CN113965246A - 一种基于星上upf的应用层路由转发优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法，包括：UPF对数据包进行隧道封装并发送到MEC路由子系统，然后递交给MEC业务应用系统；MEC业务应用系统响应数据包后，交给MEC路由子系统，路由子系统进行解封并对数据包进行处理，处理完成后MEC路由子系统将处理后的数据包进行隧道封装，并发送到目标卫星的UPF；目标卫星的UPF对处理后的数据包解封，将处理后的数据包通过目标卫星的基站发送到目标终端。本发明将整个卫星组网在路由架构上以卫星为单位划分路由区域，简化路由设计，有效降低星上路由的路由表数目及路由复杂度；星间数据路由交换都以卫星节点为单位，更方便实现星间路由优化。

Description

一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法

技术领域

本发明涉及星间路由转发领域，特别是涉及一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法。

背景技术

随着移动卫星通信的发展，关于卫星与地面移动通信相互融合的讨论与尝试就从未停止。MEC(Mobile Edge Computing，移动边缘计算)是基于5G演进的架构，并将移动接入网与互联网业务深度融合的一种技术。移动边缘计算就是将密集型计算任务迁移到附近的网络边缘服务器，降低核心网和传输网的拥塞与负担，减缓网络带宽压力，实现低时延，带来高带宽，提高万物互联时代数据处理效率，能够快速响应用户请求并提升服务质量。从5G网络架构来说，UPF下层到边缘是实现移动边缘计算的基础。

作为星上再生技术研究的一部分，将5G基站和UPF同时部署到卫星上，提供卫星边缘计算能力，将有效降低馈电链路的带宽压力，实现低时延、高带宽星上直传，将为未来卫星互联网提供更多的业务多样性。

不同于地面设备，星上设备需要满足一系列严苛的物理标准，而且处理性能和功耗受限，以星上路由交换为参考，其路由表容量、交换能力均受限，与地面设备相比相差巨大。地面设备可以轻易实现百万级、千万级移动终端的路由交换，但星上无法满足基于百万级用户IP的星上路由寻址功能。LEO卫星平台能力不同于5G地面系统，地面路由交换系统性能比较强，包转发能力至少在20Mpps以上；支持至少25万条路由，考虑到平均每个目的地址至少提供2条路径，系统支持至少25个BGP对等以及至少50个IGP邻居。地面设备CPU支持持续满负荷运转，不受电源供电影响。

核心网UPF部署在星上后，如果检测到数据包转发PDR和FAR规则是星上本地数据网络业务场景，需要在星上本地卸载转发，那么此时UPF需要通过N6接口将终端业务卸载到本地，然后通过路由方式转发到MEC或者目标终端。随着用户数的增加和业务量的增大，就会产生大量的路由寻址需求，可能超过星上路由交换极限。

LEO卫星平台资源受限(即星上处理能力、存储能力和电池使用寿命等受限)，不具备地面路由交换系统一样的路由表查询能力和转发能力。针对卫星网络拓扑高速周期变化、传输时延大、ISL误码率高、星上处理能力和存储能力有限等特点，需要研究更加高效的星上路由交换机制，降低星间路由转发压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法，以解决上述现有技术存在的问题,将基于数量庞大的终端IP地址的路由变为基于卫星节点的路由，降低卫星上及卫星间组网路由的复杂度，有效解决大量终端IP地址寻址问题，更好的支撑星间标签路由等各种路由优化机制的实现。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法，包括以下步骤：

用户面网元UPF接收到业务数据包，其中所述UPF位于卫星上；

所述UPF在所述业务数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包；

所述UPF在所述业务数据包为非星上本地业务的情况下，将所述业务数据包转发至地面网络。

可选的，所述UPF在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述UPF基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括终端IP地址池；

所述终端IP地址池配置在所述UPF上。

可选的，所述UPF在所述业务数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包的方法：

所述UPF对接收到的所述业务数据包进行隧道封装，其中隧道封装基于隧道协议；

基于所述应用层路由表，通过接口将封装完毕的所述业务数据包发送至所述星间链路和所述星间路由，进行转发，其中所述接口为N6接口。

可选的，所述UPF在所述业务数据包为非星上本地业务的情况下，将所述业务数据包转发至地面网络的方法：

所述UPF基于所述应用层路由表对接收到的所述业务数据包通过接口发送至所述地面网络，其中所述接口为N9接口。

可选的，所述业务数据包为星上本地业务的情况下，所述UPF进行隧道封装之前，所述方法还包括：

基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR对接收到的所述业务数据包进行分类，分类包括上行数据包和下行数据包。

可选的，所述数据包为上行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF基于所述PDR判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口；

若均匹配则查找指定PDR对应的指定FAR；

基于所述指定FAR对所述上行数据包添加带有目的地址的隧道头；

通过N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

可选的，判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口的过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

可选的，所述数据包为下行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF收到下行数据包后，去除隧道头；

解析所述下行数据包的目的地址，基于所述目的地址判断是否为星上本地转发业务；

若为星上本地转发业务，则判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则；

若均满足则基于匹配的所述PDR的规则查找对应的指定FAR；

基于所述指定FAR中配置的目的地址，转发所述下行数据包至所述目的地址。

可选的，所述判断目的地址是否为星上本地转发业务的过程中，若非星上本地转发业务，则查找所述应用层路由表获得目的地址相关信息，对所述下行数据包添加带有目的地址的隧道头并进行发送；

若判断结果为本地用户，但判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的下行数据包。

一种基于星上MEC路由子系统的应用层路由转发优化方法，包括以下步骤：

MEC路由子系统接收基于隧道的业务数据包，其中所述MEC路由子系统位于卫星上；

所述MEC路由子系统对基于隧道的所述业务数据包进行添加隧道头和去除隧道头操作，并通过星间链路和星间路由进行转发。

可选的，所述MEC路由子系统在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述MEC路由子系统基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括路由子系统网关地址；

所述路由子系统网关地址配置在所述MEC路由子系统上。

可选的，MEC路由子系统接收基于隧道的业务数据包的过程中，所述基于隧道的业务数据包包括：存在隧道封装的业务数据包和未存在隧道封装的业务数据包。

可选的，所述MEC路由子系统对基于隧道的所述业务数据包进行添加隧道头和去除隧道头操作的过程中：

对所述存在隧道封装的业务数据包，所述MEC路由子系统去除隧道头并基于所述应用层路由表通过星间链路和星间路由进行转发；

对所述未存在隧道封装的业务数据包，所述MEC路由子系统添加隧道头并基于所述应用层路由表通过星间链路和星间路由进行转发，其中所述去除隧道头和添加隧道头基于隧道协议。

可选的，所述MEC路由子系统通过星间链路和星间路由转发业务数据包之前，所述方法还包括：

基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR对接收到的所述业务数据包进行分类，分类包括上行数据包和下行数据包。

可选的，所述MEC路由子系统对所述上行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到上行数据包后去掉隧道头，并将所述上行数据包通过星间链路和星间路由进行转发。

可选的，所述MEC路由子系统对所述下行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到下行数据包后去掉隧道头，基于所述下行数据包，查询所述应用层路由表，获取对应的目的地址；

所述MEC路由子系统对下行数据包添加带有目的地址的隧道头；

所述MEC路由子系统将封装后的下行数据包通过星间链路和星间路由进行转发。

一种基于星上MEC业务应用系统的应用层路由转发优化方法，包括以下步骤：

所述MEC业务应用系统接收到业务数据包，其中所述MEC业务应用系统位于卫星上；

所述MEC业务应用系统对所述业务数据包进行处理，处理完成后通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包。

可选的，所述MEC业务应用系统在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述MEC业务应用系统基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括业务应用系统网关地址；

所述业务应用系统网关地址配置在所述MEC业务应用系统上。

一种星上应用层路由转发优化方法，包括以下步骤：

构建卫星组网，所述卫星组网包括若干个终端和若干个卫星，每个所述卫星均包括基站和用户面网元UPF，所述卫星组网中还包括MEC路由子系统和MEC业务应用；

第一终端将数据包发送到第一卫星，所述第一卫星通过基站接收，并将所述数据包发送到UPF，所述UPF对所述数据包进行隧道封装并发送到所述MEC路由子系统，然后递交给MEC业务应用；

所述MEC业务应用响应终端数据包后，将响应数据包发送给MEC路由子系统。

所述MEC路由子系统进行解封并对所述数据包进行处理，处理完成后所述MEC路由子系统将处理后的数据包进行所述隧道封装，并发送到目标卫星的UPF；

所述目标卫星的UPF对所述处理后的数据包解封，将所述处理后的数据包通过目标卫星的基站发送到目标终端。

可选的，所述UPF和所述MEC路由子系统均配置有应用层路由表，所述UPF与所述MEC路由子系统基于所述应用层路由表进行数据包的发送和接收；其中所述应用层路由表包括：终端IP地址池和应用层路由网关，其中所述终端IP地址池获得的方法为：所述UPF对所述终端分配IP地址。

可选的，所述UPF对所述数据包进行隧道封装并发送到所述MEC路由子系统的过程中，所述UPF对所述数据包进行隧道封装之后，采用了N6增强接口转发，通过星间链路发送到所述MEC路由子系统,最后递交给MEC业务应用系统。

可选的，所述UPF和所述MEC路由子系统对所述数据包进行传输的方法为：基于隧道协议和应用层路由表对数据包进行隧道封装，通过所述星间链路进行传输；所述隧道封装的方法为：对发送的数据包，添加隧道头后进行发送；对接收的数据包，接收后去除所述隧道头。

可选的，所述UPF发送数据包的过程中，基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR判断所述数据包的类别，所述类别包括：上行数据包、下行数据包，所述数据包为上行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF基于所述PDR判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口；

若均匹配则查找指定PDR对应的指定FAR；

基于所述指定FAR对所述上行数据包添加带有目的地址的隧道头；

通过N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

可选的，判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口的过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

可选的，所述数据包为下行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF收到下行数据包后，去除隧道头；

解析所述下行数据包的目的地址，基于所述目的地址判断是否为本地用户；

若为本地用户，则判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则；

若均满足则基于匹配的所述PDR的规则查找对应的指定FAR；

基于所述指定FAR中配置的目的地址，转发所述下行数据包至所述目的地址。

可选的，所述判断目的地址是否为星上本地转发业务的过程中，若非星上本地转发业务，则查找所述应用层路由表获得目的地址相关信息，对所述下行数据包添加带有目的地址的隧道头并进行发送；

若判断结果为星上本地转发业务，但判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的下行数据包。

可选的，所述MEC路由子系统对所述上行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置UPF与所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到上行数据包后去掉隧道头，并将所述上行数据包转发至MEC业务应用系统；

可选的，所述MEC路由子系统对所述下行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置UPF与所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到下行数据包后去掉隧道头，基于所述下行数据包，查询所述UPF和所述应用层路由表，获取对应的目的地址；

所述MEC路由子系统对下行数据包添加带有目的地址的隧道头；

所述MEC路由子系统将封装后的下行数据包转发至对应UPF。

本发明公开了以下技术效果：

每个星上UPF都配置专属的终端IP地址池，终端从星上UPF分配IP地址，将整个卫星星座在路由架构上以卫星为单位划分路由区域，简化路由设计；

针对星上本地卸载业务，星上UPF直接使用卫星节点的IP地址封装终端业务数据包，并转发给目的网关，而不是基于终端IP地址的路由交换，有效降低星上路由的路由表数目及路由复杂度；

星间数据路由交换都以卫星节点为单位，可以更方便实现星间路由优化，譬如基于标签的路由技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例中的T2T示例图；

图2为本发明实施例中的MEC场景示例图；

图3为本发明实施例中的基于3GPP的星上UPF与地面互通场景结构示意图；

图4为本发明实施例中的星上边缘计算部署场景结构示意图；

图5为本发明实施例中的基于T2T直通数据流图；

图6为本发明实施例中的UE到边缘MEC数据流图；

图7为本发明实施例中的UE到地面5GC数据流图；

图8为本发明实施例中的星上IP地址管理映射示意图；

图9为本发明实施例中的UPF收到包后处理过程示意图；

图10为本发明实施例中的星上UPF上行处理过程图；

图11为本发明实施例中的星上UPF下行处理过程图；

图12为本发明实施例中的星上MEC上行处理流程；

图13为本发明实施例中的星上MEC下行处理流程图；

图14为本发明实施例中的星上UPF路由转发优化后协议栈的结构示意图；

图15为本发明实施例中的基于3GPP的星上UPF与地面5GC用户面协议栈的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

1.星上边缘计算网络架构：

随着卫星网络发展，未来会形成大规模卫星组网，多颗卫星组成星座，每颗卫星分配有独立IP地址，卫星之间通过星间链路实现卫星之间的信息传输和交换，多颗卫星可以互联在一起，成为一个以卫星作为交换节点的空间通信网络，降低卫星通信系统对地面网络的依赖。

随着行业生态的逐步完善以及基础技术的不断突破和发展，未来业务服务一定会部署在星上，星上处理将必然成为卫星互联网星座的典型工作模式。通过将内容服务下沉到卫星边缘，就近提供卫星边缘服务，有效降低馈电链路带宽压力，显著降低业务时延，提升卫星互联网整体用户体验。

图4是一种典型的星上本地数据网络业务场景，其中网络边缘MEC部署在星上，通过MEC分流本地业务，MEC作为星上边缘计算的关键，UPF需要下沉到卫星边缘部署。

星上UPF具备业务流过滤识别功能，对于星上本地业务，UPF通过星间链路和路由交换将业务数据包直接路由转发到目标终端或者星上MEC业务应用系统；对于非星上本地业务，星上UPF则通过星间链路及馈电链路将业务数据包转发到地面网络。

2.星上IP地址管理及映射逻辑

本发明提出了一种星上IP地址管理及映射的逻辑，示意图如图8所示。地址管理的规则如下：

每颗星上UPF都配置专属的终端IP地址池，终端从星上UPF分配IP地址，将整个卫星星座在路由架构上以卫星为单位划分路由区域，简化路由设计，如图8所示。

卫星1提供两个终端地址池：30.100.10.0/24和30.100.11.0/24，接口网关地址为20.10.100.10；

卫星2提供两个终端地址池：30.101.10.0/24和30.101.11.0/24，接口网关地址为20.10.101.10；

星上MEC业务应用系统，除了业务应用有自己的地址外，还需要在路由子系统上配置一个网关地址，如图8中，假定业务地址的子网为10.10.200.0/24，网关接口地址为10.10.200.10。

这样，形成如下IP地址段及映射关系表，如表1所示：

表1

序号	目标IP地址段	应用层路由网关地址
			1	30.100.10.0/24	20.10.100.10
2	30.100.11.0/24	20.10.100.10
			3	30.101.10.0/24	20.10.101.10
4	30.101.11.0/24	20.10.101.10
			5	10.10.200.0/24	10.10.200.10
6	…	…

根据系统规划，地面网管系统将IP地址段及映射关系下发给每颗卫星，星上UPF或星上MEC路由子系统将存储此应用层路由表。

3.星上UPF N6增强接口协议栈

UPF上星后，根据业务提供方式可分为二类，一类业务由地面提供，一类业务由星上提供，直接在卫星上本地卸载。

针对星上卸载类场景，UPF引入N6增强接口，其协议栈架构如图14所示。对于星上本地卸载，星上UPF将无线侧收到的用户业务数据包，参考IP地址段映射表，在转发出去前添加隧道封装，然后通过N6增强接口转发出去，通过星间链路到达星上边缘MEC，星上边缘MEC经过路由子系统处理后，就可以获取到用户终端的原始数据包。

对于地面业务场景，星上UPF与地面5GC用户面协议栈接口见图15，采用基于3GPP协议实现方式。星上UPF与地面UPF通过N9接口实现，地面UPF作为终端用户锚点，直接与数据网络(DN)通过N6接口互通，实现网络访问。

需要说明的是，本发明提出的星上UPF基于隧道的路由转发优化方法对控制面协议栈和PDU Session建立、修改的信令流程而言，是无需做相应改动的，继续沿用3GPP现有协议及流程。

4.星上MEC路由子系统增强接口

本发明提出的星上UPF基于隧道的路由转发优化方法对星上MEC而言，需要引入路由子系统。路由子系统的主要作用是，针对收到基于隧道的数据包，对数据包进行添加隧道头和去除隧道头操作。

5.典型星上业务数据流

依据本发明提出的星上UPF基于隧道的路由转发优化方法，可以应用的典型星上业务数据流场景有2种：分别是基于T2T直通数据流和卫星终端与星上边缘MEC业务流。

(1)基于T2T直通数据流，参看图5。其数据流向是：

主叫终端1通过用户链路连接到卫星基站；

卫星基站将数据发到星上UPF；

UPF将数据包添加隧道头，转发到星间路由；

星间路由将数据包转发到指定的星上UPF；

UPF去除隧道头后，交给的卫星基站处理；

卫星基站通过用户链路转发到被叫终端2。

(2)卫星终端与星上边缘MEC业务流参看图6。其数据流向是：

终端通过用户链路连接到卫星基站，卫星基站将收到数据发到星上UPF；

UPF将数据包添加隧道头，转发到星间路由；

星间路由将数据包转发到指定的路由子系统；

路由子系统去除隧道头后，交给卫星边缘MEC处理；

卫星边缘MEC将相应的数据包交给路由子系统；

路由子系统添加对端隧道头后，准确发送到星间路由；

星间路由将数据包转发到指定的星上UPF；

UPF去除隧道头后，交给的卫星基站处理；

卫星基站通过用户链路转发到终端。

卫星终端到地面5GC业务流参看图7。

6.星上UPF路由交换优化处理流程

针对初始网络场景，包检测规则(Packet Detection Rule，PDR)和转发行为规则(Forwarding Action Rules，FAR)可以是预先配置的，也可以是通过网关配置下发的。

星上UPF收到接口发来的数据包后，处理过程示意图如图9所示。星上UPF的上行链路和下行链路有单独的PDR。其处理过程主要是对传入的用户数据包、流量和业务流分类进行检测，根据FAR规则将对用户业务流数据进行分流。

根据PDR和FAR确立该数据包是星上本地数据网络业务场景、T2T直通场景或者是直接访问地面网络场景。当检测到数据包需要转发到星上边缘MEC，那么此时星上UPF通过N6增强接口，将数据包添加隧道头后转发到星间路由，然后通过隧道路由方式转发到路由子系统，进而递交给边缘MEC处理。

具体而言，UPF对上行数据包的处理过程如图10所示，具体流程如下：

1)星上UPF收到上行数据包；

2)星上UPF根据PDR策略规则，判断是否匹配PDR指定协议；

3)星上UPF根据PDR策略规则，判断是否匹配PDR指定IP；

4)星上UPF根据PDR策略规则，判断是否匹配PDR指定端口；

5)星上UPF查找指定PDR对应FAR，添加目的地址的隧道头；

6)星上UPF转发到星上路由器，之后星上路由器转发添加隧道头后的数据包；

UPF对下行数据包的处理流程如图11所示，具体流程如下：

1)UPF收到下行数据包，剥离IP隧道头；

2)解析原始数据包的目的地址，判断是否为本地用户；

3)若目的地址为本地用户IP，根据通信协议类型判断是否有满足PDR；

4)根据目的地址、源地址等判断是否有满足PDR；

5)根据源端口、目的端口等判断是否有满足PDR；

6)根据匹配的PDR查找对应FAR；

7)根据FAR中配置的目的IP，转发原始数据包至指定地址。

7.星上MEC路由子系统优化处理流程

本发明提出星上MEC增强路由子系统，其主要功能是针对MEC的上行和下行数据包进行隧道包头的添加和删除操作。其具体处理过程如下：

星上MEC路由子系统上行数据处理，参考图12，具体流程如下：

1)MEC路由子系统预配置UPF与终端地址映射表；

2)MEC路由子系统收到上行IP报文；

3)MEC路由子系统剥离IP报文隧道头；

4)MEC路由子系统将用户上行原始数据转发至MEC业务应用系统。

星上MEC路由子系统下行数据处理，参考图13，具体流程如下：

1)MEC路由子系统预配置UPF与终端地址映射表；

2)MEC路由子系统收到下行IP报文；

3)MEC路由子系统根据IP报文中的目的地址，查询UPF与终端地址映射表，获取对应UPF IP地址；

4)MEC路由子系统为下行IP报文添加目的地址为对应UPF的隧道头；

5)MEC路由子系统将封装后的报文转发至对应UPF。

本发明的方法应用于三个场景：基于星上UPF隧道协议的T2T终端直通场景、基于星上UPF隧道协议的MEC场景、基于3GPP的星上UPF与地面互通场景，其中基于星上UPF隧道协议的T2T终端直通场景中，处理的对象包括主叫/被叫，T2T示例图如图1所示，MEC场景如图2所示，基于3GPP的星上UPF与地面互通场景如图3所示，具体的方法为：

1)主叫终端入网，SMF根据网络拓扑或网管配置，向UPF下发其对应的PDR及FAR策略规则；

2)用户通过无线Uu接口发送上行数据包，目的地址为网内另一用户。

3)RAN解析后，通过N3接口转发至本地UPF；

4)本地UPF根据PDR策略规则，对用户上行数据包进行解析；

5)本地UPF根据FAR策略规则，将匹配成功的PDR流进行封装，添加目标用户所在UPF对应的IP隧道头；

6)本地UPF将封装后的IP报文转发至星上路由系统；

7)星上路由系统将封装后的IP报文转发至指定的目标UPF；

8)目标UPF收到IP报文后，去除IP隧道头；

9)目标UPF根据PDR策略规则，对用户下行数据包进行解析；

10)目标UPF根据FAR策略规则，将匹配成功的PDR流进行隧道头封装，发送至RAN；

11)RAN通过无线Uu接口发送下行数据包至被叫终端。

基于星上UPF隧道协议的MEC场景中，处理的对象包括上行数据和下行数据，具体的方法为：

处理上行数据时：

1)用户通过无线Uu接口发送上行数据包，目的地址为MEC上业务服务地址；

2)RAN解析后，通过N3接口转发至星上UPF；

3)星上UPF根据SMF下发的PDR策略规则，对用户上行数据包进行解析；

4)星上UPF根据SMF下发的FAR策略规则，将能够匹配PDR流规则的数据包进行封装，添加对应目的地址的IP隧道头，如MEC路由子系统地址；

5)星上UPF将封装后的IP报文转发至星上路由系统；

6)星上路由系统将封装后的IP报文转发至指定MEC路由子系统；

7)MEC路由子系统收到IP报文后，去除IP隧道头，将原始用户上行数据包转发至MEC业务应用系统。

处理下行数据时：

1)MEC业务应用向用户发送下行数据包；

2)MEC路由子系统根据原始数据包的目的地址，通过查询UPF终端地址段映射关系表，获取对应UPF IP地址；

3)MEC路由子系统对原始数据包进行封装，添加目的地址为指定UPF IP地址的隧道头；

4)MEC路由子系统将封装后的IP报文转发至星上路由系统；

5)星上路由系统将封装后的IP报文转发至指定UPF；

6)UPF收到IP报文后，去除IP隧道头，将原始用户下行数据通过N3接口转发给本地RAN；

7)RAN通过Uu接口将用户下行数据发送至用户。

基于3GPP的星上UPF与地面互通场景时，处理的对象包括上行数据和下行数据，具体的方法为：

处理上行数据时：

1)用户通过无线Uu接口发送上行数据包，目的地址为地面网络服务器地址；

2)RAN解析后，通过N3接口转发至星上UPF；

3)星上UPF根据SMF下发的PDR策略规则，对用户上行数据包进行解析；

4)星上UPF根据SMF下发的FAR策略规则，将能够匹配PDR流规则的数据包进行封装，添加对应目的地址的IP隧道头，如MEC路由子系统地址；

5)星上UPF将封装后的IP报文转发至星上路由系统；

6)星上路由系统将封装后的IP报文通过馈电链路转发至地面UPF；

7)地面UPF收到IP报文后，去除IP隧道头，将原始用户上行数据包转发至DN。

处理下行数据时：

1)地面网络服务向用户发送下行数据包；

2)DN根据原始数据包的目的地址，通过查询UPF终端地址段映射关系表，获取对应UPF IP地址；

3)地面UPF对原始数据包进行封装，添加目的地址为指定星上UPF IP地址的隧道头；

4)星上路由系统将封装后的IP报文转发至指定UPF；

5)UPF收到IP报文后，去除IP隧道头，将原始用户下行数据通过N3接口转发给本地RAN；

6)RAN通过Uu接口将用户下行数据发送至用户。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (28)

1.一种基于星上UPF的应用层路由转发优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

用户面网元UPF接收到业务数据包，其中所述UPF位于卫星上；

所述UPF在所述业务数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包；

所述UPF在所述业务数据包为非星上本地业务的情况下，将所述业务数据包转发至地面网络。

2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，所述UPF在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述UPF基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括终端IP地址池；

所述终端IP地址池配置在所述UPF上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述UPF在所述业务数据包为星上本地业务的情况下，通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包包括：

所述UPF对接收到的所述业务数据包进行隧道封装，其中隧道封装基于隧道协议；

基于所述应用层路由表，通过接口将封装完毕的所述业务数据包发送至所述星间链路和所述星间路由，进行转发，其中所述接口为N6接口。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述UPF在所述业务数据包为非星上本地业务的情况下，将所述业务数据包转发至地面网络的方法：

所述UPF基于所述应用层路由表对接收到的所述业务数据包通过接口发送至所述地面网络，其中所述接口为N9接口。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述业务数据包为星上本地业务的情况下，所述UPF进行隧道封装之前，所述方法还包括：

基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR对接收到的所述业务数据包进行分类，分类包括上行数据包和下行数据包。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述数据包为上行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF基于所述PDR判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口；

若均匹配则查找指定PDR对应的指定FAR；

基于所述指定FAR对所述上行数据包添加带有目的地址的隧道头；

通过N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口的过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据包为下行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF收到下行数据包后，去除隧道头；

解析所述下行数据包的目的地址，基于所述目的地址判断是否为星上本地转发业务；

若为星上本地转发业务，则判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则；

若均满足则基于匹配的所述PDR的规则查找对应的指定FAR；

基于所述指定FAR中配置的目的地址，转发所述下行数据包至所述目的地址。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判断目的地址是否为星上本地转发业务的过程中，若非星上本地转发业务，则查找所述应用层路由表获得目的地址相关信息，对所述下行数据包添加带有目的地址的隧道头并进行发送；

若判断结果为本地用户，但判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的下行数据包。

10.一种基于星上MEC路由子系统的应用层路由转发优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

MEC路由子系统接收基于隧道的业务数据包，其中所述MEC路由子系统位于卫星上；

所述MEC路由子系统对基于隧道的所述业务数据包进行添加隧道头和去除隧道头操作，并通过星间链路和星间路由进行转发。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述MEC路由子系统在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述MEC路由子系统基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括路由子系统网关地址；

所述路由子系统网关地址配置在所述MEC路由子系统上。

12.根据权利要求10所述方法，其特征在于，MEC路由子系统接收基于隧道的业务数据包的过程中，所述基于隧道的业务数据包包括：存在隧道封装的业务数据包和未存在隧道封装的业务数据包。

13.根据权利要求11或12所述方法，其特征在于，所述MEC路由子系统对基于隧道的所述业务数据包进行添加隧道头和去除隧道头操作的过程中：

对所述存在隧道封装的业务数据包，所述MEC路由子系统去除隧道头并基于所述应用层路由表通过星间链路和星间路由进行转发；

对所述未存在隧道封装的业务数据包，所述MEC路由子系统添加隧道头并基于所述应用层路由表通过星间链路和星间路由进行转发，其中所述去除隧道头和添加隧道头基于隧道协议。

14.根据权利要求10所述方法，其特征在于，所述MEC路由子系统通过星间链路和星间路由转发业务数据包之前，所述方法还包括：

基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR对接收到的所述业务数据包进行分类，分类包括上行数据包和下行数据包。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，

所述MEC路由子系统对所述上行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到上行数据包后去掉隧道头，并将所述上行数据包通过星间链路和星间路由进行转发。

16.根据权利要求11或14所述的方法，其特征在于，所述MEC路由子系统对所述下行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到下行数据包后去掉隧道头，基于所述下行数据包，查询所述应用层路由表，获取对应的目的地址；

所述MEC路由子系统对下行数据包添加带有目的地址的隧道头；

所述MEC路由子系统将封装后的下行数据包通过星间链路和星间路由进行转发。

17.一种基于星上MEC业务应用系统的应用层路由转发优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述MEC业务应用系统接收到业务数据包，其中所述MEC业务应用系统位于卫星上；

所述MEC业务应用系统对所述业务数据包进行处理，处理完成后通过星间链路和星间路由转发所述业务数据包。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述MEC业务应用系统在转发和接收所述业务数据包时包括：

获取应用层路由表，所述应用层路由表配置在卫星上；

所述MEC业务应用系统基于所述应用层路由表进行所述业务数据包的转发和接收，其中，所述应用层路由表包括业务应用系统网关地址；

所述业务应用系统网关地址配置在所述MEC业务应用系统上。

19.一种星上应用层路由转发优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建卫星组网，所述卫星组网包括若干个终端和若干个卫星，每个所述卫星均包括基站和用户面网元UPF，所述卫星组网中还包括MEC路由子系统和MEC业务应用；

第一终端将数据包发送到第一卫星，所述第一卫星通过基站接收，并将所述数据包发送到UPF，所述UPF对所述数据包进行隧道封装并发送到所述MEC路由子系统，然后递交给MEC业务应用；

所述MEC业务应用响应终端数据包后，将响应数据包发送给MEC路由子系统。

所述MEC路由子系统进行解封并对所述数据包进行处理，处理完成后所述MEC路由子系统将处理后的数据包进行所述隧道封装，并发送到目标卫星的UPF；

所述目标卫星的UPF对所述处理后的数据包解封，将所述处理后的数据包通过目标卫星的基站发送到目标终端。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述UPF和所述MEC路由子系统均配置有应用层路由表，所述UPF与所述MEC路由子系统基于所述应用层路由表进行数据包的发送和接收；其中所述应用层路由表包括：终端IP地址池和应用层路由网关，其中所述终端IP地址池获得的方法为：所述UPF对所述终端分配IP地址。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述UPF对所述数据包进行隧道封装并发送到所述MEC路由子系统的过程中，所述UPF对所述数据包进行隧道封装之后，采用了N6增强接口转发，通过星间链路发送到所述MEC路由子系统,最后递交给MEC业务应用系统。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述UPF和所述MEC路由子系统对所述数据包进行传输的方法为：基于隧道协议和应用层路由表对数据包进行隧道封装，通过所述星间链路进行传输；所述隧道封装的方法为：对发送的数据包，添加隧道头后进行发送；对接收的数据包，接收后去除所述隧道头。

23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述UPF发送数据包的过程中，基于包检测规则PDR和转发行为规则FAR判断所述数据包的类别，所述类别包括：上行数据包、下行数据包，所述数据包为上行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF基于所述PDR判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口；

若均匹配则查找指定PDR对应的指定FAR；

基于所述指定FAR对所述上行数据包添加带有目的地址的隧道头；

通过N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，判断所述上行数据包是否匹配PDR指定协议、是否匹配PDR指定IP、是否匹配PDR指定端口的过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的上行数据包。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述数据包为下行数据包时，所述UPF的处理过程为：

所述UPF收到下行数据包后，去除隧道头；

解析所述下行数据包的目的地址，基于所述目的地址判断是否为本地用户；

若为本地用户，则判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则；

若均满足则基于匹配的所述PDR的规则查找对应的指定FAR；

基于所述指定FAR中配置的目的地址，转发所述下行数据包至所述目的地址。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述判断目的地址是否为星上本地转发业务的过程中，若非星上本地转发业务，则查找所述应用层路由表获得目的地址相关信息，对所述下行数据包添加带有目的地址的隧道头并进行发送；

若判断结果为星上本地转发业务，但判断所述下行数据包的通信协议类型、目的地址、源地址、源端口和目的端口是否匹配所述PDR的规则过程中，出现否的次数大于等于一次时，则查找默认规则对应的默认FAR，基于所述默认FAR添加带有目的地址的隧道头，通过所述N6接口发送添加了所述隧道头的下行数据包。

27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述MEC路由子系统对所述上行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置UPF与所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到上行数据包后去掉隧道头，并将所述上行数据包转发至MEC业务应用系统。

28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述MEC路由子系统对所述下行数据包进行处理的过程为：

所述MEC路由子系统预配置UPF与所述应用层路由表；

所述MEC路由子系统收到下行数据包后去掉隧道头，基于所述下行数据包，查询所述UPF和所述应用层路由表，获取对应的目的地址；

所述MEC路由子系统对下行数据包添加带有目的地址的隧道头；

所述MEC路由子系统将封装后的下行数据包转发至对应UPF。

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