5GC: Architecture

平衡进化和破坏(Balancing Evolution and Disruption)
NSA Architecture
5GC与4G CN的区别
- 4G Point-to-Point interfaces
- 5G Service-Based Interfaces
Service-Based Architecture (SBA)
- NF间通信协议：HTTP REST
- 服务注册与服务发现
- 5G整体连接方式
Core of Core
- 5GC网络的核心功能
- 5G Connection（D-RAN-CN）
- N2支持的信令过程
5GC核心功能简述

5G NR讲述的是从移动设备到基站之间的无线网络，而5GC讲述的则是从基站到网络运营商/事业单位的内部网络结构，当然有时候5GC也可以描述为设备到网络运营商。

平衡进化和破坏(Balancing Evolution and Disruption)

如图所示，Device到RAN的网络是5G NR，而基站到UPF之间的网络叫做5GC，我们已经知道5GC架构中，UPF会将内部数据赋予公网地址并转发到互联网上。因此UPF之前的所有步骤均属于核心网络（Core Network）。
先从5GC的特征开始说起。

5GC不提供向后兼容性[backwards compatibility]，即不兼容前代设备的接入（4G .etc）

到目前为止(2G~4G)，核心网无线网络功能不同

2G: GSM (2G) GPRS包数据业务-基于帧中继的接口，支持音频通话。【GPRS–General Packet Radio Service，通用分组无线电业务。GPRS是一种新的GSM数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务】
3G: WCDMA -CN使用ATM（使用48bits 虚拟socket回路网络），受ATM影响的接口(Iu),现在ATM基本上不再在应用领域使用。

ATM交换是一种融合电路交换和分组交换的优点而形成的一种新型交换技术，能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证Qos。
对电路交换，它采用异步时分复用代替同步时分复用，解决了电路交换信道利用率低和不适于突发业务的问题。吸取了电路交换低时延的优点，摒弃了电路交换信道利用率低的缺点。
对于分组交换，它采用固定分组方式，吸取了分组交换信息分组带来的传输灵活、信道利用率高的优点，摒弃了分组交换时延大、协议复杂的缺点。
这里只做ATM的简单说明，详细的请参考通信原理的内容：【通讯原理】Ch.13 以太网与其他有线网

4G:基于LTE - IP的S1接口，即4G网直接互联网
5GC:“独立访问”接口：现在看来，2/3G技术已经消失，只有4G，5G，和其他覆盖性网络（如wifi，zigbee）尚存。这些网络之间能够相互访问并且传输数据的核心要领在于制造一个接口用于连接各个不同种的技术的无线网。

为无线网络和核心网络之间的交互定义了一组新的接口
N2/N3协议基于S1协议。但是，将它们推广到5G系统中，用于通用和未来的协议
补充。上图所示的N2/N3协议可以看做API，作为接口连接基站和5GC，上章节中讲到虽然4G设备无法连接5GC，但是可以通过4G基站接入5GC。
LTE规范，使其成为支持5GC和N2/N3接口的第二接入技术。5G不提供向后兼容，因此4G为了使用5G服务，需要改善自身去适应5G。也就说4-5G融合技术中，5G更多考虑如何多元化发展而4G则是尽可能修改自身去适应5G。

NSA Architecture

NSA（Non-stand-alone，初期将5G NR连接入EPC而不是5GC的模式）希望以更快速、更少干扰的方式启动早期5G服务。
最大限度地重用4G架构，发展前期这种方式更适用于过渡。
LTE无线接入设备和网络之间的所有信令，并在EPC网络上增强了一些选定的功能，以支持5G。因为5G不能直接连接4G CN，因此必须通过LTE来制作接入的接口。
NR无线接入仅用于用户数据传输（无控制数据交换），且仅当设备处于覆盖状态时使用

信令是指通信系统中的控制指令。它可以指导终端、交换系统及传输系统协同运行，在指定的终端之间建立临时的通信信道，并维护网络本身正常运行。信令系统是通信网的重要组成部分，是通信网的神经系统。
除了通信时的用户信息（包括话音信息和非话业务信息）以外的控制交换机动作的信号，就是信令
严格地说，信号（signal）是一种通称，而信令（signalling）专指具有动作含义的操作控制命令。但出于习惯，也经常将二者混用。

NSA因为无法接入5GC，故不支持5GC的网络切片、服务质量处理(QoS)、边缘计算等功能。初期5G的特殊性展露的并不多。

LTE/NR的四种部署方式:
所有信令和数据流量只支持LTE
所有信令和数据业务只能使用NR
LTE用于更大的覆盖和信令，LTE和NR用于数据流量
NR用于更大的覆盖和信令和LTE, NR用于数据流量
上述四种方式会衍生出8中组网模式，如下图所示：

该图中，最重要的是Option3/2,分别是NSA,SA。最重要两种网络互换模式。之前在5G NR的章节也做过提及，如果上图理解的不清楚的话，请参考这篇博文：【移动网络】5G NR: 压缩设计与帧结构等核心操作特性

5GC与4G CN的区别

基本上，5GC非常类似于EPC (4G CN)
但是非常不同的是用两种不同方式进行可视化和设计

基于服务的接口
不通过点对点接口互连
向其他网络通过功能(function)公开和提供可用服务
服务消费者和服务生产者
点对点接口
定义的实际调用流
逻辑接口:参考点

对于上述描述，让我们通过下面的几张图来详细了解。

4G Point-to-Point interfaces

EPC: 4G CN：（该部分内容不需要详细了解，理解本文中提及的程度就已经很充分了）
MME: NSA的支持组件，提供NSA控制服务。属于4G网。
HSS：用户信息由HSS提供数据库服务。
S-GW：一种数据包必经的网关。
P-GW：是连接互联网和EPC的大网关，该网关还有很多子网关以供提供数据转换、传输、控制服务。
PCRF: 实际处理过程中，当互联网数据到达P-GW，P-GW可能需要做一些决策（如转发方向，释放添加或删除一些什么），这些决策对应的控制信息由PCRF提供。

上图中的这些模块，在EPC中被称为实体[entity]，它们界限明确，之间的数据交换需要接口[interface]。实体可以与各种设备建立1对1的链接，当然也可以通过实体建立1对多的链接，甚至某些设备将信息分为几份然后同时接入多个实体接收不同需求的服务。因此，这些实体被称为Logical Entity。
这种连接方式我们称为点对点接口，每个实体之间的交流需要按照事先规定好的接口互换数据，且严格遵守对应接口的数据转发规则。这些接口也被称为参照点（Reference Point）

5G Service-Based Interfaces

如图所示， 5GC中，各模块被称为网络功能或网络函数[NF，network function]。他们之间没有指定明确的接口和通信规则，各模块之间的数据交换基于HTTP协议。即每个NF之间的数据交互都只有一种格式[format],而EPC中的实体间数据交互需要根据需求进行数据操作并变更数据格式。因此，数据以信息[message]的方式传输，传输的数据因HTTP协议也携带了很多对数据本身的描述，整体传输过程基于是CS系统（Client-Server）的。某NF需要其他NF的功能，则作为客户端向其他NF（作为服务器）发送请求，对应NF相应请求并提供支援。而5GC中的CS系统有一个更佳新颖的称呼，分别是生产者和消费者（稍后文章中会说明，这里简单一提）。
且5GC中的各NF可以与其他NF之间直接匹配连接并通信，而EPC中无接口直连的各模块无法直接通信，需要其他模块中转，而中转可能面临格式转换，效率相对而言自然会低很多。
Eiffniy
下表是EPC和5GC一些重复模块的重命名

EPC	5GC
MME	AMF
S/P-GW	UPF
PCRF	PCF
HSS	UDM/UDR

如果把之前的模型的接口可视化，则如图所示。上图的每个模块都与其他的任意模块直连。

Service-Based Architecture (SBA)

~4G CN:接口连接的“节点”或“网元”或“实体”
5GC:基于网络功能（NF）。网络功能之间基于服务的交互，使用网络功能接口连接到公共SBA。NFV(Network function visualization)以及SDN(Software defined network），包括网络切片，所有的实现都基于服务。
3GPP网络功能利用HTTP REST进行基于服务的通信。

NF间通信协议：HTTP REST

HTTP REST是一组规则或指南，定义web通信技术如何使用api从分布式应用程序访问服务。
 REST: Representational State Transfer：定义了一组设计规则，用于在网络架构中如何实现不同软件模块之间的通信。
5GC:实现网络功能（NF）的软件应用。

HTTP REST消息语法:来自广泛使用的HTTP web协议。资源建模的概念，这意味着分布式软件应用程序可以通过统一资源标识符(Uniform Resource identifier, uri)来解决，实际上是一个指向资源或一组资源的web地址。
无状态（Stateless）:不依赖于以前的消息，不追加额外消息到之前的请求中，只看当前请求的信息。REST的一个重要方面是，所有通信都必须包含特定处理操作所需的完整信息集。
然后是对应的最基本的4中方法：
GET：客户端请求服务器传输资源
POST: 客户端发送资源到服务器
PUT：客户端更新服务器上的资源时
DELETE: 客户端删除服务器的资源

服务消费者：发送请求的NF
服务生产者：接收请求并提供服务的NF
服务发现：服务使用者如何找到并联系可以提供所请求服务的服务提供者
NRF((Network Repository Function)网络存储库函数)：跟踪5GC网络中所有网络功能的所有可用服务。SBA系统中既然需要服务就需要实现检索服务的状态，如果对应服务NF不可用则与其进行数据交互是会降低整体网络效率的。

服务注册与服务发现

NRF的实例如下所示：

实例涉及到三个实际的网络函数- PCF, AMF和NRF。

服务注册：
网络资源注册
PCF使用HTTP PUT消息向NRF注册，该消息包含关于PCF的信息，如可用服务、网络地址和身份
通过查询NRF，其他网络功能可以使用PCF业务
在此环节各NF的作用：AMF是消费者，PCF是生产者
PCF: 向NRF注册对应NF的信息。生产者本身需要注册到NRF才能被消费者发现。注册时使用PUT方法将自身信息写入NRF。
AMF：在这里是消费者。注册阶段无行动。
NRF：持续启动服务并待机

整个过程基于CS系统的，发送请求与回应请求（ACK）。

服务发现：
NRF:持续启动并待机。
AMF：因为要使用PCF的对应服务，向NRF发起请求，试图发现PCF。PCF有多个，需要精确找到某一个PCF。
PCF：此阶段已注册，无作为。

整个过程基于CS系统的，发送请求与回应请求（ACK）。

实际服务过程：

AMF与PCF建立基于服务的连接，进行数据传输。传输过程中基于CS服务，始终以request-response方式进行。

统一调用流程图如下所示：

5G整体连接方式

如上图所示，所有NF的组合就是5GC，而当设备接入基站（已通过5G NR，此时需要与互联网上的服务器或其他设备建立TCP连接从而进行IP通信。因此需要一个网关，该网关由UPF充当。（User plane Function）
Session：当建立一个连接，会产生一个session。这个session是设备通过UPF与目标网络之间建立的连接。而非CS系统中客户端与服务器之间建立的连接。

对于基站和设备对5GC的连接，它们都属于硬件，因此需要一个明确的接口去连接NF。但是NF之间是基于服务的，NF之间的通信不需要使用固有的接口。

Core of Core

UPF是一个具有网关能力的NF。因此设备与UPF之间建立的连接会话（Session）才能保证数据的传输。而对于5GC网络的核心功能而言，以安全的方式建立会话并向移动设备转发用户数据就是最重要的课题。
本小节，将对如何建立session连接进行说明。上图就是建立会话过程中需要的所有NF，将会对这些NF进行简述。

5GC网络的核心功能

AMF(Access and Mobility Management Function，访问和机动性管理功能)：图中所示（上图的上图，Core of Core的第一个图），AMF与设备直接相连。然而实际上，设备只与基站直接相连，AMF是通过基站与设备间接直连。对于基站而言，只会连接两种NF，分别是AMF和UPF。AMF可以看作为传输控制信息的功能（CP，Control Plane）。实际的用户数据则是通过UPF传输的（UP，User Plane）。在5G网络中，控制信息和用户信息被完全分开了，其原因是物联网设备的大量涌入，导致低性能的物联网设备的用户数据可能比控制数据的体量还要小，如果再混合传输的话，基准协议下会导致传输效率大幅降低的问题。且4G也在release-15中对数据进行了分割处理用于适应物联网需求。在CP的指导下UP进行数据传输的各种控制和调整。

对Uu和UP等概念不熟悉的请查询专栏内关于5G NR的相关博文

AMF与基站连接使用的接口，我们称之为N2；而设备物理上通过Uu接口到基站再通过N2到AMF的过程，我们在逻辑设计上总称为N1接口。N1接口就宛如设备直连AMF一样。

总结如下：
•通过N2和N1接口的信令创造无线网络和设备交互的连接
•参与5G网络中的大部分信令呼叫流，通过图(5G整体连接方式)可以看到，AMF连接了所有点对点的接口，AMF作为与其他基于服务的NF的桥梁为物理连接服务。
•加密的设备信号连接
•在转发设备与SMF之间所有与会话管理相关的信令。类似调度其他NF来执行具体功能，只不过本质是作为中转点用于转发。
ex)在EPC中，MME(移动管理实体)处理会话管理，本身不执行设备认证
•从AUSF订购设备认证作为服务，为了设备能够更快的接入对应核心网络，只要连接过5GC的设备都会被AMF存储下来，以便下次更快速的连接。

SMF(Session Management Function)：创建会话、结束会话、控制会话的NF。
•管理终端用户的会话
•建立、修改和发布单个会话，分配每个会话的IP地址。由于UPF直连外部网，因此与UPF通信的对象一定具有IP地址，换言之对应的Ue也需要有IP地址，SMF负责通信中IP地址的分配。实际通信时，用户的IP地址是由网络运营商分配的，而网络运营商分配IP的本质就是核心网络内的SMF功能。
•通过AMF在设备和SMF之间转发与会话相关的消息，与终端用户设备间接通信. UPF到基站的接口被称为N3接口。
•通过N4网络接口选择和控制不同的UPF网络功能。UPF和SMF之间的接口被称为N4接口
•在UPF为个别会话配置流量指导和流量执法（这部分是由PCF发送并由SMF转发的，具体的会在PCF章节讲解）
•所有收费相关功能:收集自己的收费数据，在UPF中控制收费功能
•与PCF交互网络用户会话策略控制功能

UPF(User Plane Function)：
•处理和转发用户数据【网关功能】
•SMF控制，SMF控制下可以调节控制速率，也可以为不同流量设置优先级（根据网络状况，用户缴费情况等）
•连接外部IP网络，作为设备走向外部网络的稳定IP锚点，隐藏移动性
•处理转发数据:例如，生成流量使用报告给SMF
•强制控制，重定向流量，或应用不同的数据速率限制
•对于空闲状态的设备，缓冲其数据并从网络触发一个页(page)。有时候会因为用户移动AMF丢失用户设备的位置，此时数据已经传输到UPF，UPF会缓存这些数据，等待AMF找到设备后再将数据通过UPF转发给设备。
•服务质量(QoS)标记向无线网络或外部网络的数据包

UDM(Unified Data Management Function):

•用于存储在UDR中的用户订阅数据的前端
•生成认证数据，用于认证附加设备
•根据订阅数据授权特定用户访问;例如，为漫游用户和家庭用户应用不同的访问规则

UDR(Unified Data Repository):
•存储各种类型数据的数据库，如订阅数据和定义各种类型的网络或用户策略的数据，是中央的主数据库，被UDM规模大得多。
•存储和访问数据以服务其他网络功能，特别是UDM, PCF和NEF

AUSF(Authentication Server Function):
•指定设备认证服务
•生成加密材料的服务，允许漫游信息和设备中的其他参数的安全更新

5G Connection（D-RAN-CN）

先把上文没有提及到的接口简略说明一下。上图是5G整体系统的一个统合概括，非常重要。是5G学习必掌握的知识点。
Uu： 5G NR
N9： UPF到UPF的接口,UPF并不是只有一个，可以有很多个（根据运营商的网络分片需求）。当需要从一个UPF切换到另一个UPF时，意味着对应设备的IP地址也将发生改变。
N6：互联网到UPF的接口
N11： AMF到SMF的接口
AMF：主要负责移动管理(Mobility Management)
SMF：主要负责会话管理(Session Management)

N2:无线网络与核心网络(以AMF为前端)之间的所有信令都通过N2参考点传送
N1: NAS（Non-Access Stratum，非接入层）消息在空中接口Uu和RAN-Core接口N2上透明传输

NAS：与传统的终端-无线接入网-核心网不同，这是一种终端-核心网的接入方式。逻辑上可以看做设备与核心网络直接相连，但是从实际的结构上不可能的。必然是首先通过接入网到达基站，然后通过基站连接核心网络。但是之所以说逻辑上是设备直连核心网的原因是，在这个阶段即使通过接入网连接到基站，也不能通过基站进行数据服务的交互。即该阶段通过RAN接入基站仅仅是为了与CN进行控制信息的交互，而非真实的数据传输连接。因为NAS过程里需要对用户的身份进行认证，而认证的结果决定基站是否给设备开放对应服务。

N2支持的信令过程

支持N2管理的过程，如接口本身的配置
一个gNB可以连接到多个AMF，用于负载分担、弹性和网络切片的目的。一个基站可以连接多个AMF，理由有很多，例如某基站接入了大量物联网设备，对应需要的控制信息会很多，因此需要AMF多个。或者从冗余的角度上考虑，一个AMF故障后为了能够稳定提供服务，需要有备份，所以AMF是需要复数存在的。

与特定UE/设备的信令相关的过程中，每个UE/设备总是只与单个AMF相关联(除了一些特殊情况，如漫游)。
设备与核心网之间转发消息的信令时，可以看做AMF与设备一直保持连接。从全局上看，设备必须一直连接基站才能保持网络服务，那么从核心网络角度看，设备必须一直连接AMF才能保证与UPF的通信。

SMF管理与会话管理相关的NAS消息，在这种情况下，消息是在SMF (N11接口)的帮助下在SMF和设备之间传递的，因为SMF和无线网络之间不存在直接连接，因此AMF管理所有其他NAS消息而不涉及SMF。NAS（Non-Access Stratum）也可以用来透明地将一些消息传递到或从其他网络功能。

与特定设备的存储数据修改相关的信令，如“UE上下文”
与事件管理相关的信令，如无线电单元或接入网络之间的切换以及处于空闲模式的设备的分页

上述内容整理成一张图来表示的话，如下图所示。

上图省略了基站，大括号位置是基站，基站是RAN/CN间必须的连接介质。
一个设备由单个AMF提供服务，但有多个SMF建立的会话，每个SMF都有自己的UPF，
允许同时连接到多个逻辑网络，使用不同的处理、策略和规则来路由用户数据，比如我们可能会同时使用很多个应用程序。玩着游戏的时候开着语音，收着QQ消息，同时后台跑着bilibili视频。每个应用都是与不同的服务器连接，不同的服务器可能需要不同的网络环境，即会存在多个SMF掌控下的UPF进行多地址并发操作。
与EPC架构相比，这具有额外的灵活性

5GC核心功能简述

上图所示是5GC的核心功能。对于上图中的每一项将单独出一篇博文进行说明。

5G Key Operations	Description	更新链接
Session Management	对于UPF和终端之间建立的连接，SMF的具体操作	【Click Here】
Mobility Managemet	设备移动时，对应AMF的操作	【Click Here】
QoS	为了提供高质量高优先级服务，其他NF的操作	【Click Here】
Policy control and charging	政策控制与计费策略	【Click Here】
Network slicing	从带宽节约以及服务分类的角度上，将5G网络最大效率化的技术	【Click Here】
Security	5G相关的安全特性考察	【Click Here】
Dual connectivity	双连接，之前章节已经做过不少描述，不打算再单独出一篇博文	`No Link Here`

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