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5G UPF的分流技术和部署方式 3

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发表于 2023-6-22 12:31:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
✦小结
5G 网络将业务流分流至MEC 平台,主要应用的是UL CL 方案。UL CL 方案适用于商业综合体、博物馆、体育场馆、酒店等公众用户使用手机终端访问MEC 应用的场景,如视频直播、云游戏等,可同时支持公众访问Internet 应用。
IPv6 Multi-homing 方案适用于物联网、高可靠性专网等场景,但由于要采用IPv6,目前实施难度较
LADN 属于5G 新引入特性,对终端有新的功能要求,包括支持在特定TA 区域下发起或释放LADN 会话、支持URSP(UE Route Selection Policy,UE路由选择策略)用于配置LADN DNN 并将应用流绑定到LADN DNN 上。根据对产业链的调研,5G 核心网设备已支持LADN 功能,而终端对该功能的支持还要视商业需求而定,因此端到端LADN 方案的成熟还需要一段时间的开发测试及验证。
UPF 部署方式
在实际部署时,UPF 需要按照不同业务场景对时延、带宽、可靠性等差异化的需求灵活部署,典型的部署位置包括:中心、区域、边缘、企业园区。
中心级UPF
中心级UPF,适用于时延不敏感,吞吐量需求较高且相对集中的业务,如普通互联网访问、VoNR、NB-IoT 等业务,中心级UPF 需具备如下特点。
一是满足ToC 网络的2G/3G/4G/5G/Fixed 全融合接入、报文识别、内容计费等功能需求。在实际网络部署中,在一定时间内会存在多种接入网络并存的情况,UPF 须同时支持多种无线接入,满足全融合接入需求;当用户跨接入网络移动时,实现相同会话IP 地址不变,保证业务连续性。
二是具备虚拟运营商网络共享能力,通过网络切片、网关核心网络(GWCN,GateWay Core Network)等网络技术,支持多UPF 实例、多租户、分权分域运维,满足不同虚拟运营商的差异化业务需求。
三是针对集中建设带来的高带宽转发能力要求,可通过扩展计算资源规模叠加单根I/O 虚拟化(SR-IOV,Single Root I/O Virtualization) + 矢量转发技术来提升转发效率,或者采用基于智能网卡的异构硬件来实现转发能力提升。
四是提供面向N6/Gi/SGi 接口流量的安全防护以及网络地址转换(NAT,Network Address Transform)功能,可以选用外置硬件防火墙、虚拟化防火墙以及UPF内置防火墙功能等方式进行部署。其中防火墙以及NAT 作为UPF 的业务功能组件存在,提升集成度,降低部署成本。
区域级UPF
区域级UPF,通常部署于地市级区域,主要承载地市区域范围的用户面业务,包括互联网访问、音视频以及本地企业业务等。区域级UPF 实现用户面下沉部署,有助于减少数据流量回传对承载网的传输压力;也可实现本地数据业务下沉,降低业务时延。较为典型的应用场景为大视频业务,为了提升用户体验,需要在各地市部署区域UPF,就近接入本地视频业务服务端,还可以通过在区域数据中心联合部署UPF 和CDN/Cache 节点的方式来缩短传输路径,如图7 所示。

图7. 区域级UPF 本地分流方案
区域级UPF 部署带来了运维管理方面的复杂度,存在集中运维管理的需求,可以通过网元管理系统(EMS,Element Management System)拉远的方式来接入区域级UPF 或者通过扩展N4/Sx 接口的方式来实现配置下发以及运维数据上报,考虑到未来对N4/Sx 接口解耦的需要,目前业界更倾向于前者的实现方式。
边缘级UPF
边缘级UPF,通常部署于区县边缘,应对高带宽、时延敏感、数据机密性强等业务。将UPF 下沉到移动边缘节点,可基于数据网络标识(DNN,Data Network Name)或IP 地址等识别用户,并根据分流策略对用户流量进行分流,对需要本地处理的数据流进行本地转发和路由,避免流量迂回,降低数据转发时延,提升用户体验。边缘业务分流场景如图8 所示。

图8. 边缘业务分流场景
使用到的分流策略分为以下几种,其中网元级和会话级分流已在前面章节中说明:
边缘级UPF 在部署运维上可通过软硬件预装、自动纳管、配置自动下发等方式实现设备即插即用;在正常运维中,可通过EMS 进行集中配置下发和运维管理。
边缘级UPF 下沉部署,通过N4 接口对接中心的SMF,需要考虑N4 接口安全,一般可以通过将N4 接口划分成独立的网络平面,或者通过部署防火墙/IPSEC 进行安全策略增强。
企业级UPF
企业级UPF,部署于企业机房,通过超高带宽、超低时延和超高可靠的连接提升工业控制的效率和自动化水平;同时生产数据能够在园区内终结,与公众网数据安全隔离,确保生产的安全可靠。
行业应用和工业环境与公众网有很大的不同,企业级UPF 除了满足基本的流量转发、本地分流以外,还需要重点满足以下要求:
基于5G LAN 实现的私网接入和管理能力。通过UPF 内的本地交换和UPF 间的N19 隧道技术,构建企业专属的“局域网”,如图9 所示。

图9. 5G LAN 企业跨分支通信应用
基于时间敏感网络(TSN,Time Sensitive Networking)技术,通过对传输时延和抖动的控制,实现确定性网络。针对TSN 场景,增强支持高精度时钟,以及在高精度时钟管理下的报文排队和调度机制;UPF 下沉到企业现场,实现纳秒级授时精度、毫秒级端到端时延和99.9999%的可靠性。
基于uRLLC 技术的超高传输可靠性。通过在N3/N9 接口建立双GTP-U 隧道,实现用户面冗余传输;或者建立端到端双PDU 会话,将相同的报文在两个会话中传输,确保连接的可靠性,如图10 所示。

图10. 5G uRLLC 多路径超高可靠性传输
企业级UPF需要解决起步成本高、设备功能复杂、部署和运维难度高等问题,需要引入轻量化的最简UPF解决方案,功能更有针对性,可以根据场景需求灵活搭配,并且实现出厂预安装、现场开箱即用,同时支持本地运维和远程运维。
企业级UPF通常部署于运营商网络之外,需要考虑运营商网络和企业网络的双重安全,需要提供安全过滤、双向数字鉴权、数据加密、防恶意攻击等能力。
全场景UPF部署
在“5G 新基建”引领下,中国移动为满足分布式建网、集约化运维需求,5G 核心网采用大区制建设方案,提供全场景UPF。因为ToC 和ToB 网络在产业成熟度、网络功能、市场应用上存在较大差异,采用两张网独立建设,UPF 也进行分开建设。为满足业务差异及各行业碎片化需求,UPF 采用分布式多级部署,如图11 所示。

图11. 中国移动全场景UPF 说明
ToC UPF 部署在中心级和区域级,兼顾业务时延和传输成本,满足大带宽、低时延需求,从成本和长期演进维度,全部采用100G 智能网卡加速,配置一步到位,更加契合5G 长期业务发展需求。
ToB UPF部署在中心级、区域级、边缘级和企业园区级,ToB UPF的选型主要考虑四个方面:


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