Architectures 3GPP et évolution vers IPv6

Dans les réseaux mobiles de troisième génération, le trafic de voix est séparé du trafic de données. Dans les réseaux de quatrième génération, tout le trafic passe par un unique réseau. Les technologies utilisées dans la 4e génération (4G) sont des évolutions de celles développées pour General Packet Radio Services (GPRS) et n'utilisent que très peu les capacités du protocole Internet Protocol (IP) (présent sur le plan de données). La norme IP version 6 (IPv6), finalisée en décembre 1998, définit le nouveau standard du protocole IP. Elle simplifie le protocole et augmente ses fonctionnalités, elle facilite notamment le support de la mobilité. Aujourd'hui les principaux protocoles étendant IPv6 ou l'utilisant pour fournir de la mobilité sont Mobile IPv6 (MIPv6) et Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6). Malgré cette évolution de IP, le réseau 4G développé par le consortium Third generation partnership project (3GPP) utilise, pour gérer la mobilité des usagers, le protocole GPRS Tunneling Protocol (GTP) développé à la base pour GPRS. Il gère aussi en partie la Quality of Service (QoS) sur le réseau cœur Evolved Packet Core (EPC). Les techniques de QoS permettent de différentier les trafics transitant sur le réseau et de leur appliquer des restrictions et/ou priorités différentes. Ces techniques sont généralement utilisées sur des réseaux susceptibles d'être saturés, ce qui est le cas dans les réseaux mobiles. Elles sont donc très importantes sur le réseau Evolved Packet System (EPS) d'autant plus que celui-ci transporte du trafic de voix. Le trafic de voix est critique, car la fonction première des réseaux mobiles est de connecter des téléphones cellulaires au Public Switched Telephone Network (PSTN). Le réseau doit aussi permettre un accès à un dorsal IP couramment appelé Internet, en théorie n'importe quel type de trafic peut y circuler : vidéo, web, File Transfer Protocol (FTP), Peer-to-Peer (P2P), etc. Dans le protocole GTP des tunnels sont créés pour chaque usager, appelé User Equipment (UE), les tunnels d'un même UE ayant chacun une QoS différente. Mais tous les paramètres de QoS ne sont pas appliqués par le protocole GTP, certains comme la priorité de transmission (forwarding priority) doivent être gérés par les couches inférieures du réseau. Les techniques de QoS à utiliser ne sont pas définies par 3GPP, en revanche des documents comme le 23.401 [8] mentionnent Differentiated Services (DiffServ) comme exemple. Le protocole PMIPv6 a l'avantage sur MIPv6 de ne pas modifier les fonctionnalités de la couche IPv6 du nœud mobile. De base il n'utilise qu'un tunnel entre un Mobile Access Gateway (MAG) et un Local Mobility Anchor (LMA) (voir section 2.2.3 pour plus d'explications) pour acheminer le trafic de tous les terminaux attachés au MAG. L'utilisation d'un seul tunnel empêche la différentiation des trafics et donc l'utilisation des méthodes de QoS classiques. C'est pourquoi Hui et al. [70] propose de modifier le protocole PMIPv6 pour permettre la création d'un tunnel par flux, de façon à permettre l'application de règles de QoS différentes. En nous inspirant de ces modifications nous pouvons donc transformer le protocole PMIPv6 de façon à ce qu'il supporte les mêmes fonctionnalités que GTP User data tunneling (GTP-U). Le protocole IPv6 est actuellement géré par quasiment tous les systèmes d'exploitation et les adresses IP version 4 (IPv4) encore disponibles disparaissent rapidement, nous avons donc considéré que le réseau EPS utilise uniquement le protocole IPv6. Partant de ce principe et ayant remarqué qu'IPv6 peut être utilisé pour gérer la mobilité des usagers, nous avons cherché à maximiser son utilisation. Nous proposons donc deux nouvelles architectures du réseau EPC utilisant une version de PMIPv6 légèrement modifiée pour supporter la gestion de plusieurs tunnels entre un MAG et un LMA, à la manière de GTP. Étant donné le peu de bande passante dont disposent ces réseaux mobiles comparés aux réseaux d'accès filaires et le caractère critique de certains trafics qu'ils véhiculent, nous avons dû vérifier que nos modifications ne réduisent pas les performances du réseau du point de vue des usagers. Pour ce faire nous avons implémenté dans le simulateur Network Simulator version 2 (NS-2) les architectures EPS décrites dans les documents 23.401 [8] et 23.402 [9] ainsi que celles que nous proposons. Au vu des résultats nous pouvons dire que l'architecture 23.401 [8] offre de meilleures performances que toutes les autres. Cependant, 23.402 [9] a été développée pour répondre à une problématique d'ordre politique, survenant lors de l'ajout d'un réseau d'accès non développé par 3GPP au réseau cœur. Cette architecture, sur laquelle nous nous sommes basés, peut donc être mise en place dans n'importe quel environnement contrairement à la 23.401 [8]. Grâce aux simulations nous pouvons dire que les modifications que nous avons apportées ne modifient pas, voire améliorent légèrement, les performances de l'architecture 23.402 [9]. En conclusion nous conseillons aux opérateurs désirant mettre en place un réseau 4G utilisant une des architectures proposées par 3GPP, d'utiliser 23.401 [8] (étant donné ses meilleures performances) si cela leur est politiquement possible. Sinon d'utiliser l'une des architectures basées sur 23.402 [9] que nous proposons.

Abstract

In third generation mobile network, the voice traffic is separated from the data traffic. In fourth generation all goes through a unique network. Technologies used in 4G network evolved from those developed for GPRS, they don't use IP's capacity. IPv6 norm, released in 1998, describes the new standard for IP protocol. It simplifies the way IP works and increases its functionality, notably mobility integration were facilitated. Today MIPv6 and PMIPv6 are leaders protocols to include mobility in IPv6. Even with those evolutions, 3GPP's 4G network still uses GTP (firstly developed for GPRS) to manage its users mobility; but GTP also manages some part of the QoS mechanism. QoS techniques permit differentiating network flows and apply some restrictions and/or priorities to them. Those techniques are usually used when the network can be congested, which is the case for mobile network. So they are important for EPS network, specially since it carries voice traffic. Voice traffic is critical since the one of the first goals of mobile network is to allow cellular phone to connect to the PSTN. The network must also provide facilities to the users to them to access an IP backbone, which means that theoretically all sorts of traffic can be presented, video, web, FTP, P2P, etc. GTP protocol creates tunnels for each user, called UE, each tunnel of a UE has a different QoS. But all the QoS parameters aren't applied by GTP, some (like the forwarding priority) need to be applied by underlying stack. 3GPP doesn't specify the QoS techniques used by stacks under GTP. However, it mentions DiffServ as an example in the document 23.401 [8]. PMIPv6 protocol has the advantage against MIPv6 that it doesn't need the mobile node to have a modified IPv6 stack. Its basic version uses one tunnel between an LMA and a MAG (see section 2.2.3) to carry all traffics from and to mobiles nodes attached to this MAG. The use of a unique tunnel prevents the use of common QoS techniques like DiffServ since it hardeners the differentiation of traffic flows. That's why Hui et al. [70] suggest to modify PMIPv6 in order to create one tunnel by flow. So by applying small modifications to PMIPv6 (inspired by Hui et al. [70] suggestions) we should be able to support the same functionalities as GTP-U. Currently, near all the operating systems have an IPv6 stack and the number of Ipv4 addresses still unallocated is decreasing quickly. So we decided to assume that EPS network only uses the IPv6 protocol. As IPv6 can be used to manage some part of QoS and mobility through PMIPv6, we searched to increase its use in EPC. So we suggest two new architectures based on 23.402 [9] for EPC network, which used a modified version of PMIPv6 to support the creation of several tunnels between a MAG and an LMA and to match GTP-U functionalities. However, due to the lack of bandwidth in such network and the criticism of voice traffic, we had to check that our suggestion doesn't damage the network performances from the users' point of view. To test these performances, we implement architecture 23.401 [8], 23.402 [9] and those that we propose. The results of our simulations show that 23.401 [8] has the best performances. However, this architecture suffers from some political problems and can't be built in every situation. That's why 3GPP released the 23.402 [9] architecture which has the advantage to politically support a larger scale of access networks. For our work, we based our architecture on 23.402 [9]. Simulations show that we don't damage and sometimes we even improve the performances of 23.402 [9]. To conclude, we advise operators wishing to build 4G networks based on 3GPP architectures to use the 23.401 [8] if it's possible. But if, for political reason, they can't use 23.401 [8] to consider ours since their performances are better and they improve the use of IPv6.