廣州5G 校園專網(wǎng)解決方案實(shí)踐

［謝永安 劉永亨］

1 背景介紹

為加快推進(jìn)教育現(xiàn)代化、建設(shè)教育強(qiáng)國，教育部等部門印發(fā)了《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》、《智慧校園總體框架》、《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》等文件，大力引導(dǎo)開展校園專網(wǎng)建設(shè)和“互聯(lián)網(wǎng)+教育”大平臺建設(shè)，為教育高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)字底座。各地學(xué)校也在努力探索最佳的教學(xué)管理新模式。5G 作為中國“新基建”戰(zhàn)略的七大支柱之一，隨著大規(guī)模商用和覆蓋的完善，開始進(jìn)入校園，推動(dòng)智慧教育的發(fā)展以及智慧校園的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)對數(shù)字校園的賦能。各運(yùn)營商均針對校園網(wǎng)絡(luò)爭先推出了5G 專網(wǎng)解決方案，以滿足教學(xué)和校園管理的需求，保障校內(nèi)資源與應(yīng)用的高速訪問，提升學(xué)校師生的辦公和學(xué)習(xí)效率。

本文以廣州校園5G 雙域?qū)＞W(wǎng)項(xiàng)目為例，探討各種5G專網(wǎng)解決方案并進(jìn)行了實(shí)踐部署。

2 5G 分流技術(shù)

2.1 UPF 功能介紹

校園5G 專網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)需要部署UPF（用戶面功能）核心網(wǎng)元，UPF 在3GPP 的5G 核心網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)中主要負(fù)責(zé)用戶面數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)功能，在5G 面向低時(shí)延、大帶寬的邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)上發(fā)揮著舉足輕重的作用。

為提升用戶體驗(yàn)，提供更高的安全性和更大的帶寬保障，5G 專網(wǎng)需要對業(yè)務(wù)進(jìn)行本地分流，一方面將UPF 下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣以減少路由迂回，另一方面考慮分流技術(shù)。當(dāng)前主流的5GC 邊緣部署分流技術(shù)有三種：ULCL（上行分類器）方案、IPv6 多歸屬（Multi-homing）方案以及LADN（本地?cái)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）方案。其中的IPv6 多歸屬方案和LADN 方案在技術(shù)部署上還存在一定的局限性，目前大多采用ULCL 方案。

在分流場景下，UPF 有多種形態(tài)，可以分為ULCL UPF、主錨點(diǎn)UPF 和輔錨點(diǎn)UPF，分流組網(wǎng)如圖1 所示。不同類型的UPF 區(qū)別在于：

圖1 ULCL 分流架構(gòu)

ULCL UPF：實(shí)現(xiàn)Uplink Classifier（上行分類器）功能的UPF。在激活分流時(shí)由SMF 插入U(xiǎn)LCL UPF 到用戶會話中。ULCL UPF 通過N9 接口與錨點(diǎn)UPF 連接，對于上行流量，按分流規(guī)則識別后，區(qū)分出需要發(fā)送給主錨點(diǎn)UPF 和輔錨點(diǎn)UPF 的報(bào)文并轉(zhuǎn)發(fā)。對于下行流量，則對來自錨點(diǎn)UPF 的報(bào)文進(jìn)行聚合，并通過N3 接口轉(zhuǎn)發(fā)給基站。

主錨點(diǎn)UPF：UE激活PDU會話時(shí)給UE分配IP的UPF，通過N6 接口與中心DN 連接。用戶會話過程中，作為PDU 會話的錨點(diǎn)出現(xiàn)，對ULCL UPF—主錨點(diǎn)UPF—中心DN 之間的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并完成計(jì)費(fèi)、監(jiān)聽、業(yè)務(wù)控制等功能。

輔錨點(diǎn)UPF：激活分流時(shí)，伴隨ULCL UPF 同時(shí)插入的UPF，通過N6 接口與本地DN 連接。用戶會話過程中，作為PDU 會話的錨點(diǎn)出現(xiàn)，對ULCL UPF—輔錨點(diǎn)UPF—本地DN 之間的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并完成計(jì)費(fèi)、監(jiān)聽、業(yè)務(wù)控制等功能。

2.2 ULCL 分流技術(shù)

5G 專網(wǎng)在進(jìn)行業(yè)務(wù)分流時(shí)，在用戶PDU 會話建立過程中，或會話建立完成后，SMF 可以在PDU 會話的數(shù)據(jù)路徑中插入或者刪除一個(gè)或多個(gè)ULCL。ULCL 支持基于SMF 提供的流量檢測和流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，向不同的PDU 會話錨點(diǎn)UPF 轉(zhuǎn)發(fā)上行業(yè)務(wù)流，分流至企業(yè)內(nèi)網(wǎng)或外部互聯(lián)網(wǎng)；并將來自鏈路上的不同PDU 會話錨點(diǎn)UPF 的下行業(yè)務(wù)流合并到5G 終端。ULCL 采用流過濾規(guī)則（例如檢查UE 發(fā)送的上行IP 數(shù)據(jù)包的目的IP 地址/前綴）來決定數(shù)據(jù)包如何路由。

基于不同的觸發(fā)條件，ULCL 方案可以分為：特定位置ULCL 方案、位置及用戶簽約ULCL 方案、位置及應(yīng)用檢測ULCL 方案和能力開放ULCL 方案。其區(qū)別對比如表1 所示。

表1 ULCL 分流方案對比

3 廣州校園5G 專網(wǎng)方案

3.1 5G 校園專網(wǎng)方案比較

5G 校園專網(wǎng)相對于其他行業(yè)專網(wǎng)場景而言，具有一定的特殊性，主要體現(xiàn)在校園專網(wǎng)的用戶多為toC 類用戶（學(xué)校教職工、學(xué)生等），有同時(shí)訪問校園內(nèi)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的需求，且活動(dòng)范圍不固定，具備廣域移動(dòng)性特征。而其他行業(yè)專網(wǎng)主要面向生產(chǎn)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端等toB 類用戶，此類用戶一般僅需訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，移動(dòng)性不強(qiáng)，活動(dòng)范圍有限。

根據(jù)學(xué)校對5G 專網(wǎng)的需求，基于目前3GPP 的標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)可以支持的能力，業(yè)內(nèi)提出了4 種5G 校園專網(wǎng)解決方案，分別為專用DNN+路由器分流方案、通用DNN+ULCL 方案、專用DNN+ULCL 方案以及通用DNN+專用DNN+ULCL 方案。4 種方案所采用的網(wǎng)絡(luò)策略和所需的網(wǎng)絡(luò)配置不盡相同，對終端的要求不同，方案實(shí)現(xiàn)的效果也有所差異。

通過比較多種方案的優(yōu)勢和劣勢，結(jié)合上文分析的不同ULCL 的觸發(fā)方式，本次廣州校園5G 雙域?qū)＞W(wǎng)項(xiàng)目，采用通用DNN+位置及用戶簽約ULCL 的方案進(jìn)行實(shí)踐部署。

3.2 業(yè)務(wù)需求分析

本項(xiàng)目在廣州市內(nèi)選擇了部分高校進(jìn)行校園5G 專網(wǎng)方案的合作試點(diǎn)，以中山大學(xué)5G 專網(wǎng)項(xiàng)目為例進(jìn)行探討。

中山大學(xué)5G 專網(wǎng)項(xiàng)目的需求為建設(shè)一張5G 校園專網(wǎng)，通過5G 專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出校園，逐步替代其原有的通過VPN 的方式訪問校內(nèi)網(wǎng)的方式，讓原本使用移動(dòng)5G卡的用戶不換號不換卡，便可實(shí)現(xiàn)廣州市內(nèi)隨時(shí)快速訪問校園內(nèi)網(wǎng)（例如教學(xué)資源查詢等）的需要。

項(xiàng)目試點(diǎn)階段需滿足中山大學(xué)現(xiàn)有的4 萬個(gè)移動(dòng)用戶的接入需求。其中5G 用戶數(shù)約1.5 萬人，峰值在線人數(shù)約為0.8 萬人，按照運(yùn)營商校園用戶平均流量約為上下行1.25 Mbit/s 估算，預(yù)計(jì)最大并發(fā)流量為10 000 Mbit/s。

3.3 總體方案

根據(jù)校園5G 專網(wǎng)的端到端業(yè)務(wù)流程，需要對無線、傳輸、核心網(wǎng)各環(huán)節(jié)組網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.3.1 5G 無線網(wǎng)絡(luò)方案

本項(xiàng)目的無線覆蓋通過利舊現(xiàn)網(wǎng)已有的5G 站點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。前期先重點(diǎn)考慮中山大學(xué)校區(qū)的覆蓋，通過利舊中山大學(xué)周邊的20 個(gè)5G 室分、22 個(gè)宏站以及規(guī)劃內(nèi)7 個(gè)待建設(shè)站點(diǎn)來滿足中山大學(xué)廣州校區(qū)（包括海珠校區(qū)及大學(xué)城校區(qū)）的5G 信號覆蓋需求。后續(xù)逐步過渡到最終目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)中大簽約用戶能夠在全廣州范圍內(nèi)訪問中大校園內(nèi)網(wǎng)。

3.3.2 5G 核心網(wǎng)側(cè)方案

本次項(xiàng)目在核心網(wǎng)側(cè)規(guī)劃新增一套校園專用UPF，吞吐量為10 Gbit/s，下沉至學(xué)校機(jī)房，將全市基站數(shù)據(jù)與該UPF 打通，提供5G 專網(wǎng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出學(xué)校。本次項(xiàng)目需求暫不涉及邊緣云部署。

用戶業(yè)務(wù)接入后，由PCF 下發(fā)相應(yīng)策略，SMF 根據(jù)下發(fā)的策略觸發(fā)ULCL 激活流程。用戶通過ULCL 分流，以運(yùn)營商的toC 通用UPF 作為ULCL 分流的主錨點(diǎn)，以校園專用UPF 作為ULCL UPF，并兼做輔錨點(diǎn)UPF，對校園專網(wǎng)用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行分流。若校園專網(wǎng)用戶訪問校園內(nèi)網(wǎng)，則通過校園專用UPF 與校園內(nèi)網(wǎng)之間的N6 接口實(shí)現(xiàn)；若校園專網(wǎng)用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)，則數(shù)據(jù)流量通過校園專用UPF 的N9 接口送至toC 通用UPF，再通過toC 通用UPF 的N6 接口送至互聯(lián)網(wǎng)。分流業(yè)務(wù)流向如圖2 所示。

圖2 5G 校園專網(wǎng)業(yè)務(wù)流程圖

校園專用UPF 需要經(jīng)過防火墻隔離后，才能通過專線連接至校園內(nèi)網(wǎng)，以保障運(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)的安全。

物理組網(wǎng)拓?fù)淙鐖D3 所示，在學(xué)校第三教學(xué)樓機(jī)房搭建了下沉的校園專用UPF，同時(shí)建設(shè)了配套的UPF 防火墻、業(yè)務(wù)交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，UPF 服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都實(shí)現(xiàn)了

圖3 分流設(shè)備物理組網(wǎng)

1+1 熱備份。通過光纖鏈路與學(xué)校核心網(wǎng)進(jìn)行對接，實(shí)現(xiàn)雙路由接入，保證業(yè)務(wù)安全穩(wěn)定。

3.3.3 5G 傳輸建設(shè)方案

本項(xiàng)目的傳輸組網(wǎng)利舊了現(xiàn)網(wǎng)中山大學(xué)的1 臺接入層SPN 設(shè)備與UPF 對接，該SPN 也負(fù)責(zé)了覆蓋中山大學(xué)的基站站點(diǎn)回傳，使用toC 默認(rèn)切片，同時(shí)負(fù)責(zé)N3 接口的用戶數(shù)據(jù)、N4 接口的網(wǎng)絡(luò)信令、網(wǎng)管數(shù)據(jù)的傳輸。專用UPF 與大網(wǎng)主錨點(diǎn)UPF 通過該SPN 開通專線對接N9 口數(shù)據(jù)。傳輸組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 傳輸組網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 基本業(yè)務(wù)流程

3.4.1 業(yè)務(wù)分流方案

本項(xiàng)目實(shí)踐采用了通用DNN+位置及用戶簽約ULCL的方案，學(xué)校用戶與大網(wǎng)用戶均使用通用DNN，區(qū)別在于學(xué)校用戶簽約了校園套餐，簽約位置范圍為整個(gè)廣州市；而大網(wǎng)用戶不簽約校園套餐。

簽約了校園專網(wǎng)分流策略的用戶只要在廣州市內(nèi)激活，無論在哪個(gè)TAC 區(qū)接入，PCF 都會基于用戶簽約+實(shí)時(shí)位置而觸發(fā)分流策略，SMF 支持根據(jù)用戶激活的DNN 和位置信息選擇ULCL UPF 并觸發(fā)創(chuàng)建ULCL 流程，給ULCL UPF 下發(fā)ULCL 規(guī)則，ULCL UPF 根據(jù)SMF 下發(fā)的分流規(guī)則進(jìn)行規(guī)則匹配和數(shù)據(jù)分流。并根據(jù)用戶數(shù)據(jù)的目的IP、協(xié)議端口號或DNS 策略進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，對于訪問校園內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，通過輔錨點(diǎn)UPF 的N6 接口送至校園內(nèi)網(wǎng)；對于訪問互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，通過ULCL UPF的N9 接口送至主錨點(diǎn)UPF，通過主錨點(diǎn)UPF 的N6 接口送至互聯(lián)網(wǎng)。

其他未簽約校園網(wǎng)用戶的會話則不插入U(xiǎn)LCL UPF，則無法訪問校園內(nèi)網(wǎng)，只能訪問外部互聯(lián)網(wǎng)。

3.4.2 IP 沖突解決方案

采用通用DNN+位置及用戶簽約ULCL 的方案可能會存在IP 地址沖突，即移動(dòng)用戶終端IP 和校園內(nèi)系統(tǒng)IP采用了相同的IP 地址段，引發(fā)路由錯(cuò)誤從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)訪問失敗。運(yùn)營商和學(xué)校需提前溝通可能存在的這類問題，如需解決，考慮在專用UPF 防火墻上配置地址池映射。方案簡述如下：

（1）校園專網(wǎng)用戶請求https://portal.sysu.edu.cn，校園專用UPF 將該域名定向配置到校園DNS Server；

（2）校園DNS Server 解析出內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器的地址（10.xx.xx.xx 網(wǎng)段），防火墻將改網(wǎng)段地址改成對外網(wǎng)段地址（20.xx.xx.xx 段）；

（3）終端請求訪問20.xx.xx.xx 段地址，防火墻通過NAT 將20.xx.xx.xx 段地址NAT 成校園內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器地址段，完成內(nèi)網(wǎng)訪問。

業(yè)務(wù)流程如圖5 所示。

圖5 IP 地址沖突解決方案示意圖

3.5 方案成效

通過在學(xué)校部署5G 雙域?qū)＞W(wǎng)，學(xué)校用戶訪問校內(nèi)資源的感知有了比較明顯的改善。此前如果要在校外訪問學(xué)校內(nèi)網(wǎng)的資源，使用傳統(tǒng)的VPN 的方式，存在速率低、時(shí)延大、帶寬不穩(wěn)定等問題，通過5G 簽約分流策略的用戶訪問校園內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)訪問時(shí)延可從最高297 ms，下降到最高77 ms。下載速率高達(dá)800 Mbit/s。如圖6 所示。5G專網(wǎng)下的高速率、低時(shí)延、大帶寬的優(yōu)勢顯而易見。

圖6 現(xiàn)場測試效果圖

4 總結(jié)

本文探討的采用通用DNN+ULCL 的廣州校園5G 雙域?qū)＞W(wǎng)方案，能夠讓學(xué)校用戶不換卡，不換號，便可通過5G 手機(jī)無感知地訪問校園內(nèi)網(wǎng)的資源，提高了學(xué)校師生辦公和學(xué)習(xí)的效率；5G 信號可以做到室內(nèi)室外無死角覆蓋，且容量大、抗干擾能力強(qiáng)，解決了校內(nèi)WIFI 覆蓋不足、干擾多等問題，5G 的移動(dòng)性好也更好的提升了用戶訪問體驗(yàn)。簽約用戶可同時(shí)訪問公網(wǎng)和校園內(nèi)網(wǎng)，未簽約用戶只能訪問公網(wǎng)，不能訪問校園內(nèi)網(wǎng)，由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分流，數(shù)據(jù)得到隔離，且不出園區(qū)，安全性高。

對于通用DNN+ULCL 的方案，可能存在IP 地址沖突的問題，本文提出了在專用UPF 防火墻上配置地址映射的方法來解決，但通用DNN 的方案未能提供漫游狀態(tài)下，或5G 回落4G 情況下的內(nèi)網(wǎng)訪問，常用的做法是配置專用DNN 來實(shí)現(xiàn)，但用戶可能需要進(jìn)行DNN 的手動(dòng)切換，且漫游狀態(tài)下使用專用DNN 只能訪問校園內(nèi)網(wǎng)而不能上公網(wǎng)，對于用戶的使用感知會有影響。采用通用DNN+ULCL 的方案，從快速部署以及應(yīng)用便捷性來衡量也不失為一種更優(yōu)的選擇。