CN111432439B - 一种upf数据面扩展及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种UPF数据面扩展方法及其系统，该系统包括控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE，还包括存储装置和路由装置；所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用通信协议传输消息；所述数据处理实体DPE具有独立的N3/N6/N9接口；所述控制处理实体CPE一方面与SMF进行信令交互，另一方面选择目标数据处理实体作为用户会话建立的附着点；所述存储装置存储有所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息，所述节点信息与能力信息被读取到所述控制处理实体CPE；所述路由装置从所述CPE同步会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP的映射关系，根据所述的映射关系决策选择后续处理下行数据的DPE。

Description

一种UPF数据面扩展及其系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种UPF数据面扩展及其系统。

背景技术

在5G网络中，UPF网元控制面与用户面若采用集中部署的方式，在受限于单台服务器的硬件与系统的性能时，并不能达到特定应用场景下要求的系统吞吐率；另外也存在控制面与用户面的高耦合，特别是目前N4接口开放性不是非常规范的场景下，使得网络链路复杂，不易维护，不能灵活地扩容以及较差的伸缩扩展性。

目前公开的与UPF管理有关的专利方案有：CN108307402A管理UPF的方法、装置及系统，阐述的是UPF集中的UPF选择方法，解决了UPF动态调整的问题；CN110022580A建立承载方法及装置，阐述的是4G场景下根据UPF中各业务处理单元的负荷信息选择合适的一个建立承载信息，均没有提及UPF扩展性问题。

发明内容

本发明的提供的一种UPF数据面扩展及其系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

第一方面，提供一种UPF数据面扩展的方法，将UPF划分为控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE；CPE负责与会话管理功能SMF进行信令消息的交互及通过存储装置管理DPE，DPE则负责主要的业务处理与数据转发,具有独立的N3/N6/N9接口；所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用通信协议传输消息；所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息注册到存储装置中；所述控制处理实体CPE从存储装置中读取所述节点信息与能力信息并上传至SMF实体。

具体地，CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，有两种方式：

第一种：基于SMF的DPE选择，包括SMF获取目标DPE：

SMF实体接收控制处理实体CPE上报的DPE的节点信息与能力信息；

SMF实体计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；

SMF实体根据本次会话建立中用户IP属性和访问的APN比对该DPE是否具备此能力支持，若具备此能力支持，则所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE为目标DPE，若不具备此能力支持，根据第二优先级对应的DPE判断直至获取到目标DPE。

SMF实体获取到目标DPE后，通知CPE关于目标DPE的相关信息，SMF实体查取目标DPE对应的TEID资源和UEIP资源，通过会话建立请求消息将所述TEID资源和UEIP资源发送给控制处理实体CPE；所述控制处理实体CPE通过所述TEID资源锁定目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。

第二种：基于CPE的DPE选择

包括CPE获取和锁定目标DPE，包括：所述CPF计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE实体为目标DPE作为会话建立的附着点。

在这种决策方式下，需要CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源。每一次用户会话的建立，SMF会向CPE发起两次PFCP会话建立过程，第一次会话建立过程为SMF获取CPE上报的由CPE本地已决策好的用作第二次用户会话建立过程中附着的DPE的节点信息，第二次会话建立过程，SMF才会去PCF获取用户订阅与策略相关信息，并在建立请求消息中携带这些策略及第一次会话建立中CPE上报的DPE节点信息，当CPE收到此消息并确认后，会将此用户会话正确地建立在目标DPE上。

进一步地，所述SMF与CPE之间通过扩展PFCP协议承载用户面数据单元信元，用于SMF与CPE间扩展交互DPE集的能力信息，如每个DPE的IP、使用的TEID范围、支持的最大会话数、支持的DNN和支持处理静态或动态用户IP等。

进一步地，所述CPE接受存储装置上报的DPE状态异常信息，CPE本地更新此DPE的状态信息并编码用户面数据单元信元，发送关联更新消息通知SMF，指示该DPE状态异常。

进一步地，本发明还提供一种路由装置用于实现下行数据的路由选择，从而实现DPE的N6接口选择，CPE与所述的路由装置通过建立邻居关系，同步地向其更新DPE的网络链路信息。用户会话建立成功时，CPE将会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP地址建立映射关系，所述CPE将所述映射关系同步给路由装置；所述路由装置根据所述映射关系决策选择后续处理下行数据的DPE。

进一步地，CPE与DPE间通过自定义RPC的方式交互会话相关消息。CPE与DPE集间通过自定义RPC的方式交互会话相关消息，该方式的实现采取UDP通信加数据序列化的结合，CPE侧通过解码会话相关消息并存储在通用的会话数据结构里，当发送不同类别的会话消息，只需存储不同部分的数据到此会话特定的数据结构上，如会话建立消息，采用通用的会话数据结构和会话建立的数据结构。之后构造好要发送的会话消息数据结构后，再构造一个通用消息结构头并加上序列号标识，然后进行数据序列化处理后经UDP传输给对应的DPE或DPE发送给CPE。

第二方面，提供一种UPF数据面扩展系统，包括：控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE，还包括存储装置和路由装置；所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用通信协议传输消息；所述数据处理实体DPE具有独立的N3/N6/N9接口；所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，并与SMF实体进行信令交互；所述存储装置存储有所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息，所述节点信息与能力信息被读取到所述控制处理实体CPE；所述路由装置从所述CPE同步会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP地址的映射关系，根据所述映射关系决策选择后续处理下行数据的DPE。

第三方面，提供一种SMF实体，SMF实体进行目标DPE的获取，包括SMF实体接收控制处理实体CPE上报的DPE的节点信息与能力信息；SMF实体计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；SMF实体根据本次会话建立中用户IP属性和访问的APN比对该DPE是否具备此能力支持，若具备此能力支持，则所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE为目标DPE，若不具备此能力支持，根据第二优先级对应的DPE判断直至获取到目标DPE。

SMF实体获取到目标DPE后，通知CPE关于目标DPE的相关信息，SMF实体查取目标DPE对应的TEID资源和UEIP资源，通过会话建立请求消息将所述TEID资源和UEIP资源发送给控制处理实体CPE；所述控制处理实体CPE通过所述TEID资源锁定目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。

第四方面，提供一种CPE实体，CPE实体负责与会话管理功能SMF进行信令消息的交互及通过存储装置管理DPE，所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用通信协议传输消息，所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息注册到存储装置中；所述控制处理实体CPE从存储装置中读取所述节点信息与能力信息并上传至SMF实体。

进一步地，在基于CPE的DPE选择过程中，CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源；所述CPE计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE实体为目标DPE作为会话建立的附着点，所述CPE向SMF上报该目标DPE的节点信息。

当SMF下发指定DPE的会话建立消息给CPE时，CPE经解码后获得该DPE的节点位置信息，然后通过自定义的远程过程调用RPC方式将该消息发送给此DPE进行处理。相反地，DPE响应的会话建立消息同样经RPC发回给CPE，再由CPE上报给SMF。

第五方面，提供一种DPE实体，DPE实体负责主要的业务处理与数据转发,具有独立的N3/N6/N9接口，每个DPE在上电时都会将节点与能力相关信息同步注册到存储装置中，这些信息包括IP、端口、支持的最大会话数和支持的DNN等。DPE将通过CPE来自SMF的消息进行处理，然后DPE将响应的会话建立消息经RPC发回给CPE，再由CPE上报给SMF。

本发明将UPF分离为CPE与DPE，CPE担任主要的信令处理与转发、协调DPE集群等两方面角色，一为与SMF交互，二为统筹管理DPE集。而DPE集作为主要的业务数据处理及转发的实体，通过按需扩展部署多个的方式，实现灵活地伸缩扩展，达到UPF数据面扩展的目的。

具体地，通过实现UPF以CPE与DPE集分布式部署的方式，解决UPF部署在单台服务器上时，受限于硬件与系统的条件，在高并发复杂业务模式下，不能满足特定应用场景要求的吞吐率的问题；通过支持不同能力的DPE集，实现UPF以更细颗粒度区分处理不同类型的用户数据或业务，同时加强系统可用；将UPF分离成CPE与DPE集，实现以模块化的方式部署，能更灵活地按需扩展系统，提高系统的可扩展性和吞吐率。

附图说明

图1为本发明的UPF扩展系统与SMF的网络拓扑图；

图2为本发明的UPF网络拓扑图；

图3为本发明CPE上报DPE集节点信息与能力信息的通信流程图；

图4为本发明基于SMF决策的DPE选择流程图；

图5为本发明SMF与CPE间会话建立流程图；

图6为本发明基于CPE决策的DPE选择流程图。

图7为本发明下行数据路由选择流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1给出了本发明的UPF扩展系统与SMF的网络拓扑图，图2给出了本发明的UPF的网络拓扑图，本发明在UPF设计层面上，内部地将UPF分离为控制处理实体(ControlProcessing Entity，以下简称：CPE)和数据处理实体(Data Processing Entity，以下简称：DPE)。CPE对内作为DPE的统筹者，负责DPE节点与能力相关信息的上报，同时转发会话级别的消息给DPE进行处理；对外在N4接口上负责与会话管理功能(Session ManagementFunction,以下简称：SMF)网元进行信令消息的交互。一般地，在本发明专利的方案中，数据面DPE实现的方式，包括了rawSocket，DPDK，FPGA，和专用ASIC等，可以根据用户的实际需求，采用不用的DPE部署形态。

DPE负责处理CPE下发的会话相关消息，以及N3/N6/N9接口上不同类型数据的处理与转发。在UPF中一个CPE控制着一个或多个DPE(以下简称：DPE集)，DPE集可支持不同业务类型或具有不同的能力。CPE与DPE间采用分布式部署，可分别运行在多台物理设备上。

具体地，CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，有两种方式：

第一种：基于SMF的DPE选择，图4给出了流程图，具体地包括如下步骤：

步骤101：SMF查找UPF数据处理实体表获得所有DPE的节点与能力相关信息。

具体地，如图3所示，当SMF接收到携带DPE集节点与能力相关信息的关联建立响应消息后，便会在SMF本地上建立UPF数据处理实体表UPFi_DPE_TBL(i＝1,2,3,…,n)来记录DPE集的节点与能力相关信息，i表示为SMF可能会与多个本发明中所提供的UPF同样建立了该表来记录这些信息。

记录DPE集节点与能力相关信息的UPFi_DPE_TBL表设计如下表1所示：

表1 UPFi_DPE_TBL表

N3IP/N6IP/N9IP三个字段负责记录每个DPE的N3/N6/N9 IP地址；Version字段指明该DPE上使用的IP版本；Status字段负责记录DPE的运行状态，0表示异常，1表示正常运行；TEIDRI和TEIDRange两个字段记录DPE上报的TEID范围，用来供SMF划分TEID资源对应每个DPE；MaxSession字段保存DPE上报的可支持最大会话数，而CurSession字段则是记录该DPE上当前建立的会话数，当SMF确认该DPE每次用户会话建立成功时，CurSession加一，相反删除会话时，CurSession减一；DNN字段记录该DPE上可支持的APN，IPAttr字段则标识该DPE支持处理静态还是动态用户IP，0表示为支持处理静态用户IP，1则是处理动态用户IP。

具体地，对于步骤101，还包括，

步骤1011：分类不同IP版本的N3IP分别表示为按IPv4版本分类的N3IP集合UPFi_IP4_N3_SET，按IPv6版本分类的N3IP集合UPFi_IP6_N3_SET，每一个分类后的N3IP记为IPv4地址的c4_N3IP或IPv6地址的c6_N3IP，如下所示：

UPFi_IP4_N3_SET＝{c4_N3IP₁,c4_N3IP₂,c4_N3IP₃,…,c4_N3IP_n}

UPFi_IP6_N3_SET＝{c6_N3IP₁,c6_N3IP₂,c6_N3IP₃,…,c6_N3IP_n}

步骤1012：SMF实体根据UPF数据处理实体表UPFi_DPE_TBL统计DPE总数，记录为Sum_dpe，相应IP版本的c4_N3IP或c6_N3IP与DPE_j建立映射关系表示为N3IP映射DPE的集合UPFi_IP4_N3_TO_DPE_SET或UPFi_IP6_N3_TO_DPE_SET，

UPFi_IP4_N3_TO_DPE_SET＝{<c4_N3IP₁,DPE₁>,<c4_N3IP₂,DPE₂>,…,<c4_N3IP_nDPE_n>}

UPFi_IP6_N3_TO_DPE_SET＝{<c6_N3IP₁,DPE₁>,<c6_N3IP₂,DPE₂>,…,<c6_N3IP_n,DPE_n>}

步骤1013：如果SMF从UDM中得知该用户使用动态IP，则本地进行分配，在所述的按IP版本分类的N3IP的集合UPFi_IP4_N3_SET和UPFi_IP6_N3_SET基础上，建立起映射关系划分动态用户IP资源,记为UEIP，每个c4_N3IP或c6_N3IP对应一类UEIP，表示为N3IP映射UEIP集合UPFi_IP4_N3_TO_UEIP_SET或UPFi_IP6_N3_TO_UEIP_SET，如下所示：

UPFi_IP4_N3_TO_UEIP_SET＝{<c4_N3IP₁,UEIP₁>,<c4_N3IP₂,UEIP₂>,…,<c4_N3IP_n,UEIP_n>}

UPFi_IP6_N3_TO_UEIP_SET＝{<c6_N3IP₁,UEIP₁>,<c6_N3IP₂,UEIP₂>,…,<c6_N3IP_n,UEIP_n>}

步骤1014：对于选定DPE，SMF需支持划分TEID，根据UPF数据处理实体表UPFi_DPE_TBL表中每个DPE支持的TEIDRI和TEIDRange，在所述的按IP版本分类的N3IP的集合UPFi_IP4_N3_SET和UPFi_IP6_N3_SET基础上，建立起映射关系划分TEID资源池，记为TEID，每个c4_N3IP或c6_N3IP对应一类TEID集，表示为N3IP映射TEID集合UPFi_IP4_N3_TO_TEID_SET或UPFi_IP6_N3_TO_TEID_SET，如下所示：

UPFi_IP4_N3_TO_TEID_SET＝{<c4_N3IP₁,TEID₁>,<c4_N3IP₂,TEID₂>,…,<c4_N3IP_n,TEID_n>}

UPFi_IP6_N3_TO_TEID_SET＝{<c6_N3IP₁,TEID₁>,<c6_N3IP₂,TEID₂>,…,<c6_N3IP_n,TEID_n>}

具体地，步骤101中的N3IP映射UEIP集合、N3IP映射TEID集合都在SMF实体建立和维护。

步骤102：查找UPF数据处理实体表，当DPE的Status字段不为0时，SMF根据DPE的MaxSession和CurSession值，计算其当前负载DPE_load记录在DPE负载集合，同时排序该集合得到DPE优先级集合。

具体地，单个DPE_load通过UPF数据处理实体表UPFi_DPE_TBL表中的MaxSession和CurSession值计算得出：DPE_load＝CurSession/MaxSession

对于最多Sum_dpe个DPE_load表示为DPE负载状态集合UPFi_N3_LOAD_SET，Sum_dpe为DPE总数，DPE_load为存储着负载状态信息的DPE，如下所示：

UPFi_N3_LOAD_SET＝{DPE_load1,DPE_load2,…,DPE_loadn}

DPE负载集合UPFi_N3_LOAD_SET根据负载大小进行排序得到DPE优先级集合UPFi_N3_PRIORITY_SET，其中优先级Priority与DPE的N3IP确定映射关系，表示为<Priority,N3IP>，如下所示：

UPFi_N3_PRIORITY_SET＝{<Priority1,N3IP₁>,<Priority2,N3IP₂>,…,<Priorityn,N3IP_n>}

步骤103：根据DPE优先级集合的第一个优先级获得对应的DPE，再由SMF根据本次会话建立中用户IP的属性和访问的APN比对该DPE是否具备此能力支持，是的话则结束选择，否则根据第二优先级获得对应的DPE继续此步骤，直到获取到目标DPE：DPE_ts。

具体地，假设Priority1优先级最高，记为第一优先级，这时通过优先级Priority1与N3IP₁的映射关系获取N3IP₁，再由N3IP₁查找N3IP映射DPE集合UPFi_IP4_N3_TO_DPE_SET或UPFi_IP6_N3_TO_DPE_SET得到对应的DPE。在得到DPE后，SMF仍需根据本次会话中的用户IP属性，如静态配置还是动态分配，查找UPF数据处理实体表UPFi_DPE_TBL比对该DPE的IPAttr字段，符合则进行下一属性参数APN的比对，当本次会话用户访问的APN与该DPE的DNN字段中存储的APN相匹配，则正式得到本次会话中合适的DPE_ts。否则，进行比对下一优先级的DPE，以此类推，直到得到DPE_ts。

SMF实体获取到DPE_ts后，通知CPE关于目标DPE的信息，将下发会话建立请求消息给CPE。在下发之前，SMF会根据DPE_ts在N3IP映射TEID集合查找对应的TEID资源，若本次会话下发的用户IP为动态分配，则同时在N3IP映射UEIP集合查找对应的UEIP资源，通过构造成相应的信元随会话建立消息下发给CPE，让其选择TEID资源对应的DPE作为本次会话建立的附着点，同时也让DPE得知用户终端使用的IP，接下来SMF与CPE间便可进行会话建立流程如图5所示。

具体地，步骤101中SMF从CPE接收到携带DPE集节点与能力相关信息，CPE会在上电时初始化地从一种存储装置获取DPE集在上电时同步注册的节点与能力相关信息，同时经处理后记录在本地。当确认接收来自SMF发起的关联设置请求消息时，CPE会响应关联设置响应消息给SMF，该响应消息中会携带着一个或多个用户面IP资源信息信元(User PlaneIP Resource Information IE，IE说明见TS 29244-g20 8.2.82)和用户面数据单元(UPData Unit IE)，以此上报之前本地整理好的DPE集节点与能力相关信息，如每个DPE的IP、使用的TEID范围、支持的最大会话数、支持的DNN(Data Network Name，以下简称：DNN)和支持处理静态或动态用户IP等。

用户面数据单元信元(UP Data Unit IE)为本发明扩展的PFCP(PacketForwarding Control Protocol，以下简称：PFCP)协议信元，用于SMF与CPE间扩展交互DPE集的能力信息，如下表2所示：

表2用户面数据单元信元设计

Status：该位置1表示DPE状态正常；置0表示异常。

SC：该位置1，Max Sessions字段将会存在，表示DPE支持的最大会话数；置0表示Max Sessions字段不存在。

V4：该位置1表示IPv4 address字段存在；置0则不存在。

V6：该位置1表示IPv6 address字段存在；置0则不存在。

S/A：该位标识DPE支持静态或动态用户IP处理，置0表示支持静态用户IP处理；置1则是支持动态用户IP处理。

Spare：空闲，可由发送方置0，接收方忽视。

V4和V6不能同时置1，但两者间要有一个置1。

可选地，作为本申请一个实施例，本发明所提供的存储装置除了支持存储DPE集在上电时注册的相关信息外，还提供一种心跳机制，与注册的每个DPE之间维持一种心跳关系。当某个DPE超过设定的次数没有及时地回应心跳应答，这时所述存储装置便会更改此DPE的状态为异常，同时通知CPE该DPE状态发生变化。当CPE接收到该通知后便会本地更新此DPE的状态信息并编码用户面数据单元信元，将Status位置0，随后发送关联更新消息通知SMF。

第二种：基于CPE的DPE选择

包括CPE获取和锁定目标DPE，包括：所述CPF计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE实体为目标DPE作为会话建立的附着点。

在这种决策方式下，需要CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源。每一次用户会话的建立，SMF会向CPE发起两次PFCP会话建立过程，第一次会话建立过程为SMF获取CPE上报的由CPE本地已决策好的用作第二次用户会话建立过程中附着的DPE的节点信息，第二次会话建立过程，SMF才会去PCF获取用户订阅与策略相关信息，并在建立请求消息中携带这些策略及第一次会话建立中CPE上报的DPE节点信息，当CPE收到此消息并确认后，会将此用户会话正确地建立在目标DPE上。

基于CPE决策DPE选择流程如图6所示，需要CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源。每一次用户会话的建立，SMF会向CPE发起两次PFCP会话建立过程。

第一次会话建立过程为SMF获取CPE经会话建立响应消息中相关的信元上报的由CPE本地已决策好的用作第二次用户会话建立过程中附着的DPE的节点信息。

第二次会话建立过程，SMF才会去PCF获取用户订阅与策略相关信息，在第二次会话建立请求消息中携带这些策略及第一次会话建立中CPE上报的DPE节点信息，当CPE收到此消息并确认后，会将此用户会话正确地建立在DPEts。

关于CPE本地决策每次用户会话建立过程中附着的DPE的算法与过程大致与SMF相同，但仅仅只是基于DPE的负载信息进行选择，不再赘述。

下面结合上述流程方法，描述本申请涉及的网络设备SMF、CPE和DPE，以及上述方法所涉及的网络系统，具体的方法流程不再赘述。

可选地，提供一种SMF实体，SMF实体进行目标DPE的获取，包括SMF实体接收控制处理实体CPE上报的DPE的节点信息与能力信息；SMF实体计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；SMF实体根据本次会话建立中用户IP属性和访问的APN比对该DPE是否具备此能力支持，若具备此能力支持，则所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE为目标DPE，若不具备此能力支持，根据第二优先级对应的DPE判断直至获取到目标DPE。

SMF实体获取到目标DPE后，通知CPE关于目标DPE的相关信息，SMF实体查取目标DPE对应的TEID资源和UEIP资源，通过会话建立请求消息将所述TEID资源和UEIP资源发送给控制处理实体CPE；所述控制处理实体CPE通过所述TEID资源锁定目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。

可选地，还提供一种CPE实体，CPE实体负责与会话管理功能SMF进行信令消息的交互及通过存储装置管理DPE，所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，可以由CPE本地根据DPE集节点与能力相关信息进行决策选出合适的DPE后上报给SMF用作本次会话建立的附着点，或者SMF实体获取到目标DPE后，通知CPE关于目标DPE的相关信息，CPE通过TEID资源锁定目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。DPE的节点信息与能力信息注册到存储装置中，CPE从存储装置中读取所述节点信息与能力信息并上传至SMF实体。

进一步地，在基于CPE的DPE选择过程中，CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源；所述CPE计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE实体为目标DPE作为会话建立的附着点，所述CPE向SMF上报该目标DPE的节点信息。

当SMF下发指定DPE的会话建立消息给CPE时，CPE经解码后获得该DPE的节点位置信息，然后通过自定义的远程过程调用RPC方式将该消息发送给此DPE进行处理。相反地，DPE响应的会话建立消息同样经RPC发回给CPE，再由CPE上报给SMF。

进一步地，对于每次建立成功的会话信息，CPE都会记录在本地上。DPE_ts成功建立用户会话信息后会发送会话建立响应消息给CPE，此时CPE会通过此消息中由DPE_ts分配的会话ID，在会话数据面处理实体SESSION_DPE_TBL表上记录该会话所属哪个DPE，如下表3所示。

表3 SESSION_DPE_TBL表

可选地，提供一种DPE实体，DPE实体负责主要的业务处理与数据转发,具有独立的N3/N6/N9接口，每个DPE在上电时都会将节点与能力相关信息同步注册到存储装置中，这些信息包括IP、端口、支持的最大会话数和支持的DNN等。

DPE将通过CPE来自SMF的消息进行处理，然后DPE将响应的会话建立消息经RPC发回给CPE，再由CPE上报给SMF。

可选地，提供一种UPF数据面扩展系统，包括：控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE，还包括存储装置和路由装置；所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用自定义的远程过程调用RPC方式传输消息；所述数据处理实体DPE具有独立的N3/N6/N9接口，处理来自CPE的消息；所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，与SMF实体进行信令交互；所述存储装置存储有所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息，所述节点信息与能力信息被读取到所述控制处理实体CPE；所述路由装置从所述CPE同步会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP地址建立映射关系，根据所述已有的映射关系决策选择后续处理下行数据的DPE。

CPE与DPE集间通过自定义RPC的方式交互会话相关消息，该方式的实现采取UDP通信加数据序列化的结合，CPE侧通过解码会话相关消息并存储在通用的会话数据结构里，当发送不同类别的会话消息，只需存储不同部分的数据到此会话特定的数据结构上，如会话建立消息，采用通用的会话数据结构和会话建立的数据结构。之后构造好要发送的会话消息数据结构后，再构造一个通用消息结构头并加上序列号标识，然后进行数据序列化处理后经UDP传输给对应的DPE或DPE发送给CPE。

可选地，还提供一种路由装置实现下行数据的路由选择，从而实现DPE的N6接口选择，CPE与所述的路由装置通过建立邻居关系，同步地向其更新DPE的网络链路信息。在每次用户会话建立成功时，CPE会使该会话中分配的用户终端IP地址与该会话附着的DPE的N6IP绑定起来建立起路由条目的映射关系<UEIP,N6IP>，及时地发送给所述的路由装置更新DPE的网络链路信息。路由装置收到该信息后，会处理并记录在本地路由表上。另外，若该会话中的用户终端IP地址发生变化，CPE也会及时告知路由装置，路由选择如图7所示。

在路由装置接收到DN下发的数据时，首先会检查该数据的目的地址是否可从本地的路由表中获取到对应的N6IP。当目的地址确为DPE集上某个会话中使用的用户终端IP地址时，便能通过查找到的N6IP将该数据路由到指定的DPE进行处理上。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例中描述的各方法步骤和单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各实施例的步骤及组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或步骤可以用硬件、处理器执行的软件程序，或者二者的结合来实施。软件程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内。

Claims (9)

1.一种UPF数据面扩展的方法，其特征在于：

将UPF划分为控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE；

所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点；所述控制处理实体CPE在N4接口接收SMF实体的消息，并将消息转发至目标数据处理实体DPE；

所述目标数据处理实体DPE处理来自CPE的会话消息，将响应消息通过CPE上报至SMF实体；

其中，所述CPE与所述DPE间通过自定义RPC的方式交互会话相关消息。

2.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，

所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE，

包括SMF获取目标DPE，包括：

SMF实体接收控制处理实体CPE上报的DPE的节点信息与能力信息；

SMF实体计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；

SMF实体根据本次会话建立中用户IP属性和访问的APN比对该DPE是否具备此能力支持，若具备此能力支持，则所述DPE优先级集合的第一优先级对应的DPE为目标DPE，若不具备此能力支持，根据第二优先级对应的DPE判断，直至获取到目标DPE。

3.根据权利要求2所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，

所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE，还包括：

SMF实体查取目标DPE对应的TEID资源；

通过会话建立请求消息将所述TEID资源发送给控制处理实体CPE；

所述控制处理实体CPE通过所述TEID资源锁定目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点。

4.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，

所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE，

还包括CPE获取和锁定目标DPE，包括：

CPE在关联设置请求消息或关联设置响应消息中通过对应的信元告知SMF其支持本地分配F-TEID资源；

所述CPE计算当前处于正常状态下DPE的负载，排序得到DPE优先级集合；

所述DPE优先级集合的第一个优先级对应的DPE实体为目标DPE作为会话建立的附着点；

所述CPE向SMF上报目标DPE的节点信息。

5.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息注册到存储装置中；

所述控制处理实体CPE从存储装置中读取所述节点信息与能力信息并上传至SMF实体。

6.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，所述方法还包括更新DPE的状态，包括：

所述CPE接受存储装置上报的DPE状态异常信息，CPE本地更新此DPE的状态信息并编码用户面数据单元信元，发送关联更新消息通知SMF，指示该DPE状态异常。

7.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，所述方法还包括下行数据路由的选择，包括：

用户会话建立成功时，所述CPE将会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP建立映射关系；

所述CPE将所述映射关系同步给路由装置；

所述路由装置根据所述映射关系决策选择处理该下行数据的DPE。

8.根据权利要求1所述的UPF数据面扩展的方法，其特征在于，

所述SMF与CPE之间通过扩展PFCP协议承载用户面数据单元信元。

9.一种UPF数据面扩展系统，其特征在于，包括：

控制处理实体CPE和至少一个数据处理实体DPE，还包括存储装置和路由装置；所述控制处理实体CPE与所述数据处理实体DPE采用自定义的远程过程调用RPC方式传输消息；

所述控制处理实体CPE选择目标数据处理实体DPE作为会话建立的附着点，并与SMF实体进行信令交互；

所述数据处理实体DPE具有独立的N3/N6/N9接口，处理来自CPE的消息，将响应消息通过CPE上报至SMF实体；

所述存储装置存储有所述数据处理实体DPE的节点信息与能力信息，所述节点信息与能力信息被读取到所述控制处理实体CPE；

所述路由装置从所述CPE同步会话建立过程中分配的用户终端IP地址与该会话附着的目标DPE的N6接口IP地址的映射关系，根据所述的映射关系决策选择后续处理下行数据的DPE。

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