IT人的5G网络架构视点：从网络架构演进的前世今生详解5G各NF网络功能体

一、引言

以前从来没关注电信无线上网网络的具体架构（也即PS域架构），现在开始学5G接触这些东西时，理解起来很痛苦，资料也少，于是一方面到处找人咨询，一方面到处查资料，最后发现应该从3G、4G时代的架构及功能开始学习，这样知识有个演进过程，了解起来就很简单了。废话不说，下面我们来分别看看3G、4G、5G流量上网的网络能力架构。

二、3G时代PS域架构

3G时代的PS域结构非常简单，请见下图：

上图中：

• RAN：无线接入网，其中的NodeB是基站，RNC是无线网络控制器（Radio Network Controller，也称为基站控制器），RNC负责移动性管理、呼叫处理、链路管理和移交机制
• 无线核心网：3G核心网由电路域（CS域，CS即Circuit Switched，电路交换）和分组域（PS域,PS即分组交换Packet Switch，有时又称分组业务Packet Service）两部分组成，分别负责传统语音业务和分组域业务（数据和多媒体业务），无线上网只和PS域相关。3G的PS域核心网主要由SGSN和GGSN两部分组成。SGSN和GGSN统称为GSN。
  其中SGSN(Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点)执行用户和GGSN之间的数据路由（用户面功能），并进行用户接入鉴权控制、移动性管理（包括附着、去附着和位置管理）、会话管理（包括激活、修改或者删除PDP上下文等功能）这些控制面功能。
  GSGN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS支持节点，GSN网关）作为整个GPRS网络的网关，位于GPRS网络和外部分组交换网络（Internet）之间，负责在核心网和外部网络之间交换数据和执行地址转换。

三、4G时代PS域架构

4G时代PS域的发展出现了较大的变化，PS域整体架构如下：

上图中：

• MME：英文全称Mobile Managenment Entity， 即移动管理实体，主要负责M移动性管理和控制，包含用户的鉴权、寻呼、位置更新和切换等等
• SGW：Serving GW，即服务网关，用户面接入服务网关，主要负责手机上下文会话的管理和数据包的路由和转发
• PGW：Packet data network Gateway ，即PDN网关，主要负责连接到外部网络，包括会话和承载管理(承载管理即控制用户设备和网络的连接状态，一个承载可以看做是一条分配了IP地址的数据包传输通道)、用户IP地址分配、计费支持

可以看到，4G PS域的架构相对3G PS域架构进行了演进：

• 将SGSN的移动性管理等控制面功能划分给了MME
• 将SGSN的路由管理等用户面功能划分给了SGW
• PGW相当于原有的GGSN
• PCRF是新增的策略控制网元

在2016年，受5G规范的CUPS架构（控制面用户面分离架构）的影响，3GPP对SGW/PGW进行了一次拆分，把这两个网元都进一步拆分为控制面（SGW-C和PGW-C）和用户面（SGW-U和PGW-U）。如图：

SGW-C和PGW-C主要根据终端所在位置及漫游信息选择合适的SGW-U/PGW-U的路由，从而建立数据传输承载信道，路由建立后，MME将SGW-C/PGW-C返回的路由信息传至基站eNodeB，eNodeB自动将移动终端数据包在的SGW-U/PGW-U等组成的承载信道中直接传输，对于无需出本地的数据流量在本地直接分流。

三、5G时代PS域架构

5G标准制定时，为了提高系统响应性能，在整个PS域进行了比较大的架构优化，架构方面的优化主要有如下：

• SBA（Service Based Architecture）架构：实际上就是中心化和微服务化架构，传统网元的功能进行整合后再按功能单一化划分为多个NF，然后NF再被分解为多个“网络功能服务”，支持容器化部署，目标是实现敏捷开发、变更控制范围、可动态伸缩、提升可靠性。所有基于服务的NF都接入SBI（Service Based Interface）消息总线，SBI消息总线基于HTTP/2，采用RESTful API设计原则
• CUPS(Control and User Plane Separation）：控制与用户面分离，用户面可以集中部署也可分布式部署，在分布式部署时将用户面下沉到更接近用户，提升对用户请求的响应速度，而控制面集中管理、统一集群部署，提升可维护性和可靠性
• NS(Network Slice )：网络切片，基于网络功能虚拟化、软件化的基础上，把网络切成多个虚拟且相互隔离的子网络，分别应对有不同要求的不同服务，再将网络功能进一步细粒度模块化，实现灵活组装业务应用

5G PS域相关的整体架构如下：

相关网元及功能如下：

• AMF：Access and Mobility Management Function，接入及移动性管理功能，AMF接收UE的请求并处理所有与连接和移动性管理有关的任务如鉴权，并通过N11接口向SMF转发会话管理需求。AMF通过询问NRF确定哪一个SMF是最适合处理该连接请求
• SMF: Session Management Function ，会话管理功能，例如会话建立，修改和释放，包括UPF和AN节点之间的隧道维护、UE IP地址分配和管理、选择和控制UPF功能、计费数据收集和计费接口支持等
• UPF: User plane Function，用户面功能，包括用户数据包的路由和转发、与外部数据网DN的数据交互、用户平面的QoS处理、流控规则实施（例如门控、重定向、流量转向）等
• UDM：Unified Data Management，统一数据管理功能，负责用户标识、签约数据、鉴权数据的管理、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，如当用户切换了访问的AMF时，UDM还会向旧的AMF发起注销消息，要求旧的AMF删除用户相关信息）
• AUSF：Authentication Server Function，鉴权服务功能，AUSF用于接收AMF对UE进行身份验证的请求，通过向UDM请求密钥，再将UDM下发的密钥转发给AMF进行鉴权处理
• PCF：Policy Control function ，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
• NRF：NF Repository Function ，网络存储功能，用来进行NF登记、管理、状态检测，实现所有NF的自动化管理，每个NF启动时，必须要到NRF进行注册登记才能提供服务，登记信息包括NF类型、地址、服务列表等
• AF：Application Function ，应用功能，指应用层的各种服务，可以是运营商内部的应用如Volte AF(类似4G的Volte As）、也可以是第三方的AF（如视频服务器、游戏服务器），如果是运营商内部的AF，与其他NF在一个可信域内，可以直接与其他NF如PCF交互访问，而第三方的AF则不在可信域内，必须通过NEF访问其他NF
• NEF：Network Exposure Function ，网络开放功能，位于5G核心网和外部第三方应用功能体之间（可能也有部分内部AF），负责管理对外开放网络数据的，所有的外部应用，想要访问5G核心网内部数据，都必须要通过NEF。NEF提供相应的安全保障来保证外部应用到3gpp网络的安全，提供外部应用Qos定制能力开放、移动性状态事件订阅、AF请求分发等功能
• NSSF:Network Slice Selection Function， 网络切片选择功能
• DN: 数据网络Data Network (DN), 比如运营商业务，互联网或者第三方业务等

在这些功能型的NF后面，还有两个重要的NF，它们是：

• UDR：Unified Data Repository ，统一数据存储/仓库，用于UDM存储订阅数据或读取订阅数据以及PCF存储策略数据或者读取策略数据
• UDSF：Unstructured Data Storage network function，非结构化数据存储功能，所有NF的非结构化数据都存储于UDSF

从以上架构可以看出，无论怎么演进，网络架构中的用户管理、会话管理、移动性管理、接入和鉴权管理的控制面功能和数据包转发的用户面功能都是PS域的必选基础功能，从上面这些NF的功能可以看出，5G的基础功能相关NF是从4G的网元进行功能拆分再部分整合后形成的功能体：

• MME中负责接入和移动性管理的功能独立出来，成了5G的AMF
• SGW-C和PGW-C关于会话管理的功能合并成为SMF
• MME和HSS中用户鉴权的功能被抽取出来，合并成为5G的AUSF，HSS中剩余的用户数据管理功能独立成为UDM，和AUSF配合工作来完成用户鉴权数据相关的处理
• PCRF成了5G中的PCF
• SGW-U和PGW-U合并成为5G的用户面功能UPF
• AF和DN基本功能保持不变就是4G网络中的AS和互联网

同时为了适应新的SBA架构和业务要求，新增了NSSF、NRF、UDR、UDSF及NEF以及SBA总线。

四、小结

经过查阅各种互联网上分享的知识和阅读部分3GPP规范，并多处求教，同时结合3G、4G的PS域组网架构，老猿终于将5G PS域各功能体的大致功能弄清楚了。这个关于5G各NF的功能介绍，应该是目前网上相关文章中最全的，并且由于以前老猿本身对核心网并不熟悉，因此介绍时写得还算比较通俗易懂，这些内容有助于有一定IT基础大众的理解。

我们看到，从3G到4G、4G到5G的演进过程中，核心功能是一脉相传，但实现的方式在不停演进，系统实现演进的目的就是为了提升用户上网响应的性能、减少不必要的流量传输、提升系统的可复用性、可靠性和扩展性，并节约投资。

最后要感谢各位互联网上知识分享的达人，由于查阅资料众多，也没有记录相关网页，在此就不一一致谢了，同时要感谢各位同事和朋友的线下帮助。