5G LAN应用场景与关键技术分析

陈婉珺，穆 佳（中国联通研究院，北京 100048）

1 概述

4G 改变生活，5G 改变社会，随着5G 网络的不断成熟，其越来越多地深入到垂直行业。而作为“新基建”的代表，5G 与工业网络的融合无疑成为了未来5G网络的一个重要应用场景。原本工业场景中广泛应用的Ethernet 通信、局域网、VPN 等，也作为5G 网络的需求场景，写入了3GPP。3GPP 在R16启动5G LAN 项目研究，旨在增强5G 网络，使其支持5G LAN 类型的业务，即为企业提供本地局域网或VPN网络业务。

2 5G LAN应用场景分析

2.1 5G LAN支持二层通信

传统的工业网络，都是基于有线传输的，而且大量使用二层以太网协议。为了对工业网络进行无线化改造，为工业内网剪辫子，在5G LAN 出现之前，人们就已经尝试引入AR 路由器来配置虚拟二层网络，实现工业终端的5G无线接入。

如图1所示，以工业企业中天车的控制为例，原本天车PLC 和PLC 控制器之间是通过二层通信的，依靠对端的MAC 地址寻址，但引入5G 无线网络后，整个5G 网络是依靠IP 寻址的三层协议，终端地址也是IP地址，不支持二层数据转发。为了保证PLC 控制器和PLC 之间能够正常通信，除了引入CPE 进行5G 无线信号转换外，图1 中还分别在天车PLC 后面以及PLC 控制器前面增加了移动端AR 路由器，发端AR 路由器负责包装softGRE 隧道，将工业二层协议封装在softGRE隧道中，再与对端的AR 进行通信，接收端的AR 路由器再负责将隧道去除，转换为工业协议发送给PLC 或PLC 控制器。同时5G 网络为CPE 分配IP 地址。这种方式相当于建立了两层网络，上层是企业专网，通过softGRE隧道通信，下层是5G网络，作为承载层。

图1 AR方案进行层二通信

从图1可以看出，这种方案组网相对复杂，需要引入新的设备，改造成本较大，而且softGRE 隧道是点对点的，对于以太网的广播支持度并不好。而引入5G LAN 之后，这种复杂程度可以大幅降低。上述天车控制的5G LAN实际组网如图2所示。

图2 中，5G 网络已经可以支持以太网PDU 会话类型，在5G网络中，可以直接传输二层协议，因此PLC控制器和天车PLC 之间也无需插入AR 路由器来新建隧道，同时也能够为没有IP 地址的终端提供路由，UPF可以识别终端的MAC地址。因此CPE作为5G LAN的终端，直接签约5G LAN 的DNN 和5G LAN 组，CPE 也不再需要网络分配的IP 地址。在这种方式中，整个网络是单层网络，UPF 自学PLC 的MAC 地址列表，其作为虚拟交换机完成二通信。

对上述2种方案进行对比，具体差异如表1所示。

从表1 可以看出，引入5G LAN 以后，可以简化网络组网，降低改造成本，更好地支撑二层网络通信。

2.2 5G LAN支持广播

5G LAN 的另外一个重要的区别以往的特性是可以支持广播、多播。这一特点对于IP 层通信以及二层通信，同样适用。

传统的点对点通信方式，只支持单播，对于跨UPF的场景依赖于路由打通，对于有大量UPF 需要互通的场景下拓扑会变得比较复杂，而且对于业务流的策略管理，只能依赖UPF中的ACL来实现。

而5G LAN，同时支持单播、组播和广播，且对于跨UPF 的交互，可以通过跨UPF 动态创建N19 接口来实现。N19 接口由SMF 控制，根据需要随时创建或者删除，组网更加灵活。在策略管理方面，5G LAN 还支持划分不同的VN 组，灵活构建、细分企业子网，子网可以设定自身的QoS、安全等。

图2 5G LAN方案进行二层通信

表1 AR方案与5G LAN方案对比

2.3 5G LAN其他应用场景

3GPP 标准在需求阶段，还列举了5G LAN 其他很多应用场景，包括家居固定接入的结合、企业办公工业生产等环境中的应用，大体可以分为如下4类，需要说明的是，这些场景是3GPP 设定5G LAN 项目最终要实现的目标，并非现在全部都能够实现。

a）移动专线业务。如图3所示，5G LAN可以作为传统固网专线的补充，作为企业跨地（市）分支机构或较远距离之间的通信专线的备用线路，同时还可以支持终端的移动性，甚至通过插入I-UPF 支持较大范围的终端移动。

图3 移动专线业务场景

b）替代Wi-Fi 做园区覆盖。如图4 所示，未来5G LAN 可以替代Wi-Fi 实现更大范围的园区覆盖，当员工在大楼内移动时，可以使用WLAN 实现会议室或走廊的内网访问。当员工在校园的建筑物之间移动时，蜂窝接入可用于提供内部网接入，实现使从家庭办公室到大型多建筑办公园区等一系列客户的可扩展接入。能够方便地在私网中添加设备，不局限于时间、位置、接入类型，保障业务体验一致性。

图4 替代Wi-Fi业务场景

c）工业网络。如前文所述，5G LAN 可以取代有线以太网连接，实现原生二层通信。与uRLLC、TSN等技术相结合，在满足移动性的同时为工业用户提供高可靠，低时延保障（见图5）。

图5 工业网络业务场景

d）安全接入。5G LAN 会将用户划分为不同的VN 组，不同运营商的用户，也可以划分在同一个VN组内。VN 组内用户可以实现点对点通信以及广播、组播，不同组之间可以实现组隔离，即属于不同组的UE 之间不能通信，从而保证用户的通信安全。此外，客户可以根据需要，设置自己的专网策略，数据连接建立时设置授权和认证机制，也可以限制组用户在一定的区域内，才可以实现通信。

3 5G LAN关键技术

3.1 5G VN组管理

为了完成5G LAN 的通信，首先要进行VN 组划分，即根据需求，将特定的用户划分为一个VN 组，VN组内的成员可以进行5G LAN 组内通信。3GPP 定义了2种VN配置方式，可以由运营商通过网络网管直接进行VN 组配置，也可以由第三方通过能力开放平台等，灵活的进行VN组动态签约管理。

但无论哪种方式，一个5G VN 组具备以下特征：5G VN 组标识、5G VN 组成员信息、5G VN 组数据（如PDU会话类型、DNN等）。

3.2 流量转发方式

对于VN 组内，用户面流量转发，3GPP 根据不同的场景需求定义了如图6 所示3 种转发方式：基于Lo⁃cal Switch 的转发、基于N6 接口的转发和基于N19 接口的转发。需要注意的是，目前标准上只定义了同一个SMF 下，VN 组内用户的流量转发方式，而跨SMF 的流量转发，尚未定义。SMF 可以通过给UPF 配置不同的流量转发方法，使得在一个5G VN 组内的流量可以在PDU会话间进行转发。

图6 3种流量转发方式

为了实现5G的VN组内的流量转发，3GPP定义了UPF 内部接口5G VN Internal。实际转发过程，通过2步检测和转发流程实现。第1 步，UPF 收到5G VN 组内成员的数据（经N3 接口、N6 接口或者N19 接口收到）后转发到UPF 内部接口处理（设置FAR 中的目的接口为“5G VN Internal”）；第2 步，安装在UPF 内部接口的PDR（源接口设置为“5G VN Internal”）检测到内部接口的数据包，转发到相应的FAR，通过这个FAR转发数据包到相应的目的5G VN 组成员（经N3 接口、N6接口或者N19接口发送）。

从上面的描述来看，3 种转发方式路径不同，对网络设备的要求不同，适用的场景也不同。

3.2.1 Local Switch转发

这种转发方式，又称为本地转发模型，是指属于同一5G VN 组的2 个UE 之间通过单个UPF 进行的通信。Local Switch 转发方式，比较适合点对点的网络拓扑，参与通信的终端都需要较大的移动性。同时终端设备也较为分散，Wi-Fi无法满足其覆盖需求，同时也不可能汇聚在几个固定的机房通过N6 口进行通信的场景。一般一个UPF足以覆盖一个企业园区。

这种转发方式，终端的移动性好，可设置终端移动到园区外，如果签约允许的情况下，也可以通过插入I-UPF 等方式，实现VN 组内通信。同时这种方式，还可以让组网更加分散，灵活。

但同时，这种方式也存在一定的限制，因为发送端和接收端存在2路空口，与传统有线连接相比，其时延抖动方面的性能较差，因此对于时延、抖动要求较高的场景并不适用。未来，如果与uRLLC、TSN等技术结合，或许可以弥补这方面的缺陷。另外，这种转发方式，其流量受限于单个UPF 的性能，对于服务器端一对多，性能要求较高的场景并不适用。

3.2.2 N6接口转发

N6接口转发是指UE和N6连接的组成员或DN 内的设备之间转发通信。这种方式适合星状拓扑，多个终端通过N6实现汇聚，比如企业服务器中心部署场景等。另外，这种方式不同于Local Switch 方式，可以适用于Hub 连接的超大流量场景，还可以用于中心机房和三层通信场景。

这种方式的优点主要体现在，N6接口能够支持稳定大流量，同时N6 接口一侧可以适用有线传输，时延稳定，容易结合三层交换机完成三层通信，有线传输也可以节省CPE 成本。但同时，N6 接口移动性差，N6口的连线汇聚，也会带来组网限制或者物理连线不便。

3.2.3 N19接口转发

N19 接口转发又称为跨UPF 转发模型，是指属于同一5G VN 组的2个UE通过不同UPF之间转发通信。这种转发方式与Local Switch 方式类似，也是适用于点对点的网络拓扑。但相比Local Switch 方式，其连接的范围更广，Local Switch 模式下，可以实现局域覆盖；而N19 接口模式下，可以支持跨域/广域互联。因此，若作为固网专线的补充或备份，N19 接口转发是比较合适的选择。

这种转发方式的优点非常明显，可以跨越较大地理范围。这种方式存在的限制主要来自于2 个方面：N4 接口尚未解耦，因此目前N19 接口连接的多个UPF必须与SMF 使用同厂家设备；另一方面，复杂度高，时延大，业务感知差，目前尚无明显的应用需求。

3.3 广播、组播复制

广播消息，在二层以太网通信中十分常见，包括最初的终端MAC 地址学习等，都依靠广播消息。5G LAN的定义中，也支持广播、组播通信。

从技术角度来看，广播、组播，需要网络支持用户面流量复制，SMF 可通过PDR 和FAR 指示UPF 如何复制用户面流量。对于Local Switch 的转发模型，当UPF接收到通过“internal interface”发送的广播包时，将其与所有PDR 相匹配进行转发。对于N19 或N6 转发模型，当UPF 从N19 或N6 接收到5G VN 组的广播包时，应将其分发给连接到该UPF 的所有5G VN 组成员。组播与广播类似，但需要将SMF 配置的PDR 的广播地址改为多播地址。但当5G LAN 的实际组网中同时存在N19接口和N6接口的转发模式时，进行广播可能会存在环路问题。

如图7 所示，UPF1 收到的来自UE X 的广播消息，复制后，发往N6 接口交换机及N19 接口的UPF2，DN中的交换机，收到UPF1 发来的广播消息后，有可能会再将此消息转发给UPF2，此时UPF2收到来自N6口的广播消息，会再次复制，同时发给UE Y 以及N19 接口的UPF1，如此往复，这条广播消息就会在UPF1、UPF2以及N6 接口环路中不停的发送，带来风暴。因此，广播消息的破环问题也是目前3GPP 在5G LAN 项目中的一个讨论热点。

从需求场景的角度看，目前以太网广播需求较为明显，IP 广播多用于IPTV 场景，但目前IPTV 的广播是依靠应用层实现，对于5G LAN 的需求不明显。组播暂时也没有明显的需求。

图7 广播消息环路问题

4 结束语

5G LAN 的引入，尤其是网络原生支持层二通信，推动了5G网络与工业网络的融合，但同时，5G LAN 无论从技术实现，还是从需求场景方面，还有很多有待完善、需要继续探索的地方。

技术方面：一方面，跨SMF 的5G LAN 实现方式尚未定义；另一方面，N4 接口尚未解耦，导致跨UPF 的N19转发模型也受到极大的限制。对于广播消息的破环问题也尚未解决。因此，目前国内主流厂家的产品大都支持Local Switch的单播消息转发方式。

需求方面：5G LAN 支持层二通信的需求较为明显。从前面的分析也可以看到，5G LAN 同样具备IP层通信能力，可方便地进行用户的群组隔离管理，赋予终端较大的移动性，对于较大范围、跨多UPF 的通信，5G LAN 还具备简化网络拓扑等优势，但目前由于现有用户的使用习惯、现网已经存在的网络投资，以及5G LAN 技术、产品尚不成熟等原因，5G LAN 在IP层通信方面，还暂时没有十分迫切的需求，但随着5G LAN 整个生态逐步成熟，网络设备逐步升级，未来5G LAN 在二层、三层通信方面都会得到更大规模的应用。