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5G UPF的分流技术和部署方式

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发表于 2023-6-22 12:28:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
用户面功能(UPF,User Plane Function)是3GPP 5G 核心网系统架构的重要组成部分,主要负责5G核心网用户面数据包的路由和转发相关功能。UPF 在5G 面向低时延、大带宽的边缘计算和网络切片技术上发挥着举足轻重的作用。本文将介绍5G 核心网UPF 网元。首先介绍UPF 的演进历史和3GPP 在标准层面对UPF 的功能要求及接口设计;然后将结合不同业务场景对时延、带宽、可靠性等差异化的需求,介绍UPF 在边缘计算中的分流技术及部署方式。
UPF 背景介绍
用户面功能(UPF,User Plane Function)代表控制和用户平面分离(CUPS,Control and User Plane Separation)策略在数据平面的演进。
2016 年前后,3GPP在Release 14 规范中作为对4G 核心网(EPC)的扩展而引入了CUPS 策略,把分组网关(PGW)和服务网关(SGW)进行了功能解耦,拆分为控制面(PGW-C和SGW-C)和用户面(PGW-U和SGW-U)。PGW-U 可以分散化部署,增加了流量转发的灵活性,使更靠近网络边缘的设备可以执行数据包处理和流量聚合,在减轻核心网负担的同时提高带宽效率。
CUPS 策略允许核心网用户面的下沉,能够支撑对大带宽和低时延有强烈需求的业务场景。但CUPS 的设计本身对4G EPC 演进力度大,虽然用户平面得以分离下沉,但与核心网其它功能实体间的交互环节仍存在巨大的限制。随着5G 摒弃了传统设备功能实体的设计,核心网白盒化和虚拟化,采用了基于服务的软件架构 (SBA,Service Based Architectures)微服务的设计理念,CUPS 策略中拆分出的用户面网络功能也逐步演进为了目前5G 核心网架构中的UPF 网元。演进历程如图1 所示[1]。

图1. UPF的演进历程(2017 年)
涵盖了CUPS 策略后SGW-U 和PGW-U 的职能,主要用于流量的传输,并通过北向接口(N4)接收转发策略类的控制信息。此外,4G EPC 中鉴权、会话控制、用户数据管理等功能也逐步演变为了5G 核心网中负责控制面的网元。
UPF 功能简介
UPF 功能综述
UPF 作为5GC 网络用户面网元,主要支持UE 业务数据的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等。UPF 通过N4 接口与会话管理功能(SMF,Session Management Function)进行交互,直接受SMF 控制和管理,依据SMF下发的各种策略执行业务流的处理。根据3GPP TS 23.501 V16.7.0,本文涉及到的UPF 主要功能如下:
  • 无线接入网络与数据网络(DN,Data Network)之间的互联点,用于用户面的GTP隧道协议(GTP-U,GPRS Tunneling Protocol for User Plane)的封装和解封装;
  • 协议数据单元会话锚点(PSA,PDU Session Anchor),用于在无线接入时的提供移动性;
  • 5G SA 数据包的路由和本地分流,作为中继UPF(I-UPF,Intermediate UPF)充当上行分类器(UL-CL,Uplink Classifier)或者分支节点UPF(Branching Point UPF)。
除上述功能外,UPF 还有应用程序监测、数据流QoS 处理、流量使用情况报告、IP 管理、移动性适配、策略控制和计费等功能,可参考3GPP TS 23.501 规范[2]。除了网络功能性需求外,UPF还要考虑数据安全性、物理环境需求和部署功耗等指标。
UPF 接口设计

图2. UPF 部分接口示意图
UPF 作为移动网络和数据网络(DN,Data Network)的连接点,重要接口包括N3、N4、N6、N9、N19、Gi/SGi、S5/S8-U、S1-U 等。以N 开头是UPF 与5G 核心网控制面网元或者外部网络交互的接口,如图2 所示[2]。其余部分接口可满足对现网已有网络设施的兼容,UPF 在5G 组网建设中仍需兼容现网已有的网络设施,实际部署中UPF 将整合SGW-U 和PGW-U 的职能,兼容已有的核心网络,物理层面将会存在UPF + PGW-U 的融合网元。
N3 接口是NG RAN 与UPF 间的接口,采用GTP-U 协议进行用户数据的隧道传输。
N4 接口是SMF 和UPF 之间的接口,控制面用于传输节点消息和会话消息,采用PFCP 协议,用户面用于传输SMF 需要通过UPF接收或发送的报文,采用GTP-U 协议。
N6 接口是UPF 和外部DN 之间的接口,在特定场景下(例如企业专用MEC 访问),N6 接口要求支持专线或L2/L3 层隧道,可基于IP 与DN 网络通信。
N9 接口是UPF 之间的接口,在移动场景下,UE 与PSA UPF 之间插入I-UPF 进行流量转发,两个UPF 之间使用GTP-U 协议进行用户面报文的传输。
N19 接口是使用5G LAN 业务时,两个PSA UPF 之间的用户面接口,在不使用N6 接口的情况下直接路由不同PDU 会话之间的流量,如图3 所示。

图3. 5G LAN N19 接口
Gi 接口是2/3G 接入用户通过GGSN 和外部DN 之间的接口;SGi 接口是PGW-U 和外部DN 之间的接口,需要支持IPv6/IPv4 双栈和IPSEC,L2TP 和GRE 等隧道协议。
S5/S8-U 接口是融合网元UPF/PGW-U 和SGW-U 之间的用户面接口。S5-U 接口是网络内部SGW 和PGW-U 间的接口,提供用户移动过程中连接跨区域SGW 并传输数据的功能。S8-U 是跨PLMN 的SGW-U 和PGW-U 之间的用户面接口,应具备漫游情况下的S5-U 接口功能。
S1-U 接口是eNodeB 和SGW-U 之间的接口,采用GTP-U 协议在eNodeB 和SGW-U 之间进行用户数据的隧道传输。
UPF 分流技术
UPF 作为5G 网络和多接入边缘计算(MEC,Multi-Access Edge Computing)之间的连接锚点,所有核心网数据必须经过UPF转发,才能流向外部网络。MEC 是5G 业务应用的标志能力。基于5GC 的C/U 分离式架构,控制面NF 在中心DC 集中部署,UPF下沉到网络边缘部署,这样可以减少传输时延,实现数据流量的本地分流,缓解核心网的数据传输压力,从而提升网络数据处理效率,满足垂直行业对网络超低时延、超高带宽以及安全等方面的诉求。
UPF 如何将用户数据流分流至MEC 平台,是真正实现网络与业务深度融合及落地应用的第一步,也是实现5G 边缘计算商用部署的关键步骤。
5G 用户建立会话连接将优先选择中心UPF(中心UPF参考4.1 章节),当用户需访问MEC应用时才选择或插入边缘UPF,边缘资源按需提供给用户,避免由于大量用户挤占造成性能瓶颈。5G 网络需要配合MEC做好用户数据的本地分流,主流的5GC 边缘部署分流技术主要有三种:上行分类器(UL CL,Uplink Classifier)方案、IPv6 多归属(Multi-homing)方案、本地数据网络(LADN,Local Area Data Network)方案和数据网络标识(DNN,Data Network Name)方案。UL CL和IPv6 Multi-homing 属于单PDU会话的本地分流,用户数据分流在网络侧进行;DNN 和LADN 属于多PDU 会话的本地分流,用户数据分流从终端开始。


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