全新的架构——5G核心网解析

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5G网络面向万物互联、致力于打造智能社会，各种可预见及不可预见的业务将层出不穷。为了适应这一需求，3GPP在设计5G核心网时，借鉴了云原生的架构，采用了微服务、网络功能虚拟化、控制面与用户面分离、网络切片、边缘计算、网络能力开放等技术，使得5G核心网呈现给我们一个崭新的面孔。
2017年6月，3GPP正式确认5G核心网采用SBA架构（Service-based Architecture），这一架构与传统的移动核心网有很大的不同。我们来看一张全景图。

图1 5G核心网架构

首先我们来谈谈硬件。
以往的移动网网元是一种软硬件紧耦合的黑盒设计，硬件是专门为实现移动网中的某类功能而特别设计的。但是，在SBA架构中，核心网的硬件使用的是通用服务器，传统的专用网元硬件消失了。
这就是所谓的网络功能虚拟化（NFV）。我们无法再指着一个机柜说：“这是负责交换的。”指着另一个机柜说：“这是负责移动管理的。”软件自由地翱翔于通用硬件平台，它的升级、更新、增删不再受限于专用的硬件网元。NFV也使得网络切片技术得以成为可能。
我们再来看看软件。
移动核心网有三大功能，即：移动管理、会话管理和数据传输。但是，我们从图1中看到的NF（网络功能）竟然有10个（NSSF、NEF、NRF、PCF、UDM、AUSF、AMF、SMF、UPF、AF）。这是微服务思想的体现。
微服务是一种新的软件架构，它把一个大型的服务分解为若干个小型的独立的服务，每个服务可独立运行、扩展、开发和演化。微服务架构的采用为5G核心网的维护和扩展提供了极大的便利性，也利于切片技术的实现。
现在我们来具体地介绍一下图1中各NF的作用。
NSSF（网络切片选择功能）：NSSF用以实现网络切片功能。不同种类的业务对网络性能的要求是不同的，例如自动驾驶要求低时延、高可靠，但对数据速率要求不高；高清视频要求高速率，但对时延和可靠性的要求相对较低。网络切片技术可以把网络切成多个虚拟的子网，以满足不同业务的个性化需求。

图2：网络切片技术

NEF（网络开放功能）：NEF提供对外开放网络数据的功能，使得非3GPP网络能够接入5G核心网。
NRF（网络功能存储功能）：NRF用于网络功能（NF）的注册、存储和管理。网络中的每个NF都必须到NRF中注册。某个NF如果要调用其它的NF，需要先去NRF中进行“服务发现”，获取该NF的相关数据，然后才能向该NF提出服务请求。如图3所示。

图3：NF的注册与使用

以上3项是5G核心网新增的功能，是以往的移动核心网中所没有的。
AMF（接入及移动性管理功能）：AMF是处理控制面消息的主要模块，其作用大体上类似于4G核心网中MME（移动性管理实体）的接入和移动性管理功能。
5G的移动性管理具有灵活化、智能化的特点，可针对不同业务、不同终端的差异化移动性需求，进行按需的移动性管理，以达到信令和功耗的优化，保证网络效率和用户体验。
SMF（会话管理功能）：SMF用以实现会话管理，其作用相当于4G核心网中MME、SGW和PGW的会话管理功能。它支持会话的建立、修改和释放，UE IP地址的分配和管理等。
5G网络允许UE与同一或不同数据网络同时建立多个PDU（协议数据单元）。
PCF（策略控制功能）：PCF相当于4G网络PCRF（策略与计费规则单元）中的策略控制部分。它支持管控网络行为的统一策略框架，提供策略规则给控制面执行，访问UDR中与策略制定相关的订阅信息。
UDM（统一数据管理）：UDM用于管理用户数据，相当于4G核心网HSS（归属用户服务器）中的用户数据管理功能。
AUSF（鉴权服务功能）：AUSF用于实现用户鉴权，相当于4G核心网中MME和HSS的用户鉴权功能。AUSF的鉴权对象包括3GPP网络的用户以及非3GPP接入网的用户。
以上8项构成5G核心网控制面功能。
UPF（用户面功能）：5G核心网中所有的用户面功能都由UPF完成，包括：分组路由和转发，外部PDU与数据网络互连的会话点，RAT内/RAT间移动性的锚点等。UPF相当于4G核心网SGW和PGW中的用户面功能。
5G核心网中的控制面和用户面是完全分开的，这一结构称为CUPS（Control and User Plane Separation）。其优点是业务变更灵活，网络扩展、升级方便，并且可使用户面脱离“中心化”的位置，使其既可以部署在核心网，也可以下沉至接入网，满足5G网络关于低时延的要求。
AF（应用功能）：AF与核心网交互以提供服务，其功能包括：访问网络开放功能，与策略框架交互进行策略管控等。受信AF可以直接访问5G核心网内部网元功能。
以上就是5G核心网中各软件模块功能的概要。
另外，我们在图1中发现，各软件模块之间的通信方式不再是传统的点对点方式，而是SBI串行总线接口的通信方式。其传输层采用HTTP/2协议，应用层携带不同的服务消息（参见图4）。图1中的Nnssf、Nnsf等即为各NF的通信接口（服务化接口）。各NF通过各自的服务化接口对外提供服务，并允许其它获得授权的NF访问或调用自身的服务（参见图3）。它们之间通过订阅和通知的方式进行消息的交互。

图4 SBI串行总线接口协议

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