基于SBA的5G核心网络架构详解
目录
5G核心网络架构
5G网络功能
5G核心网络消息传输
补充知识
NSSF网络切片选择功能:
NSSAI网络切片选择辅助信息
5G核心网络架构
上图是非漫游时的５G架构参考模型，采用的是基于业务接口(service-based)的表现形式，也叫SBA架构。图中的Nxxx就是基于业务的接口。与传统的核心网络架构不同，实现了控制面与媒体面分离、移动性管理和会话管理解耦。核心网对接入方式不感知，各种接入方式都通过统一的机制接入网络，例如非3gpp方式也通过统一的N2/N3接口接入5G核心网，3gpp与非3gpp统一认证等。另外还有一种基于参考点(reference point)的表示形式，下图所示的基于参考点的形式才是我们通信中最熟悉的形式（传统的点到点架构）。
5G网络功能
- AMF(接入和移动性管理)
在AMF的单个实例中支持部分或全部AMF功能。主要包括以下功能：终止RAN CP接口、终止NAS，NAS加密和完整性保护、注册管理、连接管理、可达性管理、流动性管理、合法拦截、为UE和SMF之间的SM消息体统传输、用于路由SM消息的透明代理、接入身份验证、接入授权、在UE和SMSF之间提供小媳的传输、安全锚功能、监督服务的定位服务管理、为UE和LMF之间以及RAN和LMF之间的位置服务消息提供传输、用于与EPS互通的EPS 承载 ID分配、UE移动时间通知。
接入和移动性管理功能实体；是RAN信令接口(N2)的终结点,，NAS(N1)信令（MM消息）的终结点，负责NAS消息的加密和完保、负责注册、接入、移动性、鉴权、透传短信等功能，此外在和EPS网络交互时还负责Eps Bearer Id的分配。AMF可以类比于4G的MME实体。
- SMF(会话管理)
SMF的主要功能有：0）NAS消息的SM消息的终结点；1）会话(session)的建立、修改、释放；2）UE IP的分配管理；3）DHCP功能；4）ARP代理或IPv6邻居请求代理（Ethnet PDU场景下）；5）为一个会话选择和控制UPF；6）计费数据的收集以及支持计费接口；7）决定一个会话的SSC模式；8）下行数据指示；等等。
- UPF(用户平面功能)
主要功能时负责数据包的路由转发\Qos流映射.类似于4G下的GW(SGW+PGW).
- UDM(统一数据管理)
负责的主要功能有：1）产生3gpp鉴权证书/鉴权参数；2）存储和管理5G系统的永久性用户ID(SUPI)；3）订阅信息管理；4）MT-SMS递交；5）SMS管理；6）用户的服务网元注册管理（比如当前为终端提供业务的AMF、SMF等）。
统一数据管理UDM包括UDR功能
UDR：统一数据仓库；1）UDM存储订阅数据或读取订阅数据； 2）PCF存储策略数据或者读取策略数据；3）存储暴露的数据或者从中读取暴露的数据；UDR和访问其的NF具有相同的PLMN，也就是同一个网络下，也即Nudr接口是一个PLMN内部接口
UDSF(非结构化数据存储功能):存储特定NF的非结构化数据,例如AMF和SMF使用的会话ID\状态数据
- PCF(策略控制功能)
支持统一的策略框架去管理网络行为，提供策略规则给网络实体去实施执行，访问统一数据仓库（UDR）的订阅信息，PCF只能访问和其相同PLMN的NDR。
- AUSF(认证服务器功能)
支持3gpp接入的鉴权和untrusted non3gpp接入的鉴权。
- NEF(网络功能开放)
3gpp的网元都是通过NEF将其能力暴露给其它网元的；NEF将相关信息存储到NDR中、也可以从NDR获取相关的信息，NEF只能访问和其相同PLMN的NDR；NEF提供相应的安全保障来保证外部应用到3gpp网络的安全；3gpp内部和外部相关信息的转换，例如AF-Service-Identifier和5G核心网内部的DNN, S-NSSAI等的转换，尤其是网络和用户敏感信息一定要对外部网元隐藏掉；NEF可以通过访问NDR获取到其它网元的相关信息，NEF只能访问和其相同PLMN的UDR。
- NSSF(网络切片选择功能)
- NRF(网络存储功能)
支持业务发现功能，也就是接收网元发过来的NF-Discovery-Request，然后提供发现的网元信息给请求方；维护可用网元实例的特征和其支持的业务能力；一个网元的特征参数主要有：{网元实例ID、网元类型、PLMN、网络分片的相关ID（如S-NSSAI、NSI ID）、网元的IP或者域名、网元的能力信息、支持的业务能力名字，等等}。
NRF支持几个主要功能为：
1)网络功能服务的自动注册，更新或去注册;每个网络功能服务在上电时会自动向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需要维护整个网络内所有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。
2)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讯对端。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。
3)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，NRF将异常状态通知到与其相关的网络功能服务。
4)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。
- AF(应用功能)
5G核心网络消息传输
5G核心网络传输层统一采用HTTP/2协议,应用层携带不同的服务消息.因为底层的传输方式相同,所有的服务化接口就可以在同一总线上进行传输,这种通信方式又可以理解为总线通信方式,在总线上每个NF通过各自的服务化接口对外提供服务,并允许其他获得授权的NF访问或调用自身的服务.提供服务的NF被称为NF服务提供者,访问和调用服务的NF被称为NF服务使用者.他们之间通过订阅和通知的方式进行具体的消息交互.如下图所示,服务使用者订阅服务提供者能提供的服务,服务提供者计算完成后以通知的形式返回给服务使用者.
在5GC,提供两种形式参考点:一种时基于服务化接口的参考点,例如控制面NF之间的交互关系;一种是基于传统点对点通信的参考点,例如NF与无限曾以及外部网络连接时的交互关系.
为了更好的理解5GC中各个NF之间以及对外的交互关系,3GPP协议中也提供了传统拓扑接口的架构图,控制面体现基于服务化接口的参考点,如N12\N13等红色部分.控制面和UPF\5GC和无线侧以及外部网络连接时,体现的是基于传统点对点通信的参考点,如N1\N2等蓝色部分.
补充知识
NSSF网络切片选择功能:
- 选择为UE提供服务的网络切片实例集，
- 确定允许的NSSAI(Network Slice Selection Assistance Information,网络切片选择辅助信息)，并在必要时确定到用户的S-NSSAI的映射，
- 确定已配置的NSSAI，并在需要时确定到已用户的S-NSSAI的映射，
- 确定AMF集用于服务UE，或者，基于配置，可能通过查询NRF来确定候选AMF列表
NSSAI网络切片选择辅助信息
NSSAI是多个S-NSSAI的集合,按照3GPP的定义,S-NSSAI是一个32位整数,可以划分为两个部分:SD和SST,其中SD是24位,SST是8位
1）SST（Slice/Service type），切片/服务类型，它指的是在功能和服务方面的预期网络切片行为。
2）SD（Slice Differentiator），切片差分器，这是可选信息，补充切片/服务类型，以区分相同切片/服务类型的多个网络切片。
SST是1,切片类型是eMBB切片,以此类推.
按照3GPP的定义,一个终端最多可以同时带给5G网络8个S-NSSAI,也就是说可以同时接入8个切片,S-NSSAI会指导网络,把终端接入到哪个切片中.
5G核心网切片主要采用NSSF实现切片的选择.NSSF支持基于NSSAI\位置信息\切片符合信息等各种策略,智能化的选择切片,5G核心网支持通过NWDAF(network data analytics function)实施采集网络切片的性能指标,NSSF从NWDAF获取相关数据并执行智能化的切片选择策略.
切片的漫游,NSSF和AMF通过VPLMN和HPLMN的NSSAI进行映射,支持用户跨运营商,甚至跨伙计的漫游.vNSSF负责选择VPLMN中的切片,和NSSF负责选择HPLMN中的切片.
网络切片管理架构包括通信业务管理、网络切片管理、网络切片子网管理。其中通信业务管理功能（CSMF）实现业务需求到网络切片需求的映射；网络切片管理功能（NSMF）实现切片的编排管理，并将整个网络切片的SLA分解为不同切片子网（如核心网切片子网、无线网切片子网和承载网切片子网）的SLA；网络切片子网管理功能（NSSMF）实现将SLA映射为网络服务实例和配置要求，并将指令下达给MANO，通过MANO进行网络资源编排。对于承载网络的资源调度，将通过与承载网络管理系统的协同来实现。