面向垂直行業(yè)的N4接口解耦技術(shù)

周欣，谷群，趙際洲，段曉東，魏彬

（中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

5G 作為新一代信息技術(shù)推動(dòng)著千行百業(yè)的創(chuàng)新與變革，眾多行業(yè)紛紛探尋“5G+行業(yè)”的融合發(fā)展路徑，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。UPF 作為5G 核心網(wǎng)的重要網(wǎng)絡(luò)功能，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理、路由等核心功能。隨著5G 邊緣計(jì)算技術(shù)的拓展，為更好地滿足5G 行業(yè)應(yīng)用的需求，UPF 已逐漸從運(yùn)營(yíng)商的核心層走向行業(yè)客戶的接入層，成為連接運(yùn)營(yíng)商和垂直行業(yè)的橋梁，是5G 拓展行業(yè)市場(chǎng)的金鑰匙。當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)核心側(cè)的UPF 需要承載全量現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)，用戶數(shù)為百萬(wàn)級(jí)以上、業(yè)務(wù)功能要求全面、容量和性能要求高，這使得UPF 部署成本較高。同時(shí)，UPF 與SMF 的接口（N4）尚未完全開放，UPF 與SMF同廠商綁定，無(wú)法滿足邊緣UPF 輕量化、低成本和靈活的部署需求，一定程度上影響了5G 響應(yīng)行業(yè)客戶需求的能力，需推動(dòng)行業(yè)提供支持N4 接口解耦的輕量化UPF。

1 面向垂直行業(yè)的N4接口解耦技術(shù)方案

1.1 5G核心網(wǎng)概述

5G 核心網(wǎng)按照功能可劃分為控制面、用戶面、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和其他類，用戶面網(wǎng)元主要為UPF，負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)、業(yè)務(wù)識(shí)別與策略執(zhí)行等功能。

5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示[1]，可以看出UPF 是核心網(wǎng)內(nèi)唯一的用戶面網(wǎng)元，也是核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的唯一連接點(diǎn)。同時(shí)，5G 網(wǎng)絡(luò)采用開放的服務(wù)化架構(gòu)，控制面網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)體之間的交互均基于服務(wù)化接口的調(diào)用方式，雖然服務(wù)化接口在信息交互、可讀性等方面具有優(yōu)勢(shì)，但傳輸上冗余內(nèi)容較多，且對(duì)于設(shè)備編碼解讀有較大的性能消耗，因此5GC仍存在部分接口保持使用非服務(wù)化接口，尤其對(duì)于SMF 和UPF 之間需要傳遞大量的業(yè)務(wù)和策略信息的N4 接口，邏輯相對(duì)復(fù)雜，使用非服務(wù)化接口可以有效提升傳輸效率。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.2 N4接口實(shí)現(xiàn)模型和相關(guān)流程

N4 接口采用的協(xié)議為PFCP（Packet Forwarding Control Protocol，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)控制協(xié)議），該接口主要用于控制面和用戶面之間傳輸節(jié)點(diǎn)管理、會(huì)話管理及用戶面的信息上報(bào)。N4 接口的業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)邏輯如圖2 所示，控制面和用戶面之間交互的規(guī)則包括PDR（Packet Detection Rule，報(bào)文檢測(cè)規(guī)則）、FAR（Forwarding Action Rule，轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則）、QER（QoS Enforcement Rule，QoS 規(guī)則）、URR（Usage Report Rule，用量上報(bào)規(guī)則）、BAR（Buffering Action Rule，緩存動(dòng)作規(guī)則）和MAR（Multi-Access Rule，多接入規(guī)則），由控制面向用戶面下發(fā)流處理策略PDR，通知用戶面針對(duì)什么樣的流量做出什么樣的處理動(dòng)作，流處理策略包含流規(guī)則PDI（Packet Detection Information，報(bào)文檢測(cè)信息）和流動(dòng)作，流動(dòng)作則包括轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作FAR，QoS控制動(dòng)作QER、統(tǒng)計(jì)上報(bào)動(dòng)作URR 等。

圖2 N4接口業(yè)務(wù)層實(shí)現(xiàn)邏輯圖

當(dāng)UPF 收到數(shù)據(jù)包時(shí)的處理模型如圖3 所示[2]，首先標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)包歸屬的PFCP 會(huì)話，之后基于PDR 優(yōu)先級(jí)進(jìn)行匹配，一旦有PDR 匹配，則UPF 不再繼續(xù)進(jìn)行匹配查找。基于匹配的PDR，UPF 執(zhí)行該P(yáng)DR 中綁定的FARs、QERs 和URRs，轉(zhuǎn)出UPF。對(duì)于未匹配任何PDR 的數(shù)據(jù)包，UPF 則執(zhí)行丟棄處理。

圖3 UPF上的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)模型

在N4 接口上，SMF 和UPF 之間交互的消息主要包括節(jié)點(diǎn)級(jí)和會(huì)話級(jí)兩類。節(jié)點(diǎn)級(jí)消息包括心跳消息、PFCP 偶連建立/ 更新/ 刪除消息、負(fù)載/ 過(guò)載控制消息和PFCP 節(jié)點(diǎn)上報(bào)消息，主要完成SMF 和UPF 設(shè)備之間的連接建立和維護(hù)等。會(huì)話級(jí)消息包括PFCP 會(huì)話建立/更新/刪除消息以及PFCP 會(huì)話上報(bào)消息，主要完成SMF和UPF 之間業(yè)務(wù)資源分配的協(xié)商、業(yè)務(wù)策略的下發(fā)和用戶面信息的上報(bào)等，該部分消息和業(yè)務(wù)強(qiáng)相關(guān)，也是N4接口實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的部分。

1.3 支持N4解耦的輕量化UPF功能要求

如引言所述，當(dāng)前大網(wǎng)的通用UPF 設(shè)備功能要求多且需支持眾多運(yùn)營(yíng)商定制的增強(qiáng)功能，如DPI、業(yè)務(wù)白名單、APN 融合、協(xié)議優(yōu)化、重定向、2G/3G/4G 融合等，同時(shí)要求200 Gbit/s 設(shè)備容量以及萬(wàn)級(jí)的業(yè)務(wù)規(guī)則等性能指標(biāo)。針對(duì)垂直行業(yè)定制化、多樣化需求，需將UPF 設(shè)備的功能和性能進(jìn)行分檔分級(jí)和靈活組合。

在功能上，將UPF 的功能進(jìn)行裁剪，聚焦基本功能，行業(yè)UPF 需支持的基本功能如表1 所示[3]。除基本功能外，還可根據(jù)行業(yè)客戶的需求支持以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸、ULCL（Uplink Classifier，上行分類）分流、頭增強(qiáng)、白名單、重定向、Framed Routing（框架路由）、GRE/L2TP/IPSec 隧道等推薦功能，按需部署。

表1 行業(yè)UPF需支持的基本功能

在性能上，對(duì)于行業(yè)業(yè)務(wù)類型相對(duì)簡(jiǎn)單的情況，可降低指標(biāo)要求，如減少業(yè)務(wù)規(guī)則配置的數(shù)量要求等；在容量上，提供不同吞吐量規(guī)格的設(shè)備，匹配不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)規(guī)模。行業(yè)UPF 應(yīng)可提供不同吞吐量規(guī)格的設(shè)備，表2 是中國(guó)移動(dòng)建議的初期四種行業(yè)UPF 配置模型的設(shè)備指標(biāo)[3]：

表2 行業(yè)UPF在不同配置模型下的性能要求

1.4 N4接口解耦技術(shù)要求

傳統(tǒng)2G/3G/4G 核心網(wǎng)中，控制面和用戶面未分離，二者之間的接口為設(shè)備內(nèi)部接口，即使在4G 分組域網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了C/U 分離后，仍然沿襲同廠家部署的模式，5G UPF 和SMF 之間的N4 接口亦如此。N4 接口解耦就是在輕量化UPF 的基礎(chǔ)上，通過(guò)制定統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)方案，達(dá)到解耦的目的。在制定解耦方案時(shí)，應(yīng)考慮盡量使用標(biāo)準(zhǔn)信元，降低接口復(fù)雜度，并盡量提升對(duì)UPF 的兼容性要求，減少對(duì)SMF 的影響，有利于現(xiàn)網(wǎng)部署實(shí)施。

N4 接口解耦主要包括做選擇、去歧義、定方案、補(bǔ)缺失四方面的技術(shù)要求。

（1）做選擇

為滿足不同運(yùn)營(yíng)商的需求，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)為部分功能提供了多種可選技術(shù)方案，為保證N4 接口正常對(duì)接，需要明確一種方案實(shí)現(xiàn)流程拉通。

示例：UE IP 地址和GTP-U 隧道ID 分配方案

對(duì)于UE IP 地址分配、用戶面的GTP-U 隧道ID 分配，均有控制面分配和用戶面分配兩種方案。對(duì)于UE IP地址的分配，考慮到和4G 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同以及UPF 暫未開啟服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能，建議仍由SMF 分配，而用戶面隧道ID屬于用戶面資源，由UPF 分配可以更好的協(xié)調(diào)和管理（在2020 年3 月發(fā)布的TS 29.244 g30 版本中，已刪除控制面分配隧道ID 的方案）。

（2）去歧義

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)定義不清晰的功能或字段，在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)各設(shè)備商的理解不同，會(huì)引起業(yè)務(wù)對(duì)接問題，需明確使用方法。

1）示例1：NetworkInstance 信元定義

標(biāo)準(zhǔn)中在PDI 和FAR 中定義了NetworkInstance 信元，但是對(duì)其用法未明確定義，導(dǎo)致產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)中其攜帶的內(nèi)容不盡相同，結(jié)合已有信元和實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，中國(guó)移動(dòng)明確了將該信元攜帶內(nèi)容為子網(wǎng)類型的技術(shù)方案。

2）示例2：業(yè)務(wù)規(guī)則類型定義

在現(xiàn)網(wǎng)中有多種類型的業(yè)務(wù)規(guī)則，包括靜態(tài)（預(yù)定義）規(guī)則、動(dòng)態(tài)規(guī)則等，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在PDR 中也定義了SDF、APP ID、Predefined Rules、PFD 等多類信元的靈活傳遞方式，這也使得各設(shè)備商在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)存在差異，因此中國(guó)移動(dòng)明確了基于不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景和業(yè)務(wù)識(shí)別粒度的信元使用方案：

◆SDF Filter 為動(dòng)態(tài)流規(guī)則，指示五元組，一般由PCF 下發(fā)；

◆APP ID 為業(yè)務(wù)規(guī)則，指示業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)，一般由PCF或SMF 下發(fā)，也可在UPF 本地配置；

◆Predefined Rules 為預(yù)定義規(guī)則，指示識(shí)別規(guī)則+業(yè)務(wù)策略，一般在UPF 本地配置；

◆PFD 為報(bào)文檢測(cè)規(guī)則，可指示五元組、URL 等多種，一般為能力開放場(chǎng)景中由第三方下發(fā)。

（3）定方案

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中有定義但是各設(shè)備商因技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案差異導(dǎo)致業(yè)務(wù)對(duì)接問題，需要研究分析最優(yōu)方案，從而明確對(duì)設(shè)備和接口的要求，主要包括流程要求、信元要求和兼容性要求。

1）示例1：離線和在線共存的URR 方案

UPF 的計(jì)費(fèi)功能包含離線和在線兩種計(jì)費(fèi)模式，設(shè)備商在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)于兩種計(jì)費(fèi)模式使用一個(gè)還是兩個(gè)URR ID 存在差異。經(jīng)深入分析，中國(guó)移動(dòng)明確了對(duì)于相同的包檢測(cè)規(guī)則的不同用戶計(jì)費(fèi)模式使用同一URR ID的技術(shù)方案，具體流程如圖4 所示，即在SMF 和UPF 上分別預(yù)配置URR，當(dāng)UPF 檢測(cè)到預(yù)定義URR 對(duì)應(yīng)的流量時(shí)上報(bào)SMF，SMF 基于用戶當(dāng)前的計(jì)費(fèi)模式下發(fā)不同的URR 規(guī)則給UPF。

圖4 SMF和UPF交互實(shí)現(xiàn)在線/離線計(jì)費(fèi)流程圖

2）示例2：QoS 控制基本方案

QoS 控制是指UPF 在SMF 的指示下為不同的會(huì)話、QoS 流等提供不同的服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)為不同用戶提供不同的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)QoS 控制策略的實(shí)現(xiàn)機(jī)制定義描述較模糊，各設(shè)備廠商理解不一致，因此中國(guó)移動(dòng)明確了如下幾個(gè)QoS 控制關(guān)鍵技術(shù)方案：

◆根據(jù)QER 中攜帶的字段以及PDR 和QER 的綁定關(guān)系區(qū)分會(huì)話級(jí)、QoS 流級(jí)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流級(jí)粒度的QoS控制策略。

◆對(duì)于傳輸層的QoS 控制方案，需由SMF 根據(jù)本地配置將5QI 和ARP 映射為DSCP（Differentiated Services Code Point，差異化服務(wù)代碼點(diǎn)）值，并通過(guò)FAR 將其傳遞給UPF，UPF 根據(jù)本地配置的DSCP 和VLAN Priority 的映射關(guān)系，完成數(shù)據(jù)流的傳輸層標(biāo)記和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

（4）補(bǔ)缺失

對(duì)于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)定義無(wú)法滿足需求甚至未定義的能力（大部分為運(yùn)營(yíng)商定制功能），需要通過(guò)復(fù)用已有字段或擴(kuò)展Vendor IE 完善接口和設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案。

1）示例1：頭增強(qiáng)信息攜帶方案

對(duì)于在統(tǒng)一認(rèn)證業(yè)務(wù)、個(gè)性化頁(yè)面、漫游接入控制等方面有廣泛應(yīng)用的頭增強(qiáng)功能，其主要原理就是UPF數(shù)據(jù)包中基于添加SMF 提供的用戶手機(jī)號(hào)、位置等信息，服務(wù)器端基于收到的用戶信息完成一鍵免認(rèn)證登錄、個(gè)性化推送等功能。而標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該信元的協(xié)議類型定義不完整且部分信息可在其他標(biāo)準(zhǔn)信元中獲取，因此結(jié)合傳遞效率和網(wǎng)元兼容性，中國(guó)移動(dòng)明確了頭增強(qiáng)信息字段的攜帶方式，詳見表3：

表3 頭增強(qiáng)信息字段攜帶方式

2）示例2：支持L2TP（Layer 2 Tunneling Protocol，層二隧道協(xié)議）隧道方案

L2TP 是一種基于二層交換的虛擬隧道協(xié)議，在垂直行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用需求，但是當(dāng)前3GPP 標(biāo)準(zhǔn)中并未定義SMF、UPF 及N4 接口上如何實(shí)現(xiàn)L2TP 相關(guān)功能。中國(guó)移動(dòng)結(jié)合IETF 協(xié)議，通過(guò)增加L2TP User Info、L2TP Tunnel Info、LNS Push Info 和L2TP Session Release 等定制信元完成隧道的信息交互和管理，制定了完整的L2TP 隧道功能的N4 接口方案。

2 典型部署模式建議

5G SA 網(wǎng)絡(luò)的分層UPF 部署架構(gòu)、靈活的分流方式，滿足垂直行業(yè)數(shù)據(jù)不出場(chǎng)和低時(shí)延業(yè)務(wù)需求，支持N4 解耦的UPF 在部署靈活性方面具有天然優(yōu)勢(shì)，典型部署模式有如下兩類。

（1）園區(qū)專網(wǎng)UPF

智慧工廠、智慧礦山、智慧港口等業(yè)務(wù)場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)安全性要求較高，但功能要求相對(duì)單一，可在客戶園區(qū)內(nèi)部署專用的支持N4 解耦的輕量化UPF，與位于大區(qū)的2B SMF 通過(guò)N4 接口連通，組網(wǎng)如圖5 所示。由于不涉及訪問Internet 以及與大網(wǎng)的互通，用戶數(shù)據(jù)從終端到基站，經(jīng)由本地部署的UPF 路由至本地業(yè)務(wù)服務(wù)器。

圖5 專用UPF組網(wǎng)圖

（2）本地分流UPF

針對(duì)云游戲等2B2C 場(chǎng)景，使用UL CL 分流方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)，貼近用戶側(cè)的ULCL+PSA UPF 業(yè)務(wù)策略相對(duì)簡(jiǎn)單，可以使用N4 解耦的UPF 將訪問本地業(yè)務(wù)的流量在本地卸載，而部署在地市的PSA UPF 可復(fù)用大網(wǎng)通用UPF，接收分流UPF 轉(zhuǎn)來(lái)的公網(wǎng)流量，組網(wǎng)如圖6 所示：

圖6 分流UPF組網(wǎng)圖

N4 解耦技術(shù)的引入可以給行業(yè)客戶提供更多的UPF供應(yīng)商選擇，提升運(yùn)營(yíng)商在行業(yè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)行業(yè)客戶、UPF 供應(yīng)商與運(yùn)營(yíng)商的三方共贏。

3 結(jié)束語(yǔ)

N4 接口解耦不是一蹴而就的，除基本功能和性能要求外還需深入考慮N4 解耦后帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和安全問題，盡快推動(dòng)N4 解耦UPF 產(chǎn)品成熟。在產(chǎn)業(yè)方面，運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商應(yīng)協(xié)同產(chǎn)業(yè)合作伙伴以及關(guān)聯(lián)的行業(yè)資源，深耕垂直行業(yè)客戶需求，為不同行業(yè)定制化打造解決方案，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建多樣化的產(chǎn)品體系，不斷促進(jìn)邊緣生態(tài)的深度融合。同時(shí)，繼續(xù)堅(jiān)持高端和前沿技術(shù)引領(lǐng)，加快TSN、5G LAN 等3GPP R16 新能力引入，打造高端定制與通用普適相結(jié)合的層次化產(chǎn)品體系，確保行業(yè)利潤(rùn)。