6.3 用户面处理

6.3.1 概述

会话管理的主要任务：
为PDU会话管理用户平面，这个平面中承载着实际的终端用户业务流，比如说语音和视频
数据流的走向：
从基站传入的数据首先通过N3接口发往UPF，一般UPF不只有一台，多台UPF通过N9接口互联实现了可靠性的提高还有更加灵活的部署方式，最后UPF通过N6接口将数据发往数据网络，数据网络也可称为DN。在这个过程中出现的N3/N6/N9接口可以直接理解为数据通信网络中的各种接口，这些接口可以发送和接收各种协议报文，例如IPv4和IPv6报文，这些报文承载着上层的应用数据往来于UE和DN之间。
以上的这些过程都可以通过下图来体现，但是这张图中有更加丰富的内涵

GTP-U隧道：
这是一个重要概念，从上图中可以看出，这条隧道连接着5G AN，UPF和和PSA UPF（PSA的概念将在后面讲到）。该隧道的概念脱胎于4G时代的EPC，EPC网络同时还存在GTP-C的概念，但是在5GC时代已经不复存在，至于不存在的理由已经超出了本文的讨论范围，这部分内容会在之后单独讲解。这里简单介绍一下，C是控制面，而U则是用户面，用户面实际承载着UE和DN之间的应用数据，由于这种封装方式在5GC中没有改变，所以5GC保留了GTP-U的概念，C则由其他实体负责。
保留它的原因主要是其灵活性，但是它也不是一成不变的，在5GC中GTP-U增加了例如新5G QoS模型的增强功能

控制平面和用户平面的分离：
这是5GC的另外一个特性，而且是与生俱来的，这不同于EPC（EPC是从R14开始支持这种分离）。分离的好处有这样几个：

灵活的网络部署：集中式和分布式的部署
用户面独立于控制面的扩容能力
更经济的方案：同时满足用户低时延和大带宽的需求

这一切都使得运营商的可持续发展得到保证

6.3.2 用户平面路径和UPF角色

这一部分主要专注于UPF的角色，我们将能剥开抽象的外层概念，看到更丰富的UPF间的组网，在上一节的协议栈图中，UPF和PSA UPF只是一个抽象的模型，实际上UPF组网有更丰富的形式，将形成更加复杂的数据传输路径，自然支持更丰富的功能。

唯一性：
UPF是5GC中唯一一个用户平面实体，这个活儿没人跟它抢
不确定性：
标准中没有要求UPF互联的数量和形式，可以串联（chain），可以做分支（forking），总之就是格式各样，满足了用户的客制化需求，比如为了边缘计算或者CDN（暂时不知道这是什么），UPF可以通过分支组网实现业务流被引入不同的数据网络中，这方面的知识在后续章节详细讲解，这很重要。
角色的复合性：
对于某个PDU会话（这很重要，这是一个限制范围，我们讨论UPF角色一定是基于某一个特定的PDU会话的，凡是抛开PDU会话去讨论UPF角色的都是耍流氓）来说，它的角色取决于以下几点：

它在UPF链的位置
UPF的能力集
从SMF获取的能力集

言外之意：对于不同的PDU会话来说，一个UPF实例，可以担任多种角色，不会受到UPF实例的限制

看图说话：
话不多说，直接上图：

( A )最简单的场景，我们只需要一台PSA UPF。
( B )在移动通信的场景下，UE可能从原有的RAN节点移动到新的RAN节点，新RAN节点无法通过N3隧道到达PSA UPF，此时一台I-UPF将被插入到组网中
( C )该场景下存在一个UL-CL/BP节点，它将以fork/merge的形式连接UE和多个DN，也就是多个PSA UPF

UPF功能汇总

Anchor point for Intra-/Inter-RAT mobility.
External PDU Session point of interconnect to Data Network (i.e. N6).
Packet routing and forwarding.
Packet inspection (e.g. Application detection).
User Plane part of policy rule enforcement, e.g. Gating, Redirection, Traffic steering.
Lawful intercept (UP collection).
Traffic usage reporting.
QoS handling for user plane, e.g. UL/DL rate enforcement, Reflective QoS marking
in DL.
122 5G Core Networks
Uplink Traffic verification (SDF to QoS Flow mapping).
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.
Functionality to respond to ARP and IPv6 ND requests for the Ethernet PDUs.
Even though the standard only defines a single User Plane function (UPF), it has defined a
few functional roles that a UPF can perform on the User Plane path:
PDU Session Anchor (PSA): This is the UPF that terminates the N6 interface toward
the DN.
Intermediate UPF (I-UPF): This is a UPF that has been inserted on the UP path
between the ®AN and a PSA. It forwards traffic between ®AN and the PSA.
UPF with UP-link Classifier (UL-CL) or Branching Point (BP): This is a UPF that is
“forking” traffic for a PDU Session in up-link, and “merging” UP paths in down-link.

6.3.3 用户面和控制面分离以及N4接口

6.3.3.1 概述

UP和CP的分离概念在5GC中仍然被使用，PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）自然也被保留下来，该协议通过N4接口这个桥梁，连接着UP和CP。使用老协议的好处就在于，UP实体能够同时支持EPC和5GC，简化了4/5G互通和迁移的功能。

6.3.3.2 UPF的发现和选择

由谁选择
SMF和UPF通过N4接口互通，SMF完成UPF的选择
SMF和UPF的部署方式没有标准化，这取决于服务需求（比如User Plane Delays，reliability）
发现和选择的意义
UE和多个应用服务器之间，需要一种灵活的选路方式
选择的依据
SMF选择UPF时，需要了解哪些是可用的UPF，UPF的能力和UPF的负载状态等
具体的做法有以下几种：

SMF通过OAM配置获取UPF的位置信息和连接方式，选择将基于UE的位置
SMF从NRF处获得可用UPF的列表，包含UPF的DNN（可去往哪些DN）和网络切片，但是不包含UPFs的拓扑信息
SMF和UPF建立N4连接时将获取UPF的信息，如是否支持Traffic Steering on N6-LAN，header enrichment，traffic redirection等，还有UPF的负载情况

SMF最终的抉择
信息获取完成后，SMF将根据PDU会话的需求或移动性需求，来决定以哪些信息为标准去选择UPF实例，这些信息有些从UPF获取，有些从AMF处获取，还有一些是SMF本身的预配置，下面列举主要的信息：

UPF’s dynamic load.
UPF’s relative static capacity among UPFs supporting the same DNN.
UPF location.
UE location information.
Capability of the UPF
The functionality required for the UE session.
Data Network Name (DNN).
PDU Session Type (i.e. IPv4, IPv6, IPv4v6, Ethernet Type or Unstructured Type)
SSC mode selected for the PDU Session.
UE subscription profile in UDM.
DNAI (see Section 6.4.4 for more info).
Local operator policies.
S-NSSAI.
Access technology being used by the UE.
Information related to user plane topology and user plane terminations.

6.3.3.3 对用户平面的选择性激活与去激活

对于某个PDU会话而言，只有当用户面中存在缓冲数据时，才能够被激活，这一行为和4G EPC是不同的
即使UE处于CM-CONNECTED状态时，如果没有缓冲数据的话，该PDU会话的N3隧道也不会被激活，这种行为的动机是为了增强网络切片之间的隔离性
N3隧道的激活是通过Service Request过程来完成的
不过，对于那些对时延敏感的业务来说，这种行为将带来较大的影响，在这种情况下，即使用户面连接中没有缓冲数据，只要UE状态从CM-IDLE变为CM-CONNECTED，用户面连接也会被无条件激活

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