1 简介

5GC由若干功能网元组成，包括移动接入管理AMF,会话管理SMF,切片管理NSSF等，其中，UPF为用户数据面网元（或转发面网元），用于安全传输用户数据（简单的来说-为用户提供上网能力/服务）。
根据边缘网络层次划分，UPF可运行在极边缘、边缘、中心边缘、DN中心，需要支持与MEP平台对接以及边缘导流。
基于微服务的5GC与NFV具备天然的承接性，原因在于基于微服务的网元定位于软件，使其能运行在NFV平台之上； 而N4解耦后的UPF更能充分“脱离”大网5GC部署之外，并下沉于各级边缘网络或边缘云之中。

本文内容基于《中国移动OpenUPF N4解耦设备规范》，并对其尝试从需求层面和实现层面进行解读，供大家参考。

2 UPF

2.1 什么是UPF

3GPP定义为数据面功能，区分别控制面（如AMF,SMF,UDM,NRF,NSSF,AUSF等）。5GC控制面类似于EMC，区别在于微服务化和SBI化，作用于UE行为管理和通信管理（微服务化后的5GC为切片提供了天然支撑基础）； 5GC数据面，即UPF,功效与PGW/SGW几乎完全相同。
UPF本质仍然是一个传输设备，配合控制面打通UE、RAN、DN的通信通路，即会话/承载。北向支持N4接口的策略控制，东西向支持N3,N6/N9，中间基于会话/承载转发，可以说是一个策略路由器，流式转发器。

2.2 UPF功能

2.2.1 基本业务

UPF支持三种PDU会话类型:IP会话、Eth会话、Unstructured会话。此能力要求UPF支持三种转发类型：L3 IP转发、L2 MAC转发、非IP转发（多用于私有协议领域，待进一步分析），而IP转发支持IPv4, IPv6或双栈转发能力。
PDU会话要求UPF与RAN/UPF之间建立GTPU隧道，而隧道内容可承载上述三种报文。
IP会话适用于大多数UE访问Internet场景。5GC控制面（SMF）为UE分配本地IP地址（含IPv6), 并为UE打通数据面通路（GTPU隧道）。在UPF侧，IP会话表现为基于IP规则的策略表，UPF根据IP策略处理IP数据报文。
Eth会话适用于UE 2 UE下的二层通信场景（含组内广播）。根据UE组及UE会话需求，5GC控制面（SMF）为UE创建Eth会话，为相同组的UE组建二层广播域网络，适用于UE间的可信组网。N19接口适用于此场景。
Unstructured会话适用于自定义或5G扩展组网，如为非IP网络提供数据承载能力或传输能力，此会话有待进一步细化和明确。

2.2.2 路由和转发功能

2.2.2.1 用户面数据转发

• 节点转发
  

用户面数据包括上述三种会话类型，UPF收到用户数据后根据控制面下发的策略/规则执行转发，而转发包括上行和下行两个处理方向，不同的方向对应不同的处理策略。根据对接设备的不同，UPF需要支持N3、N9/N19、N4u、N6等接口，分别对接RAN、UPF/PGW、SMF、DN Router，其中N6为非GTPU转发，可定义为普通IP转发或带隧道（如IPSec）转发。

• MTU 1500
  

GTPU承载报文长度需支持最大1500字节，这里限制的时内层报文MTU，故而GTPU总长度将超过1500字节。如在UE TCP/IP协议栈发出1500字节的报文后，RAN应将其封装在GTPU隧道内，此时长度将超过1500字节。由于RAN到UPF之间经过OTN网络，GTPU报文可能（运营商通常将保证不会分片）会被中间分片传输至UPF，UPF应支持对分片进行重组；对于UE发出的IP分片，由于某些策略需要（如黑白名单策略），将需要UPF对其进行内层分片重组或虚拟重组；对于UPF转发到下一个节点的报文，如果其长度超过MTU值，其将会被分片（或再次分片），受限于RAN IP协议栈能力，对于下行的报文转发，分片应作用于内层报文。

• TEID与数据传输

以UE访问Intranet Web为例，HTTP报文将经过UE、RAN、UPF、DN到达Intranet。RAN与UPF, UPF与UPF/PGW双向之间使用GTPU隧道转发，GTPU具备隧道Endpoint（源IP,源Port,目地IP,目地Port)特性，故而在GTPU会话双方之间相当于建立了一条虚链路。每个UE可有条件的建立多条这样的虚链路，通常以业务&切片需求进行划分，如访问Intranet会建立一条，IMS通信会建立另一条。访问本地边缘业务也可以再建立一条，或者基于原有某个PDU进行再次分流。

一条虚链路对应于UPF侧的一个PDU,由于所有隧道复用了Sport,Dport, 故而GTPU需要通过第三方进行标识/区分，即TEID。在整个数据转发路径中，UE与RAN基于无线承载（DRB）和QFI及TEID的映射转发，故其侧重于空口处理，而不需要对TCP/IP的复杂处理（如对接UPF侧网络所需要的分片、重组）。对UE和UPF来说，RAN实侧相当于二层设备了。
一条PDU会话内部再次通过TFI, SDF，APP ID、DNN等进行分流，或本地出，或N9出，用于上行流量； 对于下行流量，与分流对应的则是汇聚。

• DNS Cache

DNS Cache要求UPF对DNS流量作缓存并再应答，即DNS代答功能。首先，要求UPF对于上下行的DNS报文进行“窥探”，尝试获取通过本UPF的DNS信息并进行缓存； 其次，对于缓存的DNS条目加以利用，如DNS 黑白名单，DNS应答。通常，此功能与DNS Sniffer 一起使用，并配合本地预定义策略应用到PDU（PDR）中。

• 转发动作

UPF转发行为，即控制报文转发行为，包括转发、丢弃、缓存、上送、复制，具体表现为FAR的类型：

类型	作用
转发	此报文将会转发给下一个节点，UPF/RAN/DN
丢弃	此报文将会被丢序弃，同时无URR
缓存	此报文将会被缓存，通常是下行报文，数据面表现为与UE无PDU时
上送	与缓存对应，在目标UE建立PDU之后，SMF将更新FAR转发状态为“上送”或“丢弃“
复制	数据报文将会被复制一份，且通常会被转发到下一个节点

UPF的PDU内转发实则是通过PDR的再分类进行的，数据流量通过匹配PDRs进行自分类，并根据PDRs与FAR的映射关系作不同的数据处理，其它规则同也是根据PDR分类后处理的。

2.2.2.2 接入外部数据网的功能

• DiffServ功能

QoS标识功能，在PDR中配置5QI、ARP匹配策略，并对于命中PDR的流量进行分类，通常情况下，根据5QI、ARP值可以区分应用，不同的应用具备不同的处理策略。

• 隧道功能

GRE或IPSec隧道多用于N6口。UPF通常情况下不是直接暴露于DN网络，外侧通常部署防火墙或审计系统；另外，UPF与IMS或其它运营商系统并非直连关系，通常属于DN网络的子网；再者，下沉的UPF靠近用户侧，甚至被用户直接管理。这些限制要求，要求UPF与其它对接系统间有内网通信需求，甚至是安全性通信需要。某些复杂的组网可能会存在GTPU Over GRE Over IPSec的可能。

2.2.2.3 分流功能

分流用于上行流量，UPF分流包括基于PDR的ULCL分流和基于源地址的多分支分流（IPv6)。分流功能要求UPFs串/并联组网，3GPP未显示要求UPF的级联个数，通常情况下，二级能覆盖非漫游条件下的大多数组网场景。

在ULCL分流中，UPF被标识为两种类型：I-UPF和PSA-UPF。其中，I-UPF要求同时具备PSA UPF能力，分流策略在I-UPF被应用。RAN、I-UPF、P-UPF三个节点中，RAN、I-UPF为动变量，将顺着UE的位置变更而变化，而P-UPF通常不会，故而P-UPF也称为锚点，或可以理解为目标出口。

在5GC控制面（SMF)的控制逻辑中，数据面被划分为若干服务区（Service)进行管理，RAN/UPF/SMF可划分在不同的服务区中， 同时根据组网规划和服务能力亦或有重叠，即同一个网元可能被划分在不同的服务区中。在UE移动过程中，除TA的切换外，还涉及到服务区的变更（服务区通常意义上大于TA），但流量出口，即PSA-UPF在切换过程中通常应保持不变（同一条数据流期间或同一个PDU活跃期），以维持数据流的持续性和业务的连续性。

2.2.2.4 隧道管理

• 隧道管理

当今网络发展逐渐软件化和通用化，与SDN的发展相辅相成。软件化带来的好处是智能化。智能化具备统一的控制大脑，要求数据面网元受控制大脑统一调度，故而大多数传统自治组网控制协议被SD所取代，受中心统一控制，形成SDN。
根据NFV架构，UPF归纳到VNF中，且整个5GC采用转控分离架构，UPF整体转发行为受制于控制面（提取此，对于本地预定义策略导致的例外性，一直心存芥蒂）。UPF的隧道管理由控制面发起（而控制面由UE或自身发起），UPF定位于被动转发网元。
控制面通过N4接口向UPF下发隧道创建/删除/释放消息，包括：
N3隧道：UPF与RAN之间的GTPU隧道；
N4u隧道：UPF与SMF或SMF可控代理之间的GTPU隧道；
N9隧道：UPF与UPF之间的GTPU隧道，用于I-UPF与P-UPF之间；
N19隧道：UPF与UPF之间的GTPU隧道，用于UE间直通的场景。

• 隧道状态

UPF按策略进行转发，同时将向控制面上报转发状态。转发状态包括业务状态、节点状态、链路状态等。其中，链路状态即隧道状态需要包含隧道活跃状态、DOWN信息，转发错误信息等，控制面（SMF）将根据这些信息评估PDU转发状态，某些信号可能将影响控制面决策。

• 隧道去激活

控制面在创建PDU时，会有选择的要求UPF上报信息，其中，下行空闲状态将作为控制面对数据面隧道去激活的条件之一。UPF在隧道下行空闲时，将以链路状态信息上报给SMF，SMF将释放除PSA之外的隧道，以节省链路资源（包括空口）。
当存在上行或下行流量时，将触发隧道的重建，重建后的隧道不一定与原来的路径相同。上行隧道由控制面发起（即UE主动发起），故而隧道会先于数据建立；下行隧道由数据流触发，此时先收到数据，再建立隧道，由于隧道建立的滞后性，需要UPF对数据流进行一定时间或一定长度的缓存。

在下行方向，UPF在缓存数据的同时，会通知SMF下行数据的到来及相应状态；SMF会触发UE寻呼，以将UE拉上来（即让激活UE PDU）；此时，缓存的后续处理由控制面决策，条件会随着UE的状态变化有不同的处理方式：
转发：P-UPF无需变更，UE重新建立与P-UPF的通路时；
丢弃：数据过期；
上送：P-UPF变化，数据需要上送到控制面，并由控制面下发至新P-UPF或新SMF。

2.2.2.5 End-Mark

隧道关闭采用优雅释放机制，所谓优雅可以理解为绅士机制，Say Hello, Say goodbye。End-Mark属于Say goodbye，属于隧道关闭前的最后一个报文，属于GTPU关闭控制报文，用于数据面转发路径切换（如UE移动过程中）。End-Mark将从发起者传递到RAN, 发起者包括UPF和SMF。

• 数据面发起

数据面通过N4控制接口与控制面（SMF）协商End-Mark能力，并在UE PDU路径发生变更时，由控制面指示数据面P-UPF或变更点的I-UPF在旧路径上发起End-Mark。

• 控制面发起

某些时候End-Mark需要控制面发起，如P-UPF发生变化或某些特殊管理策略（如“管理员”行为）。跨服务区的移动可能引起PSA-UPF变更（这里的服务区指逻辑组上的管理区）。
由于End-Mark属于数据面指令，需要SMF和UPF之间具备N4u接口。

2.2.2.6 数据缓存

无线通信与有线通信都需要通过维持“连接”进行通信保持，这都是通过信号介质+链路协议实现的。有线的连接与物理实体是存在对应关系的，如一条光缆就是一条连接，而无线受限于终端的可移动特点，表现不同。受限于空口资源（频段）限制以及能效考虑，无线的连接是一种按需连接，只有需要才会建立数据链路。当GTPU隧道去激活时，UE和第一个UPF不存在连接关系（即至少NR，N3不存在），此时，下行报文无法成功投递给UE。

此种场景下，要求5GC具备数据缓存能力。根据3GPP标准，支持缓存能力的网元可以是UPF或SMF。

• UPF缓存

• SMF缓存

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