CN114374964A - 一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法。包括以下步骤:步骤1,QoS流建立流程,步骤2,使用DPDK处理数据报文流程,本发明的有益效果是:实现了一种基于3GPP标准的QoS流实现方法;本发明所述方法通过对用户面数据报文的匹配、识别、调度实现了QoS流的最大比特率、包速率的基本功能。
Description
技术领域
本发明属于5G通信技术领域,具体涉及一种基于DPDK的5G用户面功能(UPF)QoS(服务质量)流实现方法。
背景技术
3GPP(The 3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)成立于1998年12月,联合七个电信标准开发组织(ARIB、ATIS、CCSA、ETSI、TSDSI、TTA、TTC),被称为“组织合作伙伴”,并为其成员提供稳定的环境来制作报告以及定义3GPP技术的规范,从3GPP第15版开始,制定了5G相关协议标准。DPDK是INTEL公司开发的一款高性能的网络驱动组件,能够为数据面应用程序提供一个简单方便的、完整的、快速的数据包处理解决方案,特别适合用作对性能和延时有高要求的5GC数据平面的底层转发平台。
发明专利公开号CN105897698B公开了一种基于QoS的多流的视频会议系统和控制方法,包括媒体转发服务器和视频终端;媒体转发服务器包括服务器视频流接收端、服务器视频流存储模块、服务器传出流模块、服务器视频流发送端、服务器Qos收发模块和服务器Qos分析判断模块,视频终端包括终端视频流发送模块、终端视频流接收模块和终端Qos信息模块。
在4G LTE时代,核心网是通过服务网关SGW及PGW网元共同完成用户面网络功能的,核心网会为用户在基站和Internet之间建立EPS(演进的分组系统)承载,每个EPS承载与用户面的S1U-GTPU隧道是一一对应的关系,也就是说用户创建的EPS承载只有一种QoS(服务质量)策略,用户面流量控制不够灵活。
到了5GC时代,核心网通过UPF(用户面功能)网元实现用户面网络功能,并且重新设计了基于QoS流的QoS模型,QoS流是PDU(协议数据单元)会话中最精细的QoS区分粒度,一个PDU(协议数据单元)会话能够为用户创建多个不同的用户面隧道,每个用户面隧道都有自己的QoS流,从而实现对用户面数据的精细管理,5GC的QoS模型支持不同的QoS策略,适用于不同的用户场景。
3GPP标准中虽然制定了QoS模型,但没有给出相应的算法,由于通过不同的算法实现QoS会对用户面的传输能力造成影响,所以一种优秀的QoS算法对于5GC来说是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法。
本发明所述方法包括以下步骤:
步骤1,QoS流建立流程:
步骤1.1,终端通过基站向核心网发起PDU会话建立过程,消息中携带SUPI(用户身份标志符)、PDU会话Id(标识)、PDU会话类型及基站侧隧道端点标识(TEID)参数;
步骤1.2,核心网根据用户SUPI查找用户签约地址信息、签约QoS信息,并结合用户携带的PDU会话Id、PDU会话类型信息,向UPF发送PDU会话建立请求消息,消息中携带PDU会话信息,包括PDU会话Id、PDU会话类型;PDR信息,包括用户地址、报文五元组;转发动作规则FAR信息,基站侧隧道端点标识(TEID),转发规则;服务质量应用规则(QER)信息,包括服务质量应用规则标识(QER Id)、门限规则(Gate Status)、最大比特率(MBR)、保证比特率(GBR)、包速率(Packet Rate);
步骤1.3,UPF网元收到核心网发来PDU会话建立请求消息,解码得到用户的PDU会话信息,包括检测规则(PDR)信息,转发动作规则(FAR)信息及服务质量应用规则(QER)信息,UPF将核心网带来的上述信息分别保存到不同的上下文链表中,包括PDR上下文、FAR上下文、QER上下文;
步骤1.4,UPF网元将QER信息按照DPDK三色算法所需格式进行填充,并缓存到Policer链表中,进行如下处理:
将QER信息中的最大比特率转换填充至承诺速率(CIR)的Kbps;
将QER信息中的包速率填充至承诺速率的pps;
将Conform Action设置为允许通过;
将Exceed Action设置为丢弃;
将Violate Action设置为丢弃;
步骤1.5,UPF网元处理PDU会话建立请求消息成功后,给核心网返回PDU会话建立响应消息,Cause(原因值)值填写为成功,并在响应消息中携带用户面隧道UPF侧的TEID;
步骤1.6,核心网收到UPF返回PDU会话建立响应消息,将消息中的UPF侧TEID通过N2口消息带给基站,N2口是指核心网与基站之间的控制面接口;
步骤2,使用DPDK处理数据报文流程:
步骤2.1,终端通过基站向核心网发送数据报文;
步骤2.2,UPF网元使用DPDK的报文接收(rte_eth_rx_brust)接口从网卡接收到数据报文,并解码报文的2层3层协议,校验报文是否发送给本网元,当报文是发给本网元,则继续步骤2.3,否则丢弃;
步骤2.3,UPF根据对端Ip地址查找会话上下文链表,得到用户PDU会话上下文,并继续解码4层协议,判断是否是分组数据GTPU报文,当是GTPU报文则解码得到TEID值,继续步骤2.4,否则丢弃;
步骤2.4,UPF根据PDU会话上下文关联的FAR链表中判断TEID值是否匹配,当TEID值匹配,则继续步骤2.5,否则丢弃;
步骤2.5,UPF剥离掉数据报文的GTPU头,继续解码3层4层协议,并根据用户Ip地址、报文五元组查找PDR上下文链表,校验是否能匹配得到用户的PDR上下文,当查找PDR上下文成功,则继续步骤2.6,否则丢弃;
步骤2.6,UPF根据PDR上下文关联的QER上下文最终找到用户的策略(Policer)值,UPF将数据报文长度及策略(Policer)值调用DPDK三色算法接口进行计算,并根据DPDK计算反馈的结果进行如下的分类判断处理:
返回结果是Conform Action,则允许报文通过;
返回结果是Exceed Action,则丢弃报文;
返回结果是Violate Action,则丢弃报文;
步骤2.7,UPF根据报文的目的Ip查找路由表,得到目的地址的媒体存取控制地址(Mac)并封装用户面数据报文的二层协议;
步骤2.8,UPF通过DPDK的报文发送(rte_eth_tx_brust)接口将用户面数据报文发送至DN,DN是指互联网公用网络。
本发明的有益效果是:
1、本发明所述方法实现了一种基于3GPP标准的QoS流实现方法;
2、本发明所述方法通过对用户面数据报文的匹配、识别、调度实现了QoS流的最大比特率、包速率的基本功能。
附图说明
图1是本发明所述方法中的系统的示意图;
图2是本发明所述方法中的5G-UPF QoS流建立流程图;
图3是本发明所述方法中使用DPDK处理数据报文流程图;
图4是本发明所述方法的实施案例示意图;
图5是本发明所述方法在矿用通信领域中的一种基于业务需求的建立带MBR的PDU会话流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述,需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请的实施例及实施例中的特征能够相互组合。
本发明所述方法包括以下步骤:
如图2所示,步骤1,QoS流建立流程:
步骤1.1,终端通过基站向核心网发起PDU会话建立过程,消息中携带SUPI(用户身份标志符)、PDU会话Id(标识)、PDU会话类型及基站侧隧道端点标识(TEID)参数;
步骤1.2,核心网根据用户SUPI查找用户签约地址信息、签约QoS信息,并结合用户携带的PDU会话Id、PDU会话类型信息,向UPF发送PDU会话建立请求消息,消息中携带PDU会话信息,包括PDU会话Id、PDU会话类型;PDR信息,包括用户地址、报文五元组;转发动作规则FAR信息,基站侧隧道端点标识(TEID),转发规则;服务质量应用规则(QER)信息,包括服务质量应用规则标识(QER Id)、门限规则(Gate Status)、最大比特率(MBR)、保证比特率(GBR)、包速率(Packet Rate);
步骤1.3,UPF网元收到核心网发来PDU会话建立请求消息,解码得到用户的PDU会话信息,包括检测规则(PDR)信息,转发动作规则(FAR)信息及服务质量应用规则(QER)信息,UPF将核心网带来的上述信息分别保存到不同的上下文链表中,包括PDR上下文、FAR上下文、QER上下文;
步骤1.4,UPF网元将QER信息按照DPDK三色算法所需格式进行填充,并缓存到Policer链表中,进行如下处理:
将QER信息中的最大比特率转换填充至承诺速率(CIR)的Kbps;
将QER信息中的包速率填充至承诺速率的pps;
将Conform Action设置为允许通过;
将Exceed Action设置为丢弃;
将Violate Action设置为丢弃;
步骤1.5,UPF网元处理PDU会话建立请求消息成功后,给核心网返回PDU会话建立响应消息,Cause(原因值)值填写为成功,并在响应消息中携带用户面隧道UPF侧的TEID;
步骤1.6,核心网收到UPF返回PDU会话建立响应消息,将消息中的UPF侧TEID通过N2口消息带给基站,N2口是指核心网与基站之间的控制面接口;
如图3所示,步骤2,使用DPDK处理数据报文流程:
步骤2.1,终端通过基站向核心网发送数据报文;
步骤2.2,UPF网元使用DPDK的报文接收(rte_eth_rx_brust)接口从网卡接收到数据报文,并解码报文的2层3层协议,校验报文是否发送给本网元,当报文是发给本网元,则继续步骤2.3,否则丢弃;
步骤2.3,UPF根据对端Ip地址查找会话上下文链表,得到用户PDU会话上下文,并继续解码4层协议,判断是否是分组数据GTPU报文,当是GTPU报文则解码得到TEID值,继续步骤2.4,否则丢弃;
步骤2.4,UPF根据PDU会话上下文关联的FAR链表中判断TEID值是否匹配,当TEID值匹配,则继续步骤2.5,否则丢弃;
步骤2.5,UPF剥离掉数据报文的GTPU头,继续解码3层4层协议,并根据用户Ip地址、报文五元组查找PDR上下文链表,校验是否能匹配得到用户的PDR上下文,当查找PDR上下文成功,则继续步骤2.6,否则丢弃;
步骤2.6,UPF根据PDR上下文关联的QER上下文最终找到用户的策略(Policer)值,UPF将数据报文长度及策略(Policer)值调用DPDK三色算法接口进行计算,并根据DPDK计算反馈的结果进行如下的分类判断处理:
返回结果是Conform Action,则允许报文通过;
返回结果是Exceed Action,则丢弃报文;
返回结果是Violate Action,则丢弃报文;
步骤2.7,UPF根据报文的目的Ip查找路由表,得到目的地址的媒体存取控制地址(Mac)并封装用户面数据报文的二层协议;
步骤2.8,UPF通过DPDK的报文发送(rte_eth_tx_brust)接口将用户面数据报文发送至DN,DN是指互联网公用网络。
如图1所示:终端是指无线接入的5G终端;终端在成功附着到5GC网络后,完成注册;终端能够根据业务需要发起业务请求;终端需要支持将上层的应用数据匹配至不同的QoS流并映射至不同的无线资源。
基站在终端和核心网间转发请求和响应消息,实现空口的消息交互,基站不需要做额外的修改,对业务实现仅作透传处理。
终端附着和集群注册后,核心网根据用户签约信息为用户建立特定的会话上下文,转发规则,QoS流,并将相关信息发送给UPF网元,请求UPF网元为终端建立用户面传输隧道。
UPF负责根据核心网传递过来的会话上下文转发规则,QoS流为终端建立用户面传输隧道并转发或丢弃终端用户面数据报文。
经过UPF网元QoS处理的用户面数据报文将与DN进行交互,DN不需要做修改。
如图4所示,在某矿用通信5GC网络,为了保障矿工生产过程中的实时通信,需要对矿用无线终端(全体终端或部分终端)建立带MBR的PDU会话,通过带MBR的PDU会话方式实现终端的语音的业务,对数据业务的传输进行一定的限速,防止终端占用过高的基站带宽,能够有效保障在网络繁忙时的语音业务的质量,更好保障矿井通信业务传输。
在无线通信网络中,基站带宽资源是有限的,需要对于过高的用户面流量进行限速,例如,根据用户签约的MBR属性对用户的流量进行限速,根据用户签约的包速率对用户的报文数量进行限制。
如图5所示,核心网基于签约的用户不同MBR对用户面流量进行管理,包括以下步骤:
步骤101,终端注册成功;
步骤202,终端在5GC核心网建立PDU会话成功;
步骤303,核心网为用户建立MBR的QER策略;
步骤404,用户发起高流量的业务;
步骤505,核心网发现终端进行了高流量的业务,根据用户报文查找QER策略;
步骤606,核心网根据用户签约的MBR对用户流量进行限速。
本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书界定。
Claims (3)
1.一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,QoS流建立流程;
步骤2,使用DPDK处理数据报文流程。
2.根据权利要求1所述的一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法,其特征在于,所述步骤1包括以下步骤:
步骤1.1,终端通过基站向核心网发起PDU会话建立过程,消息中携带SUPI、PDU会话Id、PDU会话类型及基站侧隧道端点标识参数;
步骤1.2,核心网根据用户SUPI查找用户签约地址信息、签约QoS信息,并结合用户携带的PDU会话Id、PDU会话类型信息,向UPF发送PDU会话建立请求消息,消息中携带PDU会话信息,包括PDU会话Id、PDU会话类型;PDR信息,包括用户地址、报文五元组;转发动作规则FAR信息,基站侧隧道端点标识,转发规则;服务质量应用规则信息,包括服务质量应用规则标识、门限规则、最大比特率、保证比特率、包速率;
步骤1.3,UPF网元收到核心网发来PDU会话建立请求消息,解码得到用户的PDU会话信息,包括检测规则信息,转发动作规则信息及服务质量应用规则信息,UPF将核心网带来的上述信息分别保存到不同的上下文链表中,包括PDR上下文、FAR上下文、QER上下文;
步骤1.4,UPF网元将QER信息按照DPDK三色算法所需格式进行填充,并缓存到Policer链表中,进行如下处理:
将QER信息中的最大比特率转换填充至承诺速率的Kbps;
将QER信息中的包速率填充至承诺速率的pps;
将Conform Action设置为允许通过;
将Exceed Action设置为丢弃;
将Violate Action设置为丢弃;
步骤1.5,UPF网元处理PDU会话建立请求消息成功后给核心网返回PDU会话建立响应消息,Cause值填写为成功,并在响应消息中携带用户面隧道UPF侧的TEID;
步骤1.6,核心网收到UPF返回PDU会话建立响应消息,将消息中的UPF侧TEID通过N2口消息带给基站,N2口是指核心网与基站之间的控制面接口。
3.根据权利要求1所述的一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法,其特征在于,所述步骤2包括以下步骤:
步骤2.1,终端通过基站向核心网发送数据报文;
步骤2.2,UPF网元使用DPDK的报文接收接口从网卡接收到数据报文,并解码报文的2层3层协议,校验报文是否是发送给本网元,当报文是发给本网元,则继续步骤2.3,否则丢弃;
步骤2.3,UPF根据对端Ip地址查找会话上下文链表,得到用户PDU会话上下文,并继续解码4层协议,判断是否是分组数据GTPU报文,当是GTPU报文则解码得到TEID值,继续步骤2.4,否则丢弃;
步骤2.4,UPF根据PDU会话上下文关联的FAR链表中判断TEID值是否匹配,当TEID值匹配,则继续步骤2.5,否则丢弃;
步骤2.5,UPF剥离掉数据报文的GTPU头,继续解码3层4层协议,并根据用户Ip地址、报文五元组查找PDR上下文链表,校验是否能匹配得到用户的PDR上下文,当查找PDR上下文成功,则继续步骤2.6,否则丢弃;
步骤2.6,UPF根据PDR上下文关联的QER上下文最终找到用户的策略值,UPF将数据报文长度及策略值调用DPDK三色算法接口进行计算,并根据DPDK计算反馈的结果进行如下的分类判断处理:
返回结果是Conform Action,则允许报文通过;
返回结果是Exceed Action,则丢弃报文;
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