浅谈5G 核心网N4 解耦的技术探讨

［林国强 王鹏 张爱华］

1 引言

但长期以来，异厂商实现SMF（Session Management Function，即会话控制功能）与UPF 互通的N4 接口没有统一标准，缺乏互操作性，最终造成SMF 与UPF 同厂商深度绑定[1]。从而对5G 的商用场景造成诸多限制，无法满足向千行百业提供轻量化、低成本和灵活的部的业务需求[2]，急需推动行业提供支持N4 接口解耦的轻量化UPF。

2 5G 核心网简介

核心网作为5G 网络的大脑，为了适配未来不同服务的需求，5G 核心网络架构如图1 所示，可见5G 核心网网元采用了SBA 架构（Service Based Architecture，即基于服务的架构），它基于软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术，将原来具备多个业务功能的整体，拆解成多个具有独自功能的个体，并对外提供自己的服务。其中，UPF 作为5G 核心网与用户侧的契合点，是发展5G 行业应用、边缘计算（MEC）业务的关键网元，配合控制面打通UE、RAN、DN 的通信通路，即会话/承载。北向接口支持N4 接口的策略控制，东西向接口支持N3、N6、N9，中间基于会话/承载转发，为用户提供高速可靠的数据传输。而N4 接口作为SMF 与UPF 之间的重要业务控制连接接口[3]，对接入的用户下发各种业务数据转发控制指令和数据转发策略规则，引导UPF 依次按照不同业务等级完成数据转发。

图1 5G 核心网络架

2.1 N4 接口解耦基础知识

2.1.1 N4 接口协议（PFCP）

SMF 和UPF 之间的N4 接口使用的控制面协议是PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）协议，主要用于传输SMF 和UPF 间的控制面及用户面信息，通过该接口使控制面和用户面配合完成用户面规则下发和隧道建立功能。其控制层面的协议栈，如图2 所示。

图2 N4 控制面的协议

一般情况下，我们所了解的N4 接口主要用于UPF 和信令面NF 进行信令交互，但实际上N4 接口同时也涉及到部分用户面数据包的传输。例如，处理下行数据包时在SMF 中进行缓存、DNN 网络认证等场景，都需要通过N4 接口传输GTP 数据包。N4 接口的用户面协议使用GTP-U，协议栈如图3 所示。

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图3 N4 用户面的协议

2.1.2 SMF 与UPF 偶联建立信令（PFCP Association）

SMF 与UPF 之间互通对接的第一步应首先建立一个偶联PFCP Association，并且需要在传递PFCP Session 相关信令之前建立。PFCP Association 的发起方可以是CP（SMF）节点也可以是UP（UPF）节点，但是CP 节点默认必须一定可以发起PFCP Association 的建立，而由UP节点触发PFCP Association 的建立则是作为可选功能。因此，SMF 和UPF 之间的偶联建立发起在异厂家设备互通对接时需要注意。CP 节点和UP 节点偶联建立的关键信息可通过唯一的Node ID 进行识别，而Node ID 可以是FQDN 或者IP 地址。

2.1.3 SMF 与UPF 会话建立信令（PFCP Session）

SMF 与UPF 之间互通对接的第二步是在建立PFCP Association 基础之上，进行PFCP Session 相关的流程。对于PFCP Session 的建立、更新、释放的发起者只能由SMF。另 外，PFCP Session 和UE 的PDU Session 的 建立是强相关的，一般情况下一个PDU Session 对应一个PFCP Session。当存在匹配不上任何PFCP Session 的数据包时，通常处理操作就是直接丢弃或者转发给SMF 处理。UE 在发起数据业务的时候都会创建一个PDU Session。在SMF 发送UPF 的PFCP Session Establishment 流程中就会创建一个PFCP Session。PFCP Session Establishment 流程的结果就是在UPF中创建一个PFCP Session Context（PFCP Session 上下文），后续用户面数据包的转发都是基于查找PFCP Session Context 来完成的。PFCP Session Context就是UPF 保存的PDR、FAR 等数据转发规则，并将UE的标识信息（UE IP 地址等）、PDU Session ID、PDR（Packet Detection Rule）、FAR（Forwarding Action Rule）、URR（Usage Reporting Rule）、QER（QoS Enforcement Rule）、BAR（Buffering Action Rule）等规则信息关联起来的数据结构，UPF可以根据这个数据结构中记录的规则进行数据包转发。

2.1.4 UPF 数据包转发流程

UPF 依 据SMF 下 发 的PDR、FAR、QER、URR、BAR 等规则执行数据包的转发。当数据包进入到UPF 后，首先执行的是PDR；再根据PDR 中包含的PDI（Packet Detection Information）信息来与数据包进行匹配，之后对匹配上的数据执行FAR 关联的FAR、QER 中定义的规则。其转发流程如图4 所示。

图4 数据转发流程

（1）SMF 向UPF 下发一对PDR，UPF 收到的这一对PDR 均用于后续数据报文转发的匹配条件。

（2）用户报文从基站（gNB）到达UPF。

（3）UPF 对用户报文进行匹配，查找用户所属PDU（Protocol Data Unit）Session。

（4）UPF 根据PDR 优先级、报文中的关键信息（如域名、IP 等）进行PDR 匹配，命中PDR。

（5）UPF 根据PDR 中的相关信息以及本地配置的相关规则信息等，执行数据流的相关动作并转发到Internet。

（6）对于下行数据，UPF 进行类似的转发流程，查找用户的PDU 之后，对报文进行匹配、命中PDR 并转发，最终到达UE。

3 异厂商UPF 与SMF 解耦技术方案探讨

在开放N4 解耦之前，3GPP 对于CP 节点和UP 节点之间定义的N4 接口功能实现现状，既存在功能实现方案的冗余，即为实现同一功能特性有多种实现方案，由厂家自行选择；又存在常用功能技术方案缺失，一些在现网中常用的功能特性由厂家私有实现完成，缺乏标准化支撑。上述原因直接导致了N4 接口缺乏互操作性。而N4 接口的全面开放，结合运营商与厂商的最佳实践，提升N4 接口标准化程度，无疑将解决当前设备功能复杂、容量起步过大、与SMF 同厂商绑定的现状，从而有利于降本增效，同时满足行业客户的多样化需求。当形成标准化后，为电信运营商推进开放、可靠、灵活、可管的UPF提供标准支持。将会有更多的产业链厂商参与其中，降低产业进入门槛，繁荣产业生态；也将给电信运营商更多的选择，从而达成降低网络建设成本的目标，也降低了5G 进入千行百业的门槛。

为更好实现N4 接口解耦的目标，目前业界进行了创新性的实践与探索，形成了以下几种主流解决方案。

3.1 方案一：直接解耦

由运营商牵头，联合各设备制造厂商共同推进N4 接口的开放与标准化，构建开放合作联盟，进行设备之间的直接解耦。

该方案以运营商设备集采作为主要推动力，协调主流厂商（华为、中兴等设备制造厂商）进行UPF 和SMF 的直接解耦，但是截止到目前三大运营商的直接解耦测试均无突破。其主要原因初步分析，有以下几点。

（1）主流厂商对开放N4 解耦的积极性不高，导致测试进度慢，原因不言而喻。

（2）主流厂商针对某些关键功能项的实现机制完全不一样，如ULCL 分流功能就无法直接解耦互通。

（3）主流厂商对3GPP 规范定义的信元和条款理解有偏差，但是均能实现此功能。如UPF 和SMF 进行偶联建立时，SMF 设备只识别IP，UPF 只识别FQDN，出现此类功能实现方式二选一的互通情况，只能协调厂商研发进行修改版本，否则无法推进测试，偶联是互通的第一步。在互通测试过程中为实现同一功能特性有多种实现方案，由厂家自行选择，导致解耦失败的例子比比皆是。

因此，主流厂商直接互通难度是位列所有解耦方案中最难的一个。

3.2 方案二：主动适配解耦

由运营商自主研发5G 用户面UPF 设备，与主流厂商5G 核心网进行解耦对接。

该方案解耦的进展已超预期，截止到目前三大运营商均已先后实现。

（1）中国电信基于自主研发的轻量级UPF 设备URANUS 1000S。

（2）中国移动主导的首批Open UPF 功能及一致性验证测试。

（3）中国联通首批白盒UPF 功能和N4 接口的兼容性验证测试。

可见，运营商在推动解耦是笃定前行，不遗余力解难题，加快推进与实施。特别是在与主流厂商互通测试过程中出现厂商私有化定制、非标准化的信元和功能实现流程和逻辑各异的情况下，运营商研发的UPF 均能较好的进行适配，实现既能支持华为又能支持中兴的SMF 等主流厂商的解耦测试。

因此，运营商自主研发互通难度适中，其关键在于与主流厂商对齐解耦必需的信元、流程和逻辑机制，否则无法解耦。

3.3 方案三：间接解耦

由第三方开发中间件进行信令面与主流厂商5G 核心网进行解耦对接；

该方案实现的原理是通过第三方的中间件C-IWF（Customized-Inter Working Function，定制化信令互通网关）作为UPF 和SMF 的信令中转站，由它负责将主流厂商SMF 的控制信令转换（或透传）成异厂商UPF“听得懂”的信令，从而完成解耦。因为引入了定制化信令互通网关，对SMF 和UPF 的改动最小，解耦最方便。通过此方案可以很好的解决主流厂商无法解耦的部分关键功能，如前面提到的ULCL 分流，如图5 所示。

图5 中间件解耦示意图

综上所述，根据N4 接口解耦的技术难度对比分析，3 种解耦方案既有利也有弊。但本文建议遵循设备改动最小、低成本和互操作性较强的原则，优先选择解耦方案三，次之方案二，最后方案一。

4 总结

5G 核心网在建设过程中面临着各种挑战，UPF 作为核心网用户面的关键设备，系统级的UPF 部署和维护成本相对较高，UPF 与SMF 同厂商的绑定，运营商也将承担较高的网络部署成本。为此，促使UPF 朝着更加开放、可靠、可管、灵活的方向发展；建议优先选用解耦方案三，共同推动N4 接口解耦与构建开放产业生态，实现网络平滑演进以及高效、低成本维护已成为运营5G 网络成败的关键。