5G MEC UPF选择及本地分流技术分析

陈云斌　王全　黄强　白云龙

【摘  要】边缘计算的本质是一场架构革命，为满足超低时延和超大带宽等业务需求，应用从传统Client-Server架构转向Client-Edge-Server三级架构，实现云网融合。在5G网络中，如何为边缘应用选择合适的UPF，实现高效的本地分流成为关键问题。为解决这个问题，分析了采用5G核心网基于UL CL上行分流、IPv6多归属或者LADN本地数据网策略为MEC选择UPF，以及MEC上的应用能够通过MEC与5G核心网控制面交互，动态或半动态选择UPF的本地分流方法。研究表明，通过上述方法，可实现MEC UPF的灵活选择及本地高效分流。

【关键词】5G核心网;MEC;UPF;本地分流

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.01.009        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）01-0048-06

引用格式：陈云斌，王全，黄强，等. 5G MEC UPF选择及本地分流技术分析[J]. 移动通信， 2020，44（1）： 48-53.

0   引言

在2010年以前，基于2G/3G网络的早期互联网時代，业务和内容相对贫乏，应用Server基本上是集中式架构，运行在大型机或小型机上，典型场景如银行、电信等行业。2010年开始，4G网络让互联网业务爆发式增长，高性能、高并发、高可用的应用需求驱动大型应用系统从集中式架构转向分布式架构，典型场景如阿里巴巴、腾讯等互联网企业。

5G时代，为了满足AR/VR、物联网、工业自动化、无人驾驶等新业务带来的高带宽、低时延业务需求，将5G网络进行边缘分布式重构将成为必然选择。基于SBA（Service-based Architecture）架构的5G网络，网元将控制面（CP）和用户面（UP）分离，可以灵活地将用户面下层到网络边缘，一跳直达，满足毫秒级业务需求。5G网络特征是去中心化[1-2]，C/U分离架构与移动边缘计算技术（MEC）方向吻合。MEC将云端分布式应用下沉到电信网络边缘，与用户面UPF结合，在业务第一出口提供算力。MEC改变现有网络和业务分离的现状（运营商网络管道化），实现云网融合。所以说，MEC的本质是一场架构革命，为满足超低时延和超大带宽业务需求，应用Server将从Client-Server架构转向Client-Edge-Server架构[4]，如图1所示。

CES架构的核心是云端业务与网络的融合，高质量的边缘网络出口是发展MEC的前提条件，也是运营商发展MEC的核心优势。在5G网络中，如何高效地为MEC选择UPF，实现本地分流成为关键，也是本文讨论的重点。

1   MEC与5G的关系

按照欧洲技术标准委员会ETSI的定义，MEC（Multi-access Edge Computing）[5]指在包含一种或者多种接入技术的接入网络中，靠近用户的网络边缘，提供无线网络能力、IT业务环境和云计算能力的系统[6]。5G网络下MEC与UPF（User Plane Function）的关系如图2所示[3]。

具体来说，MEC是一个边缘云平台，通过与5G网络结合（UPF是结合点），提供一种新的网络架构，将移动接入网与互联网业务深度融合，一方面通过本地分流来降低时延，满足用户极致体验需求，并节省带宽资源。另一方面将计算能力下沉到网络边缘位置，提供第三方应用集成，为移动边缘入口的服务创新提供了无限的想象空间。

2   MEC与5G交互框架

3GPP早期定义AF（Application Function）时，参考了IP多媒体系统架构，即一个应用产生的业务流可以分为控制面和用户面。AF最早是多媒体业务的控制面，在与网络中，与PCF（Policy Control Function）等交互，这样可以简化应用控制面设计。

在5G网络架构中，5GC的控制面与用户面分离，用户面UPF可以灵活地下沉部署到网络边缘，而策略控制PCF以及会话管理SMF（Session Management Function）等控制面功能可以集中部署。5GC（5G Core Network）对外交互依然是控制面和用户面。然而，OTT应用架构没有控制面和数据面，基于HTTP的Web业务本质上混合了业务控制和业务数据。因此，3GPP提出了边缘计算AF的定义需求，MEC作为AF需要能够从“业务控制面和/或业务用户面”感知到OTT应用的业务状态，然后才能代表应用和5GC交互。

MEC与5G交互框架如图3所示：

当5G网络支撑边缘计算时，Application Function向NEF（非授信域）或者向PCF（授信域）发送AF Request[1-2]，其中包含目标DNN和S-NSSAI、应用ID、N6路由需求、应用位置（DNAI信息集）、UE信息、应用移动性指示、空间和时间有效条件等一系列参数。PCF根据AF提供的这些信息参数，结合自身策略控制，为目标PDU（Protocol Data Unit）Session业务流生成PCC规则，通过SMF为其选择一个合适的UPF（如：靠近UE的DNAI），并配置UPF如何把目标业务流通过N6接口传输到目标应用实例。同时，5GC通过用户面管理事件消息通知AF UPF位置改变，这样AF可以对应改变应用的部署位置。此时，Application Function相当于应用控制面的角色，提供应用与网络控制面之间的交互。

3   5GC为MEC选择UPF

5G MEC需要针对特定的流量进行本地分流，在为用户建立边缘计算的用户面承载时，首先要解决的问题是选择UPF网元，实现本地流量分流。

5GC SMF可以根据来自终端设备的信息或者AF的请求来选择UPF[1-2]。为了能缩短传输时延，提高传输效率，选择UPF时，主要考虑因素包括：UPF的动态负载、支持相同DNN的UPF中的相对静态容量、UPF位置、UE的位置、DNN、PDU会话类型、UE的签约数据和本地运营商策略等。

5G MEC为本地流量分流可以采用以下三种方案：上行分流（UL Classifier）、IPv6多归属（IPv6 Multi-homing）以及本地数据网（Local Area Data Network）。

3.1  UL CL上行分流

针对IPv4、IPv6和以太网的PDU会话，由SMF决定给会话的数据路径插入上行分类标记（UL CL）。支持UL CL功能的UPF通过匹配SMF提供的流过滤器将某些流量进行分流。在PDU会话建立过程中或者建立后，SMF可能决定在PDU会话的数据路径上插入一个支持UL CL功能的UPF;或者在PDU会话建立之后删除PDU会话的数据路径上支持UL CL功能的UPF。SMF可能在PDU会话数据路径上包含多个支持UL CL功能的UPF。UL CL目的是将满足业务过滤规则的数据包转发到指定的路徑去，这就有点像路由表的作用。

UE不感知UL CL的分流，不参与UL CL的插入和删除。对于IPv4或IPv6或IPv4v6类型的PDU会话，UE将网络分配的单一IPv4地址或者单一IP前缀或者两者关联到该PDU会话。

当一个UL CL被插入到一条PDU会话数据通道中时，这条PDU会话就有了多个锚点，这些锚点提供接入到同一个数据网络的多条不同的路径。UL CL的功能是将上行业务数据按照过滤器要求转发到不同的PDU会话锚点，将该UE的多个锚点的下行数据合并。UL CL提供到不同的PDU会话锚点的上行流量的分流和到UE的下行流量的聚合，即聚合从不同PDU会话锚点发送到UE的流量。分流和聚合是根据SMF提供的流检测和流转发规则来实现的。UL CL采用流过滤规则（例如检查UE发送的上行IP数据包的目的IP地址/前缀）来决定数据包如何路由。

图4展示了一个PDU会话拥有两个锚点的场景。上行分类器（UL CL）插在N3口终结点的UPF上，锚点1和锚点2终结N6接口，上行分类器UPF和锚点UPF之间通过N9接口传输。

该方案适用于访问本地业务场景，如本地内容访问、企业网、增强移动宽带（eMBB）场景本地分流业务和车联网等。

3.2  IPv6多归属分流

一个PDU会话可能关联多个IPv6前缀，这就是multi-homed PDU会话。多归属PDU会话通过多个PDU会话锚点访问数据网络（DN）。各个PDU会话锚点对应的数据通道最后都会汇聚于一个公共的UPF，在这个公共UPF形成分支，这个公共的UPF被称为支持“Branching Point ”功能的UPF。Branching Point UPF转发上行流量到不同PDU会话锚点，并聚合发送到UE的下行流量，即聚合从不同PDU会话锚点发送到UE的流。

在PDU会话建立过程中或者建立后，SMF决定在PDU会话的数据路径上插入或者删除一个UPF以支持Branching Point功能。Branching Point UPF根据SMF下发的过滤规则，通过检查数据包源IP地址进行分流，向上转发上行业务包到不同的PDU锚点去，向下将各个锚点下来的数据合并。IPv6多归属分流如图5所示。

多归属PDU会话仅仅应用于IPv6的PDU会话，UE在请求建立类型为IPv6或IPv4v6的PDU会话时，UE要告知网络其是否支持Multi-homing IPv6 PDU会话。

该方案适用于物联网、高可靠性专网等场景，但由于要采用IPv6，目前实施难度较大。

3.3  LADN本地数据网络

LADN[2]是和区域服务（应用）相关联的DN设计，当用户使用该应用时，一定是通过LADN进行访问的，当用户的位置不在LADN的服务区内时，不能接入LADN。通过LADN PDU会话接入DN只在特定的LADN服务区有效。LAND服务区用一组TA标识，支持LADN是5G支持边缘计算的会话管理机制之一。使用LADN用于边缘计算流量分流时，通常LADN的TA和边缘计算上应用的服务区域是对应的。

LADN信息，即LADN服务区信息和LADN DNN，以DN粒度配置在AMF中，对于不同的UE接入同一个LADN，LADN服务区都是相同的。SMF针对LADN DNN在AMF签约“UE位置变化通知”。AMF跟踪终端的位置信息，并通知SMF终端位置和LADN服务区的关系，包括：在服务区、不在服务区和不确定在不在服务区等。

4   MEC半静态/动态配置5GC UPF

MEC本质就是ICT融合平台，边缘应用通过MEC平台作为AF，与5GC对接，调用5G网络能力，为边缘应用提供网络服务。边缘应用可以根据业务需要，主动触发5GC选择边缘UPF，包括半静态方式和动态方式两种。

4.1  基于UE和App部署位置，半静态配置PDU会话

MEC在应用部署完成之后，通过AF向5GC配置分流规则，UE直接将PDU会话建立在边缘UPF，MEC无需介入业务流程。采用半静态部署边缘分流，UE无论有无边缘业务，网络根据UE位置选择接入边缘UPF，并事先插入边缘UPF的分流规则。这样每个边缘UPF上的分流规则可以尽可能地控制在最小集合，有利于提升UPF性能。

如图6所示，半静态配置模式以边缘App部署为中心，让5GC在UE会话建立阶段选择插入边缘UPF并下发分流规则，一旦UE发起边缘业务直接分流到边缘应用。这种方式不是以一个个UE会话流程为对象，而是以App部署为对象，让5GC部署和流程来适配App部署。

4.2  基于边缘业务的AF交互，动态配置PDU会话

AF动态配置PDU会话模式是先发起边缘业务，后插入边缘UPF。一开始UE的PDU会话建立在全局集中UPF上，默认所有业务流都从全局集中UPF出入。然后，MEC实时监测该UE的业务流状态，发现这个UE有边缘业务即将或者已经发起，通过动态下发规则将该业务导向边缘UPF。

UE会话建立的PDU会话锚点位于集中UPF（如：省级UPF），此时5GC对于边缘业务一无所知。UE应用层的业务控制消息都只能从省级UPF出入，即UE和AF的初始交互过程只能从集中UPF出入。AF的本质是应用控制器，UE发起业务控制过程需要先和AF交互，这样AF才能探测到UE需要发起业务。动态配置流程如图7所示：

（1）UE与MEC交互，发现并发起边缘业务;

（2）MEC发现UE要发起边缘业务，为其选择边缘业务Host，并通知5GC该业务DNAI（DN Access Identifier）等信息;

（3）PCF/SMF重新配置UE PDU会话UP路径，插入边缘UPF;

（4）动态配置PDU会话策略是先发起边缘业务，后插入边缘UPF。

AF动态配置需要包含两个层面交互，即AF与5GC交互以及AF与UE交互。AF动态配置PDU会话首先需要考虑AF如何介入与UE之间的边缘业务发起控制过程。

5   结束语

2020年以后，随着5G网络的规模建设，大量低时延、高带宽的创新业务出现，CES将成为主流的应用架构。MEC将云端业务下沉到網络边缘，实现云网融合，运营商分布在全国各地的边缘DC资产将被盘活。运营商依托边缘网络出口，结合无线网络感知优化和无线能力开放，将实现从连接管道向业务使能平台跨越式转型。

未来，运营商边缘机房的算力是稀缺资源，要用来处理高优先级的低时延业务流，对于非实时性的业务流则会被调度到远端或者云端处理。也就是说，MEC UPF选择及本地分流还需要结合运营商网络算力分布情况和业务需求，为业务选择合适的算力位置，让边缘业务能够调用不同机房的算力资源，实现业务、连接和算力的最佳匹配，这将是后续要重点研究的课题。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System Stage 2 （Release 15）[S]. 2017.

[2]    3GPP. 3GPP TS 23.501： System Architecture for the 5G System （5GS） Stage 2 （Release 16）[S]. 2019.

[3]    ETSI. ETSI White Paper No.28： MEC in 5G Networks[S]. 2018.

[4]    ETSI. ETSI White Paper No.24： MEC Deployments in 4G and Evolution Towards 5G[S]. 2018.

[5]    ETSI. ETSI GS MEC 001 V2.1.1： Multi-access Edge Computing （MEC）;Terminology[S]. 2019.

[6]   ETSI. ETSI GS MEC 003 V2.1.1： Multi-access edge computing （MEC）; framework and reference architecture[S]. 2019.

作者简介

陈云斌（orcid.org/0000-0001-8688-6890）：学士毕业于重庆大学，现任中兴通讯股份有限公司电信云及核心网产品规划总工程师，主要研究方向为电信云、核心网及MEC，获10项发明专利。

王全：学士毕业于南京大学，现任中兴通讯股份有限公司电信云及核心网产品副总经理，主要研究方向为电信云、核心网及MEC产品规划，获得多项国家发明和实用新型专利。

黄强：硕士毕业于上海大学，现任中兴通讯股份有限公司系统架构师，主要研究方向为5G系统及MEC，获5项发明专利。