5GC核心网之网元UPF

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1  UPF User Plane Function 用户平面功能

•         用于RAT内/ RAT间移动性的锚点  Anchor point for Intra-/Inter-RAT Mobility
•         外部PDU与数据网络互连的会话点  External PDU Session point of interconnect to Data Network.
•         分组路由和转发（例如支持上行链路分类器以将业务流路由到数据网络的实例，支持分支点以支持多宿主PDU会话） 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).
•         数据包检查（例如基于服务数据流模板的应用程序检测以及从SMF接收的可选PFD） Packet inspection (e.g. Application detection based on service data flow template and the optional PFDs received from the SMF in addition).
•         用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向 User Plane part of policy rule enforcement, e.g. Gating, Redirection, Traffic steering).
•         合法拦截（UP收集） Lawful intercept
•         -流量使用报告 Traffic usage reporting.
•         用户平面的QoS处理，例如UL / DL速率实施，DL中的反射QoS标记 QoS handling for user plane, UL/DL rate enforcement, Reflective QoS marking in DL.
•         上行链路流量验证 Uplink Traffic verification
•         上行链路和下行链路中的传输级分组标记 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.

      看考： http://www.freedomtutorials.com/5GSystem/use_plane_function.php

 

     SMF 执行 UPF 的选择，详情在 TS 23501 章节 6.3.3，对于一个 PDU 会话支持的 UPF 数量没有限制

     UPF 流量检测能力可以被 SMF 用来控制，如下功能列表：

• 流量检测（按照流量 IP 类型，以太网类型，非结构化类型分类）
• 流量报告（允许 SMF 支持付费）
• QoS实施
• 流量路由

 

2  UPF 功能详情

    2.1 UE IP 地址管理

       UE IP 地址管理包括分配以及释放 UE IP 地址，也包括从新分配 IP 地址

      当在 PDU 会话中没有使用静态 IP 地址， 实际分配 IP 地址有如下机制：

•   SMF 从地址池分配并关联到所选择的 UPF 锚点
•   UE IP 地址从 UPF 获得，SMF 与 UPF 通过 N2 接口交互获得一个合适的 IP 地址
•   UE IP 地址从外面数据网络获取

    2.2 管理 CN 隧道信息

      核心网隧道信息是 PDU session 中的 N3 / N9 隧道，包括 TEID 和 IP 地址

      当一个新的 PDU 会话需要建立或者释放，分配或释放 CN 隧道信息

• 在 SMF 中管理核心网隧道信息
• 在 UPF 中管理核心网隧道信息

    2.3 流量检测

      SMF 负责指示 UPF 怎么检测用户数据流量，这个定义 PDR（Packet Detection Rule），SMF 控制 UPF 的流量检测，其提供每个 PDR 的检测信息。

      IPv4 IPv6 IPv4v6 类型的 PDU Session，检测信息包括：

        - CN tunnel info.

        - Network instance.

        - QFI.

        - IP Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.2.

        - Application Identifier: The Application ID is an index to a set of application detection rules configured in UPF.

      以太网类型的 PDU Session，检测信息包括：

        - CN tunnel info.

        - Network instance.

        - QFI.

        - Ethernet Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.3.

    2.4 控制用户平面的转发

      UPF 转发功能如下：

     - Apply N3 /N9 tunnel related handling, i.e. encapsulation.

     - Forward the traffic to/from the SMF, e.g. as described in Table 5.8.2.5.2-1.

     - Forward the SM PDU DN Request Container from SMF to DN-AAA server

     - Forward the traffic according to locally configured policy for traffic steering.

     - Forward the traffic according to N4 rules of a 5G VN group for 5G VN group communication.

                                  Table 5.8.2.5.1-1: Scenarios for data forwarding between the SMF and UPF

    2.5 收费和使用监控处理

在 UPF 激活使用报告

向 SMF 提供报告使用信息 

    2.6 PDU 会话和 Qos 流策略

    2.7 PCC 相关功能

    2.8 发送 “End marker” 功能

UPF 构造 “End marker” 包

SMF 构造 “End marker” 包

    2.9 UP 隧道管理

      5GC 支持每一个 PDU 会话隧道建立在 (R)AN 和 UPF 的 N3 接口，以及 UPF 之间的 N9 接口

    2.10 N4 会话管理参数

      SMF 向 UPF 发送的 N4 参考点接口包括：

• - N4 会话 ID
• - PDR Packet Detection Rules 包检测规则，用来在 UPF 分类流量
• - FAR Forwarding Action Rules 转发行为规则，信息是否转发，丢弃或者缓存
• - MAR Multi-Access Rules，信息怎样对于多接入 PDU 会话处理流量导向，转换，分流
• - URR  Usage Reporting Rules，使用报告规则
• - QER  Qos Enforment Rules  Qos 实施规则，
• - Trace Requirements
• - port Management Information Container in 5GS
• - Bridge Information

    2.11 在 PDU 会话报告 UE MAC 地址

      在 N4 接口报告 UE MAC 地址

    2.12 支持 5G VN 组通信

Support for unicast traffic forwarding of a 5G VN

Support for unicast traffic forwarding update due to UE mobility

Support for user plane traffic replication in a 5G VN

 

3  PDR Packet Detection Rule 包检测规则

       PDR： 控制 UP 如何对数据包进行检测和分类

•      数据包进入 UPF，首先找到匹配的 PFCP 会话，也就是 N4 会话
•      如果存在，则找到所有关联的 PDR，并按照优先级，对报文进行匹配
•      如果匹配成功，则查找 PDR 关联的 FAR 转发操作
•      查找关联的 QER 完成 Qos 相关的操作
•      查找 URR 完成使用量上报的操作

   3.1 PDR 如何进行检测和分类报文？

    PDR 必须包括 PDI 包检测信息，其定义了包检测的详细信息，包含以下信息：

   -  入方向数据包的源接口（source interface of the incoming packets）

   -  Local F-TEID，网络实例，UE IP，SDF filter，Application ID，QFI 等任意组合

    3.2 source interface

     CORE： the filter is for downlink data flow

     ACCESS： the filter is for uplink data flow

 

4  FAR Fowwarding Action Rule 转发行为规则

     FAR 用来告诉 UP 转发数据包

      CP 应该在一个 PFCP 会话中规定每个 PDR 仅提供一个 FAR，FAR 为 UP 提供如何处理与 PDR 匹配的指令。

      通过在FAR中的Apply Action IE 中设置相应的 flag，CP 可以控制 UP 的功能：

• 通过设置 DROP flag 丢弃数据包
• 通过设置 FORW flag 来转发数据包
• 通过设置 BUFF flag 缓冲下行链路分组
• 通过设置 NOCP flag，通知 CP 功能有关缓冲的第一个 DL 数据包的到达

• 通过设置 DUPL flag，来提供有关如何转发重复数据包的说明，从而复制数据包

   4.1 Forwarding Parameters

   Destination Interface： 报文要转发到哪个目的接口

   Network Instance：报文要转发到哪个网络实例

   Redirect Information：是否对报文做重定向处理，重定向目的地

   Outer Header Creation：是否对转发报文添加报文头（例如 GTP-U）

   Transport Level Marking：转发报文 IP 头部添加指定的 DSCP 标记

   Forwarding Policy： 转发策略，关联到 UPF 本地配置的转发策略

   Header Enrichment：包头增强，HTTP 头部添加额外信息，例如手机号码

     3.2 BAR Buffering Action Rule 缓冲行为规则

        BAR 提供指令以控制 PFCP 会话集的所有 FAR 的 UP 功能的缓冲行为。CP 功能可以修改 BAR 中提供的以下缓冲指令

• 在一个 PFCP 会话修改请求的下行链路数据通知延迟 （用于EPC）
• 在一个 PFCP 会话报告响应消息下行链路数据通知延迟 （用于EPC），DL 缓冲持续时间和/或 DL 缓冲建议的分组计数

        注意：目前版本的规范中，每个 PFCP 会话最多可以创建一个 BAR

      CP功能可以在BAR中提供以下缓冲参数：

• 对以 EPC，下行链路数据通知延迟 IE，用于请求 UP 在接收下行链路数据分组和通知 CP 之间延迟发送 PFCP 会话报告请求
• DL 缓冲持续时间 IE，用于请求 UP 在延长的持续时间内缓冲下行链路数据分组，而不向 CP 发送关于 DL 数据分组的到达的任何进一步通知
• DL 缓冲建议分组计数，用于在 UP 中需要扩展缓冲下行链路数据分组时请求 UP 缓冲建议的下行链路数据分组数
• 建议的缓冲包计数 IE，如果 UP 已指示支持功能 UDBC，则指示 CP 建议在 UP 中缓冲的包的数量（包括上行链路或下行链路），直到从 CP 接收到新的指令，例如何时授予新配额

     3.3 QER Qos Enforcement Rule Qos 实施规则

    CP 应在 PFCP 会话建立请求或 PFCP 会话修改请求中为 PFCP 会话提供 QER，来请求 UP 应用用户平面业务的 QoS

                                                      表5.3.1-1：CP和UP功能之间的数据转发方案

    3.4 MAR Multi-Access Rule 多接入规则

                                             Table 5.8.2.11.8-1: Attributes within Multi-Access Rule琳

 

4. Uplink Classifier and Branching Point

   上行链路分类器和分支点功能是指， UPF 将同一 PFCP 会话（PDU 会话）的上行链路业务流路由到两个或多个 PDU 会话锚点的能力，并将下行链路流量从隧道上的这些 PDU 会话锚点路由到 UE

    IPv4，IPv6，IPv4v6 或以太网类型的 PDU 会话支持上行分类器。上行链路业务流到不同 PDU 会话锚的路由基于，IP PDU 会话的目标 IP 地址/上行链路数据包的前缀。 

    分支点支持类型为 IPv6 的多宿主 PDU 会话，即具有多个 IPv6 前缀的 PDU 会话。上行链路流量流向不同的 PDU 会话锚点的路由，其基于上行链路数据包的源 IP 前缀。

    SMF 在 PDU 会话建立或者修改阶段，可能插入一个上行分类器或者分至点，提供：

    -  two or more UL PDRs，具有适当的分组检测信息，以及具有相应的 FAR，以将上行链路业务流路由到适当的 PDU 会话锚点

    -  two or more DL PDRs，具有适当的数据包检测信息，并具有一个（或多个）FAR，以将隧道上的下行链路业务流路由到 UE

 

名词解释：

  UDBC： UL/DL Buffering Control   UL / DL 缓冲控制

  URSP： UE Route Selection Policy  UE 路由选择策略  TS 23.503 [45] clause 6.6.2

  OAM：

  DNAI：

  TEID：Tunnel endpoint ID，隧道端点标识符。

 

参考：

   http://www.freedomtutorials.com/5GSystem/use_plane_function.php