5G NGC — UPF 用户面功能

mac2024-04-04  32

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目录基本概念UPFUPF 的集成架构UPF 的功能集合N4 Session 的策略模型PDR 如何检测 PDU?FAR 如何转发 PDU?BAR 如何缓存 PDU?QER 如何标记 PDU?URR 如何进行报告? PDU Session 的转发模型

基本概念

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。

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。

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 的集成架构

与 UPF 相关的由 4 个标准参考点:

N3:®AN 和 I-UPF(Initial UPF)之间的接口。N4:SMF 和 UPF 之间的接口。N6:DN 和 UPF 之间的接口。N9:两个 UPF 之间的接口,例如:I-UPF 和 PSA 之间。

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)。

UPF 的功能集合

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.

N4 Session 的策略模型

在建立 UE 的 PDU Session 流程中,会同步建立 N4 Session,又称 PFCP 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。具有以下 IE(信元)类型:

识别(PDRs,Packet Detection Rules,数据包检测规则)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,使用情况报告规则)多接入(MAR,Multi-Access Rule,多接入规则)

PDR 如何检测 PDU?

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 flowACCESS: the filter is for uplink data flow 报文匹配参数类型: Network interfaceLocal F-TEIDUE IP addressSDF Filter(s)Application ID QFI:指定检测的 QoS Flow 对应的 SDF。Ethernet Packet Filter(s)、Ethernet PDU Session Informations

FAR 如何转发 PDU?

CP 应该在一个 PFCP Session 中规定每个 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_LANDST_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接口。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_IP4OUTER_HEADER_CREATION_GTP_IP6OUTER_HEADER_CREATION_UDP_IP4OUTER_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 如何缓存 PDU?

QER 如何标记 PDU?

URR 如何进行报告?

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。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。
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