从视频云看5G-谈谈核心网UPF和开放

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。

5、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。

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、形态等需求如下表所示。

五、UPF开放

1、目标

聚焦ToB场景，避免大而全，追求小而精。传统UPF功能全面，但功能和设计愈发复杂、牵一发而动全身。ToB场景更需要的是轻量化、可定制的UPF。

OpenUPF计划的重要目标，一是：以“全集”UPF为基础，定义简单高效的“最简”UPF。通过最简UPF的功能满足高效灵活的部署，降低5G进入千行百业的门槛。二是：满足行业差异化需求、探索功能定制的“增量”UPF。通过增量提升产业价值，同时避免碎片化的定制需求带来研发和维护成本的上升。

2、策略1，统一架构、开放接口

统一UPF架构设计，实现开放、标准的5G控制面和用户面之间的N4接口，构建测试认证体系，Open UPF统一架构如下图所示。

图. Open UPF统一架构设想

为了更好地满足ToB业务更加灵活的发展需求，在功能方面，相对于部署在网络核心的通用UPF，ToB UPF的功能可按需进行简化和分级，梳理出必须支持的基本功能和按需支持的可选功能，实现场景驱动的“按单点菜”；在性能方面，ToB UPF应可提供不同吞吐量规格的设备，满足各种规模的行业需求。

除以上基本功能外，还可根据需求支持以太网数据传输、头增强、白名单、重定向、Framed Routing、GRE/L2TP/IPSec 隧道等功能。为匹配不同业务场景的业务规模，ToB UPF应可提供支持不同吞吐量规格的设备。

目前3GPP对UPF和SMF之间N4接口的定义存在两大问题，一是功能方案冗余，为实现同一功能特性有多种可选方案，由厂家自行选择；二是常用技术方案缺失，一些常用功能由厂家私有实现完成，缺乏标准化支撑，导致不同产品在协议实现上的差异，N4接口仍然为事实上的私有接口。非标准化直接导致了N4接口缺乏互操作性，降低了网络部署的灵活性，增加了网络管理的复杂度，限制了5G网络服务行业客户的生态发展。

聚焦基础接入能力的“最简”UPF，为接口开放提供了可能。标准化的N4接口定义，通过如下三个途径达到：

做选择：对于标准中定义了多选方案的功能，进行对比后选择更优方案，统一技术实现；

去歧义：对于标准定义不清晰的功能或字段，明确使用方法；

补漏洞：对于标准定义无法满足需求或未定义的功能，通过复用已有字段或扩展Vendor IE 实现。

需要说明的是，UPF的功能定制和N4接口的解耦也会对SMF有相关功能要求。考虑到网络建设和维护成本等因素，SMF通常需要同时管理通用UPF和简化的ToB UPF，运营商网内UPF需要在一些基础功能上尽量保持一致，避免对SMF等控制面功能频繁的改造。此外，在网络运维中，UPF和SMF解耦后在问题定位、网络规划等方面也需要更好的协同。

3、策略2，规范平台、开放设备

研究软硬件参考设计，设计面向不同典型场景的硬件规格，共同定义UPF功能基线要求，兼顾系统的灵活度和可扩展性，打造可复制易部署统一平台。

图. Open UPF统一平台

行业客户往往存在定制需求，功能迭代频繁，部分场景有边缘计算的需求，要求UPF支持面向第三方业务的能力开放，对外提供IaaS与PaaS能力。因此，建议UPF按照虚拟化（包括容器化）形态部署和运行在通用服务器上，同时提供硬件和软件功能，如下图所示。（这并不意味着对一体机的摒弃，在特定边缘场景情况下，一体机会带来商务和部署的便利。）

在硬件选择上遵循标准化和通用化原则，可根据不同的业务场景选择服务器与交换机两种硬件方案。

服务器形态UPF主要用于通用CPU+专用加速芯片（ASIC、SOC、FPGA、NP 等）为核心处理单元的架构中。针对不同的业务场景统一规划不同CPU平台的配置模型，兼容Intel、ARM架构；同时具备扩展性，包括内存、PCIE 插槽的扩展。建议采用标准网卡的自动散列等功能与CPU具备的频率负载调配功能提升性价比。在对UPF吞吐与时延要求不高的场景，可考虑使用软硬件结合的加速方案。在对吞吐与时延要求严格的场景，可考虑使用硬件加速技术，建议使用FPGA智能网卡作为标准加速硬件。服务器形态UPF既适用于功能复杂，性能要求较高的场景，又可用于功能较简单，性能要求一般的场景，是当前业界主流产品的形态。

交换机形态UPF主要用于中低端通用CPU+交换芯片的交换机硬件架构中。通过通用CPU 实现虚拟化，利用交换芯片卸载UPF部分数据处理任务和转发功能，在提升系统的处理能力的同时释放CPU资源用于核心任务处理。交换机形态UPF在分组路由和转发、GTP 隧道处理以及根据用户面策略进行分流等方面都具有优势。综合功耗、散热以及空间等因素，交换机方案有助于降低整体成本和功耗，同时提升系统的处理能力。适合在多端口、低成本、低功耗的场景中应用，例如智能停车、智能消防、智能家电等NB-IoT应用场景。

虚拟化基础设施管理器（VIM，Virtualised Infrastructure Manager）建议具备轻量化、认证管理、虚拟机模板/规格/生命周期管理、裸机管理、秘钥管理、存储卷及快照管理、网络资源管理、加速器管理等功能。VIM 版本建议基于开源社区OpenStack Train版本，或北向接口匹配OpenStack Train 版本的商业虚拟化管理器。

虚拟机管理器（Hypervisor）建议采用实时性内核，支持实时性虚拟机操作系统（Guest OS）、CPU模式设定、CPU核绑定、NUMA/PCI NUMA亲和性、虚拟机亲和性/反亲和性组、虚拟网卡多队列、VLAN透传、加速器（SR-IOV,GPU,FPGA）等功能，按需满足行业UPF 的功能和性能要求。

容器平台需支持应用及各种资源对象的编排，底层网络和存储的编排，以及租户管理等功能，以实现容器化UPF的整个生命周期管理；应具备数据库、消息队列、中间件、微服务间通信及治理等服务能力，构建可对外提供平台通用服务能力的开放的PaaS平台。建议运行容器的操作系统基于开源标准Linux并增强，支持满足开放容器标准（OCI，Open Container Initiative）和容器运行时接口（CRI，Container Runtime Interface）的容器运行。建议容器层管理软件采用基于开源Kubernetes并增强。

4、策略3，拓展行业、开放服务

ToB UPF应为运营商、合作伙伴逐步提供可调用的API、可编程的环境，成为网络价值的创造点如下图。

图. Open UPF开放服务架构图

UPF的服务能力分为两部分，基础功能与增值定制功能。基础功能是5G UPF基础能力，即表2中支持的功能；定制功能，是根据行业需求叠加定制的特色能力，如虚拟网络、本地转发、位置、认证等。仅仅满足基础功能的ToB UPF是不够的，随着标准技术的演进和新的开放服务模式的出现，UPF还需开放更多网络基础能力，不断引入新的特性，进一步丰富定制化能力；同时能将功能调用的API提供给运营商，并在业务合约下提供给垂直行业伙伴，例如开放信息的订阅、网络连接的管理（如二次认证）、IP 地址的自主分配等能力。

（编辑：安卓应用网_ASP源码网）

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