【5G核心网】5GC核心网之网元UPF

素颜马尾好姑娘i 2023-02-22 08:29 84阅读 0赞

UPF（User Plane Function，用户面功能）： ts 29.244  23.501\[5.8\]

# **1  UPF** User Plane Function 用户平面**功能** #

*          用于RAT内/ RAT间移动性的锚点  Anchor point for Intra-/Inter-RAT Mobility
 *          外部PDU与数据网络互连的会话点  External PDU Session point of interconnect to Data Network.
 *          **分组路由和转发**（例如支持上行链路分类器以将业务流路由到数据网络的实例，支持分支点以支持多宿主PDU会话） Packet routing & forwarding (e.g. support of Uplink classifier to route traffic flows to an instance of a data network, support of Branching point to support multi-homed PDU Session).
 *          数据包检查（例如基于服务数据流模板的应用程序检测以及从SMF接收的可选PFD） Packet inspection (e.g. Application detection based on service data flow template and the optional PFDs received from the SMF in addition).
 *          用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向 User Plane part of policy rule enforcement, e.g. Gating, Redirection, Traffic steering).
 *          合法拦截（UP收集） Lawful intercept
 *          -流量使用报告 Traffic usage reporting.
 *          用户平面的QoS处理，例如UL / DL速率实施，DL中的反射QoS标记 QoS handling for user plane, UL/DL rate enforcement, Reflective QoS marking in DL.
 *          上行链路流量验证 Uplink Traffic verification
 *          上行链路和下行链路中的传输级分组标记 Transport level packet marking in the uplink and downlink.
 *           Downlink packet buffering and downlink data notification triggering.
 *           Sending and forwarding of one or more "end marker" to the source NG-RAN node.
 *           ARP proxying and / or IPv6 Neighbour Solicitation Proxying functionality for the Ethernet PDUs. The UPF responds to the ARP and / or the IPv6 Neighbour Solicitation Request by providing the MAC address corresponding to the IP address sent in the request.

看考： [http://www.freedomtutorials.com/5GSystem/use\_plane\_function.php][http_www.freedomtutorials.com_5GSystem_use_plane_function.php]

SMF ***执行 UPF 的选择，详情在 TS 23501 章节 6.3.3***，对于一个 PDU 会话支持的 UPF 数量没有限制

UPF 流量检测能力可以被 SMF 用来控制，如下功能列表：

>  *  流量检测（按照流量 IP 类型，以太网类型，非结构化类型分类）
>  *  流量报告（允许 SMF 支持付费）
>  *  QoS实施
>  *  流量路由

# 2  UPF 功能详情 #

###     2.1 UE IP 地址管理 ###

UE IP 地址管理包括分配以及释放 UE IP 地址，也包括从新分配 IP 地址

当在 PDU 会话中没有使用静态 IP 地址， 实际分配 IP 地址有如下机制：

>  *    SMF 从地址池分配并关联到所选择的 UPF 锚点
>  *    UE IP 地址从 UPF 获得，SMF 与 UPF 通过 N2 接口交互获得一个合适的 IP 地址
>  *    UE IP 地址从外面数据网络获取

###     2.2 管理 CN 隧道信息 ###

核心网隧道信息是 PDU session 中的 N3 / N9 隧道，包括 TEID 和 IP 地址

当一个新的 PDU 会话需要建立或者释放，分配或释放 CN 隧道信息

*  在 SMF 中管理核心网隧道信息
 *  在 UPF 中管理核心网隧道信息

###     2.3 流量检测 ###

SMF 负责指示 UPF 怎么检测用户数据流量，这个定义 PDR（Packet Detection Rule），SMF 控制 UPF 的流量检测，其提供每个 PDR 的检测信息。

IPv4 IPv6 IPv4v6 类型的 PDU Session，检测信息包括：

>         - CN tunnel info.
> 
>         - Network instance.
> 
>         - QFI.
> 
>         - IP Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.2.
> 
>         - Application Identifier: The Application ID is an index to a set of application detection rules configured in UPF.

以太网类型的 PDU Session，检测信息包括：

>         - CN tunnel info.
> 
>         - Network instance.
> 
>         - QFI.
> 
>         - Ethernet Packet Filter Set as defined in clause 5.7.6.3.

###     2.4 控制用户平面的转发 ###

UPF 转发功能如下：

>      - Apply N3 /N9 tunnel related handling, i.e. encapsulation.
> 
>      - Forward the traffic to/from the SMF, e.g. as described in Table 5.8.2.5.2-1.
> 
>      - Forward the SM PDU DN Request Container from SMF to DN-AAA server
> 
>      - Forward the traffic according to locally configured policy for traffic steering.
> 
>      - Forward the traffic according to N4 rules of a 5G VN group for 5G VN group communication.

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Scenario description </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> Data forwarding direction </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> 1 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Forwarding of user-plane packets between the UE and the SMF e.g. DHCP signalling. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> UPF to SMF SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> 2 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Forwarding of packets between the SMF and the external DN e.g. with DN-AAA server </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> UPF to SMF SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> 3 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Forwarding of packets subject to buffering in the SMF. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> UPF to SMF SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> 4 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Forwarding of End Marker Packets constructed by the SMF to a downstream node. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:40.85pt;"> 5 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:212.65pt;"> Forwarding of user data using Control Plane CIoT 5GS Optimisation </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:239.35pt;"> UPF to SMF SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**                                  Table 5.8.2.5.1-1: Scenarios for data forwarding between the SMF and UPF**

###     2.5 收费和使用监控处理 ###

> 在 UPF 激活使用报告
> 
> 向 SMF 提供报告使用信息

###     2.6 PDU 会话和 Qos 流策略 ###

###     2.7 PCC 相关功能 ###

###     2.8 发送 “End marker” 功能 ###

> UPF 构造 “End marker” 包
> 
> SMF 构造 “End marker” 包

###     2.9 UP 隧道管理 ###

5GC 支持每一个 PDU 会话隧道建立在 (R)AN 和 UPF 的 N3 接口，以及 UPF 之间的 N9 接口

###     2.10 N4 会话管理参数 ###

SMF 向 UPF 发送的 N4 参考点接口包括：

>  *  \- N4 会话 ID
>  *  \- PDR Packet Detection Rules 包检测规则，用来在 UPF 分类流量
>  *  \- FAR Forwarding Action Rules 转发行为规则，信息是否转发，丢弃或者缓存
>  *  \- MAR Multi-Access Rules，信息怎样对于多接入 PDU 会话处理流量导向，转换，分流
>  *  \- URR  Usage Reporting Rules，使用报告规则
>  *  \- QER  Qos Enforment Rules  Qos 实施规则，
>  *  \- Trace Requirements
>  *  \- port Management Information Container in 5GS
>  *  \- Bridge Information

###     2.11 在 PDU 会话报告 UE MAC 地址 ###

在 N4 接口报告 UE MAC 地址

###     2.12 支持 5G VN 组通信 ###

> Support for unicast traffic forwarding of a 5G VN
> 
> Support for unicast traffic forwarding update due to UE mobility
> 
> Support for user plane traffic replication in a 5G VN

# 3  PDR Packet Detection Rule 包检测规则 #

PDR： 控制 UP 如何对数据包进行检测和分类

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3pob25nbGluemhhbmc_size_16_color_FFFFFF_t_70][]** Figure**  **5.2** **.1-1: Packet processing flow in the UP function**

*       数据包进入 UPF，首先找到匹配的 PFCP 会话，也就是 N4 会话
 *       如果存在，则找到所有关联的 PDR，并按照优先级，对报文进行匹配
 *       如果匹配成功，则查找 PDR 关联的 FAR 转发操作
 *       查找关联的 QER 完成 Qos 相关的操作
 *       查找 URR 完成使用量上报的操作

###    3.1 PDR 如何进行检测和分类报文？ ###

>     PDR 必须包括 PDI 包检测信息，其定义了包检测的详细信息，包含以下信息：
> 
>    -  入方向数据包的源接口（source interface of the incoming packets）
> 
>    -  Local F-TEID，网络实例，UE IP，SDF filter，Application ID，QFI 等任意组合

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3pob25nbGluemhhbmc_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

###     3.2 source interface ###

CORE： the filter is for downlink data flow

ACCESS： the filter is for uplink data flow

# 4  FAR Fowwarding Action Rule 转发行为规则 #

FAR 用来告诉 UP 转发数据包

CP 应该在一个 PFCP 会话中规定每个 PDR 仅提供一个 FAR，FAR 为 UP 提供如何处理与 PDR 匹配的指令。

>       通过在FAR中的Apply Action IE 中设置相应的 flag，CP 可以控制 UP 的功能：
> 
>  *  通过设置 DROP flag 丢弃数据包
>  *  通过设置 FORW flag 来转发数据包
>  *  通过设置 BUFF flag 缓冲下行链路分组
>  *  通过设置 NOCP flag，通知 CP 功能有关缓冲的第一个 DL 数据包的到达
>  *  通过设置 DUPL flag，来提供有关如何转发重复数据包的说明，从而复制数据包

###    4.1 Forwarding Parameters ###

>    Destination Interface： 报文要转发到哪个目的接口
> 
>    Network Instance：报文要转发到哪个网络实例
> 
>    Redirect Information：是否对报文做重定向处理，重定向目的地
> 
>    Outer Header Creation：是否对转发报文添加报文头（例如 GTP-U）
> 
>    Transport Level Marking：转发报文 IP 头部添加指定的 DSCP 标记
> 
>    Forwarding Policy： 转发策略，关联到 UPF 本地配置的转发策略
> 
>    Header Enrichment：包头增强，HTTP 头部添加额外信息，例如手机号码

###      3.2 BAR Buffering Action Rule 缓冲行为规则 ###

BAR 提供指令以控制 PFCP 会话集的所有 FAR 的 UP 功能的缓冲行为。CP 功能可以修改 BAR 中提供的以下缓冲指令

*  在一个 PFCP 会话修改请求的下行链路数据通知延迟 （用于EPC）
 *  在一个 PFCP 会话报告响应消息下行链路数据通知延迟 （用于EPC），DL 缓冲持续时间和/或 DL 缓冲建议的分组计数

注意：目前版本的规范中，每个 PFCP 会话最多可以创建一个 BAR

CP功能可以在BAR中提供以下缓冲参数：

*  对以 EPC，下行链路数据通知延迟 IE，用于请求 UP 在接收下行链路数据分组和通知 CP 之间延迟发送 PFCP 会话报告请求
 *  DL 缓冲持续时间 IE，用于请求 UP 在延长的持续时间内缓冲下行链路数据分组，而不向 CP 发送关于 DL 数据分组的到达的任何进一步通知
 *  DL 缓冲建议分组计数，用于在 UP 中需要扩展缓冲下行链路数据分组时请求 UP 缓冲建议的下行链路数据分组数
 *  建议的缓冲包计数 IE，如果 UP 已指示支持功能 UDBC，则指示 CP 建议在 UP 中缓冲的包的数量（包括上行链路或下行链路），直到从 CP 接收到新的指令，例如何时授予新配额

###      3.3 QER Qos Enforcement Rule Qos 实施规则 ###

CP 应在 PFCP 会话建立请求或 PFCP 会话修改请求中为 PFCP 会话提供 QER，来请求 UP 应用用户平面业务的 QoS

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Scenario description 场景描述 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> Data forwarding direction 数据转发方向 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> For EPC applicable to 适用于EPC </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> For 5GC applicable to 适用于5GC </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> 1 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Forwarding of user-plane packets between the UE and the CP function. 在UE和CP功能之间转发用户平面分组。 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> UP to CP function CP to UP function UP到CP功能 CP到UP功能 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> PGW </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> UPF to SMF SMF to UPF UPF到SMF SMF到UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> 2 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Forwarding of packets between the CP function and the external PDN (over SGi) / DN (over N6). 在CP功能和外部PDN（通过SGi）/ DN（通过N6）之间转发数据包。 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> UP to CP function CP to UP function UP到CP功能 CP到UP功能 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> PGW </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> UPF to SMF SMF to UPF UPF到SMF SMF到UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> 3 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Forwarding of packets subject to buffering in the CP function. 在CP功能中转发受缓冲的数据包。 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> UP to CP function CP to UP function UP到CP功能 CP到UP功能 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> SGW </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> UPF to SMF SMF to UPF UPF到SMF SMF到UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> 4 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Forwarding of End Marker Packets constructed by the CP function to a downstream node. 将CP功能构建的结束标记分组转发到下游节点。 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> CP to UP function </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> SGW, PGW </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> SMF to UPF </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:25.7pt;"> 5 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:280px;"> Forwarding of user data using Control Plane CIoT 5GS Optimisation 使用Control Plane CIoT 5GS优化转发用户数据 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:201px;"> UP to CP function CP to UP function UP到CP功能 CP到UP功能 </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:107px;"> - </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:219px;"> UPF to SMF SMF to UPF UPF到SMF SMF到UPF </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**     表5.3.1-1：CP和UP功能之间的数据转发方案**

###     3.4 MAR Multi-Access Rule 多接入规则 ###

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td colspan="2" style="vertical-align:top;width:154.25pt;"> Attribute </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Description </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> Comment </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td colspan="2" style="vertical-align:top;width:154.25pt;"> N4 Session ID </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Identifies the N4 session associated to this&nbsp;MAR. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td colspan="2" style="vertical-align:top;width:154.25pt;"> Rule ID </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Unique identifier to identify this rule. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td colspan="2" style="vertical-align:top;width:154.25pt;"> Steering functionality </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Indicates the applicable traffic steering functionality: Values "MPTCP functionality", "ATSSS-LL functionality". </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td colspan="2" style="vertical-align:top;width:154.25pt;"> Steering mode </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Values "Active-Standby", "Smallest Delay", "Load Balancing" or "Priority-based". </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:69.2pt;"> Per-Access Forwarding&nbsp;Action information (NOTE&nbsp;1) </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:85.05pt;"> Forwarding Action Rule ID </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> The Forwarding Action Rule ID identifies a forwarding action that has to be applied. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> &nbsp; </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:69.2pt;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:85.05pt;"> Weight </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Identifies the weight for the FAR in case steering mode is "Load Balancing" </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> The weights for all FARs need to sum up to 100 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:69.2pt;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:85.05pt;"> Priority </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Values "Active or Standby" or "High or Low" for the FAR </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> "Active or Standby" for "Active-Standby" steering mode and&nbsp;"High or Low" for "Priority-based" steering mode </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="vertical-align:top;width:69.2pt;"> &nbsp; </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:85.05pt;"> List of Usage Reporting Rule ID(s) </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:191.4pt;"> Every Usage Reporting Rule ID identifies a measurement action that has to be applied. </td> 
 <td style="vertical-align:top;width:147.1pt;"> This enables the SMF to request separate usage reports for different FARs (i.e. different accesses) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td colspan="4" style="vertical-align:top;width:492.75pt;"> NOTE&nbsp;1: The Per-Access Forwarding Action information is provided per access type (i.e. 3GPP access or Non-3GPP access). </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**Table 5.8.2.11.8-1: Attributes within Multi-Access Rule琳**

# 4. Uplink Classifier and Branching Point #

上行链路分类器和分支点功能是指， UPF 将同一 PFCP 会话（PDU 会话）的上行链路业务流路由到两个或多个 PDU 会话锚点的能力，并将下行链路流量从隧道上的这些 PDU 会话锚点路由到 UE

IPv4，IPv6，IPv4v6 或以太网类型的 PDU 会话支持上行分类器。上行链路业务流到不同 PDU 会话锚的路由基于，IP PDU 会话的目标 IP 地址/上行链路数据包的前缀。

分支点支持类型为 IPv6 的多宿主 PDU 会话，即具有多个 IPv6 前缀的 PDU 会话。上行链路流量流向不同的 PDU 会话锚点的路由，其基于上行链路数据包的源 IP 前缀。

SMF 在 PDU 会话建立或者修改阶段，可能插入一个上行分类器或者分至点，提供：

>     -  two or more UL PDRs，具有适当的分组检测信息，以及具有相应的 FAR，以将上行链路业务流路由到适当的 PDU 会话锚点
> 
>     -  two or more DL PDRs，具有适当的数据包检测信息，并具有一个（或多个）FAR，以将隧道上的下行链路业务流路由到 UE

### 名词解释： ###

UDBC： UL/DL Buffering Control   UL / DL 缓冲控制

URSP： UE Route Selection Policy  UE 路由选择策略  TS 23.503 \[45\] clause 6.6.2

OAM：

DNAI：

TEID：Tunnel endpoint ID，隧道端点标识符。

**参考：**

[http://www.freedomtutorials.com/5GSystem/use\_plane\_function.php][http_www.freedomtutorials.com_5GSystem_use_plane_function.php]

[http_www.freedomtutorials.com_5GSystem_use_plane_function.php]: http://www.freedomtutorials.com/5GSystem/use_plane_function.php
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3pob25nbGluemhhbmc_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20200702193841916.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3pob25nbGluemhhbmc=,size_16,color_FFFFFF,t_70
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