从视频云看5G-谈谈核心网UPF和开放

一、什么是UPF

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。

1、历史

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。

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、功能

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：

1）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；

2）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；

3）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）。

4）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。

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、开放

用户面功能（UPF，User Plane Function)作为5G核心网的重要网络功能，担负着用户面数据流量的处理、路由等核心功能。随着5G边缘计算的拓展，UPF已逐渐成为连接运营商和垂直行业的桥梁，是5G拓展行业市场的钥匙。不同应用场景下对UPF的需求各有不同，面向行业应用场景（ToB）与面向传统用户（ToC）的需求有显著差异，需要轻量化、低成本、灵活部署、定制化的UPF。

当前，UPF与会话管理功能（SMF，Session Management Function）的接口（N4）尚未完全开放、服务化能力尚未完全实现，一定程度上影响了5G满足行业客户需求的能力。N4接口的非标准化，造成UPF与SMF同厂商的绑定，无法满足边缘用户侧UPF轻量化、低成本和灵活部署的需求。

为了助力5G服务垂直行业用户，2020年3月11日发布《5G OpenUPF白皮书》，提出的OpenUPF合作伙伴计划从开放接口、开放设备、开放服务和开放智能四个方面定义可靠、可管、可信、简洁、灵活、开放的UPF，通过构建完整的技术体系以推动产业成熟、增强网络能力。在2020年6月11日召开的3GPP会议上，5G N4接口开放和增强标准化项目开启。

二、UPF 分流技术原理

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参考以下章节），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。

1、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。

下图展示了一个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：

1）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。

2）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。

（编辑：安卓应用网_ASP源码网）

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