带你读懂5G核心网

gaosmile

  系统架构  

在5GC中，每个节点称为网络功能（NF），下面简要介绍一下每个NF的名称及功能。

• NSSF（网络切片选择功能）管理网络切片相关信息，比如负责为终端选择网络切片• AUSF（认证服务器功能）
完成用户接入的身份认证功能，对应4G MME中鉴权功能• UDM（统一数据管理）
管理和存储签约数据、鉴权数据• AMF（接入和移动性管理功能）
完成移动性管理、NAS MM信令处理、NAS SM信令路由、安全锚点和安全上下文管理等• SMF（会话管理功能）
完成会话管理、UE IP地址分配和管理、UP选择和控制等• PCF（策略控制功能）
支持统一策略框架，提供策略规则• AF（应用程序功能）
外部应用程序服务器• UPF（用户面功能）
负责用户面处理，比如在无线接入网和Internet之间转发流量、报告流量使用情况、QoS策略实施等，对应4G EPC中的S/PGW的用户面• DN（数据网络）
5GC外部数据网络（Internet等）
再来与4G EPC架构对比一下：

EPC架构

可以发现，5GC的变化似乎并不大，不过增加了一些新节点（比如NSSF），以及一些节点被重新命名（比如原来的PCRF重新命名为CF）。
但这只是你看到的表明！
事实上，两者在功能方面有很多变化。
下面就简单说说5GC的6大变化，也是6大关键能力......

  控制面与用户面分离  
啥叫控制面？啥叫用户面？简单说，用户面负责数据包传输，控制面负责连接的建立与断开等。
控制面与用户面分离并不是新鲜事，早在4G时代R14标准就定义了CUPS（EPC节点的控制面与用户面分离），也就是将SGW和PGW的控制平面和用户平面分离。

R14中的EPC控制面与用户面分离

但在5GC中，分离更明显，更彻底...

如上图，用户面（UPF）仅负责传输数据包，控制面（比如SMF）仅负责处理会话连接的建立和断开......这种控制面与用户面分离的架构，允许分别增强控制面功能和用户面（UPF）功能，更重要的是，可以将用户面（UPF）下沉到离用户更近的地方，从而大幅降低网络时延。

  不依赖于接入网的统一架构  
在4G时代，3GPP接入网（比如LTE、WCDMA）与非3GPP接入网（比如Wi-Fi）以不同的方式连接到EPC。
但5G时代，不管是“3GPP接入网”（比如5G NR、LTE），还是其他“非3GPP接入网”都使用相同的接口连接到5GC。

为此，R15定义了如何基于此原理使用N3IWF将“Untrusted non-3GPP access”（比如公共Wi-Fi）连接到5G系统。R16还研究了将有线接入网纳入统一的接入，这就是真正的“固网和无线融合”了。

  基于服务的架构（SBA）
前面我们讲过5GC的系统架构图，这是我们熟悉的以“参考点表示”的架构图，这让我们易于理解核心网的节点之间是如何连接。但事实上，5G标准还给出了另一个更“真实”的5GC系统架构图......

5GC架构（基于服务的架构）

如上图所示，5GC控制面引入了基于服务的架构（SBA）。在SBA中，每个NF并非一对一（点对点）连接，而是所有NF共享一条通信通道，每个NF都可以与任何NF通信。
为啥要采用SBA？在过去的EPC中，每一个节点单独定义“参考点”，每个节点之间采用单独的协议进行通信，这显然太复杂，不灵活。5GC认为不能再这么干了，于是将每个NF定义为“服务”，任何一个NF都采用相同的协议（HTTP/2），这样一来NF之间的连接就更弹性了，也大大增强了灵活扩展性。
但问题来了，在这样的SBA架构下，一个NF如何知道另一个NF提供的是什么服务呢？都提供了哪些服务呢？
于是，NRF（网络存储库功能）被引入到5G核心网控制面，其提供“服务注册”，“服务授权”和“服务发现”功能，具体点讲，就是负责对网络功能服务注册登记、状态监测等，实现网络功能服务自动化管理、选择和可扩展，并允许每个网络功能发现其它网络功能提供的服务。

另外，还引入了NEF（网络开放功能），其解决了诸如AF（应用功能）之类的外部节点与5G核心网控制面中的节点之间基于SBA架构通信，比如AF可以通过NEF要求PCF将流量卸载到本地服务器。

  NWDAF（网络数据分析功能）  
不知你注意到没有，在上面的5GC SBA架构图中，还引入了一个新的功能——NWDAF（网络数据分析功能）。顾名思义，NWDAF就是提供网络分析的NF，引入它的目的是实现网络自动化。
NWDAF定义了收集什么样的数据，怎样将分析结果反馈到网络等内容。但是，如何具体分析收集的数据，这很难用标准化来规范。NWDAF从整网收集数据，并与AI结合，可在5G网络中实现从数据收集，到数据分析，再到结果反馈的闭环自动化流程。
  分布式UPF  
如上所述，在4G EPC中，SGW和PGW被分离为用户面节点，但在5GC中，只有UPF负责用户面，这是为了减少用户面节点数量来进一步减少网络时延。
下面你就能理解仅有一个UPF作为用户面的简洁设计所带来的好处了...

如上图，通常在面向行业专网的5G组网中会配置两个（或两个以上）的UPF，一个通过N6接口连接DN，一个部署于边缘节点并连接到本地服务器，负责将本地流量卸载到本地，保障数据不出园区和网络低时延。要是用户面有SGW和PGW两个网元功能，带来更多节点，岂不是太累赘？
  网络切片  
网络切片是个老熟人了，不用做太多介绍。

这里要介绍的是，通过网络切片，一个终端可以使用多个切片，好像最多可以连接8个切片。在切片网络中，AMF负责终端级的处理，例如用户身份验证和终端位置管理，因此，无论终端连接多少个切片，都由相同的AMF来负责处理。不过，每个切片都有单独的SMF和UPF，并分别连接不同的DN，这样终端上运行的多个应用可以通过各自的切片来保障网络能力，并且互不影响。

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