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5G UPF的分流技术和部署方式

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。

作者:王雷 张智超|2021-03-02 12:32

Labs 导读

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。

1、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)

UPF 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。

2、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。

3、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。

UL CL方案

对于IPv4 或IPv6 或IPv4v6 类型的PDU 会话,可以采用UL CL 方案。在用户PDU 会话建立过程中或建立完成后,SMF 可以在PDU 会话的数据路径中插入或者删除一个或多个UL CL。UL CL 支持基于SMF 提供的流量检测和流量转发规则向不同的PDU 会话锚点UPF 转发上行业务流,分流至MEC 平台;并且将来自链路上的不同PDU 会话锚点UPF 的下行业务流合并到5G 终端,有点像路由表的作用。UL CL 采用流过滤规则(例如检查UE 发送的上行IP 数据包的目的IP 地址/前缀)来决定数据包如何路由。

UE 不感知UL CL 的分流,不参与UL CL 的插入和删除。UE 将网络分配的单一IPv4 地址或者单一IP 前缀或者两者关联到该PDU 会话。

图4 展示了一个PDU 会话拥有两个锚点的场景。UL CL 插在N3 口终结点的UPF 上,锚点1 和锚点2 终结N6 接口,上行分类器UPF 和锚点UPF 之间通过N9 接口传输。

图4. UL CL 方案

基于不同的触发条件,UL CL 方案可以分为一下几种:

特定位置UL CL 方案:分流策略配置在SMF。在用户移动到MEC 区域时,SMF 根据配置策略和AMF 上报的用户位置信息,触发UL CL 插入流程。特定位置触发UL CL 和LADN 场景类似,都是用户移动到特定位置时触发分流,触发条件简单易实现,适用于对公众用户开放的MEC 场景。由于MEC 区域所有用户(即使不使用MEC 业务)都会接入边缘UPF,可能会对边缘UPF 造成压力。

位置及用户签约UL CL 方案:分流策略配置在PCF,需要用户在PCF 上签约支持使用MEC业务。在用户移动到MEC 区域时,AMF通过SMF向PCF上报用户位置信息,PCF 根据用户位置信息及签约信息,触发UL CL 插入流程,新增边缘UPF锚点并插入UL CL。当在MEC 区域内要区分用户群体时,可采用位置及用户签约触发UL CL 的方案,避免MEC 区域所有用户都占用边缘UPF资源。

位置及应用检测UL CL方案:分流策略配置在PCF,需要将应用相关信息(五元组信息、应用URL)配置在PCF。在用户移动到MEC 区域并使用特定应用时,UPF根据应用标识对应的过滤器检测出业务流,通过SMF上报PCF。PCF 结合用户位置信息及应用流检测结果,触发UL CL 插入流程。位置及应用检测UL CL 方案可按应用触发分流策略,可控粒度更细;缺点是缺乏合适的UL CL 删除触发机制。

能力开放UL CL方案:分流策略配置在MEC/APP。在用户移动到MEC 区域时,AMF 通过NEF把用户位置信息通知给MEC/APP。MEC/APP 通过N5/N33 接口与PCF/NEF 进行交互,将分流规则告知PCF。PCF 结合用户位置信息及应用流检测结果,触发UL CL 插入流程。能力开放UL CL 是一种与应用紧耦合的方案,应用可根据业务需求动态地触发UL CL 策略,更为灵活,但是能力开放接口的调用请求需提供用户标识(5GC 分配的私网IP 地址),应用还需要感知用户位置信息,有一定开发门槛。

IPv6 Multi-homing 方案

IPv6 多归属(Multi-homing)方案只能应用于IPv6 类型的PDU 会话。

UE 在请求建立类型为IPv6 或IPv4v6 的PDU 会话时,要告知网络其是否支持IPv6 Multi-homing PDU 会话。在实际部署中,网络将会为终端分配多个IPv6 前缀地址,对不同业务使用不同的IPv6 前缀地址,可以一个IP 地址做远端业务,一个IP 地址做本地MEC 业务,通过分支点进行分流。

在PDU 会话建立过程中或建立完成后,SMF 可以在PDU 会话的数据路径中插入或者删除多归属(Multi-homing)会话分支点(Branching Point)。在Multi-homing 场景下,一个PDU 会话可以关联多个IPv6 前缀,分支点UPF 根据SMF 下发的过滤规则,通过检查数据包源IP 地址进行分流,将不同IPv6 前缀的上行业务流转发至不同的PDU 会话锚点UPF,再接入数据网络,以及将来自链路上的不同PDU 会话锚点UPF的下行业务流合并到5G 终端。UPF 可同时作为IPv6 多归属的分支点和PDU 会话锚点。IPv6 Multi-homing 分流如图5 所示。

图5. IPv6 Multi-homing 方案

DNN 方案

数据网络标识(DNN,Data Network Name)方案中,需要终端配置专用DNN 并在核心网统一数据管理功能(UDM,Unified Data Management)上面签约专用DNN。用户通过专用DNN 发起会话建立请求,SMF 选择UPF 时,根据5G 终端提供的专用DNN 以及所在的TA选择目的边缘UPF,完成边缘PDU 会话的建立,即可接入与边缘UPF 对接的MEC 平台。

DNN 方案对终端、网络的要求较小,5G 商用初期可选择此方案实现MEC 业务快速上线。但随着5G 业务发展,如果为每个MEC 客户分配独立DNN,对核心网设备特别是UPF 支持DNN 的数量将会是极大挑战。

LADN 方案

本地数据网络(LADN,Local Area Data Network)方案中,用户签约LADN DNN,AMF 上配置LADN 服务区域(Tracking Area,TA)与LADN DNN 的关系。5G 终端在向网络注册时,可以从核心网获取LADN 信息(如LADN服务区和LADN DNN)。当5G 终端移动到LADN 服务区域时,将会请求建立这个LADN DNN 的PDU 会话。AMF 确定5G 终端出现在该LADN 区域,且请求的DNN 在AMF 中配置为LADN DNN,则转发给SMF;SMF 通过选择合适的本地边缘UPF,建立本地PDU 会话,实现本地网络接入和本地应用访问。此时一个5G 用户可能拥有两个PDU 会话:Internet 会话及LADN 会话如,图6 所示。

AMF 跟踪终端的位置信息,并通知SMF 终端位置和LADN 服务区的关系,包括:在服务区、不在服务区和不确定在不在服务区等。当用户的位置不在LADN 的服务区内时,不能接入LADN。LAND 服务区用一组TA 标识,使用LADN 用于边缘计算流量分流时,通常LADN 的TA 和边缘计算上应用的服务区域是对应的。


图6. LDAN 方案

LADN 仅用于非漫游场景或者本地业务分流漫游场景,在实际部署中,用户通过LADN 会话访问MEC 业务,其余业务通过Internet 会话访问。

✦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,目前实施难度较大。

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。

4、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:

✦小结

UPF的各级典型部署(中心、区域、边缘、企业园区)对UPF的吞吐量、时延、功能、应用场景、形态等需求如表1所示。

表1. UPF部署需求说明

5、结束语

5G 改变社会,服务的是各行各业,用户体验要求很高,UPF 是核心网最重要的网元之一,必须具备电信级的产品品质。

UPF 作为5G 数据处理和转发的核心功能,已经逐步成为运营商服务垂直行业的桥头堡,正逐步从“核心”走到行业用户的园区。作为推动5G 与干行百业融合的重要网络节点,UPF 应该做到规模化部署和更贴近客户侧部署的“点面”结合,满足客户需求,服务干行百业。

UPF 的下沉需要传输网和IP 承载网共同支持,也意味着边缘云的下沉。边缘UPF 不仅需要和运营商的通信网络云互通,还需要和运营商的IT 云、第三方公有云的协同,全面推动云网融合能力和云边协同能力。

当前,UPF 与SMF 的N4 接口尚未完全开放、服务化能力尚未完全实现。为了满足垂直行业轻量化、低成本、灵活部署的需求,中国移动提出了OpenUPF 合作伙伴计划,从开放接口、设备、服务和智能四个方面定义开放的UPF,提升网络能力和业务开展灵活性,助力5G 融入百业、服务大众。

参考文献

[1] 5G Network Architecture and FMC. Joe Wilke, Ericsson, July 2017.

[2] System architecture for the 5G System (5GS). 3GPP R-16.

[3] 《5G MEC分流方案探讨》,何宇锋,林奕琳,单雨威,

https://www.sohu.com/a/426534368_354885

[4] 《面向垂直行业的边缘UPF设备规范》,1.0.0,中国移动。

[5] 《全场景UPF部署白皮书》,中兴通讯,2020年10月。

【本文为51CTO专栏作者“移动Labs”原创稿件,转载请联系原作者】

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【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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