［林國強(qiáng) 王鵬 張愛華］

1 引言

但長期以來，異廠商實(shí)現(xiàn)SMF（Session Management Function，即會(huì)話控制功能）與UPF 互通的N4 接口沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，缺乏互操作性，最終造成SMF 與UPF 同廠商深度綁定[1]。從而對(duì)5G 的商用場景造成諸多限制，無法滿足向千行百業(yè)提供輕量化、低成本和靈活的部的業(yè)務(wù)需求[2]，急需推動(dòng)行業(yè)提供支持N4 接口解耦的輕量化UPF。

2 5G 核心網(wǎng)簡介

核心網(wǎng)作為5G 網(wǎng)絡(luò)的大腦，為了適配未來不同服務(wù)的需求，5G 核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，可見5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元采用了SBA 架構(gòu)（Service Based Architecture，即基于服務(wù)的架構(gòu)），它基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)，將原來具備多個(gè)業(yè)務(wù)功能的整體，拆解成多個(gè)具有獨(dú)自功能的個(gè)體，并對(duì)外提供自己的服務(wù)。其中，UPF 作為5G 核心網(wǎng)與用戶側(cè)的契合點(diǎn)，是發(fā)展5G 行業(yè)應(yīng)用、邊緣計(jì)算（MEC）業(yè)務(wù)的關(guān)鍵網(wǎng)元，配合控制面打通UE、RAN、DN 的通信通路，即會(huì)話/承載。北向接口支持N4 接口的策略控制，東西向接口支持N3、N6、N9，中間基于會(huì)話/承載轉(zhuǎn)發(fā)，為用戶提供高速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。而N4 接口作為SMF 與UPF 之間的重要業(yè)務(wù)控制連接接口[3]，對(duì)接入的用戶下發(fā)各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制指令和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略規(guī)則，引導(dǎo)UPF 依次按照不同業(yè)務(wù)等級(jí)完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 5G 核心網(wǎng)絡(luò)架

2.1 N4 接口解耦基礎(chǔ)知識(shí)

2.1.1 N4 接口協(xié)議（PFCP）

SMF 和UPF 之間的N4 接口使用的控制面協(xié)議是PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）協(xié)議，主要用于傳輸SMF 和UPF 間的控制面及用戶面信息，通過該接口使控制面和用戶面配合完成用戶面規(guī)則下發(fā)和隧道建立功能。其控制層面的協(xié)議棧，如圖2 所示。

圖2 N4 控制面的協(xié)議

一般情況下，我們所了解的N4 接口主要用于UPF 和信令面NF 進(jìn)行信令交互，但實(shí)際上N4 接口同時(shí)也涉及到部分用戶面數(shù)據(jù)包的傳輸。例如，處理下行數(shù)據(jù)包時(shí)在SMF 中進(jìn)行緩存、DNN 網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證等場景，都需要通過N4 接口傳輸GTP 數(shù)據(jù)包。N4 接口的用戶面協(xié)議使用GTP-U，協(xié)議棧如圖3 所示。

我很少在拍攝時(shí)用超過ISO 1000的設(shè)置，所以如果我在室內(nèi)進(jìn)行拍攝，就會(huì)讓拍攝對(duì)象坐在窗戶旁邊，這樣就能拍出一張對(duì)比鮮明的照片了。

圖3 N4 用戶面的協(xié)議

2.1.2 SMF 與UPF 偶聯(lián)建立信令（PFCP Association）

SMF 與UPF 之間互通對(duì)接的第一步應(yīng)首先建立一個(gè)偶聯(lián)PFCP Association，并且需要在傳遞PFCP Session 相關(guān)信令之前建立。PFCP Association 的發(fā)起方可以是CP（SMF）節(jié)點(diǎn)也可以是UP（UPF）節(jié)點(diǎn)，但是CP 節(jié)點(diǎn)默認(rèn)必須一定可以發(fā)起PFCP Association 的建立，而由UP節(jié)點(diǎn)觸發(fā)PFCP Association 的建立則是作為可選功能。因此，SMF 和UPF 之間的偶聯(lián)建立發(fā)起在異廠家設(shè)備互通對(duì)接時(shí)需要注意。CP 節(jié)點(diǎn)和UP 節(jié)點(diǎn)偶聯(lián)建立的關(guān)鍵信息可通過唯一的Node ID 進(jìn)行識(shí)別，而Node ID 可以是FQDN 或者IP 地址。

2.1.3 SMF 與UPF 會(huì)話建立信令（PFCP Session）

SMF 與UPF 之間互通對(duì)接的第二步是在建立PFCP Association 基礎(chǔ)之上，進(jìn)行PFCP Session 相關(guān)的流程。對(duì)于PFCP Session 的建立、更新、釋放的發(fā)起者只能由SMF。另 外，PFCP Session 和UE 的PDU Session 的 建立是強(qiáng)相關(guān)的，一般情況下一個(gè)PDU Session 對(duì)應(yīng)一個(gè)PFCP Session。當(dāng)存在匹配不上任何PFCP Session 的數(shù)據(jù)包時(shí)，通常處理操作就是直接丟棄或者轉(zhuǎn)發(fā)給SMF 處理。UE 在發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)PDU Session。在SMF 發(fā)送UPF 的PFCP Session Establishment 流程中就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)PFCP Session。PFCP Session Establishment 流程的結(jié)果就是在UPF中創(chuàng)建一個(gè)PFCP Session Context（PFCP Session 上下文），后續(xù)用戶面數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)都是基于查找PFCP Session Context 來完成的。PFCP Session Context就是UPF 保存的PDR、FAR 等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，并將UE的標(biāo)識(shí)信息（UE IP 地址等）、PDU Session ID、PDR（Packet Detection Rule）、FAR（Forwarding Action Rule）、URR（Usage Reporting Rule）、QER（QoS Enforcement Rule）、BAR（Buffering Action Rule）等規(guī)則信息關(guān)聯(lián)起來的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，UPF可以根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中記錄的規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.4 UPF 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程

UPF 依 據(jù)SMF 下 發(fā) 的PDR、FAR、QER、URR、BAR 等規(guī)則執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入到UPF 后，首先執(zhí)行的是PDR；再根據(jù)PDR 中包含的PDI（Packet Detection Information）信息來與數(shù)據(jù)包進(jìn)行匹配，之后對(duì)匹配上的數(shù)據(jù)執(zhí)行FAR 關(guān)聯(lián)的FAR、QER 中定義的規(guī)則。其轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程

（1）SMF 向UPF 下發(fā)一對(duì)PDR，UPF 收到的這一對(duì)PDR 均用于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的匹配條件。

（2）用戶報(bào)文從基站（gNB）到達(dá)UPF。

（3）UPF 對(duì)用戶報(bào)文進(jìn)行匹配，查找用戶所屬PDU（Protocol Data Unit）Session。

（4）UPF 根據(jù)PDR 優(yōu)先級(jí)、報(bào)文中的關(guān)鍵信息（如域名、IP 等）進(jìn)行PDR 匹配，命中PDR。

（5）UPF 根據(jù)PDR 中的相關(guān)信息以及本地配置的相關(guān)規(guī)則信息等，執(zhí)行數(shù)據(jù)流的相關(guān)動(dòng)作并轉(zhuǎn)發(fā)到Internet。

（6）對(duì)于下行數(shù)據(jù)，UPF 進(jìn)行類似的轉(zhuǎn)發(fā)流程，查找用戶的PDU 之后，對(duì)報(bào)文進(jìn)行匹配、命中PDR 并轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達(dá)UE。

3 異廠商UPF 與SMF 解耦技術(shù)方案探討

在開放N4 解耦之前，3GPP 對(duì)于CP 節(jié)點(diǎn)和UP 節(jié)點(diǎn)之間定義的N4 接口功能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)狀，既存在功能實(shí)現(xiàn)方案的冗余，即為實(shí)現(xiàn)同一功能特性有多種實(shí)現(xiàn)方案，由廠家自行選擇；又存在常用功能技術(shù)方案缺失，一些在現(xiàn)網(wǎng)中常用的功能特性由廠家私有實(shí)現(xiàn)完成，缺乏標(biāo)準(zhǔn)化支撐。上述原因直接導(dǎo)致了N4 接口缺乏互操作性。而N4 接口的全面開放，結(jié)合運(yùn)營商與廠商的最佳實(shí)踐，提升N4 接口標(biāo)準(zhǔn)化程度，無疑將解決當(dāng)前設(shè)備功能復(fù)雜、容量起步過大、與SMF 同廠商綁定的現(xiàn)狀，從而有利于降本增效，同時(shí)滿足行業(yè)客戶的多樣化需求。當(dāng)形成標(biāo)準(zhǔn)化后，為電信運(yùn)營商推進(jìn)開放、可靠、靈活、可管的UPF提供標(biāo)準(zhǔn)支持。將會(huì)有更多的產(chǎn)業(yè)鏈廠商參與其中，降低產(chǎn)業(yè)進(jìn)入門檻，繁榮產(chǎn)業(yè)生態(tài)；也將給電信運(yùn)營商更多的選擇，從而達(dá)成降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本的目標(biāo)，也降低了5G 進(jìn)入千行百業(yè)的門檻。

為更好實(shí)現(xiàn)N4 接口解耦的目標(biāo)，目前業(yè)界進(jìn)行了創(chuàng)新性的實(shí)踐與探索，形成了以下幾種主流解決方案。

3.1 方案一：直接解耦

由運(yùn)營商牽頭，聯(lián)合各設(shè)備制造廠商共同推進(jìn)N4 接口的開放與標(biāo)準(zhǔn)化，構(gòu)建開放合作聯(lián)盟，進(jìn)行設(shè)備之間的直接解耦。

該方案以運(yùn)營商設(shè)備集采作為主要推動(dòng)力，協(xié)調(diào)主流廠商（華為、中興等設(shè)備制造廠商）進(jìn)行UPF 和SMF 的直接解耦，但是截止到目前三大運(yùn)營商的直接解耦測(cè)試均無突破。其主要原因初步分析，有以下幾點(diǎn)。

（1）主流廠商對(duì)開放N4 解耦的積極性不高，導(dǎo)致測(cè)試進(jìn)度慢，原因不言而喻。

（2）主流廠商針對(duì)某些關(guān)鍵功能項(xiàng)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制完全不一樣，如ULCL 分流功能就無法直接解耦互通。

（3）主流廠商對(duì)3GPP 規(guī)范定義的信元和條款理解有偏差，但是均能實(shí)現(xiàn)此功能。如UPF 和SMF 進(jìn)行偶聯(lián)建立時(shí)，SMF 設(shè)備只識(shí)別IP，UPF 只識(shí)別FQDN，出現(xiàn)此類功能實(shí)現(xiàn)方式二選一的互通情況，只能協(xié)調(diào)廠商研發(fā)進(jìn)行修改版本，否則無法推進(jìn)測(cè)試，偶聯(lián)是互通的第一步。在互通測(cè)試過程中為實(shí)現(xiàn)同一功能特性有多種實(shí)現(xiàn)方案，由廠家自行選擇，導(dǎo)致解耦失敗的例子比比皆是。

因此，主流廠商直接互通難度是位列所有解耦方案中最難的一個(gè)。

3.2 方案二：主動(dòng)適配解耦

由運(yùn)營商自主研發(fā)5G 用戶面UPF 設(shè)備，與主流廠商5G 核心網(wǎng)進(jìn)行解耦對(duì)接。

該方案解耦的進(jìn)展已超預(yù)期，截止到目前三大運(yùn)營商均已先后實(shí)現(xiàn)。

（1）中國電信基于自主研發(fā)的輕量級(jí)UPF 設(shè)備URANUS 1000S。

（2）中國移動(dòng)主導(dǎo)的首批Open UPF 功能及一致性驗(yàn)證測(cè)試。

（3）中國聯(lián)通首批白盒UPF 功能和N4 接口的兼容性驗(yàn)證測(cè)試。

可見，運(yùn)營商在推動(dòng)解耦是篤定前行，不遺余力解難題，加快推進(jìn)與實(shí)施。特別是在與主流廠商互通測(cè)試過程中出現(xiàn)廠商私有化定制、非標(biāo)準(zhǔn)化的信元和功能實(shí)現(xiàn)流程和邏輯各異的情況下，運(yùn)營商研發(fā)的UPF 均能較好的進(jìn)行適配，實(shí)現(xiàn)既能支持華為又能支持中興的SMF 等主流廠商的解耦測(cè)試。

因此，運(yùn)營商自主研發(fā)互通難度適中，其關(guān)鍵在于與主流廠商對(duì)齊解耦必需的信元、流程和邏輯機(jī)制，否則無法解耦。

3.3 方案三：間接解耦

由第三方開發(fā)中間件進(jìn)行信令面與主流廠商5G 核心網(wǎng)進(jìn)行解耦對(duì)接；

該方案實(shí)現(xiàn)的原理是通過第三方的中間件C-IWF（Customized-Inter Working Function，定制化信令互通網(wǎng)關(guān)）作為UPF 和SMF 的信令中轉(zhuǎn)站，由它負(fù)責(zé)將主流廠商SMF 的控制信令轉(zhuǎn)換（或透傳）成異廠商UPF“聽得懂”的信令，從而完成解耦。因?yàn)橐肓硕ㄖ苹帕罨ネňW(wǎng)關(guān)，對(duì)SMF 和UPF 的改動(dòng)最小，解耦最方便。通過此方案可以很好的解決主流廠商無法解耦的部分關(guān)鍵功能，如前面提到的ULCL 分流，如圖5 所示。

圖5 中間件解耦示意圖

綜上所述，根據(jù)N4 接口解耦的技術(shù)難度對(duì)比分析，3 種解耦方案既有利也有弊。但本文建議遵循設(shè)備改動(dòng)最小、低成本和互操作性較強(qiáng)的原則，優(yōu)先選擇解耦方案三，次之方案二，最后方案一。

4 總結(jié)

5G 核心網(wǎng)在建設(shè)過程中面臨著各種挑戰(zhàn)，UPF 作為核心網(wǎng)用戶面的關(guān)鍵設(shè)備，系統(tǒng)級(jí)的UPF 部署和維護(hù)成本相對(duì)較高，UPF 與SMF 同廠商的綁定，運(yùn)營商也將承擔(dān)較高的網(wǎng)絡(luò)部署成本。為此，促使UPF 朝著更加開放、可靠、可管、靈活的方向發(fā)展；建議優(yōu)先選用解耦方案三，共同推動(dòng)N4 接口解耦與構(gòu)建開放產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)以及高效、低成本維護(hù)已成為運(yùn)營5G 網(wǎng)絡(luò)成敗的關(guān)鍵。