5G架构5G 核心网——基于服务的网络架构

Posted 2022-01-29 从善若水

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本人就职于国际知名终端厂商，负责modem芯片研发。
在5G早期负责终端数据业务层、核心网相关的开发工作，目前牵头6G算力网络技术标准研究。


博客内容主要围绕：
       5G协议讲解
       算力网络讲解（云计算，边缘计算，端计算）
       高级C语言讲解
       Rust语言讲解

5G 核心网——基于服务的网络架构

5G 除了满足人与人之间的通信，更重要的目标是万物互联。4G 已经改变了人类的生活方式，5G 将改变社会的生产模式

5G 为什么要引入SBA（service-based System Architecture）

       5G 的主要三大场景 eMBB、mMTC、uRLLC源于现代社会化人类活动、工作、娱乐等方面日新月异的需求的爆发式增长，这些涉及人类活动的各行各业被称为垂直行业，由垂直行业必然催生出所谓的万物互联的巨大需求。为了满足5G 万物互联的需求，通信人致力于对贯穿于 5G 网络的基站、核心网、编排管理、传输等各部分的实现。对于核心网而言，基于传统CT思维的设计模式显然已经不足以面向未来。因此，5G 核心网设计成更方便、更灵活引入垂直行业的架构，这就是我们提到的基于服务的网络架构（SBA）。

如何理解 SBA

       首先，我们需要了解两个IT的概念，云原生和微服务。基于服务的网络架构在很大程度上借鉴了IT领域的这两个设计思维。
       众所周知，传统的网元是一种紧耦合的黑盒设计，NFV 从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦之后的软件依然是 “大块头” 的单体式架构，需要进一步分解成细粒度化的模块组织，并通过开放API来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。因此，IT界提出了基于云原生的设计原则。
       云原生是一种思想的集合，包括DevOps、持续交付（Continuous Delivery）、微服务（MicroServices）、敏捷基础设施（Agile Infrastructure）、康威定律（Conways Law）等。
       微服务就是指单体式架构（Monolithic）拆分成多个粒度更小的服务，微服务之间通过API交互，且每个微服务独立于其他服务进行部署、升级、扩展，可在不影响客户使用的情况下频繁更新正在使用中的应用。
       所以，简单来讲，基于服务的网络架构=网络功能服务+基于服务的接口。它将传统网元转换为网络功能（NF），然后NF被分解为多个网络功能服务，并通过基于服务的接口来展现其功能，因此，网络功能服务可以被授权的NF灵活使用。

协议中关于5GC的描述

👇基于服务接口的网络架构

👇基于参考点的网络架构

在TS 23.501-4.2.3中对5G 核心网架构进行了介绍。与LTE不同的是，协议分别从基于服务的接口和参考点关系两个角度来描述核心网架构，如上图。基于参考点的网络架构可以比较清晰地看到功能节点之间的连接关系和接口。基于服务的网络架构可以更清晰的看到核心网网络功能之间的服务供给关系，用一个类似 “总线” 的结构简化了接口设计，充分体现了网络功能服务和基于服务的接口的概念。

SBA 的特征和优势

特征一：传统网元拆分

       伴随着虚拟化技术在电信领域的运用，传统意义上的核心网网元实现了软硬件解耦，软件部分被称为网络功能。3GPP 定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务（NF Service），这些网络功能之间相互解耦，具备独立升级、独立弹性的能力，具备标准接口与其他网络功能服务互通，并且可通过编排工具、根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与我们经常谈论的云原生或微服务架构有着相似的概念，而3GPP 进行了标准化定义，并未每个5G 网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。

特征二：网络功能服务自动化管理

       网络功能被拆分成若干个网络功能服务后，工程师会从面对几个网元转向面对几十个网络功能服务，如果仍然依靠手工维护方式，则困难极大。因此，5G 核心网的网络功能服务需要能够做到自动化管理，网络存储功能（NRF Network Repository Function）就是这样一个网络功能，NRF支持以下几个重要功能：

• 网络功能服务的自动注册、更新和去注册：
  每个网络功能服务在开机时会自动向NRF注册本服务的 IP 地址、域名、支持的能力等相关信息，在信息变更后会自动同步到NRF，在下电时向NRF进行去注册。NRF需要维护整个网络所有的网络功能服务的实时信息，类似一个网络功能服务实时仓库；
• 网络功能服务的自动发现和选择：
  在5G 核心网中，每个网络功能服务都会通过NRF来寻找合适的对端服务，而不是依赖于本地配置方式固化通信对端。NRF 会根据当前信息向请求者返回对应的响应者网络功能服务列表，供请求者进行选择。这种方式一定程度上类似于DNS 机制，从而实现网络功能服务的自动发现和选择；
• 网络功能服务的状态检测：
  NRF可以与各网络功能服务之间进行双向定期状态检测，当某个网络功能服务异常时，NRF 将异常状态通知到与其相关的网络功能服务；
• 网络功能服务的认证授权：
  NRF作为管理类网络功能，需要考虑网络安全机制，以防止被非法网络功能服务劫持业务。

特征三：网络通信路径优化

       传统核心网的网元之间有固定的通信链路和通信路径，例如上图，在4G 中用户的位置信息必须从无线基站上报给MME，然后由MME通过 S-GW传递给 P-GW，最终传递给PCRF实体进行策略的更新。
       而在5G 核心网服务化架构下，各网络功能服务之间可以根据需求任意通信，极大地优化了通信路径。同样以用户位置信息策略为例，PCF实体可以提前订阅用户位置信息变更事件，当AMF 中的网络功能服务检测到用户位置信息变更后，发布用户位置信息变更事件，PCF 可以直接实时接收到该事件，无须其它网络功能服务进行中转。

特征四：网元间通信机制优化

       传统核心网网元之间的通信遵循请求者和响应者的点对点模式，这是一种相互耦合的传统模式。5G 核心网架构下的网络功能服务间通信机制进一步解耦为生产者和消费者模式，生产者发布相关能力，并不关注消费者是谁、在什么地方。消费者订阅相关能力，并不关注生产者是谁、在什么地方。这是一种从IT也借鉴过来的通信模式，非常适用于通信双方的接口解耦。

总结

       根据上面的描述，基于服务的网络架构相比传统的网络架构有很多的优点，

• 微服务架构将原来 “大而统” 的核心网节点划分为 “小而专” “低耦合” “高度自治” “单一职责” 的服务模块；
• 而且充分考虑核心网未来功能的扩展，利用类似 “总线” 的方式相互连接，并使用 API 接口提供对外统一的服务；
• 此外，节点间的通信轻量化，节点间通信采用 “与平台无关” “与语言无关” 的统一接口和通信语言，使功能的增加无接口和语言障碍（采用 HTTP 2.0）。

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