面向垂直行業(yè)的N4接口解耦技術

周欣，谷群，趙際洲，段曉東，魏彬

（中國移動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推動著千行百業(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，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉型升級。UPF 作為5G 核心網(wǎng)的重要網(wǎng)絡功能，擔負著數(shù)據(jù)處理、路由等核心功能。隨著5G 邊緣計算技術的拓展，為更好地滿足5G 行業(yè)應用的需求，UPF 已逐漸從運營商的核心層走向行業(yè)客戶的接入層，成為連接運營商和垂直行業(yè)的橋梁，是5G 拓展行業(yè)市場的金鑰匙。當前運營商網(wǎng)絡核心側的UPF 需要承載全量現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務，用戶數(shù)為百萬級以上、業(yè)務功能要求全面、容量和性能要求高，這使得UPF 部署成本較高。同時，UPF 與SMF 的接口（N4）尚未完全開放，UPF 與SMF同廠商綁定，無法滿足邊緣UPF 輕量化、低成本和靈活的部署需求，一定程度上影響了5G 響應行業(yè)客戶需求的能力，需推動行業(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)存儲和其他類，用戶面網(wǎng)元主要為UPF，負責用戶數(shù)據(jù)報文的路由轉發(fā)、業(yè)務識別與策略執(zhí)行等功能。

5G 網(wǎng)絡架構如圖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)務網(wǎng)絡的唯一連接點。同時，5G 網(wǎng)絡采用開放的服務化架構，控制面網(wǎng)絡功能實體之間的交互均基于服務化接口的調(diào)用方式，雖然服務化接口在信息交互、可讀性等方面具有優(yōu)勢，但傳輸上冗余內(nèi)容較多，且對于設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化接口，尤其對于SMF 和UPF 之間需要傳遞大量的業(yè)務和策略信息的N4 接口，邏輯相對復雜，使用非服務化接口可以有效提升傳輸效率。

圖1 5G網(wǎng)絡架構圖

1.2 N4接口實現(xiàn)模型和相關流程

N4 接口采用的協(xié)議為PFCP（Packet Forwarding Control Protocol，報文轉發(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)點管理、會話管理及用戶面的信息上報。N4 接口的業(yè)務層實現(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，報文檢測規(guī)則）、FAR（Forwarding Action Rule，轉發(fā)規(guī)則）、QER（QoS Enforcement Rule，QoS 規(guī)則）、URR（Usage Report Rule，用量上報規(guī)則）、BAR（Buffering Action Rule，緩存動作規(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，通知用戶面針對什么樣的流量做出什么樣的處理動作，流處理策略包含流規(guī)則PDI（Packet Detection Information，報文檢測信息）和流動作，流動作則包括轉發(fā)動作FAR，QoS控制動作QER、統(tǒng)計上報動作URR 等。

圖2 N4接口業(yè)務層實現(xiàn)邏輯圖

當UPF 收到數(shù)據(jù)包時的處理模型如圖3 所示[2]，首先標識該數(shù)據(jù)包歸屬的PFCP 會話，之后基于PDR 優(yōu)先級進行匹配，一旦有PDR 匹配，則UPF 不再繼續(xù)進行匹配查找。基于匹配的PDR，UPF 執(zhí)行該PDR 中綁定的FARs、QERs 和URRs，轉出UPF。對于未匹配任何PDR 的數(shù)據(jù)包，UPF 則執(zhí)行丟棄處理。

圖3 UPF上的報文轉發(fā)模型

在N4 接口上，SMF 和UPF 之間交互的消息主要包括節(jié)點級和會話級兩類。節(jié)點級消息包括心跳消息、PFCP 偶連建立/ 更新/ 刪除消息、負載/ 過載控制消息和PFCP 節(jié)點上報消息，主要完成SMF 和UPF 設備之間的連接建立和維護等。會話級消息包括PFCP 會話建立/更新/刪除消息以及PFCP 會話上報消息，主要完成SMF和UPF 之間業(yè)務資源分配的協(xié)商、業(yè)務策略的下發(fā)和用戶面信息的上報等，該部分消息和業(yè)務強相關，也是N4接口實現(xiàn)最復雜的部分。

1.3 支持N4解耦的輕量化UPF功能要求

如引言所述，當前大網(wǎng)的通用UPF 設備功能要求多且需支持眾多運營商定制的增強功能，如DPI、業(yè)務白名單、APN 融合、協(xié)議優(yōu)化、重定向、2G/3G/4G 融合等，同時要求200 Gbit/s 設備容量以及萬級的業(yè)務規(guī)則等性能指標。針對垂直行業(yè)定制化、多樣化需求，需將UPF 設備的功能和性能進行分檔分級和靈活組合。

在功能上，將UPF 的功能進行裁剪，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、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，對于行業(yè)業(yè)務類型相對簡單的情況，可降低指標要求，如減少業(yè)務規(guī)則配置的數(shù)量要求等；在容量上，提供不同吞吐量規(guī)格的設備，匹配不同場景的業(yè)務規(guī)模。行業(yè)UPF 應可提供不同吞吐量規(guī)格的設備，表2 是中國移動建議的初期四種行業(yè)UPF 配置模型的設備指標[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備內(nèi)部接口，即使在4G 分組域網(wǎng)關實現(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 的基礎上，通過制定統(tǒng)一的接口實現(xiàn)方案，達到解耦的目的。在制定解耦方案時，應考慮盡量使用標準信元，降低接口復雜度，并盡量提升對UPF 的兼容性要求，減少對SMF 的影響，有利于現(xiàn)網(wǎng)部署實施。

N4 接口解耦主要包括做選擇、去歧義、定方案、補缺失四方面的技術要求。

（1）做選擇

為滿足不同運營商的需求，3GPP 標準為部分功能提供了多種可選技術方案，為保證N4 接口正常對接，需要明確一種方案實現(xiàn)流程拉通。

示例：UE IP 地址和GTP-U 隧道ID 分配方案

對于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。對于UE IP地址的分配，考慮到和4G 網(wǎng)絡的協(xié)同以及UPF 暫未開啟服務發(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

對于標準中對定義不清晰的功能或字段，在產(chǎn)品實現(xiàn)時各設備商的理解不同，會引起業(yè)務對接問題，需明確使用方法。

1）示例1：NetworkInstance 信元定義

標準中在PDI 和FAR 中定義了NetworkInstance 信元，但是對其用法未明確定義，導致產(chǎn)品實現(xiàn)中其攜帶的內(nèi)容不盡相同，結合已有信元和實際應用場景，中國移動明確了將該信元攜帶內(nèi)容為子網(wǎng)類型的技術方案。

2）示例2：業(yè)務規(guī)則類型定義

在現(xiàn)網(wǎng)中有多種類型的業(yè)務規(guī)則，包括靜態(tài)（預定義）規(guī)則、動態(tài)規(guī)則等，標準協(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，這也使得各設備商在產(chǎn)品實現(xiàn)時存在差異，因此中國移動明確了基于不同業(yè)務場景和業(yè)務識別粒度的信元使用方案：

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

◆APP ID 為業(yè)務規(guī)則，指示業(yè)務標識，一般由PCF或SMF 下發(fā)，也可在UPF 本地配置；

◆Predefined Rules 為預定義規(guī)則，指示識別規(guī)則+業(yè)務策略，一般在UPF 本地配置；

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

（3）定方案

對標準中有定義但是各設備商因技術實現(xiàn)方案差異導致業(yè)務對接問題，需要研究分析最優(yōu)方案，從而明確對設備和接口的要求，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 的計費功能包含離線和在線兩種計費模式，設備商在產(chǎn)品實現(xiàn)時，對于兩種計費模式使用一個還是兩個URR ID 存在差異。經(jīng)深入分析，中國移動明確了對于相同的包檢測規(guī)則的不同用戶計費模式使用同一URR ID的技術方案，具體流程如圖4 所示，即在SMF 和UPF 上分別預配置URR，當UPF 檢測到預定義URR 對應的流量時上報SMF，SMF 基于用戶當前的計費模式下發(fā)不同的URR 規(guī)則給UPF。

圖4 SMF和UPF交互實現(xiàn)在線/離線計費流程圖

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話、QoS 流等提供不同的服務質(zhì)量，進而實現(xiàn)為不同用戶提供不同的業(yè)務體驗。3GPP 標準中對QoS 控制策略的實現(xiàn)機制定義描述較模糊，各設備廠商理解不一致，因此中國移動明確了如下幾個QoS 控制關鍵技術方案：

◆根據(jù)QER 中攜帶的字段以及PDR 和QER 的綁定關系區(qū)分會話級、QoS 流級、業(yè)務數(shù)據(jù)流級粒度的QoS控制策略。

◆對于傳輸層的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，差異化服務代碼點）值，并通過FAR 將其傳遞給UPF，UPF 根據(jù)本地配置的DSCP 和VLAN Priority 的映射關系，完成數(shù)據(jù)流的傳輸層標記和轉發(fā)功能。

（4）補缺失

對于當前標準定義無法滿足需求甚至未定義的能力（大部分為運營商定制功能），需要通過復用已有字段或擴展Vendor IE 完善接口和設備實現(xiàn)方案。

1）示例1：頭增強信息攜帶方案

對于在統(tǒng)一認證業(yè)務、個性化頁面、漫游接入控制等方面有廣泛應用的頭增強功能，其主要原理就是UPF數(shù)據(jù)包中基于添加SMF 提供的用戶手機號、位置等信息，服務器端基于收到的用戶信息完成一鍵免認證登錄、個性化推送等功能。而標準對該信元的協(xié)議類型定義不完整且部分信息可在其他標準信元中獲取，因此結合傳遞效率和網(wǎng)元兼容性，中國移動明確了頭增強信息字段的攜帶方式，詳見表3：

表3 頭增強信息字段攜帶方式

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)中有著廣泛的應用需求，但是當前3GPP 標準中并未定義SMF、UPF 及N4 接口上如何實現(xiàn)L2TP 相關功能。中國移動結合IETF 協(xié)議，通過增加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)絡的分層UPF 部署架構、靈活的分流方式，滿足垂直行業(yè)數(shù)據(jù)不出場和低時延業(yè)務需求，支持N4 解耦的UPF 在部署靈活性方面具有天然優(yōu)勢，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)務場景對數(shù)據(jù)安全性要求較高，但功能要求相對單一，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)務服務器。

圖5 專用UPF組網(wǎng)圖

（2）本地分流UPF

針對云游戲等2B2C 場景，使用UL CL 分流方式進行網(wǎng)絡部署時，貼近用戶側的ULCL+PSA UPF 業(yè)務策略相對簡單，可以使用N4 解耦的UPF 將訪問本地業(yè)務的流量在本地卸載，而部署在地市的PSA UPF 可復用大網(wǎng)通用UPF，接收分流UPF 轉來的公網(wǎng)流量，組網(wǎng)如圖6 所示：

圖6 分流UPF組網(wǎng)圖

N4 解耦技術的引入可以給行業(yè)客戶提供更多的UPF供應商選擇，提升運營商在行業(yè)市場的競爭力，實現(xiàn)行業(yè)客戶、UPF 供應商與運營商的三方共贏。

3 結束語

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 解耦后帶來的網(wǎng)絡運維和安全問題，盡快推動N4 解耦UPF 產(chǎn)品成熟。在產(chǎn)業(yè)方面，運營商、設備商應協(xié)同產(chǎn)業(yè)合作伙伴以及關聯(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，并在此基礎上構建多樣化的產(chǎn)品體系，不斷促進邊緣生態(tài)的深度融合。同時，繼續(xù)堅持高端和前沿技術引領，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合的層次化產(chǎn)品體系，確保行業(yè)利潤。