5G架构5G 协议栈结构以及与OSI七层协议之间的关系

Posted 2022-04-07 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 协议栈结构

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 接入网协议栈结构类似于 LTE 协议栈，由用户面（UP）和控制面（CP）组成。其中，控制面主要处理系统信令层面的数据，与核心网控制面节点 AMF 连接；用户面处理用户数据，与核心网用户面节点 UPF 连接。

       在接入网侧，控制面协议栈的组成没有发生变化，任然由物理层、L2（MAC、RLC、PDCP）、RRC、NAS层组成。其中 RRC 终止于基站，NAS终止于 AMF。但在用户面，协议栈组成除了类似 LTE 协议栈包含的 PHY、MAC、RLC、PDCP以外，还新增了 SDAP 层，关于SDAP层的介绍可以参考我的博客《【5G系列】SDAP (Service Data Adaptation Protocol)协议详解》。

       5G 核心网协议栈结构与 LTE 相比几乎没有什么变化。核心网协议栈分别由物理层、数据链路层、IP层组成下三层。用户面的传输层选择 IETF 定义的 UDP；而控制面的传输层选用 IETF 定义的 SCTP。上层为 GTP-U 和 NG-AP 层，这两层对应到 OSI 七层模型中的应用层。

5G 协议栈和 OSI 七层模型的关系

协议栈常常通过分层来达到简化设计和互联互通的目的。底层协议为上层提供服务，而上层则利用下层所提供的服务，上层不必清楚下层过程处理的具体细节。

       大家可能会发现 5G 核心网和 OSI 七层模型或者 TCP/IP 五层模型是非常相似的。但 5G 接入网协议结构和它们有很大的区别。那么 5G 接入网协议栈架构和 OSI 以及 TCP/IP 模型到底有什么区别和联系呢？

       首先，从核心网来看，基本符合 TCP/IP 五层模型定义，由物理层、L2、网络层、传输层和应用层组成。我们可以一一梳理核心网网络协议的各个子层。

• 应用层协议。GTP-U 、 NG-AP（以及 LTE 的 S1-AP）从本质上属于应用层协议，只不过该应用层为电信核心网内部定义的专用应用层，并不向普通用户开放。
• 网络协议层。IP层（L2之上）用作在电信网络内部数据传输的寻址和路由，其 IP 地址为电信网络内部分配的 IP 地址。
• 传输层协议。核心网控制面传输层采用 SCTP，用户面采用 UDP，两者的区别是: SCTP 提供可靠的数据传输，以适应控制面特征；用户面采用 UDP 协议，提供不可靠传输，可靠的传输利用底层的HARQ、ARQ保障。

从上面的分析来看，核心网协议栈之所以符合 TCP/IP 五层模型的主要原因是核心网从本质上来说就是一种定制化的传输网络，它的基本原理和功能与 TCP/IP 模型描述的互通网络类似。

OSI七层模型	TCP/IP五层模型	对应的网络协议
应用层	应用层	HTTP、TFTP、FTP、NFS、WAIS、SMTP
表示层		Telnet、Rlogin、SNMP、Gopher
会话层		SMTP、DNS
传输层	传输层	TCP、UDP、SCTP
网络层	网络层	IP、ICMP、ARP、RARP、AKP、UUCP
数据链路层	数据链路层	FDDI、Ethernet、Arpanet、PDN、SLIP、PPP
物理层	物理层	IEEE 802.1A、IEEE 802.2~IEEE 802.11等

       但是，接入网就不同了。接入网协议栈和 TCP/IP 以及 OSI 模型有很大的差异，这个差异本质上是因为无线接入网架构和一般的互通网络有很大差异（一般不存在多跳路径），此外，无线接入网传输介质（空气）的基本特征也引起了对协议栈结构的重建，具体来说有如下几个特征：

• 接入网无网络层和传输层。接入网无网络层和传输层的主要原因是接入网的拓扑结构相对互通网络要简单很多，不存在多点之间的传输问题（即便考虑小基站和其它异构网结构，也属于少量节点之间的传输且数据传输路径固定），因此，没有必要设置网络层和传输层来实现数据的路由和寻址；
• RRC 层和 NAS 层本质上属于应用层协议。RRC 和 ANS 层从本质上来说就是应用层，其功能是实现 UE 与基站、UE 与 核心网节点之间的信令传输；
• 接入网采用无线传输，较固定电缆复杂很多。因此，考虑到灵活承载业务、简化网络结构和缩短处理时延，接入网协议栈进行了以下一系列的特殊设计：
  • 由于无线相对有线来说，信息传输泄露和篡改的风险更大，因此，在接入网的 L2 增加了 PDCP 子层，实现对用户数据和信令的加密和完整性保护功能；
  • 接入网数据传输采用无线承载的概念以保证用户QoS，因此，在 L2 新增 SDAP 子层，以实现核心网 QoS Flow 到无线承载之间的映射和管理；
  • 无线传输比有线传输更容易受到环境的影响而造成传输失败，因此，在 L2 的 MAC 子层和 RLC 子层采用了双层的可靠性保障机制（HARQ、ARQ），以实现可靠性和传输效率的平衡；
  • 无线资源受限，为了保证多用户 QoS 和公平性，因此，在 L2 的 MAC 子层设置了复用和优先级管理功能；
  • 无线信号动态变化幅度大，物理层实际传输能力动态变化。因此，在 L2 的 MAC 子层增加了自适应的调制与编码功能（MAC 控制，物理层执行），在 RLC子层设置对高层数据分组的分段功能，以匹配物理层的变化；
  • 考虑到低时延需求，将原本应该由 L3 控制的 DTX/DRX 功能下沉到 MAC 负责。

5G 核心网和接入网协议栈与 OSI、TCP/IP 模型的对应关系表

OSI 模型	TCP/IP 模型	5G RAN	5G CN
应用层	应用层	RRC、NAS	GTP-U、NG-AP
表示层
会话层
传输层	传输层		SCTP/UDP
网络层	网络层		IP
数据链路层	数据链路层	MAC、RLC、PDCP、SDAP	数据链路层（L2）
物理层	物理层	物理	物理

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