CN113852939B - 面向云原生的用户面功能微服务系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向云原生的用户面功能微服务系统，包括：基础服务组，用于服务注册和发现；控制服务组，用于与核心网控制面功能交互，通过所述基础服务组调用服务；数据服务组，用于与接入网络AN和数据网络DN通信，通过所述基础服务组调用服务。本发明通过将服务功能分组，即基础服务组提供服务的注册和发现，控制服务组实现与核心网控制面功能交互，数据服务组与接入网络AN和数据网络DN通信，使得微服务系统中，各服务中立化、松耦合化，为每个服务的独立升级、扩容提供了基础。同时，通过服务调用，本发明还能实现网元功能弹性动态的云化编排，为云原生理念的推进提供了基础的用户面功能平台。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种面向云原生的用户面功能微服务系统。
背景技术
在第五代移动通信技术(5G)中，5G移动网络核心网(5GC)整体拆分为控制面功能(CP,Control Plane)和用户面功能(User Plane,UP)两类，如图3所示。控制面功能实现用户设备(UE)接入控制、注册、会话建立、移动性管理等信令控制功能。用户设备(UserEquipment,UE)接入网络并与数据网络(Data Net,DN)建立会话之后，控制面功能将用户面隧道以及转发规则等按照PFCP(Packet Forwarding Control Protocol)消息格式下发给用户面功能，用户面功能在接入网络AN和数据网络DN之间建立隧道，并依据隧道信息和转发规则，进行数据转发、丢弃、缓存、qos等处理。
网络功能向虚拟化和服务化方向发展，网络功能与底层硬件资源解耦，全面采用虚拟化技术，并作为云原生应用部署在电信云或公有云。在核心网云原生演进的过程中，将网络功能按照功能等维度拆分成若干细粒度的微服务，是一个关键技术点。微服务由许多松散耦合且可独立部署的较小组件或服务组成。每个微服务自包含，具有独立的功能、协议栈和状态机；不同微服务，可采用不同的开发技术栈，由不同的开发团队开发和维护。微服务间为松耦合关系，服务间只通过REST API，RPC或消息队列相互通信。由于微服务细粒度和服务之间松解耦，每个微服务可以快速迭代开发，各服务可以独立升级、扩缩容。同时，细粒度的微服务也使得单个微服务只需要有限的计算和存储资源，故单个微服务可快速启动，降低系统的部署时间以及故障恢复时间。
移动通信标准化组织第三代合作伙伴计划(3GPP)在核心网协议R15/R16版本中，对控制面功能的服务有了详细的定义描述，例如接入移动功能(AMF)具有消息服务(Namf_Communication)、事件订阅通知(Namf_EventExposure)、定位服务(Namf_Location)等。服务之间通信，第三代合作伙伴计划组织(3GPP)定义了HTTP2作为信令应用层协议，上层使用JSON作为消息序列化方式。移动通信设备厂商可依据第三代合作伙伴计划(3GPP)对核心网控制面功能服务的划分，进行微服务框架的设计和开发。
在3GPP核心网标准R15/R16版本以及其他标准化组织的协议规范中，均未见用户面功能的服务定义以及微服务框架。在公开的资料中，也未查询到其他移动通信设备厂商对用户面功能微服务框架的描述。
因此，提供一种用户面功能微服务框架，将用户面功能按照功能和通信特性维度细分若干微服务，并定义微服务间关系、服务间通信方式，对于推进核心网UPF(User PlaneFunction，用户面功能)的虚拟化实现和电信行业云原生演进具有较高的价值和意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种面向云原生的用户面功能微服务系统。
本发明提供一种面向云原生的用户面功能微服务系统，包括：
基础服务组，用于服务注册和发现；
控制服务组，用于与核心网控制面功能交互，通过所述基础服务组调用服务；
数据服务组，用于与接入网络AN和数据网络DN通信，通过所述基础服务组调用服务。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，还包括：
维护管理服务组，用于与云管平台和基础服务组通信，接收告警信息和/或命令信息；
所述告警信息包括服务告警信息；所述命令信息包括配置修改命令和/或查询命令。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述基础服务组包括服务注册中心；所述服务注册中心包括：
注册服务接口，用于服务注册、服务发现以及服务订阅；所述注册服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述注册服务接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
服务中心操作接口，用于处理运维命令，以实现注册服务接口的业务IP地址配置、注册表容量确定、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述服务中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述基础服务组还包括用于接收、缓存或者分发消息的消息中心；所述消息中心包括：
消息发送接口，用于发送消息至消息队列；所述消息发送接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息接收接口，用于从消息队列接收消息；所述消息接收接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息中心操作接口，用于处理运维命令，以实现消息队列的IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述消息中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述基础服务组还包括用于存储的后端数据中心；所述后端数据中心包括：
数据写入接口，用于存储用户上下文数据；所述数据写入接口的服务消费方包括控制服务组；
数据读取接口，用于读取用户上下文数据；所述数据读取接口的服务消费方包括数据服务组；
数据监测接口，用于监测数据变化，并在数据变化时发送通知至服务消费方；
后端数据中心操作接口，用于处理运维命令，以实现后端数据中心的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述后端数据中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述控制服务组包括PFCP服务；所述PFCP服务包括：
PFCP信息接口，用于建立PFCP偶联、维护PFCP偶联状态、出PFCP会话消息、修改消息、删除消息、消息编码或者消息解码；所述PFCP信息接口的通信协议栈包括IP、UDP以及PFCP；所述PFCP信息接口的服务消费方包括4G核心网SGW-C和5G核心网SMF；
PFCP转换接口，用于接收PFCP消息，解码转换后转发至核心网网元；所述PFCP转换接口采用gRPC框架；所述PFCP转换接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP2以及protobuf；所述PFCP转换接口的服务消费方包括维护管理服务组和数据服务组；
PFCP操作接口，用于处理运维命令，以实现PFCP的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述PFCP操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述控制服务组包括的能力开放服务；所述能力开放服务包括：
开放服务接口，用于处理能力开放的配置消息、能力开放信息查询消息以及能力开放事件订阅消息；所述开放服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述开放服务接口的服务消费方包括核心网控制面网元、边缘计算MEC平台以及第三方应用；
开放服务操作接口，用于处理运维命令，以实现开放服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述数据服务组包括用户数据服务；所述用户数据服务包括：
上下文同步接口，用于从后端数据中心同步用户会话上下文数据；所述上下文同步接口的服务消费方包括控制服务组和后端数据中心；
用户面数据操作接口，用于处理运维命令，以实现用户数据服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述用户数据服务还包括数据面转发接口；所述数据面转发接口用于在接入网络AN和数据网络DN之间建立隧道，并读取后端数据中心中用户会话信息、隧道信息和转发规则，对报文进行匹配、策略控制、修改、转发或者上报流量；所述数据面转发接口的通信协议栈包括IP、UDP以及GTPU；所述策略控制包括Qos和流量门控。
根据本发明提供的一种面向云原生的用户面功能微服务系统，所述维护管理服务组包括维护管理服务；所述维护管理服务包括：
命令服务接口，用于接收外部发起的用户面功能的网元设备的配置修改和查询命令；所述命令服务接口的服务协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述命令服务接口的服务消费方包括网元管理系统；
警告服务接口，用于接收内部服务的告警信息；所述警告服务接口的通信协议栈包括IP、TCP以及AMQP；所述警告服务接口的服务消费方包括控制服务组和数据服务组。
本发明提供的面向云原生的用户面功能微服务系统，通过将服务功能分组，即基础服务组提供服务的注册和发现，控制服务组实现与核心网控制面功能交互，数据服务组与接入网络AN和数据网络DN通信，使得微服务系统中，各服务中立化、松耦合化，为每个服务的独立升级、扩容提供了基础。同时，通过服务注册和发现、统一定义的服务接口调用，本发明还能实现已有服务或新增服务的组合，从而实现网元功能特性的扩展和裁剪，可作为云原生平台中用户面功能的通用微服务系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的面向云原生的用户面功能微服务系统的第一结构示意图；
图2是本发明提供的面向云原生的用户面功能微服务系统的第二结构示意图；
图3是现有技术中5G核心网的通信功能示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1和图2描述本发明的面向云原生的用户面功能微服务系统。
如图1所示，本发明实施例提供了一种面向云原生的用户面功能微服务系统，包括：
基础服务组，用于服务注册和发现；
控制服务组，用于与核心网控制面功能交互，通过所述基础服务组调用服务；
数据服务组，用于与接入网络AN和数据网络DN通信，通过所述基础服务组调用服务。
本实施例的用户面功能微服务系统可以作为5G核心网中，用户面功能，即UPF的实现载体。
本实施例的系统可以理解为由许多松散耦合且可独立部署的较小组件(即服务)组成；
基础服务组为其他服务提供服务运行支撑，向其他服务提供服务管理(在一些优选方案中，还包括数据管理)。控制服务组、数据服务组(在一些优选方案中，还包括用于与云管平台和基础服务组通信，接收告警信息和/或命令信息的维护管理服务组；所述告警信息包括服务告警信息；所述命令信息包括配置修改命令和/或查询命令。)只需关注其各自业务逻辑本身，此将缩短新业务开发周期。
本实施例的有益效果在于：
本实施例提供的面向云原生的用户面功能微服务系统，通过将服务功能分组，即基础服务组提供服务的注册和发现，控制服务组实现与核心网控制面功能交互，数据服务组与接入网络AN和数据网络DN通信，使得微服务系统中，各服务中立化、松耦合化，为每个服务的独立升级、扩容提供了基础。同时，通过服务注册和发现、统一定义的服务接口调用，本发明还能实现已有服务或新增服务的组合，从而实现网元功能特性的扩展和裁剪，可作为云原生平台中用户面功能的通用微服务系统根据上述实施例，在本实施例中：
所述基础服务组包括服务注册中心；所述服务注册中心包括：
注册服务接口，用于服务注册、服务发现以及服务订阅；所述注册服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述注册服务接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
服务中心操作接口，用于处理运维命令，以实现注册服务接口的业务IP地址配置、注册表容量确定、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述服务中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
所述基础服务组还包括用于接收、缓存或者分发消息的消息中心；所述消息中心包括：
消息发送接口，用于发送消息至消息队列；所述消息发送接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息接收接口，用于从消息队列接收消息；所述消息接收接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息中心操作接口，用于处理运维命令，以实现消息队列的IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述消息中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
消息中心为消息队列的形式。消息生产者发送消息到消息队列，消息消费者从消息队列中取消息。故消息中心是要当消息消费者取消息的时候，确定给消息消费者什么消息。
所述基础服务组还包括用于存储的后端数据中心；所述后端数据中心包括：
数据写入接口，用于存储用户上下文数据；所述数据写入接口的服务消费方包括控制服务组；
数据读取接口，用于读取用户上下文数据；所述数据读取接口的服务消费方包括数据服务组；
数据监测接口，用于监测数据变化，并在数据变化时发送通知至服务消费方；
后端数据中心操作接口，用于处理运维命令，以实现后端数据中心的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述后端数据中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
本实施例提供了相对完整的基础服务组框架，本实施例的基础服务组能够为用户面功能微服务框架提供基础服务治理能力，提供服务注册、服务发现、主服务选择、服务通信、数据存储等功能。
基础服务组中：
服务注册中心RegCenter，保存框架中微服务各服务信息。服务提供方，向服务注册中心主动注册其提供的服务信息。服务消费方，通过服务注册中心查询服务提供方的信息。通过服务注册中心，管理服务的上线、下线以及服务的扩缩容。
消息中心MessQueue，为中间件服务。提供消息的接收、缓存和分发功能。服务提供方和服务消费方，通过消息发送到消息队列以及订阅消息主题的方式从消息队列获取消息，从而实现服务间的间接通信。
后端数据中心BackendDB，为关系或非关系数据库。保存静态配置信息、以及动态用户会话等上下文状态信息。基础服务组将服务信息保存在后端数据中心。控制服务组、数据服务组、扩展服务组中的服务，将接口ip信息等配置数据以及用户上下文信息保存到后端数据中心。通过后端数据中心，作为其他服务的后端数据存储，从而达到服务的计算、存储分离。
本实施例的有益效果在于：
通过对基础服务组中各个接口的功能设置，实现了服务间的解耦，每个服务可以独立升级、独立扩容，可实现云原生应用编排。
根据上述任意实施例，在本实施例中：
所述控制服务组包括PFCP服务；所述PFCP服务包括：
PFCP信息接口，用于建立PFCP偶联、维护PFCP偶联状态、出PFCP会话消息、修改消息、删除消息、消息编码或者消息解码；所述PFCP信息接口的通信协议栈包括IP、UDP以及PFCP；所述PFCP信息接口的服务消费方包括4G核心网SGW-C和5G核心网SMF；
PFCP转换接口，用于接收PFCP消息，解码转换后转发至核心网网元；所述PFCP转换接口采用gRPC框架；所述PFCP转换接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP2以及protobuf；所述PFCP转换接口的服务消费方包括维护管理服务组和数据服务组；
PFCP操作接口，用于处理运维命令，以实现PFCP的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述PFCP操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
所述控制服务组包括的能力开放服务；所述能力开放服务包括：
开放服务接口，用于处理能力开放的配置消息、能力开放信息查询消息以及能力开放事件订阅消息；所述开放服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述开放服务接口的服务消费方包括核心网控制面网元、边缘计算MEC平台以及第三方应用；
开放服务操作接口，用于处理运维命令，以实现开放服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
以上即为控制服务组的框架结构。控制服务组为用户面功能与核心网控制面交互的服务，包括但不限于与4G核心网SGW-C的信令交互、与5G核心网SMF的信令交互。通过与核心网控制面功能的交互，完成用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息的创建、修改、删除。用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息保存到后端数据中心服务。控制服务组，还提供能力开放接口服务，供核心网CP网元或边缘计算平台或第三方应用使用。
所述数据服务组包括用户数据服务；所述用户数据服务包括：
上下文同步接口，用于从后端数据中心同步用户上下文数据；所述上下文同步接口的服务消费方包括控制服务组和后端数据中心；
用户数据操作接口，用于处理运维命令，以实现用户数据服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
所述用户数据服务还包括数据面转发接口；所述数据面转发接口用于在接入网络AN和数据网络DN之间建立隧道，并读取后端数据中心中用户会话信息、隧道信息和转发规则，对报文进行匹配、策略控制、修改、转发或者上报流量；所述数据面转发接口的通信协议栈包括IP、UDP以及GTPU。
以上为数据服务组的框架结构。数据服务组提供接入网络AN和数据网络DN的数据传输服务。根据控制服务组维护的用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息。对报文进行匹配、策略控制、报文修改、上报流量或事件、转发等。为保证系统容量的可扩展性，数据服务组为无状态服务，用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息从后端数据中心服务读取。
所述维护管理服务组包括维护管理服务；所述维护管理服务包括：
命令服务接口，用于接收外部发起的用户面功能的网元设备的配置修改和查询命令；所述命令服务接口的服务协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述命令服务接口的服务消费方包括网元管理系统；
警告服务接口，用于接收内部服务的告警信息；所述警告服务接口的通信协议栈包括IP、TCP以及AMQP；所述警告服务接口的服务消费方包括控制服务组和数据服务组。
以上为维护管理服务组的框架结构，维护管理服务组能够实现用户面功能相关的配置、故障、统计、告警、安全等维护管理功能。
本实施例的有益效果在于：
通过控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组中各个接口的功能设置，进一步实现了服务间的解耦，每个服务可以独立升级、独立扩容，可实现云原生应用编排。
根据上述任一实施例，本实施例提供一种完整的用户面功能微服务框架，具体如下。
核心网云原生演进的过程中，一个关键技术点是将网络功能按照功能等维度拆分成若干细粒度的微服务，并结合虚拟化和微服务治理，实现云原生弹性、可靠性、可扩展性的要求。本专利公开一种用户面功能微服务框架，将用户面功能按照功能单一职责、计算存储分离、协议栈独立性等维度，将用户面功能划分为若干微服务，定义微服务间关系和通信协议，并结合微服务治理，实现服务注册、发现、服务调用等。用户面功能微服务框架可用于用户面功能的云原生应用开发，实现高可靠、高弹性的用户面网络功能。
本实施例中，用户面功能微服务框架有四个服务组构成。用户面功能微服务框架服务组逻辑图，见图2。
四个服务组分别为基础服务组、控制服务组、数据服务组、维护管理服务组。
A、基础服务组
基础服务组，为用户面功能微服务框架提供基础服务治理能力，提供服务注册、服务发现、主服务选择、服务通信、数据存储等功能。
基础服务组包含但不限于以下服务：服务注册中心RegCenter、消息队列MessQueue、后端数据中心BackendDB。
服务注册中心RegCenter，保存框架中微服务各服务信息。服务提供方，向服务注册中心主动注册其提供的服务信息。服务消费方，通过服务注册中心查询服务提供方的信息。通过服务注册中心，管理服务的上线、下线以及服务的扩缩容。
消息队列MessQueue，为中间件服务。提供消息的接收、缓存和分发功能。服务提供方和服务消费方，通过消息发送到消息队列以及订阅消息主题的方式从消息队列获取消息，从而实现服务间的间接通信。
后端数据中心BackendDB，为关系或非关系数据库。保存静态配置信息、以及动态用户会话等上下文状态信息。基础服务组将服务信息保存在后端数据中心。控制服务组、数据服务组、扩展服务组中的服务，将接口ip信息等配置数据以及用户上下文信息保存到后端数据中心。通过后端数据中心，作为其他服务的后端数据存储，从而达到服务的计算、存储分离。
服务提供的服务接口和服务间关系如下：
服务注册中心RegCenter，具有以下服务接口RegService、Operation。
RegService(注册服务接口)，处理用户面微服务架构下各服务的服务注册、服务发现和服务订阅消息。PfcpInf接口通信协议栈为IP+TCP+HTTP+JSON。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、UPF-Exposure、UPF-U、UPF-OM。
Operation(服务中心操作接口)，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：RegService的业务ip地址配置，注册表容量，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
消息队列MessQueue(即消息中心)，具有以下服务接口sendMsg、RecvMsg、Operation。
sendMsg(消息发送接口)，用于消息发送到消息队列。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、UPF-Exposure、UPF-U、UPF-OM。
RecvMsg(消息接收接口)，用于从消息队列接收消息。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、UPF-Exposure、UPF-U、UPF-OM。
Operation(消息中心操作接口)，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：MessQueue的业务ip地址配置，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
后端数据中心BackendDB，具有以下服务接口WriteData、ReadData、WatchNotify、Operation。
WriteData(数据写入接口)，用于服务向后端数据中心BackedDB存储用户上下文相关数据。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、UPF-Exposure。
ReadData(数据读取接口)，用于服务从后端数据中心BackedDB读取用户上下文相关数据。服务消费方包括但不限于UPF-U。
WatchNotify(数据监测接口)，用去提供给其他服务消费方注册监测数据的变化，并在变化发生的时候，发送通知给服务消费方。
Operation(后端数据中心操作接口)，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：BackendDB的业务ip地址配置，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
B、控制服务组
控制服务组，为用户面功能与核心网控制面交互的服务，包括但不限于与4G核心网SGW-C的信令交互、与5G核心网SMF的信令交互。通过与核心网控制面功能的交互，完成用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息的创建、修改、删除。用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息保存到后端数据中心服务。控制服务组，还提供能力开放接口服务，供核心网CP网元或边缘计算平台或第三方应用使用。
控制服务组包含但不限于以下服务：UPF-Pfcp、UPF-Exposure；
UPF-Pfcp(PFCP服务)，此服务与控制面功能(如4G SGW-C或5G SMF)交互，实现与控制面功能之间控制协议PFCP(Packet Forwarding Control Protocol,PFCP)的偶联、消息的编解码和会话上下文建立。
UPF-Exposure(能力开放服务)，本服务向外部提供用户面功能能力开放接口服务。此接口服务包括但不限于欧洲电信标准ETSI定义的边缘计算MEC Mp2接口。
UPF-Pfcp，具有以下服务接口PfcpInf、PfcpTransfer、Operation。
PfcpInf(PFCP信息接口)，处理PFCP偶联关系建立、修改、删除消息，维护PFCP偶联状态。处理PFCP会话相关消息，对消息进行编解码。PfcpInf接口通信协议栈为IP+UDP+PFCP。服务消费方包括但不限于4G核心网SGW-C、5G核心网SMF。
PfcpTransfer(PFCP转换接口)，接收和转发UPF-U或UPF-OM的PFCP sessionreport request消息，PFCP session report request消息封装在grpc中protobuf中，PfcpTransfer解码转换后，将解码后的PFCP session report request消息转发给4G/5G核心网CP网元。PfcpTransfer接口使用Grpc，通信协议栈为IP+TCP+HTTP2+protobuf。服务消费方包括但不限于UPF-OM、UPF-U。
Operation(PFCP操作接口)，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：pfcp的业务ip地址配置，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
UPF-Exposure(能力开放服务)，具有以下服务接口ExposureService、Operation。
ExposureService(开放服务接口)，处理能力开放的配置、能力开放信息查询和能力开放事件订阅三类消息。ExposureService接口优选使用Restful方式，通信协议栈为IP+TCP+HTTP+JSON。服务消费方包括但不限于核心网CP网元、边缘计算MEC平台，第三方应用APP。
Operation(开放服务操作接口)，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：ExposureService的业务ip地址配置，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
C、数据服务组
数据服务组，提供接入网络AN和数据网络DN的数据传输服务。根据控制服务组维护的用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息。对报文进行匹配、策略控制、报文修改、上报流量或事件、转发等。为保证系统容量的可扩展性，数据服务组为无状态服务，用户会话信息、隧道信息、数据流匹配规则PDR、转发规则FAR，qos规则QER、上报规则URR等信息从后端数据中心服务读取。
数据服务组包含但不限于以下服务：UPF-U(用户数据服务)；
UPF-U，此服务在用户面功能在接入网络(AN)和数据网络DN之间建立隧道，并读取后端数据中心中用户会话信息、隧道信息和转发规则，对报文进行匹配、策略控制、报文修改、上报流量或事件、转发等。其中，隧道信息和转发规则信息由UPF-C-Pfcp提供。或根据UPF-Exposure服务配置的应用数据分流规则，进行应用数据分发到本地DN或远端DN。
UPF-U，具有以下服务接口ContextSyn、Operation；
ContextSyn，从BackendDB同步后端用户上下文相关数据。ContextSyn分为主动发起BackendDB同步。或由BackendDB通知ContextSyn数据变更。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、BackendDB。
Operation，处理操作运维相关的命令。包括，包括不限于以下功能：UPF-U的业务ip地址配置，上报健康和统计信息，故障信息广播。服务消费方包括但不限于UPF-OM。
UPF-U除服务接口外，还有三个数据接口:N3、N6、N9。此接口为非服务化接口，为数据面转发接口。在接入网络(AN)和数据网络DN之间建立隧道，并读取后端数据中心中用户会话信息、隧道信息和转发规则，对报文进行匹配、策略控制、报文修改、上报流量或事件、转发等。协议栈为IP+UDP+GTPU。
D、维护管理服务组
维护管理服务组包含但不限于以下服务：UPF-OM(维护管理服务)；
维护管理服务组，用户面功能相关的配置、故障、统计、告警、安全等维护管理功能。
UPF-OM，本服务与外部网管系统进行交互。向外部网管系统上报告警、性能统计，接收外部网管系统的配置命令。
UPF-OM，具有以下服务接口CommandSrv、AlertSrv；
CommandSrv，接收外部发起的用户面功能网元设备的配置修改和查询命令。配置包括但不限于：网元容量、网元业务ip规划、License。优选使用Restful方式，通信协议栈为IP+TCP+HTTP+JSON。服务消费方包括但不限于网管系统。
AlertSrv，接收用户面功能网元其他服务的告警信息。AlertSrv与其他服务通信，基于消息队列MessQueue服务，通过消息队列实现间接通信。通信协议栈为IP+TCP+AMQP。服务消费方包括但不限于UPF-Pfcp、UPF-Exposure、UPF-U。
下面将通过举例的处理流程进一步说明本实施例。
1、服务上线
步骤01云平台通过虚机或容器虚拟化方式实例化服务。通过参数注入方式，服务实例得到服务注册中心RegCenter的ip地址。
步骤02服务实例向服务注册中心RegCenter注册请求，注册请求包含此服务实例的服务类型、服务接口、业务ip等信息。
步骤03服务注册中心RegCenter，回复注册请求成功，转步骤04。回复注册请求失败，转步骤05。
步骤04服务注册中心RegCenter注册请求成功，服务实例将状态改为已注册，并周期与服务注册中心RegCenter保持心跳消息。服务上线完毕。
步骤05周期性重复向服务注册中心RegCenter发送注册请求。直到服务注册中心RegCenter回复注册成功。
2、服务下线
步骤01云平台通过关闭虚机和容器等方式，终止服务实例。通知关闭，转步骤02；强制关闭，转步骤06。
步骤02云平台向UPF-OM的服务接口AlertSrv发送服务下线消息。
步骤03UPF-OM通过消息队列MessQueue发送服务下线广播消息。
步骤04服务注册中心RegCenter收到服务下线广播消息，去注册此服务。
步骤05与服务下线业务相关的服务，收到服务下线广播消息，触发服务重选或数据迁移或数据清除动作。服务下线完毕。
步骤06下线服务实例与服务注册中心RegCenter心跳中断。服务注册中心RegCenter，由于心跳中断规定次数后，判定服务下线。
步骤07服务注册中心RegCenter向UPF-OM的服务接口AlertSrv发送服务下线消息。
步骤08服务下线广播消息流程，同步骤03-步骤05。
3、pfcp偶联
步骤01核心网CP网元向UPF-Pfcp的服务接口PfcpInf，发送pfcp偶联消息，偶联消息包含：Node ID，发送方标识符；Recovery Time Stamp，启动的时间戳；CP FunctionFeatures，CP支持特性等。
步骤02UPF-Pfcp偶联建立成功，转步骤03；建立失败，转步骤05。
步骤03UPF-Pfcp偶联建立成功，UPF-Pfcp使用后端数据中心BackendDB服务接口WriteData将偶联信息存储到DB。
步骤04UPF-Pfcp向核心网CP网元回复偶联建立成功消息响应。Pfcp偶联完毕。
步骤05UPF-Pfcp向核心网CP网元回复偶联建立失败消息响应。
4、pfcp会话建立
步骤01核心网CP网元向UPF-Pfcp的服务接口PfcpInf，发送pfcp会话建立消息，会话建立消息包含：
Node ID，发送方标识；CP F-SEID，控制面会话标识；Create PDR(PacketDetection Rule包检测规则)，Create FAR(Fowwarding Action Rule转发行为规则)等。
步骤02UPF-Pfcp对消息解码，并创建会话上下文。若会话上下文创建成功，转步骤03；若会话上下文创建失败，转步骤12。
步骤03UPF-Pfcp使用后端数据中心BackendDB服务接口WriteData将pfcp会话上下文存储到DB。
步骤04UPF-Pfcp通过服务注册中心RegCenter发现UPF-U。
步骤05UPF-Pfcp从多个UPF-U实例，根据一定算法选择一个UPF-U。
步骤06UPF-Pfcp向UPF-U的ContextSyn发送同步pfcp会话上下文消息，消息含pfcp会话id。
步骤07UPF-u通过后端数据中心BackendDB的ReadData服务接口，得到pfcp会话上下文信息。
步骤08UPF-u通过步骤07获取的pfcp会话上下文信息，创建隧道、转发规则。
步骤09UPF-u的ContextSyn接口向UPF-Pfcp返回pfcp会话上下文同步成功消息，消息包含pfcp会话id。
步骤10UPF-Pfcp向核心网CP网元回复pfcp会话建立成功消息响应。
步骤11接入网络AN和数据网络DN通过UPF-u转发数据，转发规则由步骤08创建。Pfcp会话建立完毕。
步骤12UPF-Pfcp向核心网CP网元回复pfcp会话建立失败消息响应。
5、pfcp session report requet(PFCP会话报告请求)
步骤01UPF-u根据核心面CP网元下发的用量报告规则URR(Usage ReportingRule)，主动上报pfcp session report request消息给核心面CP网元。
步骤02UPF-u选择UPF-Pfcp服务。
步骤03upf-u通过UPF-Pfcp的PfcpTransfer服务接口，将包含session reportrequest消息的内部消息发送给UPF-Pfcp。
步骤04UPF-Pfcp根据session信息，选择pfcp偶联。
步骤05UPF-Pfcp构建pfcp session report request消息，发送给核心网CP网元。
本实施例提供一种移动通信领域中核心网用户面功能(User Plane Function，UPF)的微服务框架。用户面功能，为核心网的关键网络功能，其承担接入网络和数据网络之间的隧道建立、用户数据流量策略控制、路由转发等功能。本实施例按照单一职责、无状态、独立协议栈等维度，将用户面功能拆分为若干独立的微服务，并结合微服务治理，使得用户面功能成为弹性、可靠性、可扩展性的云原生应用。
本实施例的有益效果在于：
本实施例提供一种用户面功能微服务框架，服务可以通过统一服务注册中心，实现服务的注册、发现。本实施例定义各服务的功能划分、服务接口，将用户面功能划分为成四组微服务组，每个服务与其他服务为松耦合关系。用户面功能微服务框架中，每个服务可以独立升级、独立扩容，实现弹性动态的云化编排。
基础服务组为其他服务提供服务运行支撑，向其他服务提供服务管理、数据管理。控制服务组、数据服务组、维护管理服务组只需关注其各自业务逻辑本身，此将缩短新业务开发周期。
用户面功能微服务框架定义服务功能和服务接口，新增服务可调用用户面功能微服务框架中已有的服务，通过不同的服务组合，可实现新的业务处理逻辑。
计算和存储相分离，通过后端数据中心BackendDB服务存储上下文状态数据，服务实例可以实现无状态服务。状态信息保存在后端数据中心BackendDB服务，若服务实例故障，新启动服务实例可依靠BackendDB恢复到故障前的状态。
基于以上几点，用户面功能微服务框架可用于用户面功能的云原生应用开发，实现高可用、高弹性的用户面网络功能。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，包括：
基础服务组，用于服务注册和发现；
控制服务组，用于与核心网控制面功能交互，通过所述基础服务组调用服务；
数据服务组，用于与接入网络AN和数据网络DN通信，通过所述基础服务组调用服务；
维护管理服务组，用于与云管平台和基础服务组通信，接收告警信息和/或命令信息；
所述告警信息包括服务告警信息；所述命令信息包括配置修改命令和/或查询命令；
其中，所述控制服务组包括PFCP服务；所述PFCP服务包括：
PFCP信息接口，用于建立PFCP偶联、维护PFCP偶联状态、处理PFCP会话消息、修改消息、删除消息、消息编码或者消息解码；所述PFCP信息接口的通信协议栈包括IP、UDP以及PFCP；所述PFCP信息接口的服务消费方包括4G核心网SGW-C和5G核心网SMF；
PFCP转换接口，用于接收PFCP消息，解码转换后转发至核心网网元；所述PFCP转换接口采用gRPC框架；所述PFCP转换接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP2以及protobuf；所述PFCP转换接口的服务消费方包括维护管理服务组和数据服务组；
PFCP操作接口，用于处理运维命令，以实现PFCP的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述PFCP操作接口的服务消费方包括维护管理服务组；
所述控制服务组包括的能力开放服务；所述能力开放服务包括：
开放服务接口，用于处理能力开放的配置消息、能力开放信息查询消息以及能力开放事件订阅消息；所述开放服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述开放服务接口的服务消费方包括核心网控制面网元、边缘计算MEC平台以及第三方应用；
开放服务操作接口，用于处理运维命令，以实现开放服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
2.根据权利要求1所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述基础服务组包括服务注册中心；所述服务注册中心包括：
注册服务接口，用于服务注册、服务发现以及服务订阅；所述注册服务接口的通信协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述注册服务接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
服务中心操作接口，用于处理运维命令，以实现注册服务接口的业务IP地址配置、注册表容量确定、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述服务中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
3.根据权利要求2所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述基础服务组还包括用于接收、缓存或者分发消息的消息中心；所述消息中心包括：
消息发送接口，用于发送消息至消息队列；所述消息发送接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息接收接口，用于从消息队列接收消息；所述消息接收接口的服务消费方包括控制服务组、数据服务组以及维护管理服务组；
消息中心操作接口，用于处理运维命令，以实现消息队列的IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述消息中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
4.根据权利要求2所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述基础服务组还包括用于存储的后端数据中心；所述后端数据中心包括：
数据写入接口，用于存储用户上下文数据；所述数据写入接口的服务消费方包括控制服务组；
数据读取接口，用于读取用户上下文数据；所述数据读取接口的服务消费方包括数据服务组；
数据监测接口，用于监测数据变化，并在数据变化时发送通知至服务消费方；
后端数据中心操作接口，用于处理运维命令，以实现后端数据中心的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述后端数据中心操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
5.根据权利要求4所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述数据服务组包括用户数据服务；所述用户数据服务包括：
上下文同步接口，用于从后端数据中心同步用户会话上下文数据；所述上下文同步接口的服务消费方包括控制服务组和后端数据中心；
用户面数据操作接口，用于处理运维命令，以实现用户数据服务的业务IP地址配置、上报健康信息、上报统计信息或者故障信息广播；所述开放服务操作接口的服务消费方包括维护管理服务组。
6.根据权利要求5所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述用户数据服务还包括数据面转发接口；所述数据面转发接口用于在接入网络AN和数据网络DN之间建立隧道，并读取后端数据中心中用户会话信息、隧道信息和转发规则，对报文进行匹配、策略控制、修改、转发或者上报流量；所述数据面转发接口的通信协议栈包括IP、UDP以及GTPU；所述策略控制包括Qos和流量门控。
7.根据权利要求1所述的面向云原生的用户面功能微服务系统，其特征在于，所述维护管理服务组包括维护管理服务；所述维护管理服务包括：
命令服务接口，用于接收外部发起的用户面功能的网元设备的配置修改和查询命令；所述命令服务接口的服务协议栈包括IP、TCP、HTTP以及JSON；所述命令服务接口的服务消费方包括网元管理系统；
警告服务接口，用于接收内部服务的告警信息；所述警告服务接口的通信协议栈包括IP、TCP以及AMQP；所述警告服务接口的服务消费方包括控制服务组和数据服务组。
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