張玉峰

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江蘇省分公司

0 引言

隨著5G技術(shù)的飛速發(fā)展，5G終端及應(yīng)用不斷成熟，流量呈現(xiàn)井噴式增長，園區(qū)或者規(guī)模集團(tuán)的客戶使用5G終端訪問公司web以及終端App業(yè)務(wù)的需求量出現(xiàn)瓶頸。5G終端客戶端由聯(lián)通大網(wǎng)接入園區(qū)內(nèi)網(wǎng)，造成流量過大，網(wǎng)絡(luò)擁塞。園區(qū)或者規(guī)模集團(tuán)客戶有訪問Internet的需求，且園區(qū)或者規(guī)模集團(tuán)客戶內(nèi)網(wǎng)無分流能力，需要新設(shè)備來做業(yè)務(wù)分流；園區(qū)外無訪問園區(qū)業(yè)務(wù)訴求，僅在特定區(qū)域內(nèi)訪問園區(qū)業(yè)務(wù)。提供基于ULCL的園區(qū)UPF本地分流機(jī)制，是提高網(wǎng)絡(luò)訪問速度，解決擁塞、卡頓的重要手段之一。

1 相關(guān)技術(shù)研究

3GPP定義了網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的MEC（Multi-Access Edge Computing，多接入邊緣計(jì)算）分流機(jī)制，包括多宿主Multhoming、上行鏈路分類器ULCL、局域網(wǎng)DN（LADN）等，定義了5G網(wǎng)絡(luò)對MEC的支撐和實(shí)現(xiàn)，以及如何提供服務(wù)質(zhì)量保障。這四種分流機(jī)制具體原理如下：

多宿主Mult-homing，一個PDU會話分配多個IPv6，分支點(diǎn)（BP）根據(jù)源IP地址將流量引導(dǎo)到本地DN。邊緣計(jì)算MEC使用多宿主分流機(jī)制時，會話管理功能模塊支持在分組數(shù)據(jù)單元進(jìn)行建立或完成會話后，一個分組數(shù)據(jù)單元會話可以與多個IPv6前綴相關(guān)聯(lián)，該用戶平面功能模塊作為分支點(diǎn)（BP）連接多個分組數(shù)據(jù)單元會話錨點(diǎn)的用戶平面功能模塊，在接入數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)DN。該分流機(jī)制支持刪除分組數(shù)據(jù)單元會話數(shù)據(jù)路徑中的分支點(diǎn)。該多宿主分流機(jī)制的會話類型只能是IPv6類型。

上行鏈路分類器ULCL，基于包過濾器（五元組）將流量引導(dǎo)到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而無需UE（User Equipment，用戶終端）的感知。MEC分流過程采用上行鏈路分類器分流機(jī)制，會話管理功能模塊支持在分組數(shù)據(jù)單元進(jìn)行建立或完成會話后，在發(fā)起的分組數(shù)據(jù)單元會話的數(shù)據(jù)路徑中插入一個或多個上行鏈路流量分類器，支持按需在PDU會話的數(shù)據(jù)路徑中刪除上行流量分類器，其支持的會話類型有互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議V4、V6、V4V6以及Ethenet等類型。在UE通過無線基站進(jìn)入指定區(qū)域發(fā)生漫游場景時，用戶的C面和U面路徑如下：（1）C面：拜訪地?zé)o線接入網(wǎng)-拜訪地接入管理功能模塊-拜訪地會話管理功能模塊；（2）U面分支1：拜訪地?zé)o線接入網(wǎng)-拜訪地用戶平面功能模塊/上行鏈路分類器-拜訪地用戶平面功能/主錨點(diǎn)；（3）用戶面分支2：拜訪地?zé)o線接入網(wǎng)-拜訪地用戶平面功能模塊/上行鏈路分類器-拜訪地用戶平面功能/輔錨點(diǎn)。

局域網(wǎng)DN（Local Area DN，LADN），允許UE訪問特定區(qū)域內(nèi)的局域網(wǎng)DN。本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是指5G用戶在移動到接入管理功能模塊設(shè)定的區(qū)域時，使用特定業(yè)務(wù)將觸發(fā)新的本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)會話建立，此時一個5G用戶可能擁有兩個PDU會話——互聯(lián)網(wǎng)會話、本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)會話。

本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)僅用于非漫游場景或者本地分流漫游場景，在規(guī)劃建設(shè)過程中，UE通過本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)會話訪問企業(yè)專用邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，其他業(yè)務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)會話訪問。在非本地場景時，用戶的C面和U面路徑如下：（1）C面：拜訪地?zé)o線接入網(wǎng)-拜訪地接入管理功能模塊-拜訪地會話管理功能模塊；（2）用戶面：拜訪地?zé)o線接入網(wǎng)-拜訪地用戶平面功能。

綜上所述，3GPP定義的MEC分流機(jī)制中，多宿主Multhoming適用于物聯(lián)網(wǎng)、高可靠性專網(wǎng)等場景，但會話類型只能是IPV6且實(shí)施難度較大；本地區(qū)域數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（LADN）優(yōu)點(diǎn)在于從終端即可區(qū)分需要分流的數(shù)據(jù)，減少了網(wǎng)絡(luò)識別分流壓力，不足在于終端功能尚不成熟；上行鏈路分類器ULCL網(wǎng)絡(luò)配置簡單，支持用戶同時訪問Internet和MEC應(yīng)用，對終端不感知，被使用在大型的校園、規(guī)模集團(tuán)客戶群中，解決流量需求量出現(xiàn)的瓶頸和網(wǎng)絡(luò)擁塞。

2 ULCL分流實(shí)現(xiàn)原理

上行鏈路分類器ULCL，主要分流原理是基于包過濾器（五元組）將流量引導(dǎo)到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，無需UE的感知。ULCL適用場景：（1）有訪問Internet的需求，且園區(qū)無分流能力，需要UPF來做業(yè)務(wù)分流；（2）園區(qū)外無訪問園區(qū)業(yè)務(wù)訴求，僅在特定區(qū)域內(nèi)訪問園區(qū)業(yè)務(wù)。ULCL UPF總體分流架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ULCL UPF分流總體架構(gòu)圖

PDU會話錨點(diǎn)（PDU Session Anchor，PSA）UPF包含主錨點(diǎn)PSA1 UPF、輔錨點(diǎn)PSA2 UPF。主錨點(diǎn)PSA1 UPF是UE激活時給UE分配用戶面的IP的UPF，同時也是UE訪問Internet的會話錨點(diǎn)；輔錨點(diǎn)PSA2 UPF是UE訪問本地網(wǎng)絡(luò)時的PDU會話錨點(diǎn)。ULCL UPF將上行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分流到本地或互聯(lián)網(wǎng)，并匯聚來自主錨點(diǎn)和輔錨點(diǎn)的下行數(shù)據(jù)報(bào)文，封裝到N3接口的GTP隧道中傳遞給（無線或有線）接入網(wǎng)。

3 基于ULCL的園區(qū)UPF本地分流方案

基于上行鏈路分流機(jī)制（ULCL）的用戶平面UPF上行鏈路分流機(jī)制流程：上行鏈路分流機(jī)制作為流量的分流器，（無線或有線）接入網(wǎng)通過因特網(wǎng)協(xié)議V4和V6支持的IP報(bào)文，在N3接口的GTP隧道中進(jìn)行封裝后，做規(guī)則匹配IP地址和端口號，或者7層DNS域名。如果該業(yè)務(wù)流匹配規(guī)則，就通過UPF間的N9接口傳遞到輔錨點(diǎn)，然后經(jīng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)側(cè)與外部網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議接口（N6）訪問到本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)，否則通過功能模塊間的接口（N9）傳遞到主錨點(diǎn)，之后經(jīng)過主錨點(diǎn)用戶平面功能模塊N6接口訪問到互聯(lián)網(wǎng)?；谏闲墟溌贩至鳈C(jī)制的UPF上行分流機(jī)制流程如圖2所示。

圖2 ULCL上行分流機(jī)制流程圖

基于上行鏈路分類機(jī)制（ULCL）的用戶平面功能模塊UPF下行匯聚機(jī)制流程：上行分流至本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后反饋的下行報(bào)文，通過輔錨點(diǎn)用戶平面功能模塊處理后，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換發(fā)布到網(wǎng)段路由，或者經(jīng)外部網(wǎng)絡(luò)側(cè)與內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)側(cè)的協(xié)議接口（N6）隧道返回輔錨點(diǎn)用戶平面功能模塊，輔錨點(diǎn)用戶平面功能模塊將在N3接口的GTP隧道中進(jìn)行封裝完成的數(shù)據(jù)發(fā)送給上行鏈路分類機(jī)制的用戶平面功能模塊；上行路由到中心互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)包所反饋的下行數(shù)據(jù)報(bào)文，通過主錨點(diǎn)的平面功能模塊處理后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換發(fā)布到網(wǎng)段路由返回主錨點(diǎn)，主錨點(diǎn)用戶平面功能模塊將在用戶平面功能模塊間的接口協(xié)議（N9）GTP隧道完成封裝后發(fā)送給上行鏈路分類機(jī)制的用戶平面功能模塊。上行鏈路分類機(jī)制的用戶平面功能模塊（ULCL UPF）匯聚來自主錨點(diǎn)和輔錨點(diǎn)反饋的下行數(shù)據(jù)報(bào)文，在N3接口的GTP隧道中進(jìn)行封裝后傳遞給（無線或有線）接入網(wǎng)。ULCL UPF下行匯聚機(jī)制流程如圖3所示。ULCL UPF上行分流機(jī)制場景，不會直接出口到Internet，通過大網(wǎng)2B UPF出口到Internet。

圖3 ULCL下行匯聚機(jī)制流程圖

園區(qū)在運(yùn)營商公網(wǎng)DNS上可以獲取到對應(yīng)的公網(wǎng)地址，通過ULCL UPF配置根據(jù)IP地址的分流策略進(jìn)行分流方案，方案結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 基于ULCL的園區(qū)本地分流方案結(jié)構(gòu)圖

UE進(jìn)入園區(qū)UPF服務(wù)區(qū)場景的兩種方式：（1）UE在邊緣UPF服務(wù)區(qū)激活，UE發(fā)起PDU會話建立流程，SMF基于用戶的DNN、位置及DNAI（Data Network Access Identifier）選擇ULCL UPF和輔錨點(diǎn)PSA2 UPF，并對其下發(fā)相應(yīng)的分流規(guī)則，最終實(shí)現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的分流。（2）UE從其他區(qū)域移動到邊緣UPF服務(wù)區(qū)，UE發(fā)起UE位置區(qū)變更流程，觸發(fā)SMF更新SM上下文中位置區(qū)等信息，選擇ULCL UPF和輔錨點(diǎn)PSA2 UPF，將其插入當(dāng)前會話并下發(fā)相應(yīng)的分流規(guī)則，最終實(shí)現(xiàn)對用戶數(shù)據(jù)的分流。

4 應(yīng)用及測試方案

基于ULCL的園區(qū)UPF分流上行PDR和其關(guān)聯(lián)的FAR規(guī)定了ULCL&PSA1中ULCL部分（分流業(yè)務(wù)）的上行報(bào)文從自身的N3接口入、N9接口出，攜帶分流規(guī)則（即Application ID），上行緩存。具體如圖5所示。

圖5 基于ULCL的園區(qū)UPF分流攜帶報(bào)文圖

下行PDR和其關(guān)聯(lián)的FAR規(guī)定了ULCL&PSA1中ULCL部分（分流業(yè)務(wù)）的下行報(bào)文從自身的N9接口入、N3接口出，下行緩存。

本方案使用聯(lián)通測試號進(jìn)行測試，驗(yàn)證無問題后給園區(qū)測試號碼簽約測試。具體測試類別、測試名稱及測試說明如圖6所示。

圖6 方案測試內(nèi)容及方式

以上報(bào)文和表格數(shù)據(jù)說明了該方案測試在整個TAC區(qū)域內(nèi)初始激活時即觸發(fā)ULCL功能，用戶訪問本地業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)報(bào)文避免了通過主錨點(diǎn)發(fā)至公網(wǎng)再經(jīng)隧道轉(zhuǎn)發(fā)至本地服務(wù)器的過程，即避免了路由迂回，能為用戶提供更低時延的體驗(yàn)，結(jié)果符合實(shí)際要求，達(dá)到了預(yù)期的本地分流效果。

5 結(jié)束語

將ULCL技術(shù)運(yùn)用在園區(qū)UPF本地分流方案，縮短了網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間，能夠降低時延，提高可靠性，避免了因大網(wǎng)接入園區(qū)內(nèi)網(wǎng)造成的流量過大情況，分流了大部分流量到園區(qū)UPF內(nèi)，不影響通往大網(wǎng)的主錨點(diǎn)UPF流量，有助于提高園區(qū)內(nèi)員工的工作效率。本研究引入了ULCL本地分流機(jī)制，分流大網(wǎng)接入園區(qū)內(nèi)網(wǎng)的流量，經(jīng)多個項(xiàng)目的實(shí)踐證明及抓取報(bào)文分析，基于ULCL的園區(qū)UPF本地分流機(jī)制對企業(yè)在激烈的競爭環(huán)境中取得成功有很大幫助。