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一文簡(jiǎn)單讀懂5G核心網(wǎng)

2021/03/11
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系統(tǒng)架構(gòu)  

5GC中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為網(wǎng)絡(luò)功能(NF),下面簡(jiǎn)要介紹一下每個(gè)NF的名稱及功能。

• NSSF(網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能)管理網(wǎng)絡(luò)切片相關(guān)信息,比如負(fù)責(zé)為終端選擇網(wǎng)絡(luò)切片• AUSF(認(rèn)證服務(wù)器功能)

完成用戶接入的身份認(rèn)證功能,對(duì)應(yīng)4G MME中鑒權(quán)功能• UDM(統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理)

管理和存儲(chǔ)簽約數(shù)據(jù)、鑒權(quán)數(shù)據(jù)• AMF(接入和移動(dòng)性管理功能)

完成移動(dòng)性管理、NAS MM信令處理、NAS SM信令路由、安全錨點(diǎn)和安全上下文管理等•

SMF(會(huì)話管理功能)
完成會(huì)話管理、UE IP地址分配和管理、UP選擇和控制等• PCF(策略控制功能)
支持統(tǒng)一策略框架,提供策略規(guī)則• AF(應(yīng)用程序功能)
外部應(yīng)用程序服務(wù)器• UPF(用戶面功能)
負(fù)責(zé)用戶面處理,比如在無(wú)線接入網(wǎng)和Internet之間轉(zhuǎn)發(fā)流量、報(bào)告流量使用情況、QoS策略實(shí)施等,對(duì)應(yīng)4G EPC中的S/PGW的用戶面• DN(數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò))
5GC外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(Internet等)
再來(lái)與4G EPC架構(gòu)對(duì)比一下:

EPC架構(gòu)

可以發(fā)現(xiàn),5GC的變化似乎并不大,不過(guò)增加了一些新節(jié)點(diǎn)(比如NSSF),以及一些節(jié)點(diǎn)被重新命名(比如原來(lái)的PCRF重新命名為CF)。
但這只是你看到的表明!
事實(shí)上,兩者在功能方面有很多變化。
下面就簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)5GC的6大變化,也是6大關(guān)鍵能力......

控制面與用戶面分離  
啥叫控制面?啥叫用戶面?簡(jiǎn)單說(shuō),用戶面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包傳輸,控制面負(fù)責(zé)連接的建立與斷開(kāi)等。
控制面與用戶面分離并不是新鮮事,早在4G時(shí)代R14標(biāo)準(zhǔn)就定義了CUPS(EPC節(jié)點(diǎn)的控制面與用戶面分離),也就是將SGW和PGW的控制平面和用戶平面分離。

R14中的EPC控制面與用戶面分離

但在5GC中,分離更明顯,更徹底...

如上圖,用戶面(UPF)僅負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)包,控制面(比如SMF)僅負(fù)責(zé)處理會(huì)話連接的建立和斷開(kāi)......這種控制面與用戶面分離的架構(gòu),允許分別增強(qiáng)控制面功能和用戶面(UPF)功能,更重要的是,可以將用戶面(UPF)下沉到離用戶更近的地方,從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

不依賴于接入網(wǎng)的統(tǒng)一架構(gòu)  
在4G時(shí)代,3GPP接入網(wǎng)(比如LTEWCDMA)與非3GPP接入網(wǎng)(比如Wi-Fi)以不同的方式連接到EPC。

但5G時(shí)代,不管是“3GPP接入網(wǎng)”(比如5G NR、LTE),還是其他“非3GPP接入網(wǎng)”都使用相同的接口連接到5GC。

為此,R15定義了如何基于此原理使用N3IWF將“Untrusted non-3GPP access”(比如公共Wi-Fi)連接到5G系統(tǒng)。R16還研究了將有線接入網(wǎng)納入統(tǒng)一的接入,這就是真正的“固網(wǎng)和無(wú)線融合”了。

基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)
前面我們講過(guò)5GC的系統(tǒng)架構(gòu)圖,這是我們熟悉的以“參考點(diǎn)表示”的架構(gòu)圖,這讓我們易于理解核心網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間是如何連接。但事實(shí)上,5G標(biāo)準(zhǔn)還給出了另一個(gè)更“真實(shí)”的5GC系統(tǒng)架構(gòu)圖......

5GC架構(gòu)(基于服務(wù)的架構(gòu))

如上圖所示,5GC控制面引入了基于服務(wù)的架構(gòu)(SBA)。在SBA中,每個(gè)NF并非一對(duì)一(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))連接,而是所有NF共享一條通信通道,每個(gè)NF都可以與任何NF通信。
為啥要采用SBA?在過(guò)去的EPC中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)單獨(dú)定義“參考點(diǎn)”,每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間采用單獨(dú)的協(xié)議進(jìn)行通信,這顯然太復(fù)雜,不靈活。5GC認(rèn)為不能再這么干了,于是將每個(gè)NF定義為“服務(wù)”,任何一個(gè)NF都采用相同的協(xié)議(HTTP/2),這樣一來(lái)NF之間的連接就更彈性了,也大大增強(qiáng)了靈活擴(kuò)展性。
但問(wèn)題來(lái)了,在這樣的SBA架構(gòu)下,一個(gè)NF如何知道另一個(gè)NF提供的是什么服務(wù)呢?都提供了哪些服務(wù)呢?
于是,NRF(網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)庫(kù)功能)被引入到5G核心網(wǎng)控制面,其提供“服務(wù)注冊(cè)”,“服務(wù)授權(quán)”和“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”功能,具體點(diǎn)講,就是負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)注冊(cè)登記、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)自動(dòng)化管理、選擇和可擴(kuò)展,并允許每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能發(fā)現(xiàn)其它網(wǎng)絡(luò)功能提供的服務(wù)。

另外,還引入了NEF(網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能),其解決了諸如AF(應(yīng)用功能)之類(lèi)的外部節(jié)點(diǎn)與5G核心網(wǎng)控制面中的節(jié)點(diǎn)之間基于SBA架構(gòu)通信,比如AF可以通過(guò)NEF要求PCF將流量卸載到本地服務(wù)器。

NWDAF(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能)  
不知你注意到?jīng)]有,在上面的5GC SBA架構(gòu)圖中,還引入了一個(gè)新的功能——NWDAF(網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能)。顧名思義,NWDAF就是提供網(wǎng)絡(luò)分析的NF,引入它的目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化。
NWDAF定義了收集什么樣的數(shù)據(jù),怎樣將分析結(jié)果反饋到網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容。但是,如何具體分析收集的數(shù)據(jù),這很難用標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)規(guī)范。NWDAF從整網(wǎng)收集數(shù)據(jù),并與AI結(jié)合,可在5G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)收集,到數(shù)據(jù)分析,再到結(jié)果反饋的閉環(huán)自動(dòng)化流程。
分布式UPF  
如上所述,在4G EPC中,SGW和PGW被分離為用戶面節(jié)點(diǎn),但在5GC中,只有UPF負(fù)責(zé)用戶面,這是為了減少用戶面節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
下面你就能理解僅有一個(gè)UPF作為用戶面的簡(jiǎn)潔設(shè)計(jì)所帶來(lái)的好處了...

如上圖,通常在面向行業(yè)專網(wǎng)的5G組網(wǎng)中會(huì)配置兩個(gè)(或兩個(gè)以上)的UPF,一個(gè)通過(guò)N6接口連接DN,一個(gè)部署于邊緣節(jié)點(diǎn)并連接到本地服務(wù)器,負(fù)責(zé)將本地流量卸載到本地,保障數(shù)據(jù)不出園區(qū)和網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延。要是用戶面有SGW和PGW兩個(gè)網(wǎng)元功能,帶來(lái)更多節(jié)點(diǎn),豈不是太累贅?
網(wǎng)絡(luò)切片  
網(wǎng)絡(luò)切片是個(gè)老熟人了,不用做太多介紹。

這里要介紹的是,通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片,一個(gè)終端可以使用多個(gè)切片,好像最多可以連接8個(gè)切片。在切片網(wǎng)絡(luò)中,AMF負(fù)責(zé)終端級(jí)的處理,例如用戶身份驗(yàn)證和終端位置管理,因此,無(wú)論終端連接多少個(gè)切片,都由相同的AMF來(lái)負(fù)責(zé)處理。不過(guò),每個(gè)切片都有單獨(dú)的SMF和UPF,并分別連接不同的DN,這樣終端上運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)各自的切片來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)能力,并且互不影響。

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