PERFORMANCE EVALUATION OF A SOFTWARE DEFINED NETWORK BASED ARCHITECTURE FOR A 4G MOBILE EPC NETWORK. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_final_bind.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

شبكة الحزم المتطورة (EPC) هي شبكة للهاتف المحمول موحدة المعايير من قبل مؤسسة 3GPP. شبكة الحزم المتطورة (EPC) هي التطور الأخير في عالم شبكات المحمول التي تتميز بتوفير معدلات نقل البيانات بسرعة عالية وخدمات الاتصال حسب الطلب. و مع ذلك, فان نماذج الأعمال الجديدة ومعايير الخدمة في مجال صناعة الاتصالات تدفع الحاجة للتحقيق في التقنيات والأبنية جديدة. الشبكات المبرمجة (SDN) يتم اعتبارها كواحدة من تقنيات الشبكات الجيل الجديد حيث يقوم مبدأها على مفهوم الفصل بين مستوى التحكم و مستوى نقل البيانات, و يركز وظائف مستوى التحكم في أجهزة الشبكة في كيان مركزي. هذه البنية لمستوى التحكم تقدم آفاقا جديدة في تصميم الشبكات. تطبيق مفهوم الSDN في شبكة الحزم المتطورة (SDN) تم التحقيق فيه من قبل بعض الباحثين، مع التركيز على مزاياه نوعية في شبكة الEPC. ولكن عدد قليل جدا من الدراسات قد تناولت التحليل الكمي وتقييم أداء شبكة الEPC المبنية على SDN. وعلاوة على ذلك، لم يتم تحديد مستوى التفاصيل في البروتوكولات عند تطبيق مفهوم SDN على شبكة EPC جيدا من قبل. هذا حفّزنا لدراسة بنية شبكة EPC و وظائفها، ومفهوم SDN وفوائدها وتطبيق مفهوم SDN على شبكة EPCو ذلك من أجل الوصول فهم ناضج عن شبكة الEPC المبنية على SDN.في ضوء هذه الحافز, في هذه الدراسة، قمنا بعرض التالي: (1) خلفية ملخصة عن هيكلية الEPC و الSDN, (2) دورها المحتمل في مشغلي شبكات الهاتف المحمول، لا سيما في شبكة الEPC؛ (3) تحليل نوعي مفصل و مقارنة ما بين هيكلية الEPC و الSDN؛ (4) رؤيتنا الفريدة من نوعها لشبكة EPC المبنية على الSDN؛ (5) دراسة كمية عن شبكة الEPC التقليدية و الEPCالمبنية على الSDN المقترحة, حيث نقوم بأخذ اعتبار التالي: أ) العوامل التي تأثر على الأداء, ب) بيئة المحاكاة المستخدمة لدراسة الأداء, ت) تحقيق هندسي في كيفية قياس تأثير كل عامل على الأداء و التفاعلات ما بين العوامل. و أخيرا, (6) نقدم منظورنا على النتائج التي توعي بالصورة الكبرى شبكة الEPC المبينة على الSDN. نقدم حالتين من عمليات مستوى التحكم، وخاصة إجراءات التسجيل (Registration) و اجراء S1-Based Handover للتنقل. يتم شرح الاجراءين و تطوير مشتقات من كليهما مبنيان على الSDN. نقوم بالاشارة إلى التعديلات المطلوبة في البروتوكولات والعمليات الأساسية في أجهزة شبكة الEPC لصياغة نظام EPC مبني على SDN فعال. الدراسة تقيم مقاييس أداء عمليات التحكم؛ بشكل رئيسي الزمن الكامل لاتمام العملية, واستخدام موارد المعالجة في أجهزة الشبكة, واستخدام نطاق البيانات. التقييم يُظهر اعتماد المقاييس على قيم العوامل المختلفة و الذي بدوره يقدم وسيلة لتوقع الأداء في شبكة الُEPC وتوجيهات للتصميم الهندسي السليم. النتائج تظهر تفاصيل الزمن اللازم لاتمام عمليات التحكم في شبكة الSDN-EPC مقارنة بشبكة الCONV-EPC. الSDN-EPC تتطلب زمنا أقل من الCONV-EPC عندما يكون الSGW متواجد في المركز المحلي, و الPGW متواجد في المركز المركزي, و تكون ال MME تحت استخدام للموارد منخفض أو متوسط. نسبة التقليل من زمن العملية يتراوح ما بين 1-7% و 6-23% في عمليتا الS1-handover و Registration على التوالي مقارنة بالCONV-EPC. النتائج أيضا تُظهر أن الSDN-EPC تتطلب زمن أعلى من الCONV-EPC عندما تكون الMME تحت استخدام عالي بغض النظر عن أماكن تواجد الgateways. الSDN-EPC تتطلب 10-22% موارد معالجة أكثر من الCONV-EPC في الMME و ذلك بسبب التمركز في عمليات التحكم, بينما تتطلب 35-50% أقل في موارد المعالجة في الSGW لنفس السبب السابق. وأخيرا, تُظهر النتائج أن الزيادة في استخدام نطاق البيانات غير مهمة على الاطلاق.

English Abstract

The evolved packet core (EPC) network is a mobile network standardized by the 3GPP. EPC is the recent evolution of mobile networks providing high speed data rates and on-demand connectivity services. However, new business models and service criteria in Telecom industry pushes the need to investigate new technologies and architectures. Software defined networking (SDN) is recognized as one of the new generation network technologies ‎where the principle concept is to separate the control plane from the data plane, and concentrate the control plane functionality of network devices in a logically centralized controller. This control plane architecture introduces new perspectives into network design. Appling the SDN concept in the evolved packet core (EPC) network has been investigated by some researchers with emphasis on its qualitative advantages to EPC network. But very few studies have tackled the quantitative analysis and evaluation of an SDN-based EPC network. Furthermore, the protocol-level details of applying SDN concept to an EPC network has not been specified thoroughly before. This motivated us to study EPC network architecture and its functionality, the concept of SDN and its benefits, and the application of SDN concept on EPC network; all for the purpose of reaching a mature understanding of an SDN-based EPC network. In the light of this motivation, in this study, we present the following: (1) A brief background of EPC and software defined networking (SDN) architectures. (2) The potential role of SDN in mobile network operator, particularly in the EPC architecture. (3) Detailed qualitative analysis and comparison of EPC and SDN architectures taking into consideration the OpenFlow architecture which is viewed as the most mature SDN standard. (4) A proposal for a novel approach of an SDN-EPC. (5) A quantitative study of control operations in conventional EPC and proposed SDN-EPC, where the following are addressed: a) factors controlling operations performance, b) simulation-based testbed for performance evaluation, and c) an engineered investigation for measuring the effect of each factor on performance metrics and their interactions with other factors. Finally, (6) we provide perspective to the findings that serve in the big picture of an SDN-EPC architecture. The control operations addressed are registration procedure and S1-based handover mobility procedure. Both procedures are described according to 3GPP standards. In addition, SDN-derivatives are presented taking into consideration the proper functionality of the control procedure. The study evaluates control operations metrics; mainly end to end delay of operation, resource utilization of network devices, and bandwidth utilization. The assessment of the metrics will provide insight to their dependence on factor levels which can serve as means for performance prediction of the EPC network and guidelines for proper engineering design of EPC network. The results show the detailed end to end delay of control operations of SDN-EPC compared to conventional EPC (CONV-EPC). It finds that SDN-EPC produces less delay than CONV-EPC when serving gateway (SGW) is located in local center, the anchor packet gateway (PGW) is located in core center, and the mobility management entity (MME) is under low to average resources utilization. The reductions are observed to be 1-7% and 6-23% in S1-handover and registration procedures, respectively, in comparison to CONV-EPC. It finds that SDN-EPC produces worse end to end delay when the MME is under high resource utilization regardless of EPC gateways location. SDN-EPC requires 10-22% more processing resources at the MME due to centralization of control operations, whereas it requires 35-50% less resources at the SGW for the same previous reason. Finally, the increase in bandwidth utilization due to SDN-EPC is found negligible.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Mahmoud, Ashraf
Committee Members:	Abu-Amara, Marwan and Sheltami, Tarek
Depositing User:	AHMAD AZMI ABO NASER (g201203480)
Date Deposited:	12 Aug 2015 10:40
Last Modified:	01 Nov 2019 16:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139652