[5GC]《5G核心网-赋能数字化时代》| 6.3用户面处理

Posted 2022-12-01 Greyplayground

6.3 用户面处理

6.3.1 概述

会话管理的主要任务：
为PDU会话管理用户平面，这个平面中承载着实际的终端用户业务流，比如说语音和视频
数据流的走向：
从基站传入的数据首先通过N3接口发往UPF，一般UPF不只有一台，多台UPF通过N9接口互联实现了可靠性的提高还有更加灵活的部署方式，最后UPF通过N6接口将数据发往数据网络，数据网络也可称为DN。在这个过程中出现的N3/N6/N9接口可以直接理解为数据通信网络中的各种接口，这些接口可以发送和接收各种协议报文，例如IPv4和IPv6报文，这些报文承载着上层的应用数据往来于UE和DN之间。
以上的这些过程都可以通过下图来体现，但是这张图中有更加丰富的内涵

GTP-U隧道：
这是一个重要概念，从上图中可以看出，这条隧道连接着5G AN，UPF和和PSA UPF（PSA的概念将在后面讲到）。该隧道的概念脱胎于4G时代的EPC，EPC网络同时还存在GTP-C的概念，但是在5GC时代已经不复存在，至于不存在的理由已经超出了本文的讨论范围，这部分内容会在之后单独讲解。这里简单介绍一下，C是控制面，而U则是用户面，用户面实际承载着UE和DN之间的应用数据，由于这种封装方式在5GC中没有改变，所以5GC保留了GTP-U的概念，C则由其他实体负责。
保留它的原因主要是其灵活性，但是它也不是一成不变的，在5GC中GTP-U增加了例如新5G QoS模型的增强功能

控制平面和用户平面的分离：
这是5GC的另外一个特性，而且是与生俱来的，这不同于EPC（EPC是从R14开始支持这种分离）。分离的好处有这样几个：

• 灵活的网络部署：集中式和分布式的部署
• 用户面独立于控制面的扩容能力
• 更经济的方案：同时满足用户低时延和大带宽的需求

这一切都使得运营商的可持续发展得到保证

6.3.2 用户平面路径和UPF角色

这一部分主要专注于UPF的角色，我们将能剥开抽象的外层概念，看到更丰富的UPF间的组网，在上一节的协议栈图中，UPF和PSA UPF只是一个抽象的模型，实际上UPF组网有更丰富的形式，将形成更加复杂的数据传输路径，自然支持更丰富的功能。

唯一性：
UPF是5GC中唯一一个用户平面实体，这个活儿没人跟它抢
不确定性：
标准中没有要求UPF互联的数量和形式，可以串联（chain），可以做分支（forking），总之就是格式各样，满足了用户的客制化需求，比如为了边缘计算或者CDN（暂时不知道这是什么），UPF可以通过分支组网实现业务流被引入不同的数据网络中，这方面的知识在后续章节详细讲解，这很重要。
角色的复合性：
对于某个PDU会话（这很重要，这是一个限制范围，我们讨论UPF角色一定是基于某一个特定的PDU会话的，凡是抛开PDU会话去讨论UPF角色的都是耍流氓）来说，它的角色取决于以下几点：

• 它在UPF链的位置
• UPF的能力集
• 从SMF获取的能力集

言外之意：对于不同的PDU会话来说，一个UPF实例，可以担任多种角色，不会受到UPF实例的限制

看图说话：
话不多说，直接上图：

( A )最简单的场景，我们只需要一台PSA UPF。
( B )在移动通信的场景下，UE可能从原有的RAN节点移动到新的RAN节点，新RAN节点无法通过N3隧道到达PSA UPF，此时一台I-UPF将被插入到组网中
( C )该场景下存在一个UL-CL/BP节点，它将以fork/merge的形式连接UE和多个DN，也就是多个PSA UPF

UPF功能汇总

• Anchor point for Intra-/Inter-RAT mobility.
• External PDU Session point of interconnect to Data Network (i.e. N6).
• Packet routing and forwarding.
• Packet inspection (e.g. Application detection).
• User Plane part of policy rule enforcement, e.g. Gating, Redirection, Traffic steering.
• Lawful intercept (UP collection).
• Traffic usage reporting.
• QoS handling for user plane, e.g. UL/DL rate enforcement, Reflective QoS marking
  in DL.
  122 5G Core Networks
• Uplink Traffic verification (SDF to QoS Flow mapping).
• 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.
• Functionality to respond to ARP and IPv6 ND requests for the Ethernet PDUs.
  Even though the standard only defines a single User Plane function (UPF), it has defined a
  few functional roles that a UPF can perform on the User Plane path:
• PDU Session Anchor (PSA): This is the UPF that terminates the N6 interface toward
  the DN.
• Intermediate UPF (I-UPF): This is a UPF that has been inserted on the UP path
  between the ®AN and a PSA. It forwards traffic between ®AN and the PSA.
• UPF with UP-link Classifier (UL-CL) or Branching Point (BP): This is a UPF that is
  “forking” traffic for a PDU Session in up-link, and “merging” UP paths in down-link.

6.3.3 用户面和控制面分离以及N4接口

6.3.3.1 概述

UP和CP的分离概念在5GC中仍然被使用，PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）自然也被保留下来，该协议通过N4接口这个桥梁，连接着UP和CP。使用老协议的好处就在于，UP实体能够同时支持EPC和5GC，简化了4/5G互通和迁移的功能。

6.3.3.2 UPF的发现和选择

由谁选择
SMF和UPF通过N4接口互通，SMF完成UPF的选择
SMF和UPF的部署方式没有标准化，这取决于服务需求（比如User Plane Delays，reliability）
发现和选择的意义
UE和多个应用服务器之间，需要一种灵活的选路方式
选择的依据
SMF选择UPF时，需要了解哪些是可用的UPF，UPF的能力和UPF的负载状态等
具体的做法有以下几种：

• SMF通过OAM配置获取UPF的位置信息和连接方式，选择将基于UE的位置
• SMF从NRF处获得可用UPF的列表，包含UPF的DNN（可去往哪些DN）和网络切片，但是不包含UPFs的拓扑信息
• SMF和UPF建立N4连接时将获取UPF的信息，如是否支持Traffic Steering on N6-LAN，header enrichment，traffic redirection等，还有UPF的负载情况

SMF最终的抉择
信息获取完成后，SMF将根据PDU会话的需求或移动性需求，来决定以哪些信息为标准去选择UPF实例，这些信息有些从UPF获取，有些从AMF处获取，还有一些是SMF本身的预配置，下面列举主要的信息：

• UPF’s dynamic load.
• UPF’s relative static capacity among UPFs supporting the same DNN.
• UPF location.
• UE location information.
• Capability of the UPF
• The functionality required for the UE session.
• Data Network Name (DNN).
• PDU Session Type (i.e. IPv4, IPv6, IPv4v6, Ethernet Type or Unstructured Type)
• SSC mode selected for the PDU Session.
• UE subscription profile in UDM.
• DNAI (see Section 6.4.4 for more info).
• Local operator policies.
• S-NSSAI.
• Access technology being used by the UE.
• Information related to user plane topology and user plane terminations.

6.3.3.3 对用户平面的选择性激活与去激活

对于某个PDU会话而言，只有当用户面中存在缓冲数据时，才能够被激活，这一行为和4G EPC是不同的
即使UE处于CM-CONNECTED状态时，如果没有缓冲数据的话，该PDU会话的N3隧道也不会被激活，这种行为的动机是为了增强网络切片之间的隔离性
N3隧道的激活是通过Service Request过程来完成的
不过，对于那些对时延敏感的业务来说，这种行为将带来较大的影响，在这种情况下，即使用户面连接中没有缓冲数据，只要UE状态从CM-IDLE变为CM-CONNECTED，用户面连接也会被无条件激活