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LTE 네트워크를 위한 MPLS L3VPN 망 설계 (2편: VPN 설계)
The design of LTE over MPLS L3VPN network (Part 2: VPN Design)
April 25, 2012 | By 유창모 (cmyoo@netmanias.com)
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지난 시간에 이어 오늘은 LTE over MPLS L3VPN 망 상에서 LTE 노드간 트래픽을 그 타입(data, control, management)별로 separation하기 위한 MPLS L3VPN 설계 개념에 대해서 설명드리도록 하겠습니다.

 

LTE 네트워크를 위한 MPLS L3VPN 망 설계

 

■ E2E 망 토폴로지

 

아래 그림은 일반적인(특정 사업자망이 아닌) 통신망 구조입니다. 

  • Cell site에 위치한 eNB(eNodeB)들은 L2 스위치인 AS(Access Switch, 예: Cisco ME3400)로 aggregation 되고, 여러 AS들은 다시 CO에 위치한 AR(Aggregation Router)로 연결됩니다.
  • POP에는 ER(Edge Router)이 위치하며, 이 라우터에 MME, S-GW, P-GW가 연결됩니다. CO(AR)와 POP(ER) 사이를 보통 Mobile Backhaul이라 부릅니다. (eNB와 S/P-GW 사이의 Network = Mobile Backhaul Network)
  • LTE 사업자는 전국망 커버리지 서비스를 제공할 것이므로, 도시마다 하나 이상의 POP이 있을 것이고, 각 도시를 연결하기 위한 CR(Core Router)이 존재합니다.
  • 그리고 Data Center 내에 위치한 DCR(Data Center Router)을 통해 HSS, PCRF, SPR, OFCS, OCS등이 연결되며
  • Internet으로 나가기 위한 라우터로 PR(Peering Router)과 ASBR(AS Border Router)이 있습니다. ASBR은 타통신망과 EBGP로 연동이 되겠지요.

 

 

■ LTE 네트워크의 이해

 

일단 여기까지는 MPLS L3VPN 개념 없는 순수 Physical Network Topology에 대한 설명이었습니다. 

이제 이 망에 MPLS L3VPN 즉, VPN 개념을 입혀 보도록 하겠습니다. 이를 위해서는 먼저 LTE 장비들 간 통신에 대한 이해가 반드시 선행 되어야 하는데요. 따라서 MPLS L3VPN 망 디자인 즉, LTE 망을 위해 어떤 정책으로 VPN을 나눌 것이냐는 설계(High Level Design)는 MPLS 전문가와 LTE 전문가가 협업을 통해 진행해야 할 것입니다.

 

아래는 2011년 12월 2일 Netmanias Blog "LTE 네트워크 구조"의 그림을 약간 수정한 것인데요.

LTE 망의 트래픽 종류는 아래와 같이 3가지 타입으로 분류할 수 있습니다.

  • UE Bearer (Data) Traffic: 사용자 데이터는 eNB, S-GW, P-GW를 거쳐 Internet(PDN)과 연결됩니다. (보라색 선)
  • Signaling/Control/Charging Traffic: 사용자 인증, 이동성 관리, Policy 부여, Charging등을 위해 LTE 노드(eNB, MME, HSS, S-GW, P-GW, PCRF, SPR, OFCS, OCS)간에 통신이 이루어 집니다. (붉은색 선)
  • Management Traffic: 모든 LTE 노드는 EMS/NMS에 의해 관리되어야 하므로 EMS/NMS와 모두 연결이 있어야 합니다. (파란색 선)

 

■ LTE 네트워크를 위한 VRF 정의

 

앞서 3가지 트래픽 타입(Management, Signaling/Control/Charging, User Data)을 기반으로 MPLS L3VPN 망을 구성합니다. 아래 그림과 같이요.

  • Management VPN: Management traffic이 흐르는 VPN으로 이를 위해 각 PE router(AR, ER, DCR)에는 "Mgmt"라는 이름의 VRF를 생성함 (Management traffic은 인터넷으로 나갈 필요가 없으므로 PR에는 Mgmt VRF가 없음)
  • Control VPN: Signaling/Control/Charging등의 traffic이 흐르는 VPN으로 이를 위해 각 PE router(AR, ER, DCR)에는 "Control"이라는 이름의 VRF를 생성함 (위와 동일 이유로 PR에는 Mgmt VRF가 없음)
  • Internet VPN: 사용자 데이터 traffic이 흐르는 VPN으로 이를 위해 각 PE router(AR, ER, PR)에는 "Internet"이라는 이름의 VRF를 생성함 (사용자 데이터가 DCR로 들어올 일이 없으므로(아니 들어오면 안되므로) DCR에는 Internet VRF가 없음)

MPLS L3VPN 모델에 따른다면 LTE 노드들이 CE device가 되고("가입자 가장자리 장비"라는 개념으로 보지 마시고, PE router와 연결되는 device라는 관점에서 CE로 보시면 됩니다), 각 LTE 노드와 연결되는 라우터가 PE router가 됩니다. 즉, 그림에서 AR, ER, DCR이 이에 해당이 되고, Internet으로 나가기 위한 PR도 PE router가 됩니다. 아래 그림에 표시는 되어 있지 않지만 CR은 LTE 노드들이 연결되는 router가 아닌 MPLS core에 있는 장비이므로 P router입니다.

 

앞서 설명 드린 바와 같이 각 LTE 노드들은 PE router에 연결이 됩니다. 여기서 중요한 포인트는 PE router는 CE device(LTE 노드)와 연결되는 Interface(이게 Physical Port이든 아니면 802.1Q VLAN을 통한 Logical Interface이든)에 따라 어떤 VRF에 매핑될 것인지 결정이 됩니다(그렇게 configuration을 합니다). 예를 들어, MME의 1번 포트(ge1/1)는 vrf Mgmt에 매핑, 2번 포트(ge1/2)는 vrf Control에 매핑... 혹은 MME의 1번 포트의 VLAN 10은 vrf Mgmt에, 1번 포트의 VLAN 20은 vrf Control에 매핑...이런 식이지요. 따라서 아래 그림과 같이 3개의 VPN으로 망을 나누기 위해서는 각 LTE 노드들이 Management, Control, Internet용의 별도의 Interface(Port 혹은 VLAN)를 제공해야 합니다.

 

 

 

Management VPN

  • 모든 LTE 장비의 Management Interface가 PE router와 연결되고, 이  Interface는 각 PE router의 "vrf Mgmt"에 속하게 됩니다. 그래서 데이터 센터에 있는 EMS/NMS는 이 VPN을 통해 모든 LTE 장비를 관리하게 됩니다.
  • 통신 사업자 내부에서만 트래픽이 교환되고 즉, 인터넷으로 Management 트래픽이 나갈 필요가 없기 때문에 Management VPN에 속하는 LTE 장비의 Interface에는 Private IP 주소를 할당하는게 일반적이고, 따라서 vrf Mgmt에는 Private IP 주소로 구성된 라우팅 엔트리만 존재합니다.
 
Control VPN
  • 모든 LTE 장비의 Signaling/Control/Charging 트래픽을 위한 Interface가 PE router에 연결되고, 이 Interface는 각 PE router의 "vrf Control"에 속하게 됩니다. 그래서 이 VPN을 통해 LTE 장비간 통신을 합니다.
  • Management VPN과 동일한 이유로 Control VPN에 속하는 LTE 장비의 Interface에는 Private IP 주소를 할당하는게 일반적이고, 따라서 vrf Control에는 Private IP 주소로 구성된 라우팅 엔트리만 존재합니다.
 
Internet VPN
  • 이 VPN은 유저 데이터가 지나다니기 위한 목적이므로 이 VPN에 속하는 LTE 노드는 eNB, S-GW, P-GW 뿐입니다. 유저 데이터 흐름은 아래와 같습니다.
    • UL 트래픽: UE -> eNB -> AS -> AR의 vrf Internet -> ER의 vrf Internet -> S-GW -> ER의 vrf Internet -> P-GW -> ER의 vrf Internet -> CR(P router) -> PR의 vrf Internet -> ASBR -> Internet
    • DL 트래픽: Internet -> ASBR -> PR의 vrf Internet -> CR(P router) -> ER의 vrf Internet -> P-GW -> ER의 vrf Internet -> S-GW -> ER의 vrf Internet -> AR의 vrf Internet -> AS -> eNB -> UE
  • 이 VPN은 인터넷과 연결되는 것이므로 Public IP 주소(UE에 할당된 IP)로 구성된 라우팅 엔트리 및 Internet으로 나가기 위한 default route(0.0.0.0/0)가 존재합니다.

 

그럼 왜 이와 같이 3개의 논리적인 망을 만들어 트래픽을 분리(separation)해야 할까요? 

 

가장 중요한 이유는 바로 "보안(Security)"입니다. 즉, 사용자 유저 데이터를 Internet VPN으로 나누어 버림으로 인하여, 사용자(UE)는 LTE 노드로의 접근이 불가능합니다(LTE 노드로의 접근은 Management/Control VPN만 가능). 다시 말해 vrf Internet에는 데이터센터내 위치한 장비(HSS, PCRF, 등등)에 대한 라우팅 엔트리(해당 장비로 라우팅될 수 있는 경로)가 없으니 접근할 방법이 없는 것입니다. ACL이나 Firewall 설정 보다 간단하면서 효과적입니다.

그리고 또 한가지의 장점은 통신 사업자의 정책에 맞게 망을 논리적으로 분리함으로 인해서 망 운용상에 이점을 가질 수 있습니다. 

 

다음 시간에는 위 그림과 같이 MPLS L3VPN 망을 구성하기 위한 Control Plane(IGP, LDP, MP-iBGP, PE-CE communication)과 Data Plane(MPLS L3VPN Packet)에 대해서 알아 보도록 하겠습니다.

 

이동민 2012-04-26 14:41:27
좋은 글 감사합니다. ^^
넷매니아즈 2012-04-26 20:19:23
외국의 어떤 사업자의 경우, 위에서 예시로 보여 드린 VPN을 다음과 같이 세분화 하였습니다.

1) S1_U VPN: eNB와 SAE-GW(S-GW와 P-GW 일체형 장비)간에 사용자 데이터를 위한 VPN
2) Internet VPN: SAE-GW와 Internet간에 사용자 데이터를 위한 VPN
3) SAE_SIG VPN: eNB, MME, SAE-GW간에 control 메시지 교환을 위한 VPN
4) Datacenter VPN: SAE-GW와 데이터센터에 위치하는 노드(HSS, PCRF, OCS, OFCS)간 통신을 위한 VPN
Wooram Chang 2013-05-24 16:06:49
좋은 내용 감사합니다.
프린터 해서 볼려고 가입하고 로그인해서 프리터 버튼을 꾹 눌렀는데..
Parse error: syntax error, unexpected T_STRING in D:\\www\\htdocs\\print.php on line 28
이런 에러가 뜹니다. 확인 부탁드립니다.
넷매니아즈 2013-05-24 16:15:10
불편을 드려 죄송합니다.
이제 프린트 하실 수 있을 겁니다.
감사합니다.
궁금이 2014-04-25 15:47:00
안녕하세요. 궁금하게 있어서 검색하다 들렸어요.
스마트폰을 껐다키면 아이피를 다시 할당받아 변경되는것을 운영자님의 글을보고 개념을 이해하게 되었습니다.
제가 궁금한것은
개념이 없어서 질문자체가 이상할수 있는데요..
스마트폰을 껐다키지않고 같은 결과 즉 아이피를 다시 받아 변경할수 있는 방법이 있을까요?
강석훈 2014-04-27 15:12:35
1. 스마트폰을 끄지 않고 다시 IP를 할당 받는 가장 쉬운 방법은 단말에 "비행기 모드(Flight mode)"를 on했다가 off하는 것입니다. 이 모드를 on하면 단말은 망에서 detach하고, off하면 attach후 다시 IP 주소를 할당 받습니다.
2. 근데 이 경우 동일 IP 주소를 할당 받는다는 보장은 없습니다.
3. 또한 망에서 할당해 준 IP 주소를 단말이 임의로 변경할 수 없습니다 (단말에서 IP 주소를 임의로 변경하게 되면 망에서 해당 패킷을 drop합니다.)
세오 2015-03-10 10:42:39

궁금한게 있습니다.

비행기모드를 하면 왜 대역이 전혀 다른 아이피가 붙을 수 있나요?

기본적으로 아이피는 재할당받을때 기존에 받았던걸 누가 선점하지 않는 이상 받도록 되어있는걸로 아는데

매번 바뀌는게 궁금합니다.

강석훈 2015-03-10 11:08:31

세오님께서 말씀하신 'IP 주소 재할당시 되도록 동일 주소를 주는 건' DHCP 서버의 일반적인 특성입니다.

하지만 LTE망에서 단말(UE)에 IP 주소를 할당해 주는 entity는 DHCP 서버가 아닌 P-GW입니다.

P-GW는 DHCP 서버와 같은 특성을 가지고 있지 않나 보네요.

jkayc 2017-06-05 17:06:29

초보스러운 질문이지만 답변부탁드립니다~

비행기모드 on/off를 하게되면 아이피주소확인해보면 바뀌는데

이게 실제로 바뀌는게 맞는건가요?

한개의 스마트폰에서 여러대의 아이피주소를 할당받고 다른 아이피로 인식해서

트래픽을 일으키는게 맞는건지 궁금합니다~

김민성 2017-06-05 17:20:44

비행기모드 on을 하면 UE(단말)가 LTE 망에서 detach(disconnect) 됩니다. 그래서 할당 받았던 IP 주소도 반납하게 됩니다 (별도 반납하는 절차가 있는 건 아니고, 해당 UE가 망에서 detach되었으니 LTE 망(P-GW)은 그 IP 주소를 이제 다른 UE에 할당할 수 있는 상황이 됨).

LTE망에서 UE는 동적 IP 주소를 할당 받으므로(고정 IP 주소가 아님) 비행기 모드 on/off로 인해 IP 주소가 변경될 수 있습니다.

하지만 UE는 인터넷 access를 위해 동시에 여러개의 IP 주소를 받지는 않습니다. 한번에 한개!

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