基于5GtoB定制網的數據分流方案研究

曹亞平，孫穎，張會肖

（中國電信股份有限公司研究院，北京 102209）

0 引言

隨著5G時代的到來，企業的數據量爆炸式增長，按照傳統的數據傳輸方案，所有的用戶數據先到核心網再迂回到業務服務器，這樣會對從接入側到核心網側的傳輸資源造成很大的沖擊，而且數據的迂回必然也會導致時延的增加，影響用戶體驗。大數據時代企業對通信網絡中數據傳輸的需求主要體現在：高安全需求，一些對于數據和信息安全性要求較高的企業，對于內部關鍵、保密數據，都存在“不出園區、不上公網”的需求，要求數據在企業園區內進行處理、分析；大帶寬需求，視頻直播、會議、AR/VR等視頻娛樂類業務對網絡雙向寬帶要求極高，這類業務接入網絡后，會占用網絡中大量的帶寬資源；低時延需求，還有一些業務，如工業控制、遠程醫療、自動駕駛等都對網絡的可靠性和傳輸時延極其敏感，要求網絡傳輸及時、準確，并能滿足遠程控制的低時延需求。

對于以上各類需求，包括運營商在內的通信行業專家一直在努力研究解決方案，希望能滿足5G時代下政企客戶的多樣化需求，而數據分流就是其中重要的技術之一。本文結合5GtoB業務的客戶需求及當前運營商的網絡現狀，創新性地提出了基于多數據網絡名稱（2ata network name，DNN）[1]和上行鏈路分類器（uplink classifier，UL CL）技術的5GtoB數據分流方案，為5GtoB客戶的數據分流業務提供了理論參考。

1 關鍵技術

1.1 DNN分流技術

DNN分流指5G用戶面數據可根據不同DNN路由到不同的客戶內網，從而實現不同企業的客戶數據分流到不同的客戶內網，同時也實現了客戶業務的端到端隔離，滿足隔離性、安全性的要求。核心網還可以根據客戶所用DNN來控制選擇用戶面功能（user plane function，UPF）網元的位置，針對要求低時延、數據不出園區、本地卸載的用戶，可選擇離客戶園區相對較近的UPF進行數據轉發；針對有跨省漫游的客戶，可選擇省中心的UPF承載數據轉發功能。

DNN在5G核心網中主要有以下三大功能。

· 用于為一個協議數據單元（protocol 2ata unit，PDU）會話選擇會話管理功能[1]（session management function，SMF）、UPF等核心網網元。

· 為PDU會話選擇N6口網絡通道。

· 確定應用于終端PDU會話的策略。

DNN分流原理為：當終端攜帶特定DNN發起PDU會話時，會話請求經過無線網、承載網到達核心網后，核心網會根據DNN選擇不同的控制面網元（SMF等）和用戶面網元（UPF）來承載業務，終端用戶也可以根據不同DNN簽約不同的服務質量（quality of service，QoS）策略，從而實現不同等級5G用戶的差異化傳輸質量控制。核心網側還可以通過不同DNN綁定UPF不同的N6口虛擬專用網絡（virtual private network，VPN）通道來實現不同終端到不同客戶內網的訪問。

1.2 UL CL分流技術

3GPP針對5G用戶面的數據分流定義了UL CL功能，即上行分流器。UL CL是對上行業務數據進行分流并對分流后的下行數據聚合的一個處理節點，是UPF支持的功能，旨在將本地業務（如企業內部使用的業務或企業部署的下沉業務）與正常業務區分開[1-4]。核心網側通過分流UPF（UL CL UPF）對數據進行分流，與SMF下發的過濾規則匹配，通過PDU會話輔錨點（PDU session anchor2，PSA2）UPF將流量送達給本地網絡，其他流量通過主錨點UPF（PSA1 UPF）送達給中心網絡。UL CL的插入和刪除由SMF通過N4口控制決定，SMF可以決定在PDU會話建立期間或之后在PDU會話的數據路徑中插入支持UL CL功能的UPF，或者在PDU會話的數據路徑中移除支持UL CL功能的UPF。UL CL用戶面架構如圖1所示。

圖1 UL CL用戶面架構

1.2.1 UL CL分流策略涉及的網元及角色

實現UL CL功能需要部署3種角色的UPF：主錨點UPF（PSA1 UPF）、輔錨點UPF（PSA2 UPF）和UL CL分流UPF。從目前運營商的部署及廠商的實現來看，通常使用核心UPF作為主錨點，下沉共享UPF或客戶獨享UPF作為輔錨點UPF和UL CL UPF，輔錨點UPF和UL CL UPF通常合設部署。SMF基于客戶DNN、數據網絡接入標識（2ata network access i2entifier，DNAI）跟蹤區（tracking area，TA）等數據選擇UL CL UPF插入，通過輔錨點UPF將數據分流到園區業務內網，通過主錨點UPF訪問公網。UL CL分流策略中涉及的3種角色UPF的功能說明如下。

· 主錨點UPF：用戶設備（user equipment，UE）激活時給UE分配用戶面IP地址的UPF，同時也是UE訪問Internet的會話錨點。

· 輔錨點UPF：UE訪問本地網絡時的邊緣側會話錨點，UE使用的IP地址與主錨點分配的IP地址相同。

· UL CL分流UPF：負責將業務數據分流到本地DN或Internet公網。

1.2.2 UL CL分流原理

UL CL分流原理如圖2所示，具體步驟如下。

步驟1當UE激活或位置發生變化時，SMF根據本地配置或基于用戶簽約策略觸發策略控制功能（policy control function，PCF）下發分流策略[5]，SMF基于用戶的DNN、位置等信息選擇ULCL UPF和輔錨點UPF。

步驟2SMF將選擇好的UL CL UPF插入當前會話中并對其下發相應的分流規則，UL CL UPF將數據報文與分流規則做匹配。

步驟3當數據報文與分流規則匹配時，UL CL+ 輔錨點UPF執行分流動作，將匹配規則的數據報文從本地N6口路由到客戶內網。

步驟4當數據報文與分流規則不匹配時，UL CL+ 輔錨點UPF將報文通過N9口隧道轉發到主錨點UPF，再通過主錨點UPF的N6口路由到Internet。

圖2 UL CL分流原理

2 5GtoB數據分流方案

數據分流從網絡實施方案上分為基于多DNN的分流方案和基于UL CL的分流方案兩大類。鑒于初期客戶終端不支持多DNN并發，基于DNN的分流模式適用于客戶園區內不同終端使用不同業務的場景；后期客戶終端支持多DNN并發，則可支持單終端多業務場景。基于UL CL的分流模式下客戶終端上可僅使用一個DNN，因此可支持單終端多業務場景和多終端不同業務場景。數據分流產品的總體網絡架構中UPF的形態包含核心UPF、邊緣共享UPF、客戶獨享UPF等幾大類，數據分流產品網絡實施方案示意圖如圖3所示。

2.1 基于多DNN分流

2.1.1 適用場景

基于多DNN分流的組網方案針對要求根據不同業務類型對數據進行分流的政企客戶，通常適用于以下兩類場景[6-16]。

圖3 數據分流產品網絡實施方案示意圖

· 適用于隔離性和安全性要求較高且有一定漫游需求的場景。客戶可能有一定的漫游需求，但不要求同一終端同一時段既訪問客戶內網業務又同時訪問互聯網。

· 適用于要求低時延、數據不出園區、本地卸載且數據不上公網的場景。主要針對數據量較大需要本地卸載，或者數據比較關鍵要本地處理的toB業務。

2.1.2 技術實現

如果客戶已開通了5GtoC業務，則基于大網默認的DNN（如中國電信的CTNET）訪問互聯網，基于定制DNN訪問本地內網業務，以此實現用戶的數據分流。此方案支持使用核心UPF、下沉共享的UPF或獨享UPF，支持為客戶終端分配動態、靜態IP地址，終端可基于特定DNN在特定區域跟蹤區域標識（tracking area i2entity，TAI）發起會話，SMF可根據特定DNN、TAI選擇特定UPF等。數據分流（多DNN分流）網絡方案示意圖如圖4所示。

圖4 數據分流（多DNN分流）網絡方案示意圖

在此方案中，需要為客戶的每個業務分別新建一個DNN，通過不同DNN區分到不同業務內網的路由，終端攜帶不同DNN發起的PDU會話可錨定到不同的UPF，也可以錨定到同一UPF，可以是中心UPF，也可以是下沉UPF，不同的DNN對應不同的N6口VPN隔離不同的客戶內網，此DNN下的終端只能訪問客戶內網，不可以訪問公網，如同一終端需要使用多個DNN對應訪問多個業務方向，則由終端手工切換DNN的方式來實現DNN的選擇，且一個用戶終端同時只能使用一個DNN。

此方案的優點在于實現簡單，容易形成標準化方案，能夠滿足大多數客戶的需求，不足之處在于客戶在訪問內網的同時不可以訪問公網，需要手工切換DNN，客戶感知上稍有欠缺。

2.2 基于UL CL分流

2.2.1 適用場景

基于UL CL分流方案針對具有邊緣應用訪問或邊緣數據存儲需求且具有上公網需求的政企客戶，客戶要求根據不同業務流特征對同一終端上的數據進行分流，部分數據分流至客戶內網，部分數據分流至Internet公網。

2.2.2 技術實現

UL CL分流方案支持在客戶終端上使用一個DNN的情況下，按照業務流特征將不同業務數據分流到公網Internet和本地客戶內網，此方案支持基于五元組（源/目的IP地址、協議類型和源/目的端口）分流、基于域名系統（2omain name system，DNS）域名分流等多種分流規則，且支持為客戶終端分配動態、靜態IP地址。

從分流使用的DNN類型上劃分，UL CL分流方案可分為基于定制DNN的UL CL分流、基于專用公共DNN的UL CL分流和基于toC默認DNN（如CTNET）的UL CL分流。具體如下。

（1）基于定制DNN的UL CL分流方案

定制DNN指為每位企業客戶定制一個獨立的DNN，客戶業務基于定制的DNN來實現數據分流功能。基于定制DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖如圖5所示。

圖5 基于定制DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖

此方案的優點在于：首先，業務策略可靈活定制，每位客戶有自己獨立的DNN，可基于定制DNN實現不同的控制策略和計費策略；其次，廠商技術限制較小，容易實現，目前核心網廠商均支持此實現方式；最后，此方案還有助于客戶實現DNN級的二次認證。

此方案也存在一定的局限性：首先，核心網配置復雜，DNN相關配置屬于業務配置，每個定制DNN的所有配置均需要在5G核心網側部署實施，而且要在UPF主錨點配置每位客戶的定制DNN與訪問公網所用VPN的綁定關系，在輔錨點配置與訪問本地客戶內網所用VPN的綁定；其次，在漫游場景下，漫游地上網流量需要先轉發到歸屬地的UPF，轉發路徑長、時延敏感型場景體驗不好。

（2）基于專用公共DNN的UL CL分流方案

基于專用公共DNN分流指為所有使用5GtoB數據分流業務的客戶設置一個共用的專用DNN，此DNN區別于toC和其他5GtoB業務，每位客戶通過不同的數據網絡接入標識（2ata network access i2entifier，DNAI）區分綁定到不同客戶內網的路由通道。基于專用公共DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖如圖6所示。

圖6 基于專用公共DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖

此方案的優點在于：核心網配置簡單，減少了核心網DNN相關業務配置，公共專用DNN的相關配置可作為預配置提前在現網部署完成。

此方案局限性在于：首先，需要支持下沉UL CL+輔錨點UPF通過不同DNAI對應不同VPN路由通道來實現隔離不同企業客戶的功能，目前廠商對此方案的支持情況有一定的差異，個別廠商不支持此功能，需要推動升級實現；其次，此公共專用DNN下所有終端不可互訪，由于當前廠商的實現方案中，UE終端互訪功能是DNN級的開關來實現的，而多個客戶共用一個DNN，要想實現客戶之間的隔離，就必須關閉此功能開關，規避不同客戶間互訪導致信息泄露的風險；最后，多客戶共用DNN，無法通過DNN區分客戶，則客戶出于安全考慮可能需要客戶自行實現二次認證。

（3）基于toC默認DNN的UL CL分流方案

基于toC大網默認DNN分流指客戶基于原有的toC用戶使用的大網DNN（如CTNET）實現數據分流功能。基于toC默認DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖如圖7所示。

圖7 基于toC默認DNN的UL CL分流模式網絡方案示意圖

此方案的方案優點在于：首先，核心網配置簡單，減少了與DNN相關的業務配置，因為默認DNN的配置作為開局預配置已經存在；其次，客戶終端使用分流業務時無須切換DNN，很大程度上提升了客戶感知。

此方案也存在一定的局限性：首先，存在地址沖突問題，用戶終端地址由運營商分配，可能和企業私網地址沖突，需要規劃避開大網已用地址段，或者客戶側部署雙向網絡地址轉換（network a22ress translator，NAT）來規避此問題；其次，需要支持下沉UPF通過不同DNAI對應不同VPN隔離不同企業客戶的功能，目前廠商對此方案的支持情況有一定的差異，個別廠商不支持此功能，需要推動升級實現；最后，多客戶共用DNN，無法通過DNN區分客戶，則客戶出于安全考慮可能需要客戶自行實現二次認證。

2.3 對比總結

5GtoB數據分流方案對比見表1，清晰地表明了各數據分流方案的原理和優點、缺點，為不同場景下的客戶需求提供了參考。

3 5GtoB數據分流能力實踐驗證

本文提出的5G定制網toB業務數據分流方案已經在全國各省（區市）進行了大量的創新實踐應用，實現了在智慧警務、智慧工廠、智慧校園、智慧礦區等多領域的應用突破。針對基于DNN的分流模式，運營商已有多個標桿項目實現落地，均通過為客戶不同業務分別部署不同的DNN來滿足不同業務分流到不同客戶內網的需求。針對基于UL CL的分流模式，運營商也不同程度地實現了創新性的應用突破，通過UL CL分流模式實現了客戶部分數據流數據不出園區、本地卸載，部分數據流訪問互聯網的需求[17-24]。

表1 5GtoB數據分流方案對比

智慧警務數據分流業務組網示意圖如圖8所示，以智慧警務為例驗證了本文提出的5GtoB數據分流方案的可行性。此示例通過DNN分流模式實現了將來自5G接入點的監控攝像機、警車4K攝像機、無人機等不同終端產生的業務流分別路由到不同的本地業務平臺，通過UL CL分流模式實現了手機終端在不切換DNN的情況下部分數據流路由至客戶內網、其他大網業務正常訪問互聯網各業務平臺。

4 結束語

本文對5GtoB定制網的數據分流業務進行了探索研究，提出了基于多DNN和UL CL技術的數據分流方案及各方案適用場景，并對UL CL分流模式進行了不同場景下的細分。研究分析表明當客戶不需要同時訪問公網和內網時，選擇多DNN分流模式；當客戶需要同時訪問公網和內網而且又需要靈活的業務或計費策略時，可選擇基于定制DNN的UL CL分流模式；當客戶需要同時訪問公網和內網又不想切換DNN時，可選擇基于toC默認DNN的UL CL分流模式；當客戶需要同時訪問公網和內網又無其他特殊策略要求時，可選擇基于公共專用DNN的分流模式。本研究為5G定制網業務的規劃和客戶業務方案設計提供了參考。后續將進一步研究突破不同分流方案的局限性的新技術、新方案。

圖8 智慧警務數據分流業務組網示意圖