面向垂直行業的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的創新與變革，眾多行業紛紛探尋“5G+行業”的融合發展路徑，實現數字化、智能化轉型升級。UPF 作為5G 核心網的重要網絡功能，擔負著數據處理、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 行業應用的需求，UPF 已逐漸從運營商的核心層走向行業客戶的接入層，成為連接運營商和垂直行業的橋梁，是5G 拓展行業市場的金鑰匙。當前運營商網絡核心側的UPF 需要承載全量現網業務，用戶數為百萬級以上、業務功能要求全面、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 響應行業客戶需求的能力，需推動行業提供支持N4 接口解耦的輕量化UPF。

1 面向垂直行業的N4接口解耦技術方案

1.1 5G核心網概述

5G 核心網按照功能可劃分為控制面、用戶面、數據存儲和其他類，用戶面網元主要為UPF，負責用戶數據報文的路由轉發、業務識別與策略執行等功能。

5G 網絡架構如圖1 所示[1]，可以看出UPF 是核心網內唯一的用戶面網元，也是核心網和業務網絡的唯一連接點。同時，5G 網絡采用開放的服務化架構，控制面網絡功能實體之間的交互均基于服務化接口的調用方式，雖然服務化接口在信息交互、可讀性等方面具有優勢，但傳輸上冗余內容較多，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網絡架構圖

1.2 N4接口實現模型和相關流程

N4 接口采用的協議為PFCP（Packet Forwarding Control Protocol，報文轉發控制協議），該接口主要用于控制面和用戶面之間傳輸節點管理、會話管理及用戶面的信息上報。N4 接口的業務層實現邏輯如圖2 所示，控制面和用戶面之間交互的規則包括PDR（Packet Detection Rule，報文檢測規則）、FAR（Forwarding Action Rule，轉發規則）、QER（QoS Enforcement Rule，QoS 規則）、URR（Usage Report Rule，用量上報規則）、BAR（Buffering Action Rule，緩存動作規則）和MAR（Multi-Access Rule，多接入規則），由控制面向用戶面下發流處理策略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則PDI（Packet Detection Information，報文檢測信息）和流動作，流動作則包括轉發動作FAR，QoS控制動作QER、統計上報動作URR 等。

圖2 N4接口業務層實現邏輯圖

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

圖3 UPF上的報文轉發模型

在N4 接口上，SMF 和UPF 之間交互的消息主要包括節點級和會話級兩類。節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 之間業務資源分配的協商、業務策略的下發和用戶面信息的上報等，該部分消息和業務強相關，也是N4接口實現最復雜的部分。

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、業務白名單、APN 融合、協議優化、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務規則等性能指標。針對垂直行業定制化、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，還可根據行業客戶的需求支持以太網數據傳輸、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UPF需支持的基本功能

在性能上，對于行業業務類型相對簡單的情況，可降低指標要求，如減少業務規則配置的數量要求等；在容量上，提供不同吞吐量規格的設備，匹配不同場景的業務規模。行業UPF 應可提供不同吞吐量規格的設備，表2 是中國移動建議的初期四種行業UPF 配置模型的設備指標[3]：

表2 行業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2G/3G/4G 核心網中，控制面和用戶面未分離，二者之間的接口為設備內部接口，即使在4G 分組域網關實現了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，通過制定統一的接口實現方案，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，有利于現網部署實施。

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 網絡的協同以及UPF 暫未開啟服務發現功能，建議仍由SMF 分配，而用戶面隧道ID屬于用戶面資源，由UPF 分配可以更好的協調和管理（在2020 年3 月發布的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，在產品實現時各設備商的理解不同，會引起業務對接問題，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，導致產品實現中其攜帶的內容不盡相同，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容為子網類型的技術方案。

2）示例2：業務規則類型定義

在現網中有多種類型的業務規則，包括靜態（預定義）規則、動態規則等，標準協議在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品實現時存在差異，因此中國移動明確了基于不同業務場景和業務識別粒度的信元使用方案：

◆SDF Filter 為動態流規則，指示五元組，一般由PCF 下發；

◆APP ID 為業務規則，指示業務標識，一般由PCF或SMF 下發，也可在UPF 本地配置；

◆Predefined Rules 為預定義規則，指示識別規則+業務策略，一般在UPF 本地配置；

◆PFD 為報文檢測規則，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。

（3）定方案

對標準中有定義但是各設備商因技術實現方案差異導致業務對接問題，需要研究分析最優方案，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，設備商在產品實現時，對于兩種計費模式使用一個還是兩個URR ID 存在差異。經深入分析，中國移動明確了對于相同的包檢測規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不同的URR 規則給UPF。

圖4 SMF和UPF交互實現在線/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量，進而實現為不同用戶提供不同的業務體驗。3GPP 標準中對QoS 控制策略的實現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QER 中攜帶的字段以及PDR 和QER 的綁定關系區分會話級、QoS 流級、業務數據流級粒度的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 根據本地配置的DSCP 和VLAN Priority 的映射關系，完成數據流的傳輸層標記和轉發功能。

（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方案。

1）示例1：頭增強信息攜帶方案

對于在統一認證業務、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數據包中基于添加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，層二隧道協議）隧道方案

L2TP 是一種基于二層交換的虛擬隧道協議，在垂直行業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L2TP 相關功能。中國移動結合IETF 協議，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 網絡的分層UPF 部署架構、靈活的分流方式，滿足垂直行業數據不出場和低時延業務需求，支持N4 解耦的UPF 在部署靈活性方面具有天然優勢，典型部署模式有如下兩類。

（1）園區專網UPF

智慧工廠、智慧礦山、智慧港口等業務場景對數據安全性要求較高，但功能要求相對單一，可在客戶園區內部署專用的支持N4 解耦的輕量化UPF，與位于大區的2B SMF 通過N4 接口連通，組網如圖5 所示。由于不涉及訪問Internet 以及與大網的互通，用戶數據從終端到基站，經由本地部署的UPF 路由至本地業務服務器。

圖5 專用UPF組網圖

（2）本地分流UPF

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

圖6 分流UPF組網圖

N4 解耦技術的引入可以給行業客戶提供更多的UPF供應商選擇，提升運營商在行業市場的競爭力，實現行業客戶、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 解耦后帶來的網絡運維和安全問題，盡快推動N4 解耦UPF 產品成熟。在產業方面，運營商、設備商應協同產業合作伙伴以及關聯的行業資源，深耕垂直行業客戶需求，為不同行業定制化打造解決方案，并在此基礎上構建多樣化的產品體系，不斷促進邊緣生態的深度融合。同時，繼續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品體系，確保行業利潤。