Laboratório de Comunicações Sem Fio

A computação de borda trata de deixar os serviços mais próximos do local onde serão entregues. Os serviços aqui incluem potência de computação e memória necessária para, por exemplo, rodar uma requisição de um aplicativo. A computação de borda, portanto, visa trazer os aplicativos, dados e poder de computação (serviços) que se encontram longe em pontos centralizados (central de dados) para locais mais próximos do usuário (como centrais de dados distribuídas). O objetivo é atingir uma latência mais baixa e reduzir os custos de transmissão e tráfego no Core da rede. Aplicativos que usam grandes volumes de dados e/ou requerem tempos de resposta curtos, por exemplo, jogos de realidade virtual em tempo real, inspeção de qualidade por vídeo na indústria 4.0, carros autônomos, cidades inteligentes etc., são alguns dos candidatos que podem se beneficiar da computação de borda [1].

A 3GPP não especifica nenhuma solução ou arquitetura especial para computação de borda, em vez disso, a 3GPP define várias ferramentas gerais que podem ser usadas para fornecer um eficiente caminho para o usuário. Essas ferramentas não são específicas para computação de borda, mas podem ser usadas como facilitadores na sua implantação [2].

1 Seleção da UPF pela SMF

A SMF é responsável pela seleção da UPF. Os detalhes de como isso é feito não são padronizados e dependem de vários aspectos, por exemplo, aspectos de implantação relacionados à topologia de rede das UPFs implantadas, bem como, os requisitos do serviço que será entregue.

Quando a SMF faz a seleção de uma UPF, um pré-requisito é que a própria SMF esteja ciente de quais UPFs estão disponíveis em suas respectivas configurações, como recursos da UPF, sequência de carregamento no caso de mais de uma UPF, etc. Uma das formas é que a SMF pode ser configurada com as UPFs disponíveis. Essa configuração pode incluir informações relacionadas à topologia para que a SMF esteja ciente sobre a localização da UPF e de que forma as UPFs estão conectados. Isso permite que a SMF selecione UPFs adequadas, por exemplo, dependendo da localização do UE.

Uma vez que a SMF sabe sobre a(s) UPF(s) disponíveis e há uma necessidade da SMF selecionar uma ou mais UPFs para uma sessão de PDU, como exemplo, no estabelecimento de sessão de PDU ou em algum evento de mobilidade, a SMF pode levar diferentes informações em consideração para selecionar uma UPF. Os detalhes não são padronizados, mas deixados para implementação e configuração do operador [1]. Algumas dessas informações são recebidas da UPF, outras são recebidas da AMF, enquanto que algumas podem ser pré-configuradas na SMF, como as informações relacionadas à topologia do plano do usuário e terminações do plano do usuário.

2 Formas de classificação de tráfego para a DN

Uma sessão de PDU tem no caso mais simples uma única sessão PDU âncora (PSA PDU Session Anchor) denominada de PSA UPF e, portanto, uma única interface N6 para a DN [1]. Mas uma sessão de PDU também pode ter mais do que uma PSA UPF e, portanto, várias interfaces N6 para uma DN conforme a Figura 1.

1. 1. 1. 1. PSA UPF: Esta é a UPF que faz a conexão com a DN através da interface N6.

         2. UPF intermediária (I-UPF): Esta é a UPF que é inserida no caminho do plano do usuário entre a AN e a PSA UPF. Ela encaminha o tráfego entre a AN e o PSA UPF.

         3. UPF com classificador de Up-Link (UL-CL) ou ponto de ramificação (BP): Esta é uma UPF que está “bifurcando” o tráfego para uma sessão de PDU na conexão ascendente e “mesclando” caminhos Up-Link descendente, fazendo funções relacionadas a QoS.

Figura 1 – Configurações de UPF. A: PSA único. B: PSA + I-UPF. C: UL-CL + 2 PSAs [1].

Essa última opção apresentada na Figura 1 pode ser usada para rotear seletivamente o tráfego do plano do usuário para diferentes interfaces N6, por exemplo, rotear de uma PSA UPF com interface N6 para um site periférico local e outra PSA UPF com interface N6 para um data center Remoto [1]. Essa funcionalidade é de suma importância para este trabalho, pois pode ser usada em aplicações da computação de borda 5G.

3 Classificação de Up-Link

Classificação de Up-Link é uma funcionalidade que é suportada por uma UPF onde a UPF desvia parte do tráfego para uma PSA UPF diferente (local) conforme é apresentado na Figura 2. O UL CL fornece encaminhamento de tráfego de ligação ascendente para diferentes Âncoras de Sessão PDU e desvia o tráfego de ligação descendente para o UE, isto é, o desvio do tráfego de diferentes Âncoras de Sessão PDU na ligação para o UE. O UL CL desvia o tráfego com base nas regras de detecção e encaminhamento de tráfego, fazendo uso de filtros de tráfego fornecidos pela SMF. Assim, o UL CL aplica as regras de filtragem, por exemplo, para examinar o endereço IP de destino dos pacotes IP da conexão ascendente enviados pelo UE e determina como o pacote deve ser encaminhado. A UPF que suporta um UL CL também pode ser controlada pela SMF para oferecer suporte à medição de tráfego e aplicar cobranças. O uso do UL CL se aplica a Sessões de PDU do tipo IPv4 ou IPv6 ou IPv4v6 ou Ethernet, de modo que a SMF possa fornecer filtros de tráfego [1].

Figura 2 – Acesso local a DN usando o UL CL [1].

Quando a SMF decide desviar o tráfego, ela insere um UL CL no caminho de dados e uma PSA adicional. Isso pode ser feito a qualquer momento durante a vida útil de uma sessão de PDU. A PSA adicional pode ser colocada na mesma UPF que o UL CL ou pode ser uma UPF autônoma. Quando a SMF determina que o UL CL não é mais necessário, ele pode ser removido do caminho de dados pela SMF [1].

O UE desconhece o desvio de tráfego por parte do UL CL e não participa na inserção e na remoção do UL CL. A solução com o UL CL, portanto, não requer nenhuma funcionalidade específica do UE.

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Dener Kraus, intitulado Computação de borda para indústria utilizando a rede 5G, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/228613.

Referências:

[1] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

[2] 3GPP. Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; General UMTS Architecture (3GPP TS 23.101 version 8.0.0 Release 8). Acesso em: 26/08/2021. Disponível em:<https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/123100_ 123199/123101/08.00.00_60/ts_123101v080000p.pdf>.

O Core é a estrutura responsável por gerenciar os recursos de rede e as conexões dos usuários, como autenticação, QoS, segurança, roteamento, encaminhamento de pacotes, mobilidade, interceptação legal e outros. Juntamente com a interface de acesso via rádio, Radio Access Network (RAN), compõe a rede móvel de telecomunicações.

No 5G, o Core foi concebido tendo-se como foco uma arquitetura baseada em serviços, ou seja, uma estrutura flexível em que suas funcionalidades são divididas em nós ligados a um barramento comum que interagem entre si de forma independente. Essa abordagem permite a utilização de recursos em nuvem, de orquestração e de edge computing para escalonar a rede e adaptá-la continuamente a variações na carga de processamento, atingindo-se, assim, maior eficiência e estabilidade.

Para comunicação entre os nodos, chamados de Network Functions (NFs), a 3GPP definiu uma API (Application Programming Interface) que funciona sobre o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) e que segue o modelo REST (Representational State Transfer). O modelo REST, proposto em 2000, conta com amplo suporte nas linguagens de programação e é muito empregado na Web, onde muitas empresas disponibilizam uma API em REST para interação com seus produtos.

As funções de rede essenciais do Core 5G (mostradas na Figura 1) são: AMF, UDM (Unified Data Management), AUSF (Authentication Server Function), UDR (Unified Data Repository), SMF (Session Management Function), NRF (Network Repository Function) e UPF. São elas que gerenciam a autenticação, estabelecimento de sessão, roteamento, interface com a rede de rádio, interface com o equipamento do usuário (UE), mobilidade, estabelecimento de túnel com a rede de dados ou Data Network (DN), entre outras funcionalidades. No entanto, há ainda funções de rede adicionais que estendem as capacidades do Core (mostradas na Figura 2), como a PCF (Policy Control Function), NSSF (Network Slice Selection Function), N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function), AF (Application Function), NEF (Network Exposure Function), SMSF (Short Message Service Function), LMF (Location Management Function) e outras.

Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G [2].

Figura 2 – Funções de rede de um Core 5G [2].

O conjunto de protocolos NAS (Non Access Stratum), composto por 5GMM (5GS Mobility Management) e 5GSM (5GS Session Management), intermedia a conexão entre o UE e o Core. Para as mensagens de controle entre UE e AMF, destinadas ao gerenciamento do registro de dispositivos, mobilidade e segurança, o protocolo 5GMM é utilizado, enquanto que para as mensagens entre UE e SMF, como as destinadas ao gerenciamento das sessões PDUs (Protocol Data Unit), utiliza-se o protocolo 5GSM.

As próximas subseções descrevem as principais função de rede do Core 5G.

AMF

O AMF (Access and Mobility Management Function) é responsável por estabelecer a conexão com a RAN, através da interface N2, e com o UE, através da interface N1. O AMF gerencia o registro, autenticação e mobilidade do UE, além de gerenciar a encriptação e integridade das mensagens NAS. Também, retransmite as mensagens de gerenciamento de sessão, Session Management (SM), entre UE e SMF, as mensagens SMS (Short Message Service) entre UE e SMSF, as mensagens dos serviços de localização entre UE e LMF e entre RAN e LMF e as mensagens de política entre UE e PCF. Por fim, conta ainda com suporte para entrega de mensagens de aviso públicas, Public Warning System (PWS), e interface para interceptação legal, Lawful Interceptation (LI). Ressalta-se que um determinado UE só poderá ser servido por um AMF em um instante de tempo. A Figura 3 ilustra as interfaces utilizadas pelo AMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 3 – Interfaces de rede utilizadas pelo AMF [2].

SMF

O SMF (Session Management Function) estabelece e gerencia a conexão entre o UE e a rede de dados (DN). Para isso, ele seleciona o UPF de acordo com os requisitos da conexão e estabelece uma sessão PDU (Protocol Data Unit) entre o acesso e o UPF ou entre UPFs quando necessário. A interface de comunicação entre SMF e UPF é chamada de N4. O protocolo PFCP (Packet Forwarding Control Protocol), desenvolvido para o 4G e evoluído para o 5G, é utilizado na camada de aplicação da interface N4 e atua em cima do protocolo UDP. O estabelecimento da sessão PDU, bem como de suas características, depende dos requisitos do UE, das informações dos bancos de dados do UDM/UDR e das políticas de serviço e QoS configuradas no PCF. O SMF também pode alocar endereços IPs para as sessões PDUs e possui suporte para interface de interceptação legal (LI). A Figura 4 ilustra as interfaces utilizadas pelo SMF para interação com as demais funções de rede.

Figura 4 – Interfaces de rede utilizadas pelo SMF [3].

UPF

O UPF (User Plane Function) é a função de rede que gerencia o tráfego do usuário. Suas interfaces de rede estão expostas na Figura 5. Ele é escolhido e controlado pelo SMF, no que tange as políticas de serviço, e serve como ponte entre a rede de dados (DN) e o UE, roteando, processando e direcionando os pacotes de acordo com as regras do SMF. Desse modo, atua como ponto de ancoragem para a sessão PDU, abstraindo os eventos de mobilidade na rede e armazenando os pacotes que não podem ser entregues ao UE em um buffer para posterior encaminhamento. Pode ser disposto de forma geograficamente centralizada ou distribuída, não havendo restrições no número de UPFs servindo uma sessão PDU, conforme especificações da 3GPP. Além disso, podem ser implementados em série, encaminhando-se o tráfego com base em regras de roteamento.

O UPF é responsável, também, por coletar dados estatísticos de tráfego, gerar relatórios, aplicar QoS de acordo com a demanda da rede e replicar o tráfego para monitoramento legal.

Há uma funcionalidade no UPF chamada de Up Link Classifier (UL CL) que permite direcionar o tráfego para diferentes UPFs baseado em regras de encaminhamento fornecidas pelo SMF. O UL CL gerencia o envio dos pacotes do UE para as diferentes redes e das redes de volta para o UE, podendo ser adicionado ou removido a qualquer momento pelo SMF. A Figura 6 ilustra o funcionamento do UL CL.

Figura 5 – Interfaces de rede utilizadas pelo UPF [3].

Figura 6 – Direcionamento de tráfego através de UL CL [2].

NRF

O NRF (Network Repository Function) serve como repositório das funções de rede (NFs) disponíveis para o Core. Ele armazena as características que descrevem cada NF registrado e permite que outras NFs consultem seu banco de dados para obter o endereço, na rede, dos serviços desejados. A grande vantagem trazida pelo NRF é a não exigência de conhecimento prévio dos endereços e perfis dos elementos do Core que compõem a rede, podendo ser requisitados no momento em que uma determinada NF necessitar de um serviço de outra NF. Cada NF, ou entidade representando a NF, é responsável por registrar-se no NRF e atualizar seu status, porém, o NRF dispõe de um mecanismo keep alive que identifica elementos que não estão mais disponíveis. Mudanças na estrutura do Core ou de escalabilidade são simplesmente efetuadas através de atualizações do status da NF alterada no NRF, sem necessidade de alterar-se as configurações internas das outras NFs. Dentre as informações de perfis disponíveis no NRF, pode-se citar: tipo da NF, ID (identificação), endereço, capacidade, serviços suportados e informações de autorização.

UDM

O UDM (Unified Data Management) acessa e gerencia os dados de inscrições armazenados no UDR, envia dados relevantes para as NFs que servem o UE, como AMF e SMF, autoriza acessos e serviços, autentica usuários, gerencia identificação de usuários e oferece suporte a serviços SMS. De forma geral, o UDM fornece uma interface de acesso aos bancos de dados com informações da rede, permitindo que um usuário utilize múltiplos UDMs para transações diferentes.

UDR

O UDR (Unified Data Repository) armazena e fornece acesso de dados de inscrições para o UDM, dados de políticas para o PCF e dados estruturados para exposição para o NEF.

AUSF

O AUSF (Authentication Server Function) realiza a autenticação primária e o estabelecimento de chaves entre o UE e a rede, utilizando para isso informações do UDM. Suas interfaces com o AMF e o UDM podem ser visualizadas na Figura 7.

Figura 7 – Interfaces de rede utilizadas pelo AUSF [3].

PCF

O PCF (Policy Control Function) é responsável por armazenar e prover as políticas de serviço para as NFs. Para o SMF, as políticas fornecidas são os níveis de QoS e regras de tráfego e cobrança, as relacionadas ao estabelecimento da sessão PDU e as relacionadas ao tráfego local que podem influenciar a escolha do UPF por parte do SMF. Para o AMF, o PCF fornece as regras de acesso e mobilidade, como restrições de áreas de serviço e prioridades de acesso. Para o UE, o PCF fornece, através do AMF, políticas relacionadas ao acesso não 3GPP, políticas de escolha de fatias na rede (slicing), de escolha de redes de dados (DN), entre outras. As interfaces de rede do PCF estão expostas na Figura 8.

As políticas são determinadas considerando-se fatores como condição da rede, políticas da operadora local, requisitos de aplicativo e dados de assinatura do usuário.

Figura 8 – Interfaces de rede utilizadas pelo PCF [3].

NSSF

O NSSF (Network Slice Selection Function) é o elemento que seleciona as fatias de rede para serem utilizadas pelo UE. Tal procedimento é realizado com base no parâmetro de Single Network Slice Selection Assistance Information (S-NSSAI), que define a fatia desejada. Também, o NSSF lista os AMFs que podem servir o UE, podendo consultar o NRF para isso.

N3IWF

O N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function) permite a integração de redes que não são parte do acesso definido pela 3GPP, como WiFi, ao Core 5G. Essa interconexão é feita através do estabelecimento de túneis IKEv2 (Internet Key Exchange) e IPsec (IP Security Protocol) entre N3IWF e UE. A Figura 9 ilustra a utilização do N3IWF para conectar uma rede não 3GPP ao Core 5G.

Figura 9 – N3IWF conectando uma rede não 3GPP ao Core 5G [2].

NWDAF

A função NWDAF (Network Data Analysis Function) é responsável por coletar dados de outras funções de rede por meio de serviços que expõem eventos dessas funções [4]. Ela também coleta dados de sistemas, operações e gerenciamento e do repositório unificado de dados (UDR). Qualquer outra função de rede ou até mesmo aplicativos externos podem teoricamente consumir os serviços oferecidos pela NWDAF [4,5]. Os principais consumidores da NWDAF são a NSSF e a PCF. Ao coletar dados, a NWDAF pode realizar análises, como resumos históricos ou estatísticos, ou previsões de valores futuros [4]. As análises realizadas pela NWDAF podem ser usadas por outras funções de rede para realizar ações específicas na rede, como modificar uma fatia específica ou modificar a qualidade de serviço (QoS) de um serviço [2,4].

Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.

Referências:

[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.

[2] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.

[3] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.

[4] ROTA, Lucas Kienen. Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE).  2023. 88 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729. Acesso em: 13 jul. 2023.

[5] SILVA, Gabriel Henrique Davanço. Classificação de tráfego por classes de serviço no núcleo 5G. 2022. 80 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237577. Acesso em: 26 ago. 2022.