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Guía de Operaciones de OmniUPF

Tabla de Contenidos

  1. Resumen
  2. Comprensión de la Arquitectura del Plano de Usuario 5G
  3. Componentes del UPF
  4. Protocolo PFCP e Integración con SMF
  5. Operaciones Comunes
  6. Solución de Problemas
  7. Documentación Adicional
  8. Glosario

Resumen

OmniUPF (Función de Plano de Usuario basada en eBPF) es una Función de Plano de Usuario 5G/LTE de alto rendimiento que proporciona reenvío de paquetes de grado de operador, aplicación de QoS y gestión de tráfico para redes móviles. Construido sobre la tecnología eBPF de Linux (Filtro de Paquetes de Berkeley extendido) y mejorado con capacidades de gestión integrales, OmniUPF ofrece la infraestructura central de procesamiento de paquetes requerida para redes 5G SA, 5G NSA y LTE.

¿Qué es una Función de Plano de Usuario?

La Función de Plano de Usuario (UPF) es el elemento de red estandarizado por 3GPP responsable del procesamiento y reenvío de paquetes en redes 5G y LTE. Proporciona:

  • Reenvío de paquetes de alta velocidad entre dispositivos móviles y redes de datos
  • Aplicación de Calidad de Servicio (QoS) para diferentes tipos de tráfico
  • Detección y enrutamiento de tráfico basado en filtros y reglas de paquetes
  • Informe de uso para facturación y análisis
  • Buffering de paquetes para escenarios de gestión de movilidad y sesiones
  • Soporte para intercepción legal para cumplimiento regulatorio

OmniUPF implementa la funcionalidad completa de UPF definida en 3GPP TS 23.501 (5G) y TS 23.401 (LTE), proporcionando una solución de plano de usuario completa y lista para producción utilizando la tecnología eBPF del núcleo de Linux para un rendimiento máximo.

Capacidades Clave de OmniUPF

Procesamiento de Paquetes:

  • Procesamiento de paquetes de plano de usuario completamente compatible con 3GPP
  • Ruta de datos basada en eBPF para rendimiento a nivel de núcleo
  • Encapsulación y desencapsulación de GTP-U (Protocolo de Túnel GPRS)
  • Soporte para IPv4 e IPv6 tanto para redes de acceso como de datos
  • XDP (Ruta de Datos eXpress) para procesamiento de latencia ultra baja
  • Procesamiento de paquetes multihilo

QoS y Gestión de Tráfico:

  • Reglas de Aplicación de QoS (QER) para gestión de ancho de banda
  • Reglas de Detección de Paquetes (PDR) para clasificación de tráfico
  • Reglas de Acción de Reenvío (FAR) para decisiones de enrutamiento
  • Filtrado de Flujo de Datos de Servicio (SDF) para enrutamiento específico de aplicaciones
  • Reglas de Informe de Uso (URR) para seguimiento de volumen y facturación

Control y Gestión:

  • Interfaz PFCP (Protocolo de Control de Reenvío de Paquetes) a SMF/PGW-C
  • API RESTful para monitoreo y diagnóstico
  • Estadísticas y métricas en tiempo real
  • Monitoreo de capacidad de mapas eBPF
  • Panel de control basado en web

Características de Rendimiento:

  • Procesamiento de paquetes sin copia a través de eBPF
  • Reenvío de paquetes a nivel de núcleo (sin sobrecarga de espacio de usuario)
  • Escalabilidad multinúcleo
  • Capaz de descarga para aceleración de hardware
  • Optimizado para implementaciones nativas en la nube

Para un uso detallado del panel de control, consulte Operaciones de la Interfaz Web.

Comprensión de la Arquitectura del Plano de Usuario 5G

OmniUPF es una solución unificada de plano de usuario que proporciona reenvío de paquetes de grado de operador para redes 5G Autónomas (SA), 5G NSA y 4G LTE/EPC. OmniUPF es un solo producto que puede funcionar simultáneamente como:

  • UPF (Función de Plano de Usuario) - plano de usuario 5G/NSA (controlado por OmniSMF a través de N4/PFCP)
  • PGW-U (Puerta de Enlace de Datos de PDN) - puerta de enlace EPC 4G a redes externas (controlado por OmniPGW-C a través de Sxc/PFCP)
  • SGW-U (Puerta de Enlace de Servicio de Datos) - puerta de enlace de servicio EPC 4G (controlado por OmniSGW-C a través de Sxb/PFCP)

OmniUPF puede operar en cualquier combinación de estos modos:

  • Solo UPF: Implementación pura de 5G
  • PGW-U + SGW-U: Puerta de enlace 4G combinada (implementación típica de EPC)
  • UPF + PGW-U + SGW-U: Soporte simultáneo para 4G y 5G (escenario de migración)

Todos los modos utilizan el mismo motor de procesamiento de paquetes basado en eBPF y el protocolo PFCP, proporcionando un alto rendimiento consistente, ya sea que opere como UPF, PGW-U, SGW-U o los tres simultáneamente.

Arquitectura de Red 5G (Modo SA)

La solución OmniUPF se sitúa en el plano de datos de las redes 5G, proporcionando la capa de reenvío de paquetes de alta velocidad que conecta dispositivos móviles a redes y servicios de datos.


Arquitectura de Red 4G LTE/EPC

OmniUPF también soporta implementaciones de 4G LTE y EPC (Núcleo de Paquetes Evolucionado), funcionando como OmniPGW-U o OmniSGW-U dependiendo de la arquitectura de la red.

Modo Combinado PGW-U/SGW-U (Implementación Típica de 4G)

En este modo, OmniUPF actúa como SGW-U y PGW-U, controlado por funciones de plano de control separadas.

Modo Separado SGW-U y PGW-U (Roaming/Múltiples Sitios)

En implementaciones de roaming o múltiples sitios, se pueden desplegar dos instancias separadas de OmniUPF: una como SGW-U y otra como PGW-U.


Cómo Funcionan las Funciones de Plano de Usuario en la Red

La función de plano de usuario (OmniUPF, OmniPGW-U o OmniSGW-U) opera como el plano de reenvío controlado por el respectivo plano de control:

  1. Establecimiento de Sesión

    • 5G: OmniSMF establece la asociación PFCP a través de la interfaz N4 con OmniUPF
    • 4G: OmniPGW-C o OmniSGW-C establece la asociación PFCP a través de Sxb/Sxc con OmniPGW-U/OmniSGW-U
    • El plano de control crea sesiones PFCP para cada sesión PDU de UE (5G) o contexto PDP (4G)
    • El plano de usuario recibe reglas PDR, FAR, QER y URR a través de PFCP
    • Los mapas eBPF se poblan con reglas de reenvío
  2. Procesamiento de Paquetes de Subida (UE → Red de Datos)

    • 5G: Los paquetes llegan a través de la interfaz N3 desde gNB con encapsulación GTP-U
    • 4G: Los paquetes llegan a través de la interfaz S1-U (SGW-U) o S5/S8 (PGW-U) desde eNodeB con encapsulación GTP-U
    • El plano de usuario compara los paquetes con los PDR de subida basándose en TEID
    • El programa eBPF aplica QER (limitación de tasa, marcado)
    • FAR determina la acción de reenvío (reenviar, descartar, almacenar, duplicar)
    • Se elimina el túnel GTP-U, los paquetes se reenvían a la interfaz N6 (5G) o SGi (4G)
    • URR rastrea el conteo de paquetes y bytes para la facturación
  3. Procesamiento de Paquetes de Bajada (Red de Datos → UE)

    • 5G: Los paquetes llegan a través de la interfaz N6 como IP nativa
    • 4G: Los paquetes llegan a través de la interfaz SGi como IP nativa
    • El plano de usuario compara los paquetes con los PDR de bajada basándose en la dirección IP de UE
    • Los filtros SDF pueden clasificar aún más el tráfico por puerto, protocolo o aplicación
    • FAR determina el túnel GTP-U y los parámetros de reenvío
    • Se añade la encapsulación GTP-U con el TEID apropiado
    • 5G: Los paquetes se reenvían a la interfaz N3 hacia gNB
    • 4G: Los paquetes se reenvían a S1-U (SGW-U) o S5/S8 (PGW-U) hacia eNodeB
  4. Movilidad y Transferencia

    • 5G: OmniSMF actualiza las reglas PDR/FAR durante escenarios de transferencia
    • 4G: OmniSGW-C/OmniPGW-C actualiza las reglas durante la transferencia entre eNodeB o TAU (Actualización de Área de Seguimiento)
    • El plano de usuario puede almacenar paquetes durante el cambio de ruta
    • Transición sin interrupciones entre estaciones base sin pérdida de paquetes

Integración con el Plano de Control (4G y 5G)

OmniUPF se integra con funciones de plano de control de 5G y 4G a través de interfaces estándar de 3GPP:

Interfaces 5G

InterfazDe → APropósitoEspecificación 3GPP
N4OmniSMF ↔ OmniUPFEstablecimiento, modificación, eliminación de sesión PFCPTS 29.244
N3gNB → OmniUPFTráfico de plano de usuario desde RAN (GTP-U)TS 29.281
N6OmniUPF → Red de DatosTráfico de plano de usuario a DN (IP nativa)TS 23.501
N9OmniUPF ↔ OmniUPFComunicación entre UPF para roaming/bordeTS 23.501

Interfaces 4G/EPC

InterfazDe → APropósitoEspecificación 3GPP
SxbOmniSGW-C ↔ OmniUPF (modo SGW-U)Control de sesión PFCP para puerta de enlace de servicioTS 29.244
SxcOmniPGW-C ↔ OmniUPF (modo PGW-U)Control de sesión PFCP para puerta de enlace PDNTS 29.244
S1-UeNodeB → OmniUPF (modo SGW-U)Tráfico de plano de usuario desde RAN (GTP-U)TS 29.281
S5/S8OmniUPF (SGW-U) ↔ OmniUPF (PGW-U)Plano de usuario interpuerta (GTP-U)TS 29.281
SGiOmniUPF (modo PGW-U) → PDNTráfico de plano de usuario a la red de datos (IP nativa)TS 23.401

Nota: Todas las interfaces PFCP (N4, Sxb, Sxc) utilizan el mismo protocolo PFCP definido en TS 29.244. Los nombres de las interfaces son diferentes, pero el protocolo y los formatos de mensaje son idénticos.

Para la gestión de sesiones PFCP, consulte Operaciones PFCP.

Componentes del UPF

Ruta de Datos eBPF

La ruta de datos eBPF es el motor central de procesamiento de paquetes que se ejecuta en el núcleo de Linux para un rendimiento máximo.

Funciones Principales:

  • Procesamiento de GTP-U: Encapsulación y desencapsulación de túneles GTP-U
  • Clasificación de Paquetes: Comparar paquetes con reglas PDR utilizando TEID, IP de UE o filtros SDF
  • Aplicación de QoS: Aplicar limitación de tasa y marcado de paquetes según las reglas QER
  • Decisiones de Reenvío: Ejecutar acciones FAR (reenviar, descartar, almacenar, duplicar, notificar)
  • Seguimiento de Uso: Incrementar contadores URR para facturación basada en volumen

Mapas eBPF: La ruta de datos utiliza mapas eBPF (tablas hash en memoria del núcleo) para el almacenamiento de reglas:

Nombre del MapaPropósitoClaveValor
uplink_pdr_mapPDRs de subidaTEID (32 bits)Información PDR (ID FAR, ID QER, IDs URR)
downlink_pdr_mapPDRs de bajada (IPv4)Dirección IP de UEInformación PDR
downlink_pdr_map_ip6PDRs de bajada (IPv6)Dirección IPv6 de UEInformación PDR
far_mapReglas de reenvíoID FARParámetros de reenvío (acción, información de túnel)
qer_mapReglas de QoSID QERParámetros de QoS (MBR, GBR, marcado)
urr_mapSeguimiento de usoID URRContadores de volumen (subida, bajada, total)
sdf_filter_mapFiltros SDFID PDRFiltros de aplicación (puertos, protocolos)

Características de Rendimiento:

  • Sin copia: Paquetes procesados completamente en el espacio del núcleo
  • Soporte XDP: Adjuntar a nivel del controlador de red para latencia sub-microsegundo
  • Multinúcleo: Escala a través de núcleos de CPU con soporte de mapa por CPU
  • Capacidad: Millones de PDRs/FARs en mapas eBPF (limitado por la memoria del núcleo)

Para el monitoreo de capacidad, consulte Gestión de Capacidad.


Manejador de Interfaz PFCP

La interfaz PFCP implementa 3GPP TS 29.244 para la comunicación con SMF o PGW-C.

Funciones Principales:

  • Gestión de Asociación: Latido PFCP y configuración/liberación de asociación
  • Ciclo de Vida de Sesión: Crear, modificar y eliminar sesiones PFCP
  • Instalación de Reglas: Traducir IEs PFCP en entradas de mapa eBPF
  • Informe de Eventos: Notificar a SMF sobre umbrales de uso, errores o eventos de sesión

Soporte de Mensajes PFCP:

Tipo de MensajeDirecciónPropósito
Configuración de AsociaciónSMF → UPFEstablecer asociación de control PFCP
Liberación de AsociaciónSMF → UPFDestruir asociación PFCP
LatidoBidireccionalMantener viva la asociación
Establecimiento de SesiónSMF → UPFCrear nueva sesión PDU con PDR/FAR/QER/URR
Modificación de SesiónSMF → UPFActualizar reglas para movilidad, cambios de QoS
Eliminación de SesiónSMF → UPFEliminar sesi��n y todas las reglas asociadas
Informe de SesiónUPF → SMFInformar uso, errores o eventos

Elementos de Información (IE) Soportados:

  • Crear PDR, FAR, QER, URR
  • Actualizar PDR, FAR, QER, URR
  • Eliminar PDR, FAR, QER, URR
  • Información de Detección de Paquetes (IP de UE, F-TEID, filtro SDF)
  • Parámetros de Reenvío (instancia de red, creación de encabezado externo)
  • Parámetros de QoS (MBR, GBR, QFI)
  • Disparadores de Informe de Uso (umbral de volumen, umbral de tiempo)

Para operaciones PFCP detalladas, consulte Guía de Operaciones PFCP.


Servidor API REST

La API REST proporciona acceso programático al estado y operaciones de UPF.

Funciones Principales:

  • Monitoreo de Sesiones: Consultar sesiones PFCP activas y asociaciones
  • Inspección de Reglas: Ver configuraciones de PDR, FAR, QER, URR
  • Estadísticas: Recuperar contadores de paquetes, estadísticas de rutas, estadísticas de XDP
  • Gestión de Buffers: Ver y controlar buffers de paquetes
  • Información de Mapas: Monitorear uso y capacidad de mapas eBPF

Puntos Finales de la API: (34 puntos finales en total)

CategoríaPuntos FinalesDescripción
Salud/healthVerificación de salud y estado
Configuración/configConfiguración de UPF
Sesiones/pfcp_sessions, /pfcp_associationsDatos de sesión/asociación PFCP
PDRs/uplink_pdr_map, /downlink_pdr_map, /downlink_pdr_map_ip6, /uplink_pdr_map_ip6Reglas de detección de paquetes
FARs/far_mapReglas de acción de reenvío
QERs/qer_mapReglas de aplicación de QoS
URRs/urr_mapReglas de informe de uso
Buffers/bufferEstado y control del buffer de paquetes
Estadísticas/packet_stats, /route_stats, /xdp_stats, /n3n6_statsMétricas de rendimiento
Capacidad/map_infoCapacidad y uso de mapas eBPF
Ruta de Datos/dataplane_configDirecciones de interfaz N3/N9

Para detalles y uso de la API, consulte Guía de Operaciones PFCP y Guía de Monitoreo.


Panel de Control Web

El Panel de Control Web proporciona un tablero en tiempo real para el monitoreo y gestión de UPF.

Características:

  • Vista de Sesiones: Navegar por sesiones PFCP activas con IP de UE, TEID y conteos de reglas
  • Gestión de Reglas: Ver y gestionar PDRs, FARs, QERs y URRs en todas las sesiones
  • Monitoreo de Buffers: Rastrear paquetes almacenados y controlar el almacenamiento por FAR
  • Tablero de Estadísticas: Estadísticas en tiempo real de paquetes, rutas, XDP y estadísticas de interfaces N3/N6
  • Monitoreo de Capacidad: Uso de mapas eBPF con indicadores de capacidad codificados por colores
  • Vista de Configuración: Mostrar configuración de UPF y direcciones de plano de datos
  • Visor de Registros: Transmisión de registros en vivo para solución de problemas

Para operaciones detalladas de la interfaz de usuario, consulte Guía de Operaciones de la Interfaz Web.

Protocolo PFCP e Integración con SMF

Asociación PFCP

Antes de que se puedan crear sesiones, el SMF debe establecer una asociación PFCP con el UPF.

Ciclo de Vida de la Asociación:

Puntos Clave:

  • Cada SMF establece una asociación con el UPF
  • UPF rastrea la asociación por ID de Nodo (FQDN o dirección IP)
  • Los mensajes de latido mantienen la vivacidad de la asociación
  • Todas las sesiones bajo una asociación se eliminan si se libera la asociación

Para ver asociaciones, consulte Vista de Sesiones.


Creación de Sesiones PFCP

Cuando un UE establece una sesión PDU (5G) o contexto PDP (LTE), el SMF crea una sesión PFCP en el UPF.

Flujo de Establecimiento de Sesión:

Contenidos Típicos de la Sesión:

  • PDR de Subida: Coincidir en TEID N3, reenviar a través de FAR a N6
  • PDR de Bajada: Coincidir en dirección IP de UE, reenviar a través de FAR a N3 con encapsulación GTP-U
  • FAR: Parámetros de reenvío (creación de encabezado externo, instancia de red)
  • QER: Límites de QoS (MBR, GBR) y marcado de paquetes (QFI)
  • URR: Informe de volumen para facturación (opcional)

Para el monitoreo de sesiones, consulte Operaciones PFCP.


Modificación de Sesiones PFCP

El SMF puede modificar sesiones para eventos de movilidad (transferencia), cambios de QoS o actualizaciones de servicio.

Escenarios Comunes de Modificación:

  1. Transferencia (basada en N2)

    • Actualizar FAR de subida con el nuevo punto final de túnel gNB (F-TEID)
    • Opcionalmente almacenar paquetes durante el cambio de ruta
    • Vaciar el buffer a la nueva ruta cuando esté listo
  2. Cambio de QoS

    • Actualizar QER con nuevos valores MBR/GBR
    • Puede agregar/quitar filtros SDF en PDR para QoS específica de la aplicación
  3. Actualización de Servicio

    • Agregar nuevos PDRs para flujos de tráfico adicionales
    • Modificar FARs para cambios de enrutamiento

Flujo de Modificación de Sesión:

Para la gestión de reglas, consulte Guía de Gestión de Reglas.


Eliminación de Sesiones PFCP

Cuando se libera una sesión PDU, el SMF elimina la sesión PFCP en el UPF.

Flujo de Eliminación de Sesión:

Limpieza Realizada:

  • Todos los PDRs eliminados (subida y bajada)
  • Todos los FARs, QERs, URRs eliminados
  • Buffers de paquetes limpiados
  • Informe final de uso enviado a SMF para facturación

Operaciones Comunes

OmniUPF proporciona capacidades operativas integrales a través de su panel de control basado en web y API REST. Esta sección cubre tareas operativas comunes y su importancia.

Monitoreo de Sesiones

Comprensión de las Sesiones PFCP:

Las sesiones PFCP representan sesiones PDU activas de UE (5G) o contextos PDP (LTE). Cada sesión contiene:

  • SEIDs locales y remotos (Identificadores de Punto de Sesión)
  • PDRs para clasificación de paquetes
  • FARs para decisiones de reenvío
  • QERs para aplicación de QoS (opcional)
  • URRs para seguimiento de uso (opcional)

Operaciones Clave de Sesión:

  • Ver todas las sesiones con direcciones IP de UE, TEIDs y conteos de reglas
  • Filtrar sesiones por dirección IP o TEID
  • Inspeccionar detalles de la sesión incluyendo configuraciones completas de PDR/FAR/QER/URR
  • Monitorear conteos de sesión por asociación PFCP

Para procedimientos detallados de sesión, consulte Vista de Sesiones.


Gestión de Reglas

Reglas de Detección de Paquetes (PDR):

Los PDRs determinan qué paquetes coinciden con flujos de tráfico específicos. Los operadores pueden:

  • Ver PDRs de subida indexados por TEID desde la interfaz N3
  • Ver PDRs de bajada indexados por dirección IP de UE (IPv4 e IPv6)
  • Inspeccionar filtros SDF para clasificación específica de aplicaciones
  • Monitorear conteos de PDR y uso de capacidad

Reglas de Acción de Reenvío (FAR):

Los FARs definen qué hacer con los paquetes coincidentes. Los operadores pueden:

  • Ver acciones FAR (REENVIAR, DESCARTAR, ALMACENAR, DUPLICAR, NOTIFICAR)
  • Inspeccionar parámetros de reenvío (creación de encabezado externo, destino)
  • Monitorear estado de almacenamiento por FAR
  • Alternar almacenamiento para FARs específicos durante la solución de problemas

Reglas de Aplicación de QoS (QER):

Los QERs aplican límites de ancho de banda y marcado de paquetes. Los operadores pueden:

  • Ver parámetros de QoS (MBR, GBR, presupuesto de retraso de paquetes)
  • Monitorear QERs activos por sesión
  • Inspeccionar marcas QFI para flujos de QoS 5G

Reglas de Informe de Uso (URR):

Los URRs rastrean volúmenes de datos para facturación. Los operadores pueden:

  • Ver contadores de volumen (subida, bajada, total de bytes)
  • Monitorear umbrales de uso y disparadores de informes
  • Inspeccionar URRs activos en todas las sesiones

Para operaciones de reglas, consulte Guía de Gestión de Reglas.


Almacenamiento de Paquetes

Por qué el Almacenamiento es Crítico para UPF

El almacenamiento de paquetes es una de las funciones más importantes de un UPF porque previene la pérdida de paquetes durante eventos de movilidad y reconfiguraciones de sesión. Sin almacenamiento, los usuarios móviles experimentarían desconexiones, descargas interrumpidas y fallos en las comunicaciones en tiempo real cada vez que se mueven entre torres celulares o cuando cambian las condiciones de la red.

El Problema: Pérdida de Paquetes Durante la Movilidad

En redes móviles, los usuarios están en constante movimiento. Cuando un dispositivo se mueve de una torre celular a otra (transferencia), o cuando la red necesita reconfigurar la ruta de datos, hay una ventana crítica donde los paquetes están en vuelo pero la nueva ruta aún no está lista:

Sin almacenamiento: Los paquetes que llegan durante esta ventana crítica serían descartados, causando:

  • Conexiones TCP que se detienen o se reinician (navegación web, descargas interrumpidas)
  • Llamadas de video que se congelan o se caen (Zoom, Teams, llamadas de WhatsApp fallan)
  • Sesiones de juego que se desconectan (juegos en línea, aplicaciones en tiempo real fallan)
  • Llamadas VoIP que tienen interrupciones o se caen por completo (llamadas telefónicas interrumpidas)
  • Descargas que fallan y necesitan reiniciarse

Con almacenamiento: OmniUPF retiene temporalmente los paquetes hasta que la nueva ruta se establece, luego los reenvía sin problemas. El usuario experimenta cero interrupciones.


Cuándo Ocurre el Almacenamiento

OmniUPF almacena paquetes en estos escenarios críticos:

1. Transferencia Basada en N2 (5G) / Transferencia Basada en X2 (4G)

Cuando un UE se mueve entre torres celulares:

Línea de Tiempo:

  • T+0ms: Ruta antigua aún activa
  • T+10ms: SMF le dice a UPF que almacene (ruta antigua cerrándose, nueva ruta no lista)
  • T+10-50ms: Ventana crítica de almacenamiento - los paquetes llegan pero no pueden ser reenviados
  • T+50ms: Nueva ruta lista, SMF le dice a UPF que reenvíe
  • T+50ms+: UPF vacía los paquetes almacenados a la nueva ruta, luego reenvía nuevos paquetes normalmente

Sin almacenamiento: ~40ms de paquetes (potencialmente miles) serían perdidos. Con almacenamiento: Cero pérdida de paquetes, transferencia sin interrupciones.


2. Modificación de Sesión (Cambio de QoS, Actualización de Ruta)

Cuando la red necesita cambiar parámetros de sesión:

  • Actualización/disminución de QoS: El usuario se mueve de cobertura 4G a 5G (modo NSA)
  • Cambio de política: El usuario empresarial entra en el campus corporativo (cambios de dirección de tráfico)
  • Optimización de red: La red central redirige el tráfico a un UPF más cercano (actualización ULCL)

Durante la modificación, el plano de control puede necesitar actualizar múltiples reglas de forma atómica. El almacenamiento asegura que los paquetes no se reenvíen con conjuntos de reglas parciales/inconsistentes.


3. Notificación de Datos de Bajada (Recuperación de Modo Inactivo)

Cuando un UE está en modo inactivo (pantalla apagada, ahorro de batería) y llegan datos de bajada:

Sin almacenamiento: El paquete inicial que activó la notificación sería perdido, requiriendo que el remitente retransmita (agrega latencia). Con almacenamiento: El paquete que despertó al UE se entrega inmediatamente cuando el UE se reconecta.


4. Transferencia Inter-RAT (4G ↔ 5G)

Cuando un UE se mueve entre cobertura 4G y 5G:

  • Cambios de arquitectura (eNodeB ↔ gNB)
  • Cambios en los puntos finales de túnel (nueva asignación de TEID)
  • El almacenamiento asegura una transición suave entre tipos de RAT

Cómo Funciona el Almacenamiento en OmniUPF

Mecanismo Técnico:

OmniUPF utiliza una arquitectura de almacenamiento de dos etapas:

  1. Etapa eBPF (Núcleo): Detecta paquetes que requieren almacenamiento según las banderas de acción FAR
  2. Etapa de Espacio de Usuario: Almacena y gestiona paquetes almacenados en memoria

Proceso de Almacenamiento:

Detalles Clave:

  • Puerto de Buffer: Puerto UDP 22152 (paquetes enviados desde eBPF a espacio de usuario)
  • Encapsulación: Paquetes envueltos en GTP-U con ID FAR como TEID
  • Almacenamiento: Buffers en memoria por FAR con metadatos (marca de tiempo, dirección, tamaño del paquete)
  • Límites:
    • Límite por FAR: 10,000 paquetes (por defecto)
    • Límite global: 100,000 paquetes en todos los FARs
    • TTL: 30 segundos (por defecto) - paquetes más antiguos que TTL se descartan
  • Limpieza: Proceso en segundo plano elimina paquetes expirados cada 60 segundos

Ciclo de Vida del Buffer:

  1. Almacenamiento Activado: SMF establece acción FAR BUFF=1 (bit 2) a través de Modificación de Sesión PFCP
  2. Paquetes Almacenados: eBPF detecta la bandera BUFF, encapsula paquetes, envía al puerto 22152
  3. Almacenamiento en Espacio de Usuario: El gestor de buffers almacena paquetes con ID FAR, marca de tiempo, dirección
  4. Almacenamiento Desactivado: SMF establece acción FAR FORW=1, BUFF=0 con nuevos parámetros de reenvío
  5. Vaciar el Buffer: El espacio de usuario reproduce paquetes almacenados utilizando nuevas reglas FAR (nuevo punto final de túnel)
  6. Reanudar Normalidad: Nuevos paquetes reenviados inmediatamente a través de la nueva ruta

Por qué Esto Importa para la Experiencia del Usuario

Impacto en el Mundo Real:

EscenarioSin AlmacenamientoCon Almacenamiento
Llamada de Video Durante la TransferenciaLa llamada se congela durante 1-2 segundos, puede caerseSin interrupciones, sin problemas
Descarga de Archivo en el Límite de la CeldaLa descarga falla, debe reiniciarseLa descarga continúa sin interrupciones
Juego en Línea Mientras se MueveLa conexión se cae, se expulsa del juegoJuego fluido, sin desconexiones
Llamada VoIP en el CocheLa llamada se cae en cada transferenciaCristalina, sin caídas
Video en Streaming en el TrenEl video se almacena, la calidad disminuyeReproducción fluida
Hotspot Móvil para PortátilLa sesión SSH se cae, la llamada de video fallaTodas las conexiones mantenidas

Beneficios para el Operador de Red:

  • Reducción de la Tasa de Caída de Llamadas (CDR): KPI crítico para la calidad de la red
  • Mayor Satisfacción del Cliente: Los usuarios no notan las transferencias
  • Menores Costos de Soporte: Menos quejas sobre conexiones caídas
  • Ventaja Competitiva: Marketing de "mejor red para cobertura"

Operaciones de Gestión de Buffers

Los operadores pueden monitorear y controlar el almacenamiento a través de la Interfaz Web y la API:

Monitoreo:

  • Ver paquetes almacenados por ID FAR (conteo, bytes, edad)
  • Rastrear uso del buffer contra límites (por FAR, global)
  • Alertar sobre desbordamiento del buffer o duración excesiva de almacenamiento
  • Identificar buffers atascados (paquetes almacenados > umbral TTL)

Operaciones de Control:

  • Vaciar buffers: Activar manualmente la reproducción del buffer (solución de problemas)
  • Limpiar buffers: Descartar paquetes almacenados (limpiar buffers atascados)
  • Ajustar TTL: Cambiar el tiempo de expiración de paquetes
  • Modificar límites: Aumentar la capacidad del buffer por FAR o global

Solución de Problemas:

  • Buffer no vaciándose: Verifique si SMF envió una actualización de FAR para desactivar el almacenamiento
  • Desbordamiento del buffer: Aumente los límites o investigue por qué la duración del almacenamiento es excesiva
  • Paquetes antiguos en el buffer: TTL puede ser demasiado alto, o la actualización de FAR retrasada
  • Almacenamiento excesivo: Puede indicar problemas de movilidad o problemas con SMF

Para operaciones detalladas de buffers, consulte Guía de Gestión de Buffers.


Configuración del Almacenamiento

Configure el comportamiento del almacenamiento en config.yml:

# Configuración del buffer
buffer_port: 22152 # Puerto UDP para paquetes almacenados (por defecto)
buffer_max_packets: 10000 # Máximo de paquetes por FAR (previene agotamiento de memoria)
buffer_max_total: 100000 # Máximo total de paquetes en todos los FARs
buffer_packet_ttl: 30 # TTL en segundos (descartar paquetes antiguos)
buffer_cleanup_interval: 60 # Intervalo de limpieza en segundos

Recomendaciones:

  • Redes de alta movilidad (autopistas, trenes): Aumentar buffer_max_packets a 20,000+
  • Áreas urbanas densas (transferencias frecuentes): Disminuir buffer_packet_ttl a 15s
  • Aplicaciones de baja latencia: Establecer buffer_packet_ttl a 10s para prevenir datos obsoletos
  • Redes IoT: Disminuir límites (los dispositivos IoT generan menos tráfico durante la transferencia)

Para opciones de configuración completas, consulte Guía de Configuración.


Estadísticas y Monitoreo

Estadísticas de Paquetes:

Métricas de procesamiento de paquetes en tiempo real que incluyen:

  • Paquetes RX: Total recibido desde todas las interfaces
  • Paquetes TX: Total transmitido a todas las interfaces
  • Paquetes descartados: Paquetes descartados debido a errores o políticas
  • Paquetes GTP-U: Conteos de paquetes en túneles

Estadísticas de Rutas:

Métricas de reenvío por ruta:

  • Coincidencias de ruta: Paquetes coincidentes por cada ruta
  • Conteos de reenvío: Éxito/fallo por destino
  • Contadores de errores: TEIDs inválidos, IPs de UE desconocidas

Estadísticas de XDP:

Métricas de rendimiento de eXpress Data Path:

  • XDP procesados: Paquetes manejados en la capa XDP
  • XDP pasados: Paquetes enviados a la pila de red
  • XDP descartados: Paquetes descartados en la capa XDP
  • XDP abortados: Errores de procesamiento

Estadísticas de Interfaces N3/N6:

Contadores de tráfico por interfaz:

  • N3 RX/TX: Tráfico hacia/desde RAN (gNB/eNodeB)
  • N6 RX/TX: Tráfico hacia/desde la red de datos
  • Conteos totales de paquetes: Estadísticas agregadas de interfaz

Para detalles de monitoreo, consulte Guía de Monitoreo.


Gestión de Capacidad

Monitoreo de Capacidad de Mapas eBPF:

El rendimiento de UPF depende de la capacidad de los mapas eBPF. Los operadores pueden:

  • Monitorear uso de mapas con indicadores de porcentaje en tiempo real
  • Ver límites de capacidad para cada mapa eBPF
  • Alertas codificadas por colores:
    • Verde (<50%): Normal
    • Amarillo (50-70%): Precaución
    • Ámbar (70-90%): Advertencia
    • Rojo (>90%): Crítico

Mapas Críticos a Monitorear:

  • uplink_pdr_map: Clasificación de tráfico de subida
  • downlink_pdr_map: Clasificación de tráfico de bajada IPv4
  • far_map: Reglas de reenvío
  • qer_map: Reglas de QoS
  • urr_map: Seguimiento de uso

Planificación de Capacidad:

  • Cada PDR consume una entrada de mapa (tamaño de clave + tamaño de valor)
  • La capacidad del mapa se configura al inicio de UPF (límite de memoria del núcleo)
  • Superar la capacidad causa fallos en el establecimiento de sesiones

Para el monitoreo de capacidad, consulte Gestión de Capacidad.


Gestión de Configuración

Configuración de UPF:

Ver y verificar parámetros operativos de UPF:

  • Interfaz N3: Dirección IP para conectividad RAN (GTP-U)
  • Interfaz N6: Dirección IP para conectividad de red de datos
  • Interfaz N9: Dirección IP para comunicación inter-UPF (opcional)
  • Interfaz PFCP: Dirección IP para conectividad SMF
  • Puerto API: Puerto de escucha de la API REST
  • Punto Final de Métricas: Puerto de métricas de Prometheus

Configuración del Plano de Datos:

Parámetros activos de la ruta de datos eBPF:

  • Dirección N3 activa: Vinculación de interfaz N3 en tiempo de ejecución
  • Dirección N9 activa: Vinculación de interfaz N9 en tiempo de ejecución (si está habilitada)

Para ver la configuración, consulte Vista de Configuración.

Solución de Problemas

Esta sección cubre problemas operativos comunes y sus estrategias de resolución.

Fallos en el Establecimiento de Sesiones

Síntomas: Las sesiones PFCP no se crean, el UE no puede establecer conectividad de datos

Causas Raíz Comunes:

  1. Asociación PFCP No Establecida

    • Verifique que SMF pueda alcanzar la interfaz PFCP del UPF (puerto 8805)
    • Verifique el estado de la asociación PFCP en la vista de Sesiones
    • Verifique que la configuración del ID de Nodo coincida entre SMF y UPF
  2. Capacidad del Mapa eBPF Agotada

    • Verifique la vista de Capacidad para el uso del mapa en rojo (>90%)
    • Aumente los tamaños de los mapas eBPF en la configuración de UPF
    • Elimine sesiones obsoletas si el mapa está lleno
  3. Configuración Inválida de PDR/FAR

    • Verifique que la dirección IP de UE sea única y válida
    • Verifique que la asignación de TEID no tenga conflictos
    • Asegúrese de que FAR haga referencia a instancias de red válidas
  4. Problemas de Configuración de Interfaz

    • Verifique que la dirección IP de la interfaz N3 sea accesible desde gNB
    • Verifique las tablas de enrutamiento para la conectividad N6 a la red de datos
    • Confirme que el tráfico GTP-U no esté bloqueado por el firewall

Para la solución de problemas detallada, consulte Guía de Solución de Problemas.


Pérdida de Paquetes o Problemas de Reenvío

Síntomas: El UE tiene conectividad pero experimenta pérdida de paquetes o no hay flujo de tráfico

Causas Raíz Comunes:

  1. Configuración Incorrecta de PDR

    • Verifique que el PDR de subida TEID coincida con el TEID asignado por gNB
    • Verifique que el PDR de bajada IP de UE coincida con la IP asignada
    • Inspeccione los filtros SDF para reglas demasiado restrictivas
  2. Problemas de Acción FAR

    • Verifique que la acción FAR sea REENVIAR (no DESCARTAR o ALMACENAR)
    • Verifique los parámetros de creación de encabezado externo para GTP-U
    • Asegúrese de que el punto final de destino sea correcto
  3. Límites de QoS Excedidos

    • Verifique los ajustes de QoS QER (Tasa de Bit Máxima)
    • Verifique la asignación de GBR (Tasa de Bit Garantizada)
    • Monitoree la pérdida de paquetes debido a limitación de tasa
  4. Problemas de MTU de Interfaz

    • Verifique que la sobrecarga de GTP-U (40-50 bytes) no cause fragmentación
    • Verifique la configuración de MTU de las interfaces N3/N6
    • Monitoree los mensajes ICMP de fragmentación necesarios

Problemas Relacionados con el Almacenamiento

Síntomas: Paquetes almacenados indefinidamente, desbordamiento de buffer

Causas Raíz Comunes:

  1. Almacenamiento No Desactivado Después de la Transferencia

    • Verifique la bandera de almacenamiento FAR (bit 2)
    • Verifique que SMF envió la Modificación de Sesión para desactivar el almacenamiento
    • Desactive manualmente el almacenamiento a través del panel de control si está atascado
  2. Expiración del TTL del Buffer

    • Verifique la edad del paquete en la vista de buffer
    • Verifique la configuración del TTL del buffer (el valor predeterminado puede ser demasiado largo)
    • Limpie los buffers expirados manualmente
  3. Capacidad del Buffer Agotada

    • Monitoree el uso total del buffer y los límites por FAR
    • Verifique reglas mal configuradas que causan almacenamiento excesivo
    • Ajuste los límites de buffer_max_per_far y buffer_max_total

Para la solución de problemas de buffers, consulte Operaciones de Buffers.


Anomalías en las Estadísticas

Síntomas: Contadores de paquetes inesperados, estadísticas faltantes

Causas Raíz Comunes:

  1. Desbordamiento de Contadores

    • Los mapas eBPF utilizan contadores de 64 bits (no deberían desbordarse)
    • Verifique eventos de reinicio de contadores en los registros
    • Verifique que el informe URR esté funcionando
  2. Estadísticas de Ruta No Actualizadas

    • Verifique que el programa eBPF esté adjunto a las interfaces
    • Verifique que la versión del núcleo soporte las características eBPF requeridas
    • Revise las estadísticas de XDP para errores de procesamiento
  3. Desajuste de Estadísticas de Interfaz

    • Compare las estadísticas N3/N6 con los contadores de interfaz del núcleo
    • Verifique que todo el tráfico fluya a través de XDP (por ejemplo, enrutamiento local)
    • Verifique que todo el tráfico fluya a través de ganchos de XDP

Degradación del Rendimiento

Síntomas: Alta latencia, bajo rendimiento, saturación de CPU

Diagnóstico:

  1. Monitorear Estadísticas de XDP: Verifique si hay descartes o abortos de XDP
  2. Verifique el Tiempo de Acceso a Mapas eBPF: Las búsquedas hash deben ser sub-microsegundo
  3. Revise la Utilización de CPU: eBPF debe distribuirse entre núcleos
  4. Analice la Interfaz de Red: Verifique que el NIC soporte la descarga de XDP

Consideraciones de Escalabilidad:

  • Rendimiento de XDP: 10M+ paquetes por segundo por núcleo
  • Capacidad de PDR: Millones de PDRs limitados solo por la memoria del núcleo
  • Conteo de Sesiones: Miles de sesiones concurrentes por instancia de UPF
  • Rendimiento: Rendimiento de múltiples gigabits con el offload adecuado del NIC

Para la optimización del rendimiento, consulte Guía de Arquitectura.

Documentación Adicional

Guías de Operaciones Específicas de Componentes

Para operaciones y solución de problemas detallados para cada componente de UPF:

Guía de Configuración

Referencia completa de configuración que incluye:

  • Parámetros de configuración (YAML, variables de entorno, CLI)
  • Modos operativos (UPF/PGW-U/SGW-U)
  • Modos de adjunto XDP (genérico/nativo/descarga)
  • Compatibilidad con hipervisores (Proxmox, VMware, KVM, Hyper-V, VirtualBox)
  • Compatibilidad de NIC y soporte de controlador XDP
  • Ejemplos de configuración para diferentes escenarios
  • Dimensionamiento de mapas y planificación de capacidad

Guía de Arquitectura

Profundización técnica que incluye:

  • Fundación de la tecnología eBPF y ciclo de vida del programa
  • Pipeline de procesamiento de paquetes XDP con llamadas de cola
  • Implementación del protocolo PFCP
  • Arquitectura de almacenamiento (encapsulación GTP-U al puerto 22152)
  • Limitación de tasa de ventana deslizante de QoS (ventana de 5 ms)
  • Características de rendimiento (latencia de 3.5μs, 10 Mpps/núcleo)

Guía de Gestión de Reglas

Referencia de reglas PFCP que incluye:

  • Reglas de Detección de Paquetes (PDR) - Clasificación de tráfico
  • Reglas de Acción de Reenvío (FAR) - Decisiones de enrutamiento con banderas de acción
  • Reglas de Aplicación de QoS (QER) - Gestión de ancho de banda (MBR/GBR)
  • Reglas de Informe de Uso (URR) - Seguimiento y reporte de volumen
  • Diagramas de flujo de paquetes de subida y bajada
  • Lógica de procesamiento de reglas y precedencia

Guía de Monitoreo

Estadísticas y gestión de capacidad que incluyen:

  • Estadísticas de interfaz N3/N6 y distribución de tráfico
  • Estadísticas de procesamiento XDP (pasar/descartar/redirigir/abortar)
  • Monitoreo de capacidad de mapas eBPF con zonas codificadas por colores
  • Métricas de rendimiento (tasa de paquetes, rendimiento, tasa de caída)
  • Fórmulas de planificación de capacidad y estimación de sesiones
  • Umbrales de alerta y mejores prácticas

Guía de Operaciones de la Interfaz Web

Uso del panel de control que incluye:

  • Descripción general del tablero y navegación
  • Monitoreo de sesiones (estados saludables/no saludables)
  • Inspección de reglas (detalles de PDR, FAR, QER, URR)
  • Monitoreo de buffers y estado de almacenamiento de paquetes
  • Tablero de estadísticas en tiempo real
  • Visualización de capacidad de mapas eBPF
  • Visualización de configuración

Documentación de API

Referencia completa de API REST que incluye:

  • Documentación interactiva OpenAPI/Swagger
  • Puntos finales de sesiones y asociaciones PFCP
  • Reglas de Detección de Paquetes (PDR) - IPv4 e IPv6
  • Reglas de Acción de Reenvío (FAR)
  • Reglas de Aplicación de QoS (QER)
  • Reglas de Informe de Uso (URR)
  • Gestión de buffers de paquetes
  • Puntos finales de estadísticas y monitoreo
  • Gestión de rutas y integración FRR
  • Información de mapas eBPF
  • Gestión de configuración
  • Directrices de autenticación y seguridad
  • Flujos de trabajo y ejemplos comunes de API

Guía de Gestión de Rutas de UE

Integración de enrutamiento FRR que incluye:

  • Descripción general de FRR (Free Range Routing) y arquitectura
  • Ciclo de vida de sincronización de rutas de UE
  • Sincronización automática de rutas al demonio de enrutamiento
  • Publicidad de rutas a través de OSPF y BGP
  • Monitoreo de vecinos OSPF
  • Verificación de base de datos LSA externa OSPF
  • Gestión de sesiones de pares BGP
  • Interfaz de monitoreo de rutas en la Web UI
  • Operaciones de sincronización de rutas manuales
  • Diagramas de Mermaid para flujo de rutas y arquitectura

Guía de Solución de Problemas

Diagnóstico integral de problemas que incluye:

  • Lista de verificación y herramientas de diagnóstico rápidas
  • Problemas de instalación y configuración
  • Fallos de asociación PFCP
  • Problemas de procesamiento de paquetes
  • Errores de XDP y eBPF
  • Degradación del rendimiento
  • Problemas específicos de hipervisores (Proxmox, VMware, VirtualBox)
  • Problemas de NIC y controlador
  • Procedimientos de resolución paso a paso

Documentación por Caso de Uso

Instalación y Configuración de OmniUPF

  1. Comience con esta guía para una visión general
  2. Guía de Configuración para parámetros de configuración
  3. Guía de Interfaz Web para acceder al panel de control

Despliegue en Proxmox

  1. Guía de Configuración - Compatibilidad con Hipervisores
  2. Guía de Configuración - Configuración de SR-IOV de Proxmox
  3. Solución de Problemas - Problemas de Proxmox

Optimización del Rendimiento

  1. Guía de Arquitectura - Optimización del Rendimiento
  2. Guía de Configuración - Modos XDP
  3. Guía de Monitoreo - Métricas de Rendimiento
  4. Solución de Problemas - Problemas de Rendimiento

Comprensión del Procesamiento de Paquetes

  1. Guía de Arquitectura - Pipeline de Procesamiento de Paquetes
  2. Guía de Gestión de Reglas
  3. Guía de Monitoreo - Estadísticas

Planificación de Capacidad

  1. Guía de Configuración - Dimensionamiento de Mapas
  2. Guía de Monitoreo - Planificación de Capacidad
  3. Guía de Monitoreo - Estimación de Capacidad de Sesiones

Gestión de Rutas de UE e Integración FRR

  1. Guía de Gestión de Rutas de UE - Guía completa de integración de enrutamiento
  2. Documentación de API - Gestión de Rutas - Puntos finales de API de rutas
  3. Guía de Interfaz Web - Operaciones de la página de rutas
  4. Gestión de Rutas de UE - Verificación FRR - Verificación de LSA externa OSPF

Uso de la API REST

  1. Documentación de API - Referencia completa de API
  2. Documentación de API - Interfaz Swagger - Explorador interactivo de API
  3. Documentación de API - Flujos de Trabajo Comunes - Ejemplos de uso de API
  4. Guía de Interfaz Web - Ejemplo de interfaz web como cliente API

Solución de Problemas

  1. Guía de Solución de Problemas - Comience aquí
  2. Guía de Monitoreo - Verifique estadísticas y capacidad
  3. Guía de Interfaz Web - Utilice diagnósticos del panel de control

Referencia Rápida

Puntos Finales Comunes de API

OmniUPF proporciona una API REST para monitoreo y gestión:

# Estado y salud
GET http://localhost:8080/api/v1/upf_status

# Asociaciones PFCP
GET http://localhost:8080/api/v1/upf_pipeline

# Sesiones
GET http://localhost:8080/api/v1/sessions

# Estadísticas
GET http://localhost:8080/api/v1/packet_stats
GET http://localhost:8080/api/v1/xdp_stats

# Monitoreo de capacidad
GET http://localhost:8080/api/v1/map_info

# Estadísticas de buffer
GET http://localhost:8080/api/v1/upf_buffer_info

Para la documentación completa de la API, acceda a la interfaz Swagger en http://<upf-ip>:8080/swagger/index.html

Parámetros de Configuración Esenciales

# Interfaces de red
interface_name: [eth0] # Interfaces para tráfico N3/N6/N9
xdp_attach_mode: native # genérico|nativo|descarga
n3_address: 10.100.50.233 # IP de interfaz N3
pfcp_address: :8805 # Dirección de escucha PFCP
pfcp_node_id: 10.100.50.241 # ID de Nodo PFCP

# Capacidad
max_sessions: 100000 # Máximo de sesiones concurrentes

# API y monitoreo
api_address: :8080 # Puerto de la API REST
metrics_address: :9090 # Puerto de métricas de Prometheus

Umbrales de Monitoreo Importantes

  • Capacidad del Mapa eBPF < 70%: Operación normal
  • Capacidad del Mapa eBPF 70-90%: Planificar aumento de capacidad dentro de 1 semana
  • Capacidad del Mapa eBPF > 90%: Crítico - acción inmediata requerida
  • Tasa de Pérdida de Paquetes < 0.1%: Excelente
  • Tasa de Pérdida de Paquetes 0.1-1%: Buena - problemas menores
  • Tasa de Pérdida de Paquetes > 5%: Crítico - investigar de inmediato
  • XDP Abortado > 0: Problema crítico con el programa eBPF

Referencia de Normas 3GPP

OmniUPF implementa las siguientes especificaciones 3GPP:

EspecificaciónTítuloRelevancia
TS 23.501Arquitectura del sistema para el Sistema 5G (5GS)Arquitectura y interfaces UPF 5G
TS 23.401Mejoras del Servicio de Paquetes Generales (GPRS) para acceso E-UTRANArquitectura UPF LTE (PGW-U)
TS 29.244Interfaz entre los nodos del Plano de Control y del Plano de Usuario (PFCP)Protocolo PFCP N4
TS 29.281Protocolo de Túnel de Paquetes Generales (GPRS) Plano de Usuario (GTPv1-U)Encapsulación GTP-U
TS 23.503Marco de control de políticas y facturación para el Sistema 5G (5GS)QoS y facturación
TS 29.212Control de Políticas y Facturación (PCC)Aplicación de QoS

Glosario

Términos de Arquitectura 5G

  • 3GPP: Proyecto de Asociación de Tercera Generación - Organismo de estándares para telecomunicaciones móviles
  • AMF: Función de Gestión de Acceso y Movilidad - Elemento de la red central 5G para control de acceso
  • CHF: Función de Facturación - Sistema de facturación 5G
  • DN: Red de Datos - Red externa (