UPF

User Plane Function

UPF 在 5G 中的位置

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 的北向。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：

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。

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。

与 UPF 相关的由 4 个标准参考点：

N3：RAN（gNB）和 Intermediate 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
在 3GPP R16 系统架构方面增加了 I-SMF，解决了用户移动出当前 SMF 服务区的时候，如何保证业务连续性。流程方面增加了 I-SMF 插入、修改和删除过程，以及 I-SMF 如何建立用户面的分流路径。该功能对于国内运营商来说比较重要，能够保证用户在跨省移动的时候保证业务连续性。在该功能中也增强了 UPF 分配用户 IP 地址。

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。

为了满足 5G 实例化以及上/下缩放的基本要求，UPF 必须使用现代微服务方法实现为纯云原生网络功能，并且可以在无服务器框架内部署。为了通过复杂的流水线和低延迟实现高数据包吞吐量，从历史上看，使用专用硬件和定制芯片就已经实现。在共享资源上交付云原生 UPF 需要解决复杂的实时数据处理问题，并在管道中提供高度的灵活性，以支持新兴的流量隧道，移动性和基础架构覆盖。 UPF实例化还必须高度自动化和精心安排。这意味着开发或增强用户空间数据平面加速，运行时可编程性技术，并与众多云编排系统（例如Kubernetes）紧密集成。

用户平面功能是支持新一代基于服务的体系结构的重要新组件。但是，在这一领域的创新速度也应使大多数有远见的 CUPS 采用者能够在过渡 PGW / SGW-U 解决方案上采用UPF，从而平滑了从4G到5G的迁移。

Open UPF

为了不断拓展 5G 垂直行业新兴市场，促进 UPF 朝着更加开放、灵活的方向发展，共同推动 N4 接口解耦，中国移动启动 OpenUPF ——面向行业的 5G UPF 及 N4 接口开放合作伙伴计划，致力于打造可靠、可管、灵活、开放的UPF，构建开放产业生态，助力5G赋能垂直行业。产业界积极响应，华为、中兴、爱立信、诺基亚和英特尔等25个行业伙伴共同参与该计划。

在合作伙伴的支持下，中国移动按照既定目标发布《面向垂直行业的 N4 解耦 UPF 设备规范》和《面向垂直行业的 N4 接口规范》两项规范，同时发布《5G OpenUPF 白皮书》,向开放行业 UPF、助力 5G 赋能垂直行业迈出重要一步。

统一架构有序推进 N4 解耦

N4 解耦是 Open UPF 计划的第一步，主要面向垂直行业边缘侧部署的 UPF 设备。

此次发布的《面向垂直行业的 N4 解耦 UPF 设备规范》，制定功能分级分类，要求 UPF 必须支持的最小功能集（14类），保证 UPF 基本业务正常进行，推荐支持 ULCL 分流等 12 类功能，满足不同垂直行业的定制化需求，后续根据需求不断迭代增加。设备需集软硬件于一体，具备虚拟化能力，分档分级，同时满足核心网设备可管可靠可控的要求。

《面向垂直行业的 N4 接口规范》基于功能的明晰和分级分类，消除理解差异，统一接口流程和接口信源。以 3GPP R15 版本为基础，同时引入 3GPP R16 个别重要信元，要求开发时以设备规范为标准，按需支持推荐功能对应 IE。将接口 IE 细分为 118 项标准 IE 和 7 项定制 IE，尽量重用并保留扩展性。定制 IE 兼容现有流程和标准 IE，标准 IE 以扩展取值为主，并尽量减少对控制面（SMF）的影响。

面向行业应用场景，需要轻量化、低成本、灵活部署的 UPF。

当前，UPF 与 SMF 的接口（N4）尚未完全开放，服务化能力尚未完全实现，一定程度上影响了 5G 响应行业客户需求的能力。运营商网络核心侧的 UPF 需要承载面向全网的业务、用户数为百万级以上，业务功能要求全、容量和性能要求高。

作为核心网的关键设备，系统级的 UPF 部署和维护成本相对较高。 N4 接口的非标准化，造成 UPF 与 SMF 同厂商的绑定，无法满足边缘用户侧 UPF 轻量化、低成本和灵活的部署需求。

中国移动提出的 OpenUPF 合作伙伴计划从开放接口、开放设备、开放服务和开放智能四个方面定义可靠、可管、可信、简洁、灵活的UPF。计划通过构建完整的技术体系推动产业成熟、增强网络能力、助力 5G 服务垂直行业用户。

垂直赋能加速 5G 融入百业

UPF 是连接运营商和垂直行业的桥梁，担负着数据流量处理、路由等核心功能。随着 5G 边缘计算的拓展，UPF 已逐渐从运营商的核心层走向行业客户的接入层，成为运营商服务垂直行业的第一窗口。

据了解，0penUPF 计划的一个重要目标是以“全集” UP F为基础、定义简单高效的“最简” UPF，通过最简 UPF 的功能满足高效灵活的部署，降低 5G 进入千行百业的门槛。

OpenUPF计划的第二个重要目标是满足行业差异化需求、探索功能定制的“增量” UPF，通过增量提升产业价值，同时避免碎片化的定制需求带来研发和维护成本的上升。从不同场景的差异化需求可以看出，仅仅满足基础功能的 UPF 是不够的，UPF 还需进一步增强定制化能力，这一方面有赖于标准的演进，另一方面有赖于新的开放服务模式。