用戶面功能（UPF，User Plane Function)是3GPP 5G 核心網系統架構的重要組成部分，主要負責5G核心網用戶面數據包的路由和轉發相關功能。UPF 在5G 面向低時延、大帶寬的邊緣計算和網絡切片技術上發揮著舉足輕重的作用。
1、歷史
用戶面功能（UPF，User Plane Function)代表控制和用戶平面分離（CUPS，Control and User Plane Separation）策略在數據平面的演進。
2016 年前后，3GPP在Release 14 規范中作為對4G 核心網（EPC）的擴展而引入了CUPS 策略，把分組網關（PGW）和服務網關（SGW）進行了功能解耦，拆分為控制面（PGW-C和SGW-C）和用戶面（PGW-U和SGW-U）。PGW-U 可以分散化部署，增加了流量轉發的靈活性，使更靠近網絡邊緣的設備可以執行數據包處理和流量聚合，在減輕核心網負擔的同時提高帶寬效率。
CUPS 策略允許核心網用戶面的下沉，能夠支撐對大帶寬和低時延有強烈需求的業務場景。但CUPS 的設計本身對4G EPC 演進力度大，雖然用戶平面得以分離下沉，但與核心網其它功能實體間的交互環節仍存在巨大的限制。隨著5G 摒棄了傳統設備功能實體的設計，核心網白盒化和虛擬化，采用了基于服務的軟件架構 (SBA，Service Based Architectures)微服務的設計理念，CUPS 策略中拆分出的用戶面網絡功能也逐步演進為了目前5G 核心網架構中的UPF 網元。演進歷程如圖1 所示。
圖1. UPF的演進歷程（2017 年）
UPF 涵蓋了CUPS 策略后SGW-U 和PGW-U 的職能，主要用于流量的傳輸，并通過北向接口（N4）接收轉發策略類的控制信息。此外，4G EPC 中鑒權、會話控制、用戶數據管理等功能也逐步演變為了5G 核心網中負責控制面的網元。
2、功能
UPF 作為5GC 網絡用戶面網元，主要支持UE 業務數據的路由和轉發、數據和業務識別、動作和策略執行等。UPF 通過N4 接口與會話管理功能（SMF，Session Management Function）進行交互，直接受SMF 控制和管理，依據SMF下發的各種策略執行業務流的處理。根據3GPP TS 23.501 V16.7.0，本文涉及到的UPF 主要功能如下：
1）無線接入網絡與數據網絡（DN，Data Network）之間的互聯點，用于用戶面的GTP隧道協議（GTP-U，GPRS Tunneling Protocol for User Plane）的封裝和解封裝；
2）協議數據單元會話錨點（PSA，PDU Session Anchor），用于在無線接入時的提供移動性；
3）5G SA 數據包的路由和本地分流，作為中繼UPF（I-UPF，Intermediate UPF）充當上行分類器（UL-CL，Uplink Classifier）或者分支節點UPF（Branching Point UPF）。
4）除上述功能外，UPF 還有應用程序監測、數據流QoS 處理、流量使用情況報告、IP 管理、移動性適配、策略控制和計費等功能，可參考3GPP TS 23.501 規范[2]。除了網絡功能性需求外，UPF還要考慮數據安全性、物理環境需求和部署功耗等指標。
圖2. UPF 部分接口示意圖
UPF 作為移動網絡和數據網絡（DN，Data Network）的連接點，重要接口包括N3、N4、N6、N9、N19、Gi/SGi、S5/S8-U、S1-U 等。以N 開頭是UPF 與5G 核心網控制面網元或者外部網絡交互的接口，如圖2 所示[2]。其余部分接口可滿足對現網已有網絡設施的兼容，UPF 在5G 組網建設中仍需兼容現網已有的網絡設施，實際部署中UPF 將整合SGW-U 和PGW-U 的職能，兼容已有的核心網絡，物理層面將會存在UPF + PGW-U 的融合網元。
N3 接口是NG RAN 與UPF 間的接口，采用GTP-U 協議進行用戶數據的隧道傳輸。
N4 接口是SMF 和UPF 之間的接口，控制面用于傳輸節點消息和會話消息，采用PFCP 協議，用戶面用于傳輸SMF 需要通過UPF接收或發送的報文，采用GTP-U 協議。
N6 接口是UPF 和外部DN 之間的接口，在特定場景下（例如企業專用MEC 訪問），N6 接口要求支持專線或L2/L3 層隧道，可基于IP 與DN 網絡通信。
N9 接口是UPF 之間的接口，在移動場景下，UE 與PSA UPF 之間插入I-UPF 進行流量轉發，兩個UPF 之間使用GTP-U 協議進行用戶面報文的傳輸。
N19 接口是使用5G LAN 業務時，兩個PSA UPF 之間的用戶面接口，在不使用N6 接口的情況下直接路由不同PDU 會話之間的流量，如圖3 所示。
圖3. 5G LAN N19 接口
Gi 接口是2/3G 接入用戶通過GGSN 和外部DN 之間的接口；SGi 接口是PGW-U 和外部DN 之間的接口，服務器租用，需要支持IPv6/IPv4 雙棧和IPSEC，L2TP 和GRE 等隧道協議。
