CN114374964B

CN114374964B - 一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法

Info

Publication number: CN114374964B
Application number: CN202111572384.0A
Authority: CN
Inventors: 张功勤
Original assignee: Beijing Changkun Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Changkun Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: CN114374964A

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

一种基于DPDK的5G用户面功能QoS流实现方法

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：

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；

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2.4，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；

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；

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

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：

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2.6，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；

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的报文发送接口将用户面数据报文发送至DN，DN是指互联网公用网络。

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；

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。