(7条消息) 5G NGC

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文章目录

• 目录
• UPF
• UPF 的参考点架构
• UPF 的功能描述
• PFCP Session 的策略模型
• • PDR 报文检测规则
  • FAR 转发操作规则
  • BAR 缓存行为规则
  • MAR 多接入规则
• PDU Session 的转发模型
• • 用户面协议栈

UPF

UPF（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：

1. 带 5G 扩展协议头的 GTPv1-U 协议。
2. 分段路由协议（SRV6 或 NSH）。
3. ICN（Information Centric Networking）协议。
4. 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）。
5. 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）

PDR 报文检测规则

由 CP 向 UP 下发流处理策略 PDR，通知 UPF 针对什么样的 SDF 做出什么样的 Action。其中，流处理策略包含：

• 流规则：
  • PDI（Packet Detection Information，报文检测信息）
• 流动作：
  • FAR：转发动作
  • QER：QoS 控制动作
  • URR：统计上报动作

每个 PDR 内部必须包括一个 PDI（报文检测信息），PDI 定义了一个或多个对报文进行匹配检测的字段（包含以下字段的任意组合）：

• Source interface：指定 Packet Incoming（传入报文）的源接口，枚举：
  • CORE: the filter is for downlink data flow
  • ACCESS: the filter is for uplink data flow
• CN tunnel info.
  • Local F-TEID
  • UE IP address
• Network instance
• QFI：指定检测的 QoS Flow 对应的 SDF。
• SDF Filter(s)
  • IP Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.2：仅 IP 类型 PDU Session。
  • Ethernet Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.3：仅 Ethernet 类型 PDU Session。
• Application Identifier：The Application ID is an index to a set of application detection rules configured in UPF.

FAR 转发操作规则

R15 规定，CP 应该在一个 PFCP Session 中位每个 PDR 仅提供一个 FAR，FAR 为 UPF 提供与 PDR 匹配的 PDU 的转发指令。

通过 FAR 中的 Apply Action IE 中设置相应的 Flags，SMF 可以控制 UPF：

• DROP：丢弃数据包。
• FORW：转发数据包。
• BUFF：缓冲下行链路数据包。
• NOCP：通知 SMF 缓冲相关的第一个下行链路数据包到达的通知。
• DUPL：提供如何转发重复数据包的说明。

通过 FAR 中的 Forwarding Parameters 设置转发行为细节：

• Destination Interface：指示数据包要转发到哪个目的接口。
  • DST_INTF_ACCESS：无线网侧接口。
  • DST_INTF_CORE：核心网侧接口。
  • DST_INTF_SGI_LAN
  • DST_INTF_CP：控制面接口。
  • DST_INTF_LI
• Network Instance：指示数据包要转发到哪个网络实例（网络隔离实例）。
• Redirect Information：指示是否对数据包做重定向处理，以及重定向的目的地址。
• Outer Header Creation：指示是否对转发数据包添加报文头（例如：GTP-U Header）。
  • OUTER_HEADER_CREATION_GTP_IP4
  • OUTER_HEADER_CREATION_GTP_IP6
  • OUTER_HEADER_CREATION_UDP_IP4
  • OUTER_HEADER_CREATION_UDP_IP6
• Transport Level Marking：指示对转发数据包的 IP Header 添加指定的 DSCP 标记。
• Forwarding Policy：指示关联到 UPF 本地预先配置的转发策略。
• Header Enrichment：数据包头增强，在 HTTP Header 添加额外的扩展信息，例如：手机号码。

BAR 缓存行为规则

R15 规定，每个 PFCP Session 最多可以创建一个 BAR，CP 通过 Create/Update BAR 来控制 UP 的 FAR BUFF Action 数据缓存行为。

1. Downlink data notification delay IE（下行链路数据报文到达通知延迟）：指示 UP 在接收下行链路数据报文时，与向 CP 发送 PFCP session report request 之间的延迟。
2. Downlink data buffer duration IE（下行链路数据报文持续缓存时间）：指示 UP 在持续的一段时间内缓冲下行链路数据报文，而不向 CP 发送 Downlink data notification。
3. Downlink data buffer recommendation packet count IE（下行链路数据报文的建议缓存计数）：指示 UP 缓存下行链路数据报文的数量。
4. Recommended buffer count IE（数据报文的建议缓存计数）：如果 UP 支持 UDBC feature，则指示 CP 建议在 UP 中缓存的报文数量（包括上行链路或下行链路），直到从 CP 接收到新的指令，例如：授予了新的配额。

MAR 多接入规则

参数列表：

• N4 Session ID：Identifies the N4 session associated to this MAR.
• Rule ID：Unique identifier to identify this rule.
• Steering functionality：Indicates the applicable traffic steering functionality: Values “MPTCP functionality”, “ATSSS-LL functionality”.
• Steering mode：Values “Active-Standby”, “Smallest Delay”, “Load Balancing” or “Priority-based”.
• Forwarding Action Rule ID：The Forwarding Action Rule ID identifies a forwarding action that has to be applied.
• Weight：Identifies the weight for the FAR in case steering mode is “Load Balancing”. The weights for all FARs need to sum up to 100.
• Priority：Values “Active or Standby” or “High or Low” for the FAR. “Active or Standby” for “Active-Standby” steering mode and “High or Low” for “Priority-based” steering mode.
• List of Usage Reporting Rule ID(s)：Every Usage Reporting Rule ID identifies a measurement action that has to be applied. This enables the SMF to request separate usage reports for different FARs (i.e. different accesses)

PDU Session 的转发模型

1. PDU 进入 UPF。
2. 首先通过 PDU Session（F-TEID）找到匹配的 PFCP Session，也就是 N4 Session。
3. 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。
4. 如果悬着 PDR 成功，则找到与所有与该 PDR 关联的 FARs、BARs、QERs、URRs。
5. 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。
6. UPF 发出 PDU。

用户面协议栈

从下图可见，5G 核心网络侧的用户面协议栈依旧是 GTP-U，但相对于 4G 的区别在于多了两个不同的扩展头。详见 《移动通信网络协议 — GTP-U 隧道协议》和《5G NGC — GTPv1-U 协议的扩展》。