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标题: S^2: 4G/5G网络架构对比(一) [查看完整版帖子] [打印本页]

时间: 2022-1-12 20:14

作者: 溯溪而上 标题: S^2: 4G/5G网络架构对比(一)

S2小伙伴 S2微沙龙

文|niuyx

5G核心网相较于4G核心网而言，差别是非常大的，下面我们详细介绍一下。

4G/5G
#核心网架构的呈现方式#

5G核心网架构的呈现方式包括参考点架构和服务化架构，4G核心网架构的呈现方式只有参考点架构。那什么是参考点架构，什么是服务化架构呢，它们的区别是什么呢？
1. 参考点架构
如图1所示，我们称N1、N2、N3、N4等为参考点，参考点俗称为接口。比如N8接口（或N8参考点）指的是AMF和UDM之间的通信，N11接口(或N11参考点)指的是 AMF和 SMF之间的通信。所以，参考点指明的是两两功能网元实体之间的连接。

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图1

2. 服务化架构
如图1所示，AMF到UDM的N8是一个参考点，AMF再到SMF的N11是另外一个参考点，虽然N8和N11参考点都是从AMF出来的，但是它们被称作为了两个不同的参考点。
而服务化架构有点类似于总线架构，总线上的网元可以和其他所有在总线上的网元进行交互，如下图所示，AMF可以跟UDM和SMF等网元进行交互，但AMF与其他网元之间的接口都叫做Namf。

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图2

3. 参考点架构和服务化架构的区别

参考点架构的呈现方式，指明的是两两功能网元实体之间的连接，是两两之间一对一的关系，不能一对多，也不能多对一；
服务化架构的呈现方式，打破了参考点架构那种一一对应两两互通的关系。每一个功能网元都可以直接和其他所有的功能网元直接进行互通，是一对多或者多对多的关系（网状的关系）。

那5G核心网架构为什么在定义了服务化架构的基础上，还要定义之前的这种参考点架构？原因就很简单，如果从AMF出来到SMF和UDM的接口都叫做Namf的话，则无法区分本次的连接到底是到SMF的，还是到UDM的。

所以5G核心网架构在服务化架构的基础之上，仍然保留了参考点架构的形式。当需要描述AMF和UDM之间的连接时，可以直接用N8参考点，当需要描述AMF和SMF之间的连接时，可以直接用N10参考点，而4G网络就只有参考点架构的形式。

4G/5G
#控制面和用户面分离#

4G和5G网络都是分组网络，控制面和用户面这两个概念是在分组网络里面一直存在的两个概念。控制面和用户面是按照数据的类型划分的，控制面是负责传输控制信令（信令交互）的，用户面是负责传输实际数据的。
我们首先来看一下4G核心网架构，如图3所示。

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图3

终端会将控制信令和用户数据统一发给基站（4G基站是eNB）。在4G场景下，控制面和用户面从eNB侧开始做了一个分流，其中控制面到MME（Mobility management entity，移动性管理实体），用户面到S-GW（Service gateway，服务网关），具体分流如下：

1. 用户发给基站的信令，基站会直接转发给MME，MME专门负责4G网络场景下的移动性管理。eNB到MME之间的接口为S1-MME接口，每一个接口对应的会有一个语言，我们称之为协议，S1-MME接口使用的协议为S1AP（S1 Application）协议。

2. 用户发给基站的上网数据包，基站会直接转发给S-GW。eNB和S-GW之间的接口为S1-U接口（用户面的一个接口），S1-U接口对应的协议是GTP协议。对于GTP协议本身而言，它可以以一个隧道的形式在两个网元之间传输用户数据，也可以传输用户信令。但是因为S1-U接口只是一个用户面的接口，所以S1-U的隧道也只是一个用户面的隧道，所以我们有时候也会把S1-U接口对应的协议叫做GTP-U协议（一个用户面协议）。

乍一看，eNB侧控制面和用户面的分流，好像是把控制面和用户面分离了，但是实际上并没有完全分离，从5G网络开始才做到了控制面和用户面的完全分离，为什么这么说呢？为了增强可读性，我们把这部分内容放在了下一节描述，请继续看下一节：4G/5G网络架构对比(二)。

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时间: 2022-1-12 20:18

作者: 溯溪而上

S^2: 4G/5G网络架构对比(二)

S2小伙伴 S2微沙龙
文|niuyx

在上一节：4G/5G网络架构对比(一)中，我们介绍了4G/5G核心网架构最大的差别在于：1）架构的呈现方式不同，其中4G网络只有参考点架构，5G网络有参考点架构和服务化架构；2）控制面和用户面的分离不同，4G网络做到了控制面和用户面的部分分离，5G网络做到了控制面和用户面的完全分离。

这一节，小编主要从4G核心网的主要网元入手，详细介绍一下4G网络控制面和用户面的部分分离，4G网络架构如图1所示。

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图1

4G
#MME 移动性管理实体#

在4G场景下，MME（Mobility management entity，移动性管理实体）位于控制面，专门负责用户的移动性管理。那什么是移动性管理呢？我们把一系列跟用户位置相关、跟用户接入相关的功能称为移动性管理功能。MME能够跟踪用户当前具体的位置信息，同时还能够控制用户接入（即是否允许用户接入网络来进行后续的业务，包括接入鉴权、业务授权和认证等。

移动性管理功能需要由MME和HSS（Home Subscriber Server, 归属用户服务器）一起配合来完成。HSS网元存储了用户当前所有的签约信息，即用户去营业厅开户的一些信息，包括号码信息、鉴权的信息、密钥信息以及各种权限信息等。MME需要与HSS交互来获取用户当前最新的签约信息，从而对用户的移动性进行管理和控制。以用户的接入鉴权为例，MME需要通过HSS下载用户的一些鉴权的向量，通过算法来计算出最终的结果，完成对用户的接入鉴权。

MME和HSS之间的接口为S6a接口，对应的协议为Diameter协议，Diameter协议是RADIUS协议的演进版，RADIU协议经常会使用在AAA（Authentication Authorization Accounting，鉴权授权和计费）服务器上。它的基本功能是为了解决鉴权、授权和计费的问题，但是它在使用性上会有一些局限，比如不支持漫游，扩展性较差等等，后来慢慢演进到了Diameter协议，Diameter协议在使用性上比Radius协议有所提升。

4G
#S-GW 服务网关#

在4G场景下，S-GW（Service gateway，服务网关）位于用户面，主要用于会话管理、路由选择和数据转发等。本小节主要介绍一下在数据转发过程中，S-GW的功能。

1、切换的锚点

切换是指用户在做业务的过程中，从一个基站信号覆盖的区域移动到了另外一个基站信号覆盖的区域时，需要把用户业务从原来的基站切换到新的基站上，同时保证用户的业务不中断，我们称这个过程为切换。在4G的场景下，切换有两个类型如下：

a) X2接口切换
X2接口是两个基站之间的接口（5G里面两个基站之间的接口为Xn接口）。如果两个基站之间有X2接口，那么在切换的过程中，原来的基站还没下发完全的那部分数据包就可以通过X2接口转发给新的基站，再由新的基站直接发送给用户,这个过程我们称之为X2接口切换。

b）s1接口切换
如果两个基站之间没有X2接口或者X2接口故障/拥塞了，这种情况下如何完成切换呢？由于基站都是挂在 S-GW下面的，eNB和S-GW之间的接口为S1-U接口（用户面的一个接口）。当基站之间没有直接的通道时，S-GW可以帮助基站做中转，这时候所发生的切换我们称之为S1接口切换。

所以，S-GW的第一个功能“切换的锚点”，是指在S1切换的过程中，转发新老基站之间的用户数据包。

2、寻呼的触发

寻呼有两个前提，一是有业务过来，第二是网络暂时不知道用户的具体位置。为什么网络会不知道用户的具体位置呢？这是因为在网络连接管理（CM，Connection Management）中，终端会有两种连接状态：CM-Connected（CM-连接）态和CM-Idle（CM-空闲）态，当网络侧探测到终端在一段时间内没有任何上下行数据包交互的时候，会把无线侧跟终端、跟核心网之间的无线连接暂时释放掉，这个时候终端会进入CM-Idle态。

对于核心网而言，用户位置的定义包括小区、跟踪区（Tracking Area (TA)，一组小区的集合）、跟踪区list（一组跟踪区的集合），当用户处于CM-Connected态的时候，核心网会跟踪小区、TA、 TA list这三个位置信息，这时候核心网是知道用户当前具体的位置信息的。但是如果用户进入了CM-Idle态的话，无线侧连接会被释放掉，这个时候用户在小区之间的移动的时候，其位置变化是不会通知核心网的。所以，核心网记录的只是用户变成Idle态之前最后一次驻留的小区的位置信息，并不知道用户当前的具体位置信息。

那么在这样一个前提下，当有一个网络的数据包要发送给用户时，S-GW便不能够直接将数据包推送给用户，一是因为无线侧连接断了，二是因为核心网并不知道用户的具体位置，这个时候就需要触发寻呼。

由于eNB和S-GW之间的接口只能传输纯用户面数据（即用户上网的数据包），是不能够发送任何的信令消息的。而寻呼本身是一条信令，因此，当S-GW收到一个下行的数据包，并发现找不到用户时，它是不能够直接告诉eNB来去寻呼用户的。此时，可以通过MME来转发信令。

S-GW会先把下行的用户数据包暂时做一个缓存，然后给MME发送一个下行数据的通知，告诉MME有下行数据要发给用户但是发不下去， MME收到这个通知之后，通过eNB来下发对用户的寻呼。当寻呼到用户以后，用户通过发起业务请求来把之前释放掉的连接重新恢复起来，变成CM-Connected态，之后S-GW再把用户的下行数据包发下去，这就是下行数据包的缓存和寻呼的触发过程。
所以，S-GW的第二个功能“寻呼的触发”，指的是当S-GW收到一个下行的数据包，并发现找不到用户时，通过MME转发信令来告诉eNB去寻呼用户，其中S-GW是寻呼的触发者而不是发起者。

4G
#P-GW 网关#

在4G场景下，P-GW（PDN gateway，PDN网关）位于用户面，是面向PDN的网关，其中PDN（packet data network，分组数据网络）指的是终端通过4G网络最终去访问的外部网络的一个统称。所以，P-GW主要负责连接到外部网络，包括路由选择和数据转发、会话管理和承载控制等。

S-GW和P-GW之间的接口是S5/S8接口，对应的协议是GTP协议，这个接口既可以处理用户的信令，也可以处理用户的数据包。

  从上面的介绍，我们可以看到，在4G场景下，eNB侧做了控制面和用户面分流，MME位于控制面，S-GW和P-GW都位于用户面。eNB和S-GW之间的接口只能传输纯用户面数据，不能够发送任何的信令消息。但是，S-GW和P-GW之间并没有做控制面和用户面的分离，它们之间的接口既可以处理用户的信令，也可以处理用户的数据包。

  所以，从这个层面上来讲，4G核心网并没有做到完全的控制面和用户面分离，只是做了一部分的控制面和用户面分离，从5G开始，才做到了完全的控制面和用户面分离。

  好啦，关于4G/5G网络架构对比，小编暂时就整理了这么多，若有不对的内容，请大家多多指正！更多的内容，等小编继续去学习整理之后再见啦。

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时间: 2022-1-25 17:10

作者: jly185036545

讲得很好，学习了。期待更新，想了解5G的架构。

时间: 2022-2-6 23:06

作者: Cuby

讲的很好，学到了

时间: 2022-2-7 09:59

作者: 龙飞03111

溯溪而上发表于 2022-1-12 20:18
S^2: 4G/5G网络架构对比(二)

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时间: 2022-2-7 10:39

作者: 龙飞03111

楼主多分享下这样的资料，非常适合初学者

时间: 2022-2-7 11:11

作者: 龙飞03111

继续更新吧，楼主

时间: 2022-2-7 21:15

作者: lqllql123

通信人家园 (https://www.txrjy.com/)