5G核心网技术基础自学系列 | 提供有效用户面连接的机制

Posted 2022-11-24 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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附上汇总贴：5G核心网技术基础自学系列 | 汇总_COCOgsta的博客-CSDN博客

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6.4.1 概述

定义5GC会话管理时，提供有效的用户面连接是主要目标之一。如前所述，5GC的UP架构是以灵活的方式定义的，从而允许实现和部署利用标准提供的手段来实现特定的用例和要求。同样，对于提高用户面效率也已经定义了一组工具，可以根据用例和场景使用它们。

实现高效UP路径的最基本的工具也许是在PDU会话建立时的UPF选择。这里SMF靠近UE的位置。本章前面已经描述了PDU会话建立时的UPF选择。以下所述的工具主在选择UPF时， 可以考虑UE位置和有关用户面拓扑的其他信息。这可以促使UPF位于要依赖于UP 重选， 例如， 在PDU会话的生命周期内， 由于UP的移动性， 需要修改UP路径。如果UE已远离PDU会话最初建立的位置， 或由于其他触发因素(例如， 用户已启动了一个需要低时延的应用)，重选将很有用。下面我们将更仔细地研究这套工具。

6.4.2 服务和会话连续性模式

6.4.2.1 概述

PDU会话建立后， PDU会话锚点UPF也已选择并将保持为PDU会话的IP锚点。在建立时， 可能已在靠近UE的位置选择了此PSA UPF。但是， 随着UE的移动， PSA UPF可能不再处于最佳位置， 可能有其他靠近UE新位置的UPF可以用作PSA UPF。但是，更改PSA UPF需要更改UE的IP地址， 这可能会对UE上运行的应用/服务造成影响。某些应用/服务可能需要IP地址的连续性才能平稳运行，而其他一些应用/服务可能可以处理IP地址的改变而不会对用户体验造成太大影响。

5GS支持差异化的会话和服务连续性，以解决UE中各种应用和服务可能具有的不同的IP地址连续性要求。为此已定义了三种不同的服务和会话连续性(SSC) 模式：SSC模式1、2和3。PDU会话建立时， 将为其分配一种SSC模式。SMF根据用户签约中允许的SSC模式、特定PDU会话类型允许的SSC模式以及UE请求的SSC模式(如果存在) 来完成SSC模式选择。

下面我们描述每种SSC模式及其属性。

6.4.2.2 SSC模式1

在这种SSC模式下， 网络保持提供给UE的PDU会话的连通性， 并且在PDU会话建立时充当PDU会话锚点的UPF会一直保留， 而与UE移动性无关。对于基于IP的PDU会话类型(IPv4、IPv6或IPv4v6) ， 将保留IP地址/前缀。因此， 无论在PDU会话的生命周期内发生何种UE移动性事件， IP会话连续性都会得到支持。因此， SSC模式1适用于需要IP地址连续性的应用。

6.4.2.3 SSC模式2

对于具有SSC模式2的PDU会话， 网络可以释放到UE的连接， 并且释放相应的PDU会话， 例如， 当UE离开其初始位置时。在PDU会话释放消息中， 网络还给出一个指示， 该指示触发UE请求建立新的PDU会话(对于相同的DNN和S-NSSAI) 以重新获得与同一个DN的PDU会话连接。在释放旧的PDU会话之后， UE的连接会中断， 直到建立了新的PDU会话， 因此SSC模式2被描述为“先断后连”。在建立新的PDU会话时， 将进行新的SMF选择和UPF选择， 因此可以选择更接近UE当前位置的PDU会话锚点UPF。因此， SSC模式2过程允许PSA UPF被“重新定位”到更接近UE当前连接点的位置。对于IPv4、IPv6或IPv4v6类型， PDU会话的释放意味着释放已分配给UE的IP地址/前缀。然后， 将为新的PDU会话分配新的IP地址/前缀， 因此， SSC模式2适用于可以处理用户面连接和IP地址更改(在基于IP的PDU会话类型的情况下) 短暂中断的应用。

6.4.2.4 SSC模式3

SSC模式3在允许PSA UPF更改方面类似于SSC模式2， 但在SSC模式3时， 网络可确保UE在PSA UPF更改期间不会遭受连接丢失。因此， SSC模式3可描述为“先连后断”。可以通过两种方式实现SSC模式3：

• 多PDU会话：在这种情况下， SMF指示UE在释放旧的PDU会话之前请求建立到同一DN的新PDU会话。这意味着在释放旧的PDU会话及其用户面连接之前UE会在一段时间内通过新的PDU会话锚点来使用用户面连接。

• IPv6多宿主：在这种情况下， 使用的是单个PDU会话(PDU会话类型为IPv6)，并且旧的PSA UPF(和旧的IPv6) 被释放之前， 为该PDU会话分配了新的UPF PSA(具有新的IPv6前缀) 。与使用多个PDU会话时类似， 可以在释放旧的PDU会话锚点之前使用新的PDU会话锚点。

上述两种情况都不会保留旧的IP地址/前缀。与旧的PDU会话锚点相比， 新的PDU会话锚点将与不同的UE IP地址/前缀关联。因此， SSC模式3适用于需要连续的用户面连接但可以处理IP地址/前缀更改的应用。SSC模式3仅适用于基于IP的PDU会话类型。

图6.7说明了不同SSC模式的原理。

图6.7 SSC模式的原理

6.4.3 到DN的选择性路由

6.4.3.1 概述

正如我们在6.3.2节中所看到的， 在最简单的情况下， PDU会话具有单个PSA UPF，因而具有到DN的单个N6接口。但是PDU会话可能具有不止一个PSA UPF， 因此可具有多个到DN的N6接口(参见图6.6C)。后一种情况可用于有选择地将用户面流量路由到不同的N6接口， 例如一个带有N6接口的本地PSA UPF连接到本地边缘站点， 另一个带有N6接口的中央PSA UPF连接到中央数据中心或Internet的对点。这一功能可用于边缘计算用例或连接分布式内容交付站点。

已定义了两种机制来支持到DN的选择性业务路由，我们将在下面做进一步描述。

6.4.3.2 上行分类器

上行分类器(UL CL) 是UPF支持的功能， 其中UPF将一些流量转移到其他的(本地) PSA UPF。UL CL转发朝向不同PDU会话锚点的上行流量， 以及合并流向UE的下行流量(即合并来自链路上指向UE的不同PDU会话锚点的流量) 。UL CL使用SMF提供的流量过滤器， 根据流量检测和流量转发规则引导流量。UL CL使用过滤规则(例如检查UE发送的上行IP数据包的目标IP地址/前缀) 确定如何对数据包进行路由。支持UL CL的UPF也可以由SMF控制， 以支持用于计费的流量测量、比特率合规等。UL CL的使用适用于IPv4、IPv6、IPv4v6或以太网类型的PDU会话， 以便SMF可以提供适当的流量过滤器。

当SMF决定转移流量时， SMF将UL CL以及一个附加的PSA插人数据路径中。这可在PDU会话生命周期的任何时间点上完成， 例如由AF请求触发， 我们将在下一节讨论。附加的PSA可以与UL CL在同一UP F中共处， 也可以是一个独立的UPF。图6.8给出了一个架构示例。当SMF确定不再需要UL CL时， SMF可以将其从数据路径中删除。

图6.8 使用上行分类器的DN本地接入

应该注意的是， UE并不感知UL CL的流量转移， 也不参与UL CL的插人和移除。因此， UL CL的解决方案不需要UE有特别的功能。

6.4.3.3 IPv6多宿主

对IPv6多宿主的支持也可以使流量选择性地路由到不同的PDU会话锚点。IPv6多宿主使UE可以在单个PDU会话中分配多个IPv6前缀。每个IPv6前缀将由单独的PDU会话锚点UPF提供服务， 每个PDU会话锚UPF都有其自己的DN N6接口。不同的用户面路径导致的不同PDU会话锚点在“共同”的UPF上出现分支， 这个“共同”的UPF被称作支持“分支点”(BP) 功能的UPF。分支点对朝向不同PDU会话锚点的UL流量进行转发， 以及对朝向UE的DL流量进行合并， 即将链路上来自不同PDU会话锚点的流量合并到UE。图6.9给出一个架构示例。

图6.9 使用BP和IPv6多宿主对DN的本地接入

与ULCL类似， SMF可以决定在PDU会话的生命周期内随时插入或删除支持分支点功能的UPF。支持BP的UPF也可以由SMF控制， 以支持用于计费的流量测量、比特率合规等。

IPv6多宿主仅适用于IPv6， 并且仅在UE有相应支持时才适用。当UE请求用于IPv6的PDU会话时， UE同时向网络提供其是否支持IPv6多宿主的指示。

当使用IPv6多宿主(和BP) 时， 由UE选择使用哪个IPv6前缀作为其上行业务的源地址。这将反过来决定数据包采取的路径， 因为BP将根据源IPv6地址转发UL数据包。为了在源地址选择中影响UE并确保UE为给定的应用流量选择恰当的IPv6前缀， SMF可以将路由信息和首选项配置到UE中。如IETF RFC 4191(RFC 4191) 中所述， 这是通过路由器通告消息完成的。与UL CL方法相比， 关键区别之一是UE的参与， 因为在IPv6多宿主方案中， 需要某些UE功能， 并且UE也会选择流量路径(尽管基于从SMF接收的规则) ， 而UL CL方法是纯粹基于网络的功能。

最后， 应该注意的是， IPv6多宿主既是向不同的PSA和N6接口提供流量选择性路由的工具(如本节所述) ， 又是实现SSC模式3的工具(如4.2.4节所述) 。

6.4.4 应用功能对流量路由的影响

应用功能(AF) 对流量路由的影响是一个与SSC模式和到DN的选择性路由相关但又有所不同的概念。SSC模式和UL CL/BP是帮助实现有效用户面路径的机制， 而AF对流量路由的影响实际上是一个控制面的解决方案，即AF(例如第三方的AF)如何影响流量路由机制(例如SSC模式或UL CL/BF) 的使用。它允许AF向5GC提供输人， 指示应如何路由某些流量， 然后由5GC(尤其是SMF) 决定如何使用可用的工具(例如UPF选择、SSC模式、UL CL、IPv6多宿主等) 。

AF可以直接将请求发送到PCE(如果AF可以直接与PCF通信) ， 也可以通过NEF将请求发送到PCF。如果请求通过NEF发送， 则NEF可以将AF提供的外部标识映射到5GC已知的内部标识。AF可以提供以下信息：

• 流量描述符(IP过滤器或应用标识)。此信息描述了AF的这个请求所涵盖的应用流量。

• 由数据网接入标识(DNAI) 列表表示的应用的潜在位置。DNAI是一种标识符， 可以代表用户面对某应用的一个或多个DN的访问，也可以解释为指向对数据网络的一种特定访问的索引， 例如它可以代表一个特定的数据中心。DNAI的具体数值不是3GPP规定的(DNAI数据类型是字符串) ， 而是由运营商部署和配置来定义。

• 请求所针对的UE标识， 例如GPSI或UE组标识。

• N6流量路由信息，指示应如何在N6上转发流量。N6流量路由信息可以包含DN中应用流量朝向的目标IP地址(和端口)。

• 时空有效性条件(时间间隔和地理区域)。这些条件指示AF的请求适用于何时何地。

当PCF收到此信息时， 它将创建包含相关信息的PCC规则， 并将其提供给SMF。然后SMF依据信息进行操作， 例如插人UL CL、使用SSC模式2或3过程触发PSA重定位， 或者其他操作。图6.10描述了一个用例， 其中UL CL被插入， 目标流量被重定向到本地数据中心。

图6.10 AF对流量路由影响的用例

AF可以请求SMF通知自己有关UPF的事件的发生， 例如， 当插人UL CL或触发SSC模式2或3过程时。AF可以请求在事件即将发生之前、事件发生之后获得通知。这使AF可以采取应用层操作， 比如重新确定应用的状态或处理UE IP地址的更改。

在3GPP TS 23.501的5.6.7节中可以发现有关应用功能对流量路由景响的更多详细信息。