分流行业用户

邮电设计技术/2021/01收稿日期:2020-12-140引言2020年是5G正式商用的元年.
2B是5G的新蓝海,GSMA预测,5G最大的机会在2B行业应用.
根据各大主流咨询公司的市场经济分析,5G2B行业将撬动约12万亿美元经济.
中国三大运营商正在大规模建设5G商用网络,并发布了5G2B战略计划:中国移动制定了"5G+计划",推动5G产业发展;中国联通提出以"EDCBA"把握数字化转型趋势,构建5G创新合作生态;中国电信发布5G十大行业应用(包括智慧警务、智慧交通、智慧生态、智慧党建、媒体直播、智慧医疗、车联网、智慧教育、智慧旅游、智能制造).
5GMEC是实现5G差异化、确定性SLA的关键载体,可实现高差异化(带宽、时延、丢包抖动、移动性、可靠性)、高安全性(多租户网络隔离、数据不出园区)、高自动化(自动业务发放、网络自主管理、智能运维)、多样化的5G网络服务.
咨询公司Gartner预测边缘计算将进入市场高速发展阶段,2022年边缘计算将成为所有数字业务的必要需求.
15GMEC介绍MEC是在靠近人、物或数据源头的网络边缘侧,5GMEC行业应用部署方案研究Researchon5GMECIndustryApplicationDeploymentScheme关键词:边缘计算;5G网络;行业应用doi:10.
12045/j.
issn.
1007-3043.
2021.
01.
005文章编号:1007-3043(2021)01-0025-06中图分类号:TN915文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:多接入边缘计算(MEC)是5G演进的关键技术之一.
作为运营商面向2B市场发展的关键抓手,5GMEC可以在靠近行业用户的移动网络边缘提供网络能力.
主要介绍了5GMEC的网络特点与行业应用,分析5GMEC的网络能力、网络分流方案与安全方案.
Abstract:Multi-accessedgecomputing(MEC)isoneofthekeytechnologiesin5Gnetwork.
Asthekeytothedevelopmentof2Bmar-ketforthetelecomoperator,5GMECcanprovidenetworkcapabilitiesattheedgeofmobilenetworkwhichisclosetotheus-ers.
Itmainlyintroducesthenetworkcharacteristicsandindustrialapplicationof5GMEC,andanalyzesthenetworkcapability,networkdiversionschemeandsecurityschemeof5GMEC.
Keywords:Edgecomputing;5Gnetwork;Industryapplication赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟(中讯邮电咨询设计院有限公司上海分公司,上海200082)ZhaoZhibin,HeLiyi,LiuGuanghong,XuDawei(ChinaInformationTechnologyDesigning&ConsultingInstituteCo.
,Ltd.
ShanghaiBranch,Shanghai200082,China)赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation引用格式:赵志斌,何力毅,刘广红,等.
5GMEC行业应用部署方案研究[J].
邮电设计技术,2021(1):25-30.
252021/01/DTPT融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台.
它能就近提供边缘智能服务,满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求.
5GMEC基于SA架构,由5GC实现MEC网络承载控制,支持5G网络特性功能引入,把UPF作为边缘计算的数据锚点.
按照ETSI定义,MEC平台与NFV同构,是NFV架构在边缘的轻量化延伸,承载特性化IT应用服务.
5GMEC融合CT的分流能力与IT的云计算能力为行业客户提供网络计算服务.
5GMEC逻辑架构如图1所示.
25GMEC行业应用针对5G三大网络能力:增强型移动宽带(eMBB)、海量机器通信(mMTC)和低时延高可靠通信(uRLLC),运营商把行业应用分为10类,这10类应用包括政务与公用事业、工业、农业、文体娱乐、医疗、交通运输、金融、旅游、教育、电力.
5GMEC可满足对低时延敏感、对大带宽本地分流及数据安全性有要求的业务需求,其中工业、医疗、交通运输和电力行业要求网络具备低时延特性,文体娱乐行业需要网络支持大带宽本地分流能力,政务与公用事业、金融、高端工业着重要求网络符合数据完全性要求.
5GMEC依据技术特点满足7种主要应用场景需求:a)应用本地化的企业分流.
将用户面流量分流到企业网络.
b)内容区域化的视频优化.
在边缘部署无线分析应用,辅助TCP拥塞控制和码率适配.
c)内容区域化的视频流分析.
在边缘对视频分析处理,降低视频采集设备的成本,减少发给核心网的流量.
d)计算边缘化的增强现实.
边缘应用快速处理用户位置和摄像头图像,给用户实时提供辅助信息.
e)计算边缘化的辅助敏感计算.
提供高性能计算,执行时延敏感的数据处理,将结果反馈给端设备.
f)计算边缘化的物联网.
物联网使能平台边缘侧应用聚合,分析设备产生的消息并及时产生决策.
g)计算边缘化的车联网.
分析车及路侧传感器的数据,将危险等时延敏感信息发送给周边车辆.
按照行业对网络能力的诉求与行业5GMEC应用场景情况分析,5GMEC行业应用部署可分为3个阶段实现.
初期阶段,运营商通过5GMEC为工业企业提供本地分流能力、提供IaaS/PaaS集成环境服务工业企业数字化、网络化能力转型.
伴随着行业应用场景功能成熟,下阶段将深耕文体娱乐行业,通过5GMEC支持边缘、中心、CDN之间的业务与部署协同,实现移动网络场景下,CDN下沉至边缘侧,为用户提供5G高清/VR视频服务,助推文体产业发展.
5GMEC行业应用的目标阶段将聚焦V2X、高端工业互联等高价值行业,满足时延敏感网络、工业传感器互联的场景需求,支持高端工业、V2X行业革命性发展.
35GMEC业务网络能力3.
15GMEC基本连接能力通过本地流量卸载以及与中心协同,5GMEC实现边缘数据计费、业务控制及安全管控.
5GMEC网络功能组织图如图2所示.
边缘数据业务控制通过5GC核心网联动技术、同步本地流量计费技术、适配数据监听技术、本地业务的差异化QoS技术实现.
其中5GC包含计费策略下发、业务控制策略、用户及业务使能策略等功能,通过MEC的边缘用户面网关与中心DC的GW-C/SMF之间支持Sx/N4接口,传递业务策略信息,GW-U/UPF作为核心网策略的执行者,执行计费、LI、业务控制功能.
3.
25GMEC分流方案3.
2.
1上行分类器(ULCL)方案图15GMEC逻辑架构中心(5GC)边缘N9N4N95GMECDNNafUDMNSSFPCFAMFAUSF服务APPMEC平台UPF(R)ANUEUPFSMFNRFNEF赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation26邮电设计技术/2021/01ULCL分流方案通过动态分流策略实现,以URL/UE位置/目的IP端口为分流维度实现业务分流.
ULCL分流方案如图3所示.
分流业务实现流程:a)通过NEF能力开放接口将业务信息(如位置、IP地址等)存储在UDR统一数据库中.
b)在PCF上制定业务就近选择UPF的分流策略.
c)用户访问大网和本地业务时,PCF将从UDR获取的业务应用信息和分流策略下发给SMF.
d)SMF根据报文目的IP地址、UE位置和分流策略选择就近的ULCLUPF和PSAUPF.
e)ULCLUPF基于对上行业务流特征的识别,把数据分流到本地服务器和远端会话锚点PSAUPF,实现不同业务的访问.
该分流方式具备UE无切换感知、超低时延体验的特点,达到了协同应用、网随流动的效果.
3.
2.
2IPv6Multi-homing(BP)方案IPv6Multi-homing(BP)分流,以源IPv6地址前缀为分流维度实现业务分流.
IPv6Multi-homing分流方案如图4所示.
基于IPv6Multi-homing(BP)分流,需要UE侧支持分流IPv6Multi-homing,其业务实现流程与ULCL一致,通过对业务流IPv6Multi-homing前缀的识别,支持分流数据到不同的UPF会话锚点.
BP分流可以实现业务连续性多归属PDU会话与本地接入DN的多归属PDU会话.
业务连续性多归属PDU会话可以实现锚点切换过程中,UE业务不受影响,可以获得连续性服务.
本地接入DN的多归属PDU会话用于UE既需要接入本地业务(如本地服务器),又需要接入中心服务(如Internet)的应用场景.
3.
2.
3LADN(LocalAreaDataNetwork)方案LADN方案以位置信息为分流维度实现业务分流.
LADN分流方案如图5所示.
终端用户根据从核心网获得的LADN信息以及用户自身位置信息等,请求建立本地PDU会话.
SMF通过合适的本地边缘UPF的选择和本地PDU会话的建立,实现本地边缘网络接入和本地应用访问,SMF发现终端用户移出LADN区域时,断开原PDU会话连接.
当终端用户不在LADN区域时,即使发起LADN会话请求,SMF也会拒绝.
基于LADN分流,可以实现企业应用本地分流和Internet业务隔离,UE只能在企业园区使用企业应用,图3ULCL分流方案边缘数据分流UPF-LBOGW-C/SMFMEC(GW-U/UPF)边缘DC识别边缘网络访问业务流本地DC中心DC计费/LI/QoS策略用户策略发放LBO计费统计Internet边缘网络UPF计费统计LI/QoSLBO/ULCL业务控制策略(LI/QoS)用户级业务使能策略计费策略下发AMFNEFSMFPCF图25GMEC网络功能组织图ULCL:UplinkClassifierPSA:PDUSessionAnchorN3N1N2N11N4N4N4N9N6N6N9控制面用户面ANUPF(PSA2)UPF(PSA1)DNDNAMFPCFNEFUDRSMFUEUPF(ULCL)赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation272021/01/DTPT实现安全隔离.
同时LADN借助URSP可精细地实现企业园区不同业务的控制,企业园区内不同业务选择不同的切片,实现差异化控制.
该方式可以应用在有安全隔离需求、差异化控制需求的业务场景.
3.
35GMEC安全方案5GMEC在行业应用部署中会出现新的有别于5G核心网的安全风险.
主要的安全风险有3方面.
a)由于部署位置下沉至边缘节点,用户面网元下沉至网络边缘侧,网络边缘侧是网络非信任域,存在安全防护弱,易被攻击的安全风险,进而影响整个核心网络.
b)由于系统云化部署,应用共享存储资源,存在业务系统之前非法访问数据,虚拟机镜像被篡改,虚拟迁移引发数据泄露等安全风险.
c)由于引入第三方不可信应用,将会出现MEP管理权限遭非法窃取、集成不可信第三方应用(APP有漏洞或恶意代码等)、恶意应用伪装成为合法应用获取相应网络资源等安全风险.
5GMEC通过新的网络安全架构来应对上述安全风险,通过多点隔离,层层防护,建立安全可信的边缘连接.
MEC安全架构如图6所示.
5GMEC在行业应用部署时可以依据行业客户需求、实际部署情况调整安全网络部署架构.
45GMEC部署案例4.
1某运营商5GMEC网络架构在5GMEC商用建设初期,5GMEC是运营商深入行业应用的抓手,某直辖市运营商针对5GMEC行业应用场景、业务网络能力进行研究分析,为了满足行业用户各种5GMEC需求,搭建了适应其网络现状的5GMEC网络架构.
该直辖市运营商5GMEC网络架构由多方面因素决定,包括通信云DC资源池资源、行业业务需求(主要低时延指标要求)、网络资源现状和网络建设投资收益.
5GMEC网络架构如图7所示.
5GMEC分为控制管理域与业务域,控制管理域按照双DC容灾部署,业务域按照4个布局类与X个现场接入类方式部署,其中布局类部署在该运营商核心局房,接入类部署在该运营商上海POP机房.
该直辖市运营商地域小,网络结构整体扁平化,按照现有网络情况分析,端到端时延在20ms以内.
将行业业务需求分类,由布局类5GMEC承载区域高算力、行业性通用应用,其缺点是时延会达到20ms,图5LADN分流方案N3N1N2N11N4N9N6DNUPF(PSA1)N6UPF(PSA2)DNN9UPF(BP1)N9控制面用户面PCFNEFUDRN9N6N6UPF(PSA2)DNN9PSA重分配(先建后拆)UPF(BP)UPF(PSA1)…UPF(BP)SMFAMFUEAN本地接入业务连续图4IPv6Multi-homing分流方案本地DC中心DCAMFNEFSMFPCF边缘DCInternetUPFUPFDN1UPFDN2UPFDN3LADN1LADN2LADN3LADN(LocalAreaDataNetwork)赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation28邮电设计技术/2021/01数据安全性不能得到充分保障,优点是能够解决跨地域传输覆盖的问题,也有利于核心侧的网络能力的开放.
由现场类5GMEC承载有网络超低时延(行业用户主要诉求是5GMEC网络能力.
某行业应用客户按照其业务需求,在运营商POP机房新建5GMEC,包含UPF与MEC应用平台.
某直辖市某行业应用网络组织架构如图8所示.
5GMEC网络方案主要通过SMF、UPF网元实现.
a)SMF.
当SMF选择UPF时,在PDU会话建立流程中,SMF需要根据UE位置、DNN、S-NSSAI等信息选择UPF,建立与UPF的连接,UPF可以根据用户接入的DNN、切片和位置信息,为用户选择满足指定业务的、地理位置贴近用户的UPF,还可以结合UPF的分流能力、接口能力、是否支持与EPS的互通、权重来选择UPF.
SMF下的UPF属性(举例)如表1所示.
b)UPF.
UPF有多种角色,分为锚点UPF、ULCL/BPUPF、I-UPF,不同流程中选择不同角色的UPF的原则不同,选择原则之间的关系如图9所示.
只有第1轮选择完成之后,才能根据实际情况,再①外部攻击防护.
在DC入口部署防火墙,防止类似DDos的攻击,内部硬件资源合理划分、预留,应用实现流控.
②领域隔离.
DC内部按照RAN、CN、第三方APP划分为3个VDC,通过硬件隔离同时部署独立防火墙实现领域隔离.
③CN子域隔离.
由于子域可能源自不同厂家,需划分网元子域和MEC子域,隔离I层资源,按照实际业务需求增加vFW实现CN子域隔离.
④应用隔离.
不同APP部署在不同主机组上,隔离I层资源,因内容安全较为敏感,需要通过增加vFW实现应用隔离.
⑤安全加密隧道.
需要基于TLS、IPSEC等安全加密隧道实现安全的业务云边协同.
⑥分权分域管理.
需要运营商与APP应用操作管理界面上分权分域,确保业务安全.
MEC安全架构①②③④⑤⑥第三方App1第三方App2DUNFVICU网元子域MEC子域主机组1主机组2UPFMEP自有应用NFVINFVI中心DCPortal边缘节点vDC1(无线)vDC2(CN)vDC3(第三方应用)图6MEC安全架构图7某直辖市运营商5GMEC网络架构通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件UPFMEP通用硬件5GC通用硬件5GC本地/边缘X个布局类(4个)业务域控制管理域DC-1DC-2DC-3DC-4DC1DC2MEAOMEC运营中心MEPMMEPM……赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation292021/01/DTPT按之后的原则进行下一步选择.
第1轮选择原则间无优先级之分.
第2轮选择中可以设置优先选择合一UPF、位置区还是S11口.
当前2轮选择后返回结果中有多个UPF满足选择条件时,会根据UPF的权重为用户选择满足条件的UPF.
在任意一步,如果选择出的UPF唯一,则选择完成.
UE的每个PDU会话的建立都将通过设置的网络原则,从而实现5GMEC业务分流.
根据行业用户的业务需求,在网络侧配置其DNN分流原则,将终端侧DNN业务疏通到新建的5GMEC平台.
5结束语5GMEC是运营商在5G网络时代使能行业应用的重要手段,它整合电信运营商的各类资源,使行业用户认识到5G网络对其业务的变革创新.
5GMEC通过ULCL、IPv6Multi-homing、LADN分流方案与MEC安全解决方案,能够满足行业用户低时延、大带宽本地分流、保障数据安全多样应用场景.
目前还处于5GMEC行业应用商用初期阶段,某直辖市运营商依托布局类MEC、现场类MEC支撑行业应用.
伴随着行业应用场景需求变化,将来还需进一步细化5GMEC部署方案.
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表1SMF下的UPF属性图8某直辖市某行业应用网络组织架构图9UPF流程选择方案DNN、切片UPF的接口能力UPF是否支持与EPS的互通DNN、切片UPF的位置特征和分流能力UPF的接口能力DNN、切片UPF的接口能力第3轮选择第2轮选择第1轮选择用户位置区合一的UPF用户位置区权重用户位置区锚点UPFULCL/BPUPFI-UPF169城域网某直辖市运营商核心网(5GC)UPFUDMAMFSMF承载网IPRAN(接入/汇聚)ATN5G基站5G基站4G基站4G基站终端终端UPFMEC平台防火墙现场接入MEC(POP点)MEC场景需求覆盖区作者简介:赵志斌,毕业于重庆邮电大学,工程师,硕士,主要从事核心网规划设计工作;何力毅,毕业于英国雷丁大学,高级工程师,硕士,主要从事核心网规划设计工作;刘广红,毕业于西安交通大学,高级工程师,硕士,主要从事核心网规划设计工作;徐大伟,毕业于南京邮电大学,高级工程师,硕士,主要从事核心网规划设计工作.
UPFUPF1UPF2DNNDNN1、DNN2、DNN3DNN1、DNN2、DNN3切片SST=1,SD=010101SST=1,SD=010101合一UPF是是位置区0x0000-0x00090x0005-0x00bb权重65赵志斌,何力毅,刘广红,徐大伟5GMEC行业应用部署方案研究联通创新ChinaUnicomInnovation30