paquets de données vers le réseau de collecte IP et éviter les goulets d’étranglement du réseau.

La composante du plan de transfert de la Convergent Gateway peut être localisée avec les fonctions du NGPoP et implémente des fonctions de terminaison de tunnel (GTP-U, PPP, GRE, VLAN etc.) et des fonctions de manipulation de paquets (destruction, marquage, priorisation, etc.). Les fonctions du plan de contrôle effectuent par exemple des fonctions d’authentification, d’autorisation, de gestion de mobilité, d’allocation d’adresse, de contrôle Wi-Fi. Celles-ci peuvent être hébergées dans le cloud ou dans le fog (cloud fortement distribué), par exemple dans des serveurs qui seront disponibles dans les PoP de nouvelle génération.

Comme la Convergent Gateway est un ensemble de modules logiciels en open source, elle peut être instanciée à la volée sur des machines virtuelles par un OS de réseau aussi connu sous le nom de GlobalOS (voir l’article sur GlobalOS). La Convergent Gateway devient alors un composant structurel du GlobalOS pour assurer un accès universel au réseau. Une prochaine étape de développement de la Convergent Gateway et du GlobalOS consistera à instancier cette passerelle dans des équipements terminaux (box, smartphone..). Ces équipements ne sont pas aujourd’hui considérés comme faisant partie du réseau mais en y instanciant une telle passerelle nous pourrons étendre notre réseau en construisant des domaines permettant d’établir des communications D2D (device-to-device) et D2I (device-to-infrastructure).

Un premier prototype de Convergent Gateway est développé par b<>com et est disponible depuis fin 2015. Les développements effectués par b<>com reposent sur des travaux de recherche menés à Orange Labs Recherche  sur l’évolution du plan de contrôle pour la 5G qui est un enjeu majeur pour Orange dans lequel Orange Labs Recherche est très impliqué.  Le prototype développé intègre des bases logicielles en open source comme le réseau cœur mobile (EPC) virtualisé conçu par le consortium Open Air Interface et un contrôleur Wi-Fi d’OpenCAPWAP.

Cet article a été rédigé en collaboration avec Xavier Priem (b<>com).

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