3GPP 5G UPF

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UPF

UPF（User Plane Function，用户面功能），是 3GPP 定义的 5G Core（核心网）基础设施系统架构的基本组成部分。

UPF 从 4G EPC CUPS 演进而来，4G EPC CUPS 将 PGW 分离为 PGW-C 和 PGW-U。使 PGW-U 在更接近网络边缘的地方执行数据包处理以及流量聚合，即提高带宽效率，同时减少网络阻塞。而处理信令业务的 PGW-C 则依旧位于 MME 的北行。CUPS 的主要目标是支持 5G 实现新的无线接入（NR）实现，满足物联网应用和更高的数据传输速率需求。然而要彻底实现 CP 和 UP 的分离是一项复杂的工程，所以 5G Core 利用 UPF 的优势来实现了网络切片（Network Slicing）的设计。

3GPP 23.501 是这样定义 UPF 的：

NOTE： 并非所有上述的 UPF 功能清单都需要在网络切片的 UPF 的实例中得到支持。

• 作为移动基础设施（Mobile Infrastructure，例如：RAN）和 DN（Data Network）之间的互连点，完成 UP 上 GTP-U（GRPS 隧道协议）协议的封装和解封装。

• 用于 RAT（Radio Access Technologies，无线接入技术）内部、或 RAT 之间移动性的 PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话锚点（Session Anchor Point），包括向 gNB（NG-RAN 节点）发送一个或多个 End 标记包（End Marker Packets）。

• 分组路由和转发：当 UPF 在多个 PSA（PDU session anchor）之间时，即 UPF 作为 I-UPF（Intermediate UPF，中间 UPF）时，会充当上行链路分类器（Uplink Classifier，UL-CL）和分支点的角色以支持多宿主 PDU 会话。作为前者时，会基于 traffic matching filters 将数据流导向到特定 DN。

• 数据包检查：使用 SDF（Service Data Flow，服务数据流）的 traffic filter templates 或者接收从 SMF 发出的 3-tuple（协议、以及服务端的 IP 地址和端口）PDF（Packet Flow Description）来对应用流程进行检测。

• 用户平面部分策略规则实施，例如门控，重定向，流量转向。

• 提供 UP 的 Pre-Flow QoS 功能，对包括上行链路（UL）和下行链路（DL）的传输层数据段实施速率限制（Rate Limiting）以及分组标记，以及在 DL 上处理反射 QoS（DSCP）标记，在 UL 上处理流量验证（SDF 到 QoS 流量映射）。

• 为计费（Billing）以及合法拦截（LI，Lawful Intercept）提供 UP 流量收集接口以及流量使用报告。

与 UPF 相关的由 4 个标准参考点：

• N3：RAN（gNB）和 Initial UPF 之间的接口
• N9：两个 UPF 之间的接口，例如：I-UPF 和 UPF of PDU Session Anchor（简称：锚 UPF）之间
• N6：DN 和 UPF 之间的接口，即连接外部 PDU 和 DN
• N4：SMF 和 UPF 之间的接口

其中，N3 和 N9 参考点上采用的协议是带 5G 扩展协议头的 GTP 协议、分段路由协议（SRV6 或 NSH）以及 ICN（Information Centric Networking）协议。此外，还有 GTP 协议之上（Over）的 LISP-DP（Locator/ID Separation data plane protocol，位置/身份分离数据平面协议）和 ILA（Identifier Locator Addressing，标识符定位寻址）。由 I-UPF 来完成中继，并在锚 UPF 之上终止这些协议。

UPF 通过 N4 参考点从 SMF 接收 user plane traffic flow，并最终根据 rules 实现数据分流。N4 采用了 PFCP（Packet Forwarding Control Protocol，分组交换控制协议），该协议类似于 OpenFlow，也可以用于 CUPS SX 参考点。外部可以使用 UPF 建立的 PFCP Session 来识别（PDRs，Packet Detection Rules，数据包发现规则）、转发（FARs，Forwarding Action Rules）、处理（BARs，Buffering Action Rules）、标记（QERs，QoS Enforcement Rules）、报告（URRs，Usage Reporting Rules）数据包。

参考文档

https://www.metaswitch.com/knowledge-center/reference/what-is-the-5g-user-plane-function-upf