5G核心网介绍

5G核心网介绍再见MME…5G核心网你彻底变了想必你已听说，由中国移动牵头提出的SBA构架已被3GPP确认为5G核心网基础构架，实在令人欣喜自豪。但是，相对于传统核心网，这一构架变动之大，不禁让人感叹技术创新步伐之快，有点猝不及防之感。5G核心网构架主要包含三大关键技术：SBA、CUPS和网络切片，在小编看来，这是最终实现化整为零、由硬变软的彻底演进。什么是SBA？SBA（ServiceBasedArchitecture），即基于服务的架构。它基于云原生构架设计，借鉴了IT领域的“微服务”理念。众所周知，传统网元是一种紧耦合的黑盒设计，NFV（网络功能虚拟化）从黑盒设备中解耦出网络功能软件，但解耦后的软件依然是“大块头”的单体式构架，需进一步分解为细粒度化的模块化组件，并通过开放API接口来实现集成，以提升应用开发的整体敏捷性和弹性。为此，业界提出了基于CloudNative的设计原则。CloudNative的使命是改变世界如何构建软件，其主要由微服务架构、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构几部分组成，目标是实现交付的弹性、可重复性和可靠性。微服务就是指将Monolithic（这个词太难传神翻译了，本文翻译成单体式应用程序）拆分为多个粒度更小的微服务，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的应用。正是基于这样的设计理念，传统网元先是转换为网络功能（NF），然后NF再被分解为多个“网络功能服务”。SBA=网络功能服务+基于服务的接口。网络功能可由多个模块化的“网络功能服务”组成，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。其中，NRF（NFRepositoryFunction，NF贮存功能）支持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。CUPSCUPS（ControlandUserPlaneSeparation），即控制与用户面分离。目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁，使其既可灵活部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），最终实现可分布式部署。事实上，核心网一直沿着控制面和用户面分离的方向演进。比如，从R7开始，通过DirectTunnel技术将控制面和用户面分离，在3GRNC和GGSN之间建立了直连用户面隧道，用户面数据流量直接绕过SGSN在RNC和GGSN之间传输。到了R8，出现了MME这样的纯信令节点。PS：移动性管理实体（MME）:MME的主要功能是支持NAS（非接入层）信令及其安全、跟踪区域（TA）列表的管理、P-GW和S-GW的选择、跨MME切换时进行MME的选择、在向2G/3G接入系统切换过程中进行SGSN的选择、用户的鉴权、漫游控制以及承载管理、3GPP不同接入网络的核心网络节点之间的移动性管理（终结于S3节点），以及UE在ECM_IDLE状态下可达性管理（包括寻呼重发的控制和执行）。只是到了4.5G和5G时代，这一分离的趋势更加彻底，也更加必要。其中一大原因就是，为了满足5G网络毫秒级时延的KPI。光纤传播速度为200km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。物理距离受限，这是硬伤。因此，需将内容下沉和分布式的部署于接入网侧（边缘数据中心），使之更接近用户，降低时延和网络回传负荷。网络切片5G服务是多样化的，包括车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR等等。这些服务对网络的要求是不一样的，比如工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清视频无需超低时延但要求超高速率；一些大规模物联网不需要切换，部分移动性管理对之而言是信令浪费等等，为此5G要像一把瑞士军刀一样，多功能满足差异化的网络服务。于是，我们就要把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别应对不同的服务。当然，这么灵活的切片工作岂是传统大块头的黑盒设备能担当的，自然要虚拟化、软件化，再将网络功能进一步细粒度模块化，才能实现灵活组装业务应用。因此，3GPP就确认了由中国移动牵头26家公司提出的SBA构架为5G核心网基础构架。5G系统构架构架如下：•AuthenticationServerFunction(AUSF)•CoreAccessandMobilityManagementFunction(AMF)•Datanetwork(DN),比如运营商服务、互联网接入和三方服务•StructuredDataStoragenetworkfunction(SDSF)•UnstructuredDataStoragenetworkfunction(UDSF)•NetworkExposureFunction(NEF)•NFRepositoryFunction(NRF)•PolicyControlfunction(PCF)•SessionManagementFunction(SMF)•UnifiedDataManagement(UDM)•UserplaneFunction(UPF)•ApplicationFunction(AF)•UserEquipment(UE)•(Radio)AccessNetwork((R)AN)这个5G核心网基础构架正是基于云原生的微服务构架设计原则，以模块化、软件化的构建方式来构架5G核心网，以高效执行不同服务类型的网络切片。我们看到上图中网络节点名称后面都带有Function（功能），这些功能是基于软件化的，以便动态灵活调整网络。遵循控制面和用户面分离的原则，在此简单介绍一下：控制面控制面被分为AMF和SMF：单一的AMF负责终端的移动性和接入管理；SMF负责对话管理功能，可以配置多个。基于灵活的微服务构架的AMF和SMF对应不同的网络切片...AMF和SMF是控制面的两个主要节点，配合它俩的还有UDM、AUSF、PCF，以执行用户数据管理、鉴权、策略控制等。另外还有NEF和NRF这两个平台支持功能节点，用于帮助expose和publish网络数据，以及帮助其他节点发现网络服务。用户面5G核心网的用户面由UPF（用户面功能）节点掌控大局，UPF也代替了原来4G中执行路由和转发功能的SGW和PGW。比较一下2/3/4G核心网构架...到了4G时代，核心网构架再次发生了变化，这一次引入了移动管理实体（MME）和分组数据网关（PGW）等网元。▲通用的LTE网络构架4G核心网中的MME、SGW和PGW消失了。4G中MME的功能被分解到AMF（接入和移动管理功能）和SMF（会话管理功能）中，SGW和PGW被UPF替代。网络注册流程也变成了这样…从2G时代的MSC/HLR到软交换，再到4G时代引入MME和GW，总得来说，核心网一直沿着分离和软件化方向演进。这一次更加彻底。传统“黑盒”硬件被解耦，网络功能软件进一步分解为微服务，以灵活构建网络功能，网络功能运行于通用COTS服务器或迁移至云，实现灵活的网络切片。总的来说，是一次化整为零、由硬变软的彻底演进。传统核心网网元的物理形式从此在我们眼前消失了？▲2/3时代的核心网机房2G时代，我们一走进交换机房，可以清晰的辨别出哪些设备是MSC或HLR，但是到了5G时代，它们虚拟化的存在于通用的物理/虚拟资源之中，我们或许很难通过物理特征来辨别。不过，不管怎么演进，核心网的三大功能：服务管理、会话管理和移动管理始终存在。躯壳不存，灵魂犹在。赶紧学学写代码吧！