5G MEC UPF选择及本地分流技术分析-USB迷|专注于互联网分享

2024年2月29日发(作者：侍静曼)

“5G核心网”专题5G MEC UPF选择及本地分流技术分析陈云斌，王全，黄强，白云龙（中兴通讯股份有限公司，江苏南京 210012）【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OSID：扫描二维码与作者交流doi:10.3969/.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): 48-53.5G MEC UPF Selection and Trafﬁ c Ofﬂ oading Technology Analysis

CHEN Yunbin, WANG Quan, HUANG Qiang, BAI Yunlong(ZTE Corporation, Nanjing 210012, China)[Abstract]

[Key words]The essence of MEC is an architecture revolution. To meet the service requirements of the ultra-low latency and

ultra-large bandwidth, the application server is shifted from the traditional Client-Server architecture to the Client-Edge-Server architecture to achieve the cloud-network fusion. In 5G networks, how to select UPFs for MEC

applications to implement efﬁ cient trafﬁ c ofﬂ oading becomes a key issue. To solve this problem, 5G core networks

select the UPF for the MEC based on the UL CL, IPv6 Multi-homing or Local Area Data Network policies. In

addition, the applications on the MEC dynamically or semi-dynamically select the trafﬁ c ofﬂ oading method of the

UPF through the interaction between the MEC and the control plane of 5G core networks. According to the related

research, MEC UPF can be ﬂ exibly selected for trafﬁ c ofﬂ oading by using the above method.5GC; MEC; UPF; Trafﬁ c Ofﬂ oading0 引言在2010年以前，基于2G/3G网络的早期互联网时代，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，收稿日期：2019-12-11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４８2020年第1期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“5G核心网”专题制面（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C/U分离架构与移动边缘计算技络特征是去中心化[1-2]，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如图1所示。架构[4]，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。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业务本质上混部公开▲

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）指在[5]2010以前

基于2G/3G互联网网

Server

集中式架构

2G/3G网络

Client

2010~2020

基于4G的移动互联网

公有云

Server

Server Server

分布式架构

4G网络，云网分离

2020以后

基于5G的产业互联网

公有云

Server

系统架构

从CS向CES演进

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。5G网络，云网融合

Edge

Server ServererverUServer SererverU U U

ServerU边缘云

Client

边缘云

部公开▲

Client

G142, B211

图1 Client-Server向Client-Edge-Server架构演进R154,G202, B6R68,G200, B24NSSF

NRF UDM

PCF

NEF

MEC System

System Level

MEC Orchestrator

AUSF

AMF

SMF

PCF

Distributed Host Level

APPAPP

Service

MEC Platform

Manager

MEC Platform

(R)AN

UPF

VirVirtualization

Virtualization

Infrastructure

InfrastructureInfrastructure

Data Network (LADN)

G142, B211

“5G核心网”专题才能代表应用和5GC交互。MEC与5G交互框架如图3所示：

3GPP R15定义了AF Request接口，AF通过NEF/PCF影响UPF分流

NRF PCF

NEF

AF Request

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）。部公开▲

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AUSF

AMF

SMF

C-PSA

Central DN

UE RAN

UL-CL

E-PSA

/BP

Edge DN

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边缘业务通过edge UPF分流到edge DN

图3 MEC与5G交互框架可能在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

其中包含目标DNN和S-NSSAI、应用ID、Request[1-2]，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。发到指定的路径去，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 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的提高传输效请求来选择UPF[1-2]。为了能缩短传输时延，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５０2020年第1期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“5G核心网”专题部公开▲

AMF

N11

SMF

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N9

UPF

D·N

PDU session

anchor 1

N4 N4

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。UE AN

UPF

Uplink Classifier

UPF

PDU session

anchor 2

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。Local access to the same DN

图4 UL CL单会话分流[2]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，4 MEC半静态/动态配置5GC UPF部公开▲

MEC本质就是ICT融合平台，边缘应用通过MEC图5 IPv6多归属分流

向下将各个向上转发上行业务包到不同的PDU锚点去，锚点下来的数据合并。IPv6多归属分流如图5所示。N11

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AMF SMF

N1 N2 N4 N4

PDU session anchor 1

UPF

Branching Point

PDU session anchor 2

UPF

G142, B211

Local access to the same DN

图5 IPv6多归属分流[2]R154,G202, B60

R68,G200, B245

“5G核心网”专题部公开▲

发5GC选择边缘UPF，包括半静态方式和动态方式两种。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：③

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。

PCF

中心云

AMF SMF

UPF

NEF

PCF

中心云

AMF

NEF

MEC AF

SMF

UPF UPF边缘云

先发起边缘业务，

后插入边缘UPF

UE UERAN ANUPF

图7 动态配置PDU会话部公开▲

（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。边缘云

先插入边缘UPF,

后发起边缘业务

ME App

platform

ME Host

UE RAN

UPF

图6 半静态配置PDU会话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AF5 结束语G142, B211

2020年以后，随着5G网络的规模建设，大量低时R68,G200, B245

延、高带宽的创新业务出现，CES将成为主流的应用架R154,G202, B60

构。MEC将云端业务下沉到网络边缘，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５２2020年第1期Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

“5G核心网”专题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。[4] OVUM. Vendors Plan Expansion of Addressable

LTE Market to Enterprises[EB/OL]. (2019-03-18)[2019-12-07]. /resources/product-content/ran-vendor-market-update-2018-spt002-000141.[5] ABI Research. US $2.9 Billion Market

Opportunities for LTE Vendors in Mining

Sector[EB/OL]. (2017-07-17)[2019-10-10].

/market-research/service/freight-transportation-logistics/.[6] 郑伟5G专网将成企业未来网络战略的重要组成[EB/OL]. (2019-09-11)[2019-12-07]. /article/. ★（上接第47页）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（/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。作者简介王鑫（/0000-0001-9124-6054）：工程师，硕士毕业于英国约克大学，现任中国联合网络通信有限公司研究院国际标准专家，GSMA-UEX终端用户体验性能评测组主席，研究方向为终端用户体验、5G终端、5G专网等。韩振东：高级工程师，硕士毕业于清华大学，现任中国联合网络通信集团智能网络中心高级项目经理，研究方向为5G专网产品及解决方案、5GC网络自动化/智能化解决方案等。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。严斌峰：高级工程师，博士后毕业于清华大学，现任中国联合网络通信有限公司研究院终端与智能卡研究中心主任，研究方向为终端与智能卡标准技术、终端人工智能应用、终端基础软件研发等。2020年第1期５３Copyright©博看网 . All Rights Reserved.

2024年2月29日发(作者：侍静曼)

CHEN Yunbin, WANG Quan, HUANG Qiang, BAI Yunlong(ZTE Corporation, Nanjing 210012, China)[Abstract]

[Key words]The essence of MEC is an architecture revolution. To meet the service requirements of the ultra-low latency and

applications to implement efﬁ cient trafﬁ c ofﬂ oading becomes a key issue. To solve this problem, 5G core networks

select the UPF for the MEC based on the UL CL, IPv6 Multi-homing or Local Area Data Network policies. In

addition, the applications on the MEC dynamically or semi-dynamically select the trafﬁ c ofﬂ oading method of the

UPF through the interaction between the MEC and the control plane of 5G core networks. According to the related

基于2G/3G互联网网

Server

集中式架构

2G/3G网络

Client

2010~2020

基于4G的移动互联网

公有云

Server

Server Server

分布式架构

4G网络，云网分离

2020以后

基于5G的产业互联网

公有云

Server

系统架构

从CS向CES演进

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

Edge

Server ServererverUServer SererverU U U

ServerU边缘云

Client

边缘云

部公开▲

Client

G142, B211

图1 Client-Server向Client-Edge-Server架构演进R154,G202, B6R68,G200, B24NSSF

NRF UDM

PCF

NEF

MEC System

System Level

MEC Orchestrator

AUSF

AMF

SMF

PCF

Distributed Host Level

APPAPP

Service

MEC Platform

Manager

MEC Platform

(R)AN

UPF

VirVirtualization

Virtualization

Infrastructure

InfrastructureInfrastructure

Data Network (LADN)

G142, B211

“5G核心网”专题才能代表应用和5GC交互。MEC与5G交互框架如图3所示：

3GPP R15定义了AF Request接口，AF通过NEF/PCF影响UPF分流

NRF PCF

NEF

AF Request

AMF

SMF

C-PSA

Central DN

UE RAN

UL-CL

E-PSA

/BP

Edge DN

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边缘业务通过edge UPF分流到edge DN

3 5GC为MEC选择UPF

“5G核心网”专题部公开▲

AMF

N11

SMF

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N9

UPF

D·N

PDU session

anchor 1

N4 N4

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。UE AN

UPF

Uplink Classifier

UPF

PDU session

anchor 2

MEC本质就是ICT融合平台，边缘应用通过MEC图5 IPv6多归属分流

向下将各个向上转发上行业务包到不同的PDU锚点去，锚点下来的数据合并。IPv6多归属分流如图5所示。N11

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AMF SMF

N1 N2 N4 N4

PDU session anchor 1

UPF

Branching Point

PDU session anchor 2

UPF

G142, B211

Local access to the same DN

图5 IPv6多归属分流[2]R154,G202, B60

R68,G200, B245

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PCF

中心云

AMF SMF

UPF

NEF

PCF

中心云

AMF

NEF

MEC AF

SMF

UPF UPF边缘云

先发起边缘业务，

后插入边缘UPF

UE UERAN ANUPF

图7 动态配置PDU会话部公开▲

（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

先插入边缘UPF,

后发起边缘业务

ME App

platform

ME Host

UE RAN

UPF

2020年以后，随着5G网络的规模建设，大量低时R68,G200, B245

延、高带宽的创新业务出现，CES将成为主流的应用架R154,G202, B60

LTE Market to Enterprises[EB/OL]. (2019-03-18)[2019-12-07]. /resources/product-content/ran-vendor-market-update-2018-spt002-000141.[5] ABI Research. US $2.9 Billion Market

Opportunities for LTE Vendors in Mining

Sector[EB/OL]. (2017-07-17)[2019-10-10].

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

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