CN117081989A - 一种5g lan网络中多协议标签交换方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种5G LAN网络中多协议标签交换方法及系统，使得UPF支持基于多协议标签交换技术的数据传输服务，同时在5G LAN网络中提供一种类似于MPLS L2VPN的服务，支持5G LAN网络中5G LAN组的双层标签交换。该方法包括源发送端向PMF发送LSP请求，PMF根据请求和获取到的用户平面功能特性和UPF信息执行LSP规划，并通过标签分发过程将标签分发给UPF，UPF基于外层标签执行标签转发过程，基于内层标签识别相应的5G LAN组，以实现不同5G LAN组复用相同LSP，保障了5G LAN组间通信的安全性和隔离性。本发明通过对5G核心网用户平面功能的增强，扩展UPF的数据包路由和转发能力，使得5G LAN网络内部也支持多协议标签交换，实现5G LAN网络与现有支持多标签交换的局域网无缝融合。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术领域，更具体地，涉及一种5G LAN网络中多协议标签交换方法及系统。
背景技术
在5G网络里，管理者可以修改用户数据库中的数据，对指定的终端进行业务签约，从而把它们分入相同或不同的VN Group(Virtual Network Group，虚拟网络群组)。用户数据库会向5G核心网的管理网元(SMF、AMF、PCF等)提供终端的VN群组信息，以及访问策略。管理网元基于这些信息和策略规则，将它们组成了不同的LAN。5G LAN网络通过引入5G LANVN组管理实现与普通用户的隔离和灵活性管理，支持二层、三层点到点及点到多点的通信模式。
而多协议标签交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)技术一种基于标签的转发技术，不同于传统IP的面向无连接转发，MPLS的标签交换机制建立了一种面向连接的数据转发路径，通过控制标签路径的建立控制数据的转发路径。路由或交换设备不再需要查看每个报文的目的IP地址，只需要根据封装在IP头外面的标签进行转发即可。基于多协议标签交换技术的数据传输不仅提高了转发效率，而且节省了各个转发节点的内存资源，其仅需要维护一张标签转发表。
考虑到实际5G LAN的应用场景中，无论是面向家庭、企业或工业自动化领域，现有传统网络中仍存在许多传统交换机或路由设备支持多协议标签交换技术，而现阶段5G LAN网络中暂未能提供多协议标签交换服务。因此，为实现5G LAN与现有外部网络的无缝融合，需要在5G LAN网络中对网络功能进行增强，使得5G LAN网络除支持二层、三层通信模式外，还支持基于多协议标签交换技术的数据传输模式。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种5G LAN网络中多协议标签交换方法及系统，用于进一步扩展UPF的数据包路由和转发能力，使得5G LAN网络内部也支持多协议标签交换，实现5G LAN网络与现有支持多标签交换的外部网络无缝融合。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，一种5G LAN网络中多协议标签交换方法，包括以下步骤：
源发送端向会话管理功能PMF发送标签交换路径LSP请求消息，并由SMF将LSP请求消息转发至路径管理功能PMF；
PMF根据LSP请求消息，结合网络状态信息，完成LSP规划，配置用户平面路径；
PMF根据LSP规划通过标签分发过程将标签分发给用户平面功能UPF；所述标签用于在5G LAN网络中执行多协议标签转发过程，包含内外双层标签，其中外层标签用于UPF间转发，内层标签用于区分来自不同5G LAN组的数据；
UPF维护标签信息，所述标签信息包含标签转发表和组标签映射表，其中当且仅当所述UPF处于入口节点或出口节点时需要维护组标签映射表，其余UPF仅需维护标签转发表；
PMF向源发送端返回LSP响应消息，所述LSP响应消息由SMF转发至源发送端；
UPF根据标签信息执行标签转发过程；在所述标签转发过程中，入口节点需要为数据帧添加双层标签，并根据标签转发表和组标签映射表配置标签头部，中间节点根据外层标签直接标签交换，出口节点根据标签转发表和组标签映射表将数据转发至相应5GLAN组的目的地。
作为优选，PMF接收到LSP请求消息后，获取用户平面功能特征信息，根据用户平面功能特征信息判断是否存在具备多协议标签交换能力的UPF，若存在，则进行LSP规划；否则，向源发送端发送LSP拒绝消息。
作为优选，所述用户平面功能特征信息通过以下步骤获得：
PMF向SMF发送用户平面功能特征信息获取请求；由SMF向网络存储功能NRF发送NF/NF服务发现请求；
根据期望的NF/NF服务的配置文件和NF服务消费者的类型，NRF决定是否允许SMF发现期望的NF实例；如果允许，NRF将确定一组符合的NF实例，并发送这些实例的NF配置文件；
SMF向从NRF处获知的UPF发送特征信息获取请求；
UPF接收到特征信息获取请求后向SMF发送特征信息获取响应；
最终SMF将所获得的所有用户平面功能特征信息通过用户平面特整信息获取响应发送给PMF；
或PMF可通过订阅用户平面路径或UPF选择相关事件通知获取所述用户平面功能特征信息。
作为优选，所述LSP规划过程包括以下步骤：
PMF根据获取的所有具备多协议标签交换能力的UPF实例信息构建UPF网络模型；所述UPF网络模型根据UPF配置文件中的接口信息完成构建，用于完成LSP规划；
判断可用的UPF数量，若存在最短路径包含的UPF数量小于2，则PMF通过SMF向源发送端发送LSP拒绝消息，并指示该数据传输可直接使用基于Local Switch或N19转发模式完成，不再执行后续步骤；
根据LSP请求消息及UPF配置文件，确定连接源发送端和目的接收端的唯一的入口节点和出口节点；若存在多个可选的UPF，则以UPF的容量和负载为约束条件，选出可用的UPF，并以最小化流量交付距离为目标，建立最优UPF节点选择模型，选定最优入口或出口节点UPF；
在入口节点和出口节点之间，计算出所有UPF间的流量转发距离，建立以最小化总流量转发距离为目标的最优LSP选择模型；利用最优LSP选择模型确定最优LSP，完成LSP规划。
作为优选，所述标签分发过程包括以下步骤：
PMF向SMF发送标签映射请求消息；所述标签映射请求消息用于PMF向SMF请求为相应的UPF分发标签；
SMF向UPF发送标签映射消息；所述标签映射消息用于将PMF分发的标签发送至UPF，包含标签转发表的表项和组标签映射表的表项信息；
UPF向SMF响应标签接受消息；所述标签接受消息用于表示UPF已经配置完成标签信息；
SMF向PMF发送标签映射完成消息；所述标签映射完成消息用于告知PMF已将当前分配的标签发送并配置到相应的UPF。
作为优选，所述标签转发表中存储用于指示每个UPF执行标签转发过程的标签信息，具体包含转发等价类及其对应的入/出标签和入/出接口；所述组标签映射表中存储能够唯一标识不同5G LAN组数据流的标识符和内层标签的值及映射关系；所述能够唯一标识不同5G LAN组数据流的标识符包括5G LAN组标识符、数据帧中的VLAN ID、QoS保障数据流中的QFI。
作为优选，所述标签转发过程包括以下步骤：
步骤a，判断当前接收到数据的UPF在LSP中所处的位置，是否为标签中交换域内的入口或出口节点，若为入口节点则跳转至步骤b，若为出口节点则跳转至步骤c，否则跳转至步骤d；
步骤b，作为标签交换域内入口节点的UPF根据组标签映射表为不同5G LAN组的数据流创建并配置内层标签头部；在添加完内层标签头部后，根据标签转发表添加外层标签，所述外层标签用于完成UPF之间基于标签的转发，然后跳转至步骤e；
步骤c，作为标签交换域内出口节点的UPF首先从接收到的数据中获取内层标签值，并查询组标签映射表，获知数据出口；根据PMF配置参数移除内外层标签，并将数据转发至查询获得的数据出口，即将所属5G LAN组的数据发送至相应的5G LAN组成员，然后跳转至步骤e；
步骤d，作为标签交换域内其他节点的UPF直接根据标签转发表更新外层标签头部的各字段参数；
步骤e，将处理后的数据发送至下一节点或目的地。
进一步地，所述5G LAN网络中多协议标签交换方法，还包括判断是否触发了标签释放过程，若触发了标签释放过程，UPF执行标签释放过程；其中标签释放过程的触发条件包括：
LSP请求消息更新，发送标签映射的UPF不再是映射的FEC的下一跳，此时SMF发起标签释放请求；
长时间无数据传输服务，等待时间大于阈值T时则释放标签，UPF主动发起标签释放请求；
UPF不再具备多协议标签交换能力时，主动发起标签释放请求，释放所持标签。
作为优选，所述标签释放过程支持两种模式，由PMF发起或由UPF发起，包括以下步骤：
若发起方为PMF，则PMF向SMF发起标签释放请求，由SMF向UPF发送标签释放消息，所述标签释放消息用于表示UPF无需继续保持所述标签，可以释放标签占用的资源；UPF回复标签释放确认消息，SMF向PMF发送标签释放响应；
若发起方为UPF，则UPF直接向SMF发送标签释放消息，SMF将标签释放消息转发至PMF；PMF向SMF回复标签释放响应，SMF再向UPF发送标签释放确认消息。
第二方面，一种实现所述方法的5G LAN网络中多协议标签交换系统，包括位于路径管理功能PMF的信息交互模块、LSP规划模块以及标签分发模块；
所述信息交互模块，用于完成模块间通信以及网络中信息交互，负责通过会话管理功能与源发送端交互，获取用户平面特征信息，发送标签信息；或将获取到的用户平面功能特征信息发送至LSP规划模块，并从LSP规划模块获取LSP规划结果；或将标签分发模块分配、更新或删除的标签信息发送至信息交互模块，再由所述信息交互模块发送至会话管理功能；
所述LSP规划模块，用于执行LSP规划，负责根据LSP请求信息、UPF数量、UPF能力信息执行LSP规划，为源发送端配置最优路径；
所述标签分发模块，用于向用户平面功能分配标签，使得UPF可以基于所述标签完成标签转发过程，最终完成5G LAN通信。
有益效果：本发明提供一种5G LAN网络中多协议标签交换方法及系统，通过对5G核心网用户平面功能的增强，使得5G LAN网络内部也支持多协议标签交换，实现5GLAN网络与现有支持多标签交换的局域网无缝融合。本发明进一步增强了5G LAN网络的分组交换能力，在5G LAN网络中有效构建出MPLS L2VPN网络，提高5G LAN组通信的安全性和隔离性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种5G LAN网络中多协议标签交换方法执行流程图；
图2为本发明实施例提供的一种5G LAN网络中多协议标签交换方法信令示意图；
图3为本发明实施例提供的一种UPF网络模型示意图；
图4为本发明实施例提供的一种标签分发过程示意图；
图5为本发明实施例提供的一种标签转发过程示意图；
图6为本发明实施例提供的一种5G LAN网络中多协议标签交换系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作更进一步的说明。这些实施例仅用于更好地阐述本发明，而不用于限制本发明的范围。在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施例公开了一种5G LAN网络中多协议标签交换方法，使得UPF支持基于多协议标签交换技术的数据传输服务，同时在5G LAN网络中提供一种类似于MPLS L2VPN的服务，支持5G LAN网络中5G LAN组的双层标签交换。该方法主要包括：源发送端通过会话管理功能向路径管理功能PMF发送标签交换路径LSP请求消息；PMF根据LSP请求消息，结合网络状态信息完成LSP规划；PMF根据LSP规划通过标签分发过程将标签分发给用户平面功能UPF；UPF维护标签信息；PMF向源发送端返回LSP响应消息；UPF根据标签信息执行标签转发过程。
当存在使用多协议标签交换方法实现的5G LAN组通信，UE/CPE或网络有5G LAN组通信需求时，详细执行过程如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1，处于相同或不同5G LAN组的源发送端向SMF发送LSP(Label Switch Path，标签交换路径)请求消息，并由SMF将LSP请求消息转发至PMF，所述LSP请求消息包含但不限于源发送端IP/MAC地址，目的端组成员标识符、转发时延、QoS需求等。
步骤2，路径管理功能PMF获取用户平面功能特征信息，所述用户平面功能特征信息表示用户平面功能所具备的能力和支持的功能。
步骤3，根据用户平面功能特征信息判断是否存在具备多协议标签交换能力的UPF。若存在具备多协议标签交换能力的UPF则跳转至步骤4，否则跳转至步骤11。
步骤4，根据所述LSP建立请求消息，结合从核心网网元中获取的网络状态信息，完成标签交换路径(Label Switch Path，LSP)的规划和资源分配。所述标签交换路径用于执行多协议标签转发过程，使得每次交换无需查看每个报文的目的地址，只需要根据封装的标签进行转发，免去了查找路由表/MAC地址转发表的过程，节约了处理时间。
步骤5，根据LSP规划，进行标签分发和资源配置。所述标签分发过程，用于向用户平面功能分发标签。所述标签用于在5G LAN网络中执行多协议标签转发过程，包含内外双层标签，其中外层标签用于UPF间转发，内层标签用于区分来自不同5G LAN组的数据，从而实现组与组之间的数据隔离。
步骤6，用户平面功能UPF维护标签信息。所述标签信息包含标签转发表和组标签映射表，其中当且仅当所述UPF处于入口节点或出口节点时需要维护组标签映射表，其余UPF仅需维护标签转发表。
步骤7，路径管理功能PMF通过SMF向源发送端返回LSP响应消息。所述LSP响应消息，用于通知源发送端，已完成标签交换路径的建立和资源配置，可以开始传输数据。
步骤8，UPFs根据标签信息执行标签转发过程。在所述标签转发过程中，入口节点UPF需要为数据帧添加双层标签，并根据标签转发表和组标签映射表配置标签头部，中间节点根据外层标签直接标签交换，出口节点根据标签转发表和组标签映射表将数据转发至相应5G LAN组的目的地。
步骤9，判断是否触发了标签释放过程，若触发了标签释放过程则跳转至步骤10，否则跳转至步骤11。
步骤10，UPF执行标签释放过程，释放标签所占用的资源。然后跳转至步骤12。
步骤11，PMF通过SMF向发送端发送LSP拒绝消息。
步骤12，等待下一个LSP请求消息，若还有未处理的LSP请求则跳转至步骤1。
步骤2中的用户平面功能特征信息通过以下步骤获得：
步骤2.1，PMF向SMF发送用户平面功能特征信息获取请求；由SMF向网络存储功能NRF发送NF/NF服务发现请求；
步骤2.2，根据期望的NF/NF服务的配置文件和NF服务消费者的类型，NRF决定是否允许SMF发现期望的NF实例；如果允许，NRF将确定一组符合的NF实例，并发送这些实例的NF配置文件；
步骤2.3，SMF向从NRF处获知的UPF发送特征信息获取请求；
步骤2.4，UPF接收到特征信息获取请求后向SMF发送特征信息获取响应；
步骤2.5，最终SMF将所获得的所有用户平面功能特征信息通过用户平面特整信息获取响应发送给PMF。
或PMF可通过订阅用户平面路径或UPF选择相关事件通知获取所述用户平面功能特征信息。
步骤4中的LSP规划过程包括以下步骤：
步骤4.1，PMF根据获取的所有具备多协议标签交换能力的UPFs实例信息构建UPF网络模型。所述UPF网络模型根据UPF配置文件中的接口信息完成构建，主要用于完成LSP规划。
步骤4.2，判断可用的UPF数量，若存在最短路径包含的UPF数量小于2，则PMF通过SMF向源发送端发送LSP拒绝消息，并指示该数据传输可直接使用基于Local Switch或N19转发模式完成。不再执行后续步骤。
步骤4.3，确定唯一的出口节点和入口节点。根据LSP请求消息及UPF配置文件，确定连接到源发送端和目的接收端的入口节点和出口节点。若仅有一个UPF连接到相应的源发送端，则直接确定为入口节点，出口节点同理。若存在多个可选的UPF，则以UPF的容量和负载为约束条件，选出可用的UPFs，并以最小化流量交付距离为目标，建立最优UPF节点选择模型，选定最优入口或出口节点UPF。
其中容量情况由UPF剩余的计算资源R(ci)表征，负载情况由UPF中剩余可用的带宽资源R(bi)表征，i表示第i个UPF，其编号可根据UPF实例标识符排序获得。所述约束条件满足[规则1]：
其中，N(c)和N(b)分别表示该LSP请求需要的计算资源和带宽资源。
若仅有一个UPF满足约束条件，则无需计算流量交付距离，可直接确定为入口或出口节点。
所述流量交付距离，表示UPF到达源发送端或目的接收端的距离。由PMF根据[规则2]：
计算，其中(x1，y1)为UPF的位置信息，(x2，y2)为源发送端的位置信息或目的接收端的位置信息。
所述最优UPF选择模型满足[规则3]：
利用最优UPF选择模型确定最优入口或出口节点UPF。
步骤4.4，确定最优LSP。在入口节点和出口节点之间，利用[规则2]计算出所有UPF间的流量转发距离，建立最小化总流量转发距离为目标的最优LSP选择模型，该模型仍以[规则1]为约束条件。所述流量转发距离表示UPF与UPF之间的距离。
所述总流量转发距离根据[规则4]：
计算，其中dj为LSP路径所经过的UPF每一段的距离，每条LSP可能包含不同数量的UPF段。利用[规则4]计算出入口节点和出口节点中所有路径的总流量转发距离。
所述最优LSP选择模型满足[规则5]：
利用最优LSP选择模型确定最优LSP，完成LSP规划。
步骤5中的标签分发过程包括以下步骤：
步骤5.1，PMF向SMF发送标签映射请求消息。所述标签映射请求消息用于PMF向SMF请求为相应的UPF分发标签，包含标签转发表的表项和组标签映射表的表项信息。
步骤5.2，SMF向UPF发送标签映射消息。所述标签映射消息用于将PMF分发的标签发送至UPF，包含标签转发表的表项和组标签映射表的表项信息。
步骤5.3，UPF向SMF响应标签接受消息。所述标签接受消息用于表示UPF已经配置完成标签信息。
步骤5.4，SMF向PMF发送标签映射完成消息。所述标签映射完成消息用于告知PMF已将当前分配的标签发送并配置到相应的UPF。
步骤8中的标签转发过程包括以下步骤：
步骤8.1，判断当前接收到数据的UPF在LSP中所处的位置，是否为标签中交换域内的入口或出口节点，若为入口节点则跳转至步骤8.2，若为出口节点则跳转至步骤8.4，否则跳转至步骤8.6。
步骤8.2，作为标签交换域内入口节点的UPF根据组标签映射表为不同5G LAN组的数据流创建并配置内层标签头部。所述组标签映射表中存储能够唯一标识不同5GLAN组数据流的标识符和内层标签的值及映射关系。所述能够唯一标识不同5G LAN组数据流的标识符可以是5G LAN组标识符、数据帧中的VLAN ID、QoS保障数据流中的QFI(QoS FlowIdentifier)等。所述内层标签头部用于区分不同5G LAN组的数据流来源，实现多个5G LAN组复用同一条传输路径，并能够准确无误的传输到属于相同5G LAN组的远端设备。
步骤8.3，在添加完内层标签头部后，根据标签转发表添加外层标签。所述外层标签用于完成UPF之间基于标签的转发。然后跳转至步骤8.7
步骤8.4，作为标签交换域内出口节点的UPF首先从接收到的数据中获取内层标签值，并查询组标签映射表，获知数据出口。
步骤8.5，根据PMF配置参数移除内外层标签，并将数据转发至查询获得的数据出口，即将所属5G LAN组的数据发送至相应的5G LAN组成员。然后跳转至步骤8.7。
步骤8.6，作为标签交换域内其他节点的UPF直接根据标签转发表更新外层标签头部的各字段参数。
步骤8.7，将处理后的数据发送至下一节点或目的地。
步骤9标签释放过程的触发条件有：
1)LSP请求消息更新，发送标签映射的UPF不再是映射的FEC(ForwardingEquivalence Class，转发等价类)的下一跳，此时PMF发起标签释放请求。
2)长时间无数据传输服务，等待时间大于T时间则释放标签，UPF主动发起标签释放请求。
3)UPF不再具备多协议标签交换能力时，主动发起标签释放请求，释放所持标签。
步骤10标签释放过程支持两种模式，由PMF发起或由UPF发起，包括以下步骤：
若发起方为PMF，则PMF向SMF发起标签释放请求，由SMF向UPF发送标签释放消息，所述标签释放消息用于表示UPF无需继续保持所述标签，可以释放标签占用的资源；UPF回复标签释放确认消息，SMF向PMF发送标签释放响应。
若发起方为UPF，则UPF直接向SMF发送标签释放消息，SMF将标签释放消息转发至PMF；PMF向SMF回复标签释放响应，SMF再向UPF发送标签释放确认消息。
为了更加清楚的说明本发明的技术方案，下面结合具体的应用示例对本发明的方法做进一步说明。
示例一
在本发明实施例中通过重用5G移动通信系统中的信令体系传递5G LAN网络中多协议标签交换方法所涉及的所有消息。如图2，UE/CPE触发上行业务传输服务，在PDU会话建立或修改过程中完成基于标签转发的5G LAN组通信。5G LAN网络中多协议标签交换方法的工作流程如下：
1.UE/CPE向SMF发送LSP请求消息，在本实施例中该消息由PDU SessionModification Request消息承载，在PDU会话更新消息中，包含源发送端IP/MAC地址，PDU会话标识符，S-NSSAI和DNN，目的端组成员标识符、转发时延、QoS需求等。SMF将LSP请求消息转发至PMF。
2.PMF向SMF发送用户平面功能特征信息请求消息，该请求用于向SMF请求网络中用户平面功能的特征信息。
3.SMF向NRF发送NF/NF服务发现请求，该请求携带SMF所期待的UPF服务名称，S-NSSAI和DNN等会话相关信息。
4.NRF根据SMF所发送的NF/NF服务发现请求，检查所有注册到NRF中UPF的配置文件，并将符合SMF需求的UPF集通过NF/NF服务发现请求响应发送给SMF。
5.SMF向所有发现的UPFs发送特征信息获取请求，该请求由PFCP AssociationSetup Request承载，其中对于UP Function Features IE进行增强，添加支持多协议标签特性的特征标志，增强的UP Function Features参照表1。
表1：增强的UP Function Features
6.UPF根据自己能力情况配置UP Function Features IE，其中当MPLS位置为“1”时，表示UPF支持5G LAN网络中的多协议标签交换方法，若为“0”则表示不具备相关能力，并向SMF发送特征信息获取响应，由PFCP Association Setup Response承载。在此实施例中，MPLS位值为“1”。
7.SMF将从所有UPFs处获取的特征信息和UPF配置文件通过用户平面功能特征信息获取响应发送至PMF。
8.PMF执行LSP规划，确定UE/CPE发起的上行传输服务等价类的标签交换路径。
9.完成LSP规划后，PMF向SMF发送标签映射请求消息，该消息携带PMF为当前请求的标签交换路径涉及的所有UPFs分配的内层和外层标签。
10.SMF向标签转发路径中涉及的UPFs发送标签映射消息，该消息由PFCP会话建立或修改请求承载，其中，针对转发行为规则(Forwarding Action Rule,FAR)中的OuterHeader Creation IE进行增强，使得该消息能够发挥标签映射消息的作用，为UPF分发标签。其中对于Outer Header Creation Description字段需要添加MPLS协议报头标志位，增强的Outer Header Creation Description字段参照表2。
表2：增强的Outer Header Creation Description字段
此外，在Outer Header Creation IE中的还需添加v-(v+3)字节的MPLS报头，其中v表示在MPLS报头之前的所有字节数。
同理，针对数据包检测规则(Packet Detection Rule,PDR)中的Outer HeaderRemoval IE进行增强，与其对应需要在Outer Header Removal Description字段添加MPLS协议报头标志位，增强Outer Header Removal Description字段参照表3。
表3：增强的Outer Header Removal Description字段
| 要从传入数据包中移除的外报头 | 取值和描述 |
| MPLS POP-POP(EMPLS和IMPLS) | 9 |
SMF根据LSP路径中UPF的上下游关系为不同的UPF分发不同的标签参数，并发送至相应的UPF。其中，为入口节点和出口UPF配置外层和内层标签。中间节点则仅需配置外层标签，即IMPLS＝“0”。
11.UPFs向SMF回复标签接受消息，该消息由PFCP会话建立或修改响应承载。
12.SMF向PMF发送标签映射完成消息，该消息用于通知PMF已将所有分配的标签分发给相应的UPF。
13.UPFs维护各自的标签信息，其中作为入口节点和出口节点的UPF需要根据外层标签维护标签转发表，根据内层标签维护组标签映射表；作为中间节点的UPF仅需要根据外层标签维护标签转发表即可。
14.PMF通过SMF向UE/CPE发送LSP响应，表示整个LSP已完成建立，可以开始传输数据，该消息可由PDU会话接受请求承载。
15.UE/CPE发送上行数据，入口节点UPF基于组标签映射表为数据帧添加内层MPLS，并基于标签转发表添加外层MPLS；中间节点根据标签转发表执行外层标签的更新；出口节点拆除外层标签，并基于组标签映射表将数据发送至目的接收端。
16.此时UPF等待接收数据，长时间无数据传输，UPF主动标签释放消息，该消息由PFCP Session Modification Request承载。
17.SMF将UPF所发送的标签释放消息发送至PMF。
18.PMF向SMF回复标签释放响应消息，该消息用于表示PMF已知晓当前可被回收的Label以及该标签相关的映射。
19.SMF向UPF发送标签释放确认消息，该消息由PFCP Session ModificationResponse承载。
示例二
结合图3实施例，对5G LAN网络中多协议标签交换方法中PMF中执行的LSP规划过程进行详细阐述。
在5G LAN网络中UE/CPE1和UE/CPE3被配置为5G LAN VN1的成员；UE/CPE2和UE/CPE4被配置为5G LAN VN2的成员。此时UE/CPE1请求与UE/CPE3进行5G LAN组通信，UE/CPE1向PMF发送LSP请求，请求的计算资源N(c)假设为m；请求的带宽资源为N(b)假设为n，UE/CPE1和UE/CPE3的Group ID为100。PMF根据LSP请求UPF信息进行LSP规划。
第一步，PMF根据获取的所有UPFs的配置文件构建UPF网络模型，见图4。所有UPF配置的参数信息参照表4。由于当前网络中最短路径包含的UPF数量大于因此，PMF继续完成LSP规划。
表4：UPF配置参数信息
| Node | 位置信息 | 容量信息(剩余计算资源) | 负载信息(剩余带宽资源) |
| UPF1 | (500,500) | 20m | 20n |
| UPF2 | (800,500) | 10m | 10n |
| UPF3 | (1200,500) | 20m | 20n |
| UPF4 | (800,200) | 10m | 10n |
第二步，确定唯一的出口节点和入口节点。根据UPF网络模型可知，当前仅有一个UPF1连接到相应的源发送端，仅有一个UPF3连接到相应的目的接收端。因此，此时UPF1为入口节点，UPF3为出口节点。
第三步，确定最优LSP。根据UPF网络模型可知，当前在入口节点UPF1和出口节点UPF3之间存在两条LSP，包括LSP1：{UPF1->UPF2->UPF3}和LSP2：{UPF1->UPF4->UPF3}，因此建立最优LSP选择模型。
首先根据UPFs配置信息计算出各UPF间的流量转发距离。
根据各UPF间的流量转发距离计算两条LSP的总流量转发距离为：
根据表4中UPF的容量信息和负载信息可知所有UPF均满足模型约束，由最优化目标可得，Min:D＝LSP1:D，因此确定最优LSP为LSP1。
利用图4实例，进一步阐述标签分发过程。初始时，所有UPF的标签转发表均为空，此时，PMF根据LSP规划结果，执行标签分发过程，将标签分发至相应的UPFs。最终UPF1、UPF2和UPF3的标签转发表和组标签映射表配置如下。
表5：UPF1的标签转发表
| FEC | In/Out Label1 | In/Out IF |
| 0000-1111-0001 | 1024/Null | N192/N31 |
| 0000-1111-0002 | Null/1029 | N31/N192 |
表6：UPF1的组标签映射表
| FEC | Group ID | Vlan ID | Label2 |
| 0000-1111-0001 | 100 | - | 1000 |
| 0000-1111-0002 | 100 | - | 1000 |
表7：UPF2的标签转发表
| FEC | In/Out Label | In/Out IF |
| 0000-1111-0001 | 1025/1024 | N192/N191 |
| 0000-1111-0002 | 1029/1030 | N191/N192 |
表8：UPF3的标签转发表
| FEC | In/Out Label | In/Out IF |
| 0000-1111-0001 | Null/1025 | N31/N19 |
| 0000-1111-0002 | 1030/Null | N192/N31 |
表9：UPF3的组标签映射表
| FEC | Group ID | Vlan ID | Label2 |
| 0000-1111-0001 | 100 | - | 1000 |
| 0000-1111-0002 | 100 | - | 1000 |
示例三
进一步的，结合图5实例，对5G LAN网络多协议标签交换方法中基于标签的转发过程进行阐述。基于前述LSP规划和标签分发结果，以UE/CPE1为发送端，向UE/CPE3发送上行数据为例，具体流程如下：
1)UPF1接收到UE/CPE1接口发送来的二层报文，若数据帧为以太帧则直接根据UE/CPE1的Group ID为UE/CPE1分配内层标签(Label2＝1000)；若数据帧为IEEE 802.1Q格式，则优先根据VLAN ID进行查表和分配内层标签。
2)UPF1查询标签转发表，得到下一跳为UPF2，出标签为1029，出接口为N19。
3)UPF1在L2 PDU报文外封装双层MPLS头部，外层MPLS标签根据出标签配置为1029，内层MPLS标签为1000。完成封装后将数据帧通过N19接口发送至UPF2。
4)UPF2收到数据帧后查询标签转发表，根据转发等价类192.168.3.0/24和入标签1029查表获得出标签为1030，出接口为N192，更新外层MPLS标签为1030，并将数据帧通过N192接口发送至UPF3。
5)UPF3收到数据帧后查询标签转发表，弹出外层MPLS标签，并根据内层MPLS标签查询组标签映射表，将数据帧转发至对应的出接口，到达目的地。
本发明实施例公开的一种5G LAN网络中多协议标签交换系统如图6，包括位于路径管理功能PMF，负责执行LSP规划以及完成标签分发的信息交互模块、LSP规划模块以及标签分发模块。
所述信息交互模块，用于完成模块间通信以及网络中信息交互，负责通过会话管理功能与源发送端交互，获取用户平面特征信息，发送标签信息；或将获取到的用户平面功能特征信息发送至LSP规划模块，并从LSP规划模块获取LSP规划结果；或将标签分发模块分配、更新或删除的标签信息发送至信息交互模块，再由所述信息交互模块发送至会话管理功能。
所述LSP规划模块，用于执行LSP规划，负责根据LSP请求信息、UPF数量、UPF能力信息执行LSP规划，为源发送端配置最优路径。
所述标签分发模块，用于向用户平面功能分配标签，使得UPF可以基于所述标签完成标签转发过程，最终完成5G LAN通信。
以上所述是对本发明所提供的一种5G LAN网络中多协议标签交换方法及系统进一步的阐述和说明。上述实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应理解，对于本技术领域的一般技术人员，在本发明所述思想和原理范围内，在具体实施方式及应用场景上的修改，也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，包括以下步骤：
源发送端向会话管理功能SMF发送标签交换路径LSP请求消息，并由SMF将LSP请求消息转发至路径管理功能PMF；
PMF根据LSP请求消息，结合网络状态信息，完成LSP规划，配置用户平面路径；
PMF根据LSP规划通过标签分发过程将标签分发给用户平面功能UPF；所述标签用于在5G LAN网络中执行多协议标签转发过程，包含内外双层标签，其中外层标签用于UPF间转发，内层标签用于区分来自不同5G LAN组的数据；
UPF维护标签信息，所述标签信息包含标签转发表和组标签映射表，其中当且仅当所述UPF处于入口节点或出口节点时需要维护组标签映射表，其余UPF仅需维护标签转发表；
PMF向源发送端返回LSP响应消息，所述LSP响应消息由SMF转发至源发送端；
UPF根据标签信息执行标签转发过程；在所述标签转发过程中，入口节点需要为数据帧添加双层标签，并根据标签转发表和组标签映射表配置标签头部，中间节点根据外层标签直接标签交换，出口节点根据标签转发表和组标签映射表将数据转发至相应5GLAN组的目的地。
2.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，PMF接收到LSP请求消息后，获取用户平面功能特征信息，根据用户平面功能特征信息判断是否存在具备多协议标签交换能力的UPF，若存在，则进行LSP规划；否则，向源发送端发送LSP拒绝消息。
3.根据权利要求2所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述用户平面功能特征信息通过以下步骤获得：
PMF向SMF发送用户平面功能特征信息获取请求；由SMF向网络存储功能NRF发送NF/NF服务发现请求；
根据期望的NF/NF服务的配置文件和NF服务消费者的类型，NRF决定是否允许SMF发现期望的NF实例；如果允许，NRF将确定一组符合的NF实例，并发送这些实例的NF配置文件；
SMF向从NRF处获知的UPF发送特征信息获取请求；
UPF接收到特征信息获取请求后向SMF发送特征信息获取响应；
最终SMF将所获得的所有用户平面功能特征信息通过用户平面特整信息获取响应发送给PMF；
或PMF可通过订阅用户平面路径或UPF选择相关事件通知获取所述用户平面功能特征信息。
4.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述LSP规划过程包括以下步骤：
PMF根据获取的所有具备多协议标签交换能力的UPF实例信息构建UPF网络模型；所述UPF网络模型根据UPF配置文件中的接口信息完成构建，用于完成LSP规划；
判断可用的UPF数量，若存在最短路径包含的UPF数量小于2，则PMF通过SMF向源发送端发送LSP拒绝消息，并指示该数据传输可直接使用基于Local Switch或N19转发模式完成，不再执行后续步骤；
根据LSP请求消息及UPF配置文件，确定连接源发送端和目的接收端的唯一的入口节点和出口节点；若存在多个可选的UPF，则以UPF的容量和负载为约束条件，选出可用的UPF，并以最小化流量交付距离为目标，建立最优UPF节点选择模型，选定最优入口或出口节点UPF；
在入口节点和出口节点之间，计算出所有UPF间的流量转发距离，建立以最小化总流量转发距离为目标的最优LSP选择模型；利用最优LSP选择模型确定最优LSP，完成LSP规划。
5.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述标签分发过程包括以下步骤：
PMF向SMF发送标签映射请求消息；所述标签映射请求消息用于PMF向SMF请求为相应的UPF分发标签；
SMF向UPF发送标签映射消息；所述标签映射消息用于将PMF分发的标签发送至UPF，包含标签转发表的表项和组标签映射表的表项信息；
UPF向SMF响应标签接受消息；所述标签接受消息用于表示UPF已经配置完成标签信息；
SMF向PMF发送标签映射完成消息；所述标签映射完成消息用于告知PMF已将当前分配的标签发送并配置到相应的UPF。
6.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述标签转发表中存储用于指示每个UPF执行标签转发过程的标签信息，具体包含转发等价类及其对应的入/出标签和入/出接口；所述组标签映射表中存储能够唯一标识不同5GLAN组数据流的标识符和内层标签的值及映射关系；所述能够唯一标识不同5G LAN组数据流的标识符包括5G LAN组标识符、数据帧中的VLAN ID、QoS保障数据流中的QFI。
7.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述标签转发过程包括以下步骤：
步骤a，判断当前接收到数据的UPF在LSP中所处的位置，是否为标签中交换域内的入口或出口节点，若为入口节点则跳转至步骤b，若为出口节点则跳转至步骤c，否则跳转至步骤d；
步骤b，作为标签交换域内入口节点的UPF根据组标签映射表为不同5G LAN组的数据流创建并配置内层标签头部；在添加完内层标签头部后，根据标签转发表添加外层标签，所述外层标签用于完成UPF之间基于标签的转发，然后跳转至步骤e；
步骤c，作为标签交换域内出口节点的UPF首先从接收到的数据中获取内层标签值，并查询组标签映射表，获知数据出口；根据SMF配置参数移除内外层标签，并将数据转发至查询获得的数据出口，即将所属5G LAN组的数据发送至相应的5G LAN组成员，然后跳转至步骤e；
步骤d，作为标签交换域内其他节点的UPF直接根据标签转发表更新外层标签头部的各字段参数；
步骤e，将处理后的数据发送至下一节点或目的地。
8.根据权利要求1所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，还包括判断是否触发了标签释放过程，若触发了标签释放过程，UPF执行标签释放过程；其中标签释放过程的触发条件包括：
LSP请求消息更新，发送标签映射的UPF不再是映射的FEC的下一跳，此时PMF发起标签释放请求；
长时间无数据传输服务，等待时间大于阈值T时则释放标签，UPF主动发起标签释放请求；
UPF不再具备多协议标签交换能力时，主动发起标签释放请求，释放所持标签。
9.根据权利要求8所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法，其特征在于，所述标签释放过程支持两种模式，由PMF发起或由UPF发起，包括以下步骤：
若发起方为PMF，则PMF向SMF发起标签释放请求，由SMF向UPF发送标签释放消息，所述标签释放消息用于表示UPF无需继续保持所述标签，可以释放标签占用的资源；UPF回复标签释放确认消息，SMF向PMF发送标签释放响应；
若发起方为UPF，则UPF直接向SMF发送标签释放消息，SMF将标签释放消息转发至PMF；PMF向SMF回复标签释放响应，SMF再向UPF发送标签释放确认消息。
10.一种实现根据权利要求1-9任一项所述的5G LAN网络中多协议标签交换方法的5GLAN网络中多协议标签交换系统，其特征在于，包括位于路径管理功能PMF的信息交互模块、LSP规划模块以及标签分发模块；
所述信息交互模块，用于完成模块间通信以及网络中信息交互，负责通过会话管理功能与源发送端交互，获取用户平面特征信息，发送标签信息；或将获取到的用户平面功能特征信息发送至LSP规划模块，并从LSP规划模块获取LSP规划结果；或将标签分发模块分配、更新或删除的标签信息发送至信息交互模块，再由所述信息交互模块发送至会话管理功能；
所述LSP规划模块，用于执行LSP规划，负责根据LSP请求信息、UPF数量、UPF能力信息执行LSP规划，为源发送端配置最优路径；
所述标签分发模块，用于向用户平面功能分配标签，使得UPF可以基于所述标签完成标签转发过程，最终完成5G LAN通信。
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