UPF (User Plane Function)

L’UPF (User Plane Function) è, semplificando, il “casello autostradale” o il “centro di smistamento” dei dati in una rete 5G.

Se nell’architettura 4G avevamo componenti separati (come il SGW e il PGW), nel 5G l’UPF riassume tutte le funzioni di gestione del traffico dati vero e proprio. È il componente che mette in contatto la rete radio (le antenne) con il mondo esterno (Internet, Server aziendali o il tuo Centralino VoIP).

Ecco i punti fondamentali per capire il suo ruolo tecnico e strategico:

Cosa fa concretamente l’UPF?

Mentre gli altri componenti della Core Network (come l’AMF o lo SMF) si occupano della “burocrazia” (segnalazione, autenticazione, permessi), l’UPF è l’unico che tocca i pacchetti dati dell’utente.

Instradamento (Routing): Riceve i dati dall’antenna e decide dove mandarli (verso il web o verso la rete locale).
Ispezione dei pacchetti: Identifica che tipo di traffico sta passando (es. “Questa è una chiamata VoIP”, “Questo è un video YouTube”).
Applicazione del QoS (Quality of Service): È l’UPF che garantisce che la tua chiamata VoIP abbia la priorità rispetto al download di un file, applicando le regole di banda decise dalla rete.
Ancoraggio della sessione: Quando ti sposti da un’antenna all’altra, l’UPF rimane il punto fermo che garantisce che la tua sessione dati non cada (funge da IP Anchor).

Perché l’UPF è rivoluzionario per le reti private?

Nella telefonia tradizionale e nel 4G, il cuore della rete era centralizzato nei data center dell’operatore. Con il 5G e l’UPF, entra in gioco il concetto di MEC (Multi-access Edge Computing).

Local Breakout: In una rete privata 5G, l’UPF viene installato fisicamente dentro l’azienda.
Sicurezza: I dati sensibili (come le conversazioni VoIP interne o i dati dei robot) non escono mai dal perimetro aziendale perché l’UPF li instrada direttamente sui server locali.
Latenza Zero: Poiché i dati non devono viaggiare fino alla centrale dell’operatore e tornare indietro, la velocità di risposta è istantanea.

Le Interfacce dell’UPF

Se dovessi fare diagnostica con Wireshark, vedresti l’UPF comunicare attraverso queste interfacce:

N3: Il tunnel che collega l’antenna (gNodeB) all’UPF. Qui viaggia il traffico incapsulato in protocollo GTP-U.
N4: L’interfaccia di controllo. Lo SMF (il “cervello”) dice all’UPF (il “braccio”) quali regole applicare ai dati.
N6: Il punto di uscita verso la rete esterna (es. il collegamento verso il tuo Centralino VoIP).

In parole povere:

“Se la rete 5G fosse un sistema postale, l’AMF sarebbe l’ufficio che verifica l’identità di chi spedisce, mentre l’UPF sarebbe il nastro trasportatore che sposta fisicamente i pacchi. Nelle reti che progettiamo, mettiamo il nastro trasportatore direttamente nel vostro magazzino, così i pacchi arrivano a destinazione senza mai uscire dai vostri cancelli.”

Glossario: dalla vecchia architettura 4G (LTE) alla nuova architettura 5G.

Mondo 4G (EPC – Evolved Packet Core)

Nel 4G, queste due entità gestivano il traffico dati, ma erano meno flessibili rispetto ai componenti attuali.

SGW (Serving Gateway)

È il punto di giunzione tra la parte radio (le antenne) e la parte core.

Cosa fa: Gestisce il passaggio dei dati mentre l’utente si sposta tra le celle (mobility anchor). In pratica, “insegue” il dispositivo per assicurarsi che i dati arrivino all’antenna corretta.
Metafora: È come il portalettere che sa esattamente in quale ufficio ti trovi e ti consegna la posta a mano mentre ti sposti nell’edificio.

PGW (Packet Data Network Gateway)

È il punto di uscita della rete verso l’esterno (Internet o reti aziendali).

Cosa fa: Assegna l’indirizzo IP al dispositivo, gestisce il filtraggio dei pacchetti e il controllo dei costi (billing). È l’interfaccia finale tra l’operatore e il mondo IP.
Metafora: È il router principale dell’azienda che decide chi può uscire su internet e assegna a tutti un indirizzo identificativo.

Mondo 5G (5GC – 5G Core)

Nel 5G, le funzioni sopra descritte sono state “smontate” e riorganizzate secondo il principio della Separazione tra Piano di Controllo e Piano Utente (CUPS).

AMF (Access and Mobility Management Function)

È l’evoluzione di una parte del vecchio MME (4G). È il punto di ingresso per tutta la segnalazione.

Cosa fa: Gestisce l’autenticazione (tramite la SIM), la sicurezza e la registrazione dell’utente. Decide se il dispositivo ha il permesso di entrare in rete.
Metafora: È il addetto alla reception/sicurezza che controlla il tuo badge all’ingresso del palazzo e ti registra nel sistema.

SMF (Session Management Function)

È il “cervello” che gestisce le sessioni di dati. Ha ereditato parte delle funzioni del PGW e del SGW.

Cosa fa: Decide come i dati devono viaggiare. Crea, modifica e rilascia le sessioni IP. È l’SMF che ordina all’UPF (il “braccio operativo”) di dare priorità al traffico VoIP o di bloccare un certo tipo di traffico.
Metafora: È il coordinatore logistico che non tocca i pacchi, ma scrive le istruzioni su quale rotta devono seguire i camion.

Il passaggio dal 4G al 5G: Cosa è cambiato?

Funzione	Nel 4G (Legacy)	Nel 5G (Moderno)
Gestione Accesso	MME	AMF
Gestione Sessione	SGW-C / PGW-C	SMF
Trasporto Dati	SGW-U / PGW-U	UPF

Entriamo nel cuore della trasmissione dati. Se l’SMF è il “progettista” che disegna la strada, l’UPF è il “tunnelier” che scava e gestisce il passaggio fisico dei pacchetti.

Per trasportare la voce VoIP (che tecnicamente sono pacchetti RTP – Real-time Transport Protocol) dall’antenna al tuo centralino, il 5G utilizza i Tunnel GTP (GPRS Tunnelling Protocol).

Ecco come funziona tecnicamente questo processo di “incapsulamento”

Cos’è un Tunnel GTP-U (User Plane)?

Il protocollo GTP-U è come una capsula protettiva. Quando lo smartphone invia un pacchetto voce, quel pacchetto non viaggia “nudo” nella rete aziendale. Viene inserito dentro un pacchetto GTP.

L’obiettivo: Permettere ai pacchetti dell’utente di attraversare la rete dell’infrastruttura (tra antenna e UPF) come se fossero un unico flusso continuo, indipendentemente da cosa contengano.

Il ruolo dell’UPF: Impacchettamento e Spacchettamento

L’UPF agisce come un terminale logistico che lavora su due fronti (Interfacce N3 e N6):

A. Ricezione dall’Antenna (Interfaccia N3)

L’antenna (gNodeB) invia i dati della chiamata VoIP dentro un tunnel GTP.
L’UPF riceve questi pacchetti e legge il TEID (Tunnel Endpoint Identifier), un numero identificativo univoco che l’SMF gli ha assegnato in precedenza.
Decapsulamento: L’UPF “rompe” la capsula GTP, estrae il pacchetto IP originale (la voce VoIP) e controlla le regole che l’SMF gli ha dato.

B. Invio al Centralino VoIP (Interfaccia N6)

Una volta estratto il pacchetto IP “pulito”, l’UPF lo instrada verso l’indirizzo IP del tuo centralino aziendale.
In questa fase, l’UPF applica il QoS (Quality of Service): si assicura che quel pacchetto voce non subisca ritardi, mettendolo in cima alla coda di uscita.

Come l’SMF “istruisce” l’UPF (Protocollo PFCP)

L’SMF non parla con l’UPF tramite messaggi generici, ma usa un protocollo specifico chiamato PFCP (Packet Forwarding Control Protocol) sull’interfaccia N4.

L’SMF invia all’UPF delle tabelle chiamate PDR (Packet Detection Rules):

“Se vedi un pacchetto che arriva dal Tunnel ID 105…” (Detection)
“…allora togli l’intestazione GTP…” (Forwarding Action)
“…e assicurati che non superi i 10ms di latenza.” (QoS Enforcement)

Perché questo è vitale per la Voce VoIP?

In una rete 5G privata, la gestione dei tunnel GTP da parte dell’UPF risolve i tre grandi nemici del VoIP:

Jitter (Variazione del ritardo): Poiché l’UPF riconosce il tunnel dedicato alla voce, mantiene costante il flusso dei pacchetti, evitando che la voce “gracchi”.
Latenza: L’UPF esegue il decapsulamento in hardware o tramite software ultra-veloce (DPDK), garantendo che il “salto” tra 5G e rete LAN sia quasi istantaneo.
Roaming Interno: Se il dipendente si sposta tra due antenne, l’SMF ordina all’UPF di cambiare il “punto di ingresso” del tunnel GTP (Update Procedure) senza che il centralino VoIP se ne accorga. La telefonata prosegue senza interruzioni.

Un esempio pratico

Immagina di essere in un’azienda e la voce VoIP risulta metallica.

Potrebbe essere l’internet che è lenta.
Un tecnico preparato : Verificherebbe tramite i log dell’UPF se le regole di QoS (impartite dall’SMF via PFCP) sono applicate correttamente ai Tunnel GTP della slice voce. Se l’UPF non sta dando priorità a quel TEID specifico, la voce soffrirà anche se la banda totale è abbondante.