一文簡(jiǎn)單讀懂5G核心網(wǎng)

系統(tǒng)架構(gòu)  

在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LTE、WCDMA）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。