5G NGC — UPF 用户面功能

上山打老虎

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文章目录

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• UPF
  
• UPF 的参考点架构
  
• UPF 的功能描述
  
• PFCP Session 的策略模型
  
• PDU Session 的转发模型
  

UPFUPF（User Plane Function，用户面功能）：从 4G EPC CUPS 演进而来，4G EPC CUPS 将 SGW/PGW 分离为 SGW/PGW-C 和 SGW/PGW-U，前者负责处理信令业务，而后者则在更接近网络边缘的地方执行 UP 的 SDF（业务数据流）以及流量聚合，达到提高带宽效率，同时减少网络阻塞的效果。然而在 4G 中要彻底实现 CP 和 UP 的分离是一项复杂的工程，5G 则引入了 UPF 来实现这一点。

UPF 的参考点架构

与 UPF 相关的由 4 个标准参考点：

• N3：® AN 和 I-UPF（Initial UPF）/ UPF 之间的接口。
  
• N4：SMF 和 UPF 之间的接口。
  
• N6：DN 和 UPF 之间的接口。
  
• N9：I-UPF 和 PSA 之间的接口。移动场景中，UE 与 PSA 之间插入 I-UPF 进行流量转发。
  
• N19：两个 PSA 之间的接口。5G LAN 场景中，两个 PSA 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 Session 之间的流量。
  

其中，N3 和 N9 参考点上采用了以下协议，由 I-UPF 来完成中继，并在 PSA 上终结：

• 带 5G 扩展协议头的 GTPv1-U 协议。
  
• 分段路由协议（SRV6 或 NSH）。
  
• ICN（Information Centric Networking）协议。
  
• GTPv1-U 协议之上的 LISP-DP（Locator/ID Separation data plane protocol，位置/身份分离数据平面协议）。
  
• GTPv1-U 协议之上的 ILA（Identifier Locator Addressing，标识符定位寻址）。
  

NOTE：PSA（UPF of PDU Session Anchor），Anchor（锚点）的概念来自 4G Anchor PGW，是一个记录了 UE Session 的 PGW，连接着 DN。在 4G EPC 中，SGW 是很多且分散的，但 PGW 只会存在于核心网中心机房。无论 UE 如何移动、SGW 如何切换，但 Anchor PGW 始终记录着 UE Session。就像是船的锚，无论船怎么飘，始终会有锚绳在牵引着。
UPF 的功能描述UPF 作为 5G 核心网的用户面网元，主要功能是响应 SMF 请求，作为 RAN 与 DN 之间的联接点，PDU Session 锚点负责完成用户面上 GTP-U 协议的封装与解封装、分组路由与转发、数据包检查以及 QoS Flow 映射等网络用户面的处理，完成用户面门控、重定向、流量转向等策略规则的实施。同时，还要对计费及合法拦截提供用户流量收集接口和流量使用报告。
下列为 3GPP 列举的 UPF 功能描述：

• Anchor point for Intra-/Inter-RAT Mobility.
  
• External PDU Session point of interconnect to Data Network.
  
• Packet routing & forwarding (e.g. support of Uplink classifier to route traffic flows to an instance of a data network, support of Branching point to support multi-homed PDU Session).
  
• Packet inspection (e.g. Application detection based on service data flow template and the optional PFDs received from the SMF in addition).
  
• User Plane part of policy rule enforcement (e.g. Gating, Redirection, Traffic steering).
  
• Lawful intercept.
  
• Traffic usage reporting.
  
• QoS handling for user plane, UL/DL rate enforcement, Reflective QoS marking in DL.
  
• Uplink Traffic verification.
  
• Transport level packet marking in the uplink and downlink.
  
• Downlink packet buffering and downlink data notification triggering.
  
• Sending and forwarding of one or more “end marker” to the source NG-RAN node.
  
• ARP proxying and / or IPv6 Neighbour Solicitation Proxying functionality for the Ethernet PDUs. The UPF responds to the ARP and / or the IPv6 Neighbour Solicitation Request by providing the MAC address corresponding to the IP address sent in the request.
  

NOTE：RAT（Radio Access Technology，无线接入技术），包括 3GPP 的接入技术，即：LTE、NR；以及 Non-3GPP 接入技术，如：Wi-Fi、WiMAX 和 CDMA。
PFCP Session 的策略模型在建立 UE 的 PDU Session 流程中，会同步建立 PFCP Session，又称 N4 Session。采用了 PFCP（Packet Forwarding Control Protocol，分组交换控制协议）协议，用于定义 UPF 对 PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）进行 “标识、转发、缓存、标记、报告和多接入” 的方式。
PFCP Session 主要用于 CP 和 UP 之间传输 Node Management、Session Management 及 UP Message Report。CP 和 UP 之间交互的规则包括：

• 识别（PDRs，Packet Detection Rules，报文检测规则）
  
• 转发（FARs，Forwarding Action Rules，转发操作规则）
  
• 缓存（BARs，Buffering Action Rules，缓存操作规则）
  
• 标记（QERs，QoS Enforcement Rules，QoS 实施规则）
  
• 报告（URRs，Usage Reporting Rules，用量上报规则）
  
• 多接入（MAR，Multi-Access Rule，多接入规则）
  

详见：

• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — PDR 报文检测规则》
  
• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — FAR 转发操作规则》
  
• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — BAR 缓存行为规则》
  
• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — QER QoS 实施规则》
  
• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — URR 用量上报规则》
  
• 《5GS 协议栈 — PFCP 协议 — MAR 多接入规则》
  

PDU Session 的转发模型

• PDU 进入 UPF。
  
• 首先通过 PDU Session（F-TEID）找到匹配的 PFCP Session，也就是 N4 Session。
  
• 如果匹配 PFCP Session 成功，则找到所有与该 PFCP Session 关联的 PDRs，并按照优先级，挑选出优先级最好的 PDR。对于未匹配任何 PDR 的数据包，UPF 则执行丢弃处理。
  
• 如果悬着 PDR 成功，则找到与所有与该 PDR 关联的 FARs、BARs、QERs、URRs。
  
• 根据 FARs、BARs、QERs、URRs 信元中定义的规则对 PDU 进行相应的报文处理。
  
• UPF 发出 PDU。