5G时代网络重大变革——基于服务化架构的5G核心网

燚先生

通信技术的演进已经到了第四代。从第一代到第四代移动通信技术，围绕的都是人与人之间的通信，而在如今的网络直播、虚拟现实、4K视频逐渐普及的大环境下，用户对于网络的要求也是越来越高，要满足用户不断增长的网络需求，一个带宽更高、时延更低、覆盖更广的移动网络必不可少，而5G正是一个能够满足这些需求的网络。除了人与人之间的通信，5G更重要的目标是万物互联。4G已经改变了人类的生活方式，5G将改变社会的生产模式。

5G网络主要有三大技术场景，增强的移动宽带业务enhanced mobile broadband (eMBB)，海量机器通信Massive Machine Type Communication(mMTC)，高可靠低时延Ultra Reliable Low Latency Communications(URLLC)。每种技术场景都提炼于各行各业对未来通信的需求。三大场景中mMTC和URLLC都是主要针对垂直行业的业务需求，足以可见5G对垂直行业的重视程度。

图一 5G网络满足垂直行业需求

为了满足5G万物互联的需求，通信人致力于对贯穿于5G网络的基站、核心网、编排管理、传输等各部分的实现。对于核心网而言，基于传统CT思维的设计模式显然已经不足以面向未来。因此，5G核心网有了更方便更灵活引入垂直行业的架构，即基于服务化的架构Service Based Architecture，简称SBA。3GPP定义的基于服务化架构的5G核心网如下图所示。

图二 5G核心网服务化架构

5G核心网架构与传统核心网架构的显著区别在于：

控制面网络功能摒弃传统的点对点通讯方式，采用统一的基于服务化架构和接口，例如上图中的Nnssf、Nsmf等；

控制面与媒体面分离；

移动性管理与会话管理解耦；

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。

服务化架构是5G核心网区别于传统核心网的显著差异，那么究竟什么是服务化架构呢？我们总结了5G核心网服务化架构四大特征如下：


图三 5G核心网服务化架构四大特征

一、传统网元被逐渐拆分

伴随着虚拟化技术运用在电信领域，传统意义上的核心网网元实现了软硬件解耦，软件部分被称为网络功能（Network Function）。3GPP定义的服务化结构将一个网络功能进一步拆分成若干个自包含、自管理、可重用的网络功能服务（NF Service），这些网络功能相互之间解耦，具备独立升级、独立弹性的能力，具备标准接口与其他网络功能服务互通，并且可通过编排工具根据不同的需求进行编排和实例化部署。这种网元拆分与我们经常谈论的云原生或微服务架构有着相似的理念，而3GPP进行了标准化定义，并为每个5G网络功能定义了一组具备对外互通标准接口的网络功能服务。

二、网络功能服务管理自动化

网络功能被拆分成多个网络功能服务后，维护工程师会从面对几个网元改变为面对几十个网络功能服务，如果仍然依靠传统核心网的手工维护方式，那对维护工程师而言无异于一场灾难。因此，5G核心网的网络功能服务需要能够做到自动化管理，NRF就是这样的一个网络功能。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。

三、网络通信路径优化

传统核心网的网元之间有着固定的通讯链路和通讯路径。例如在4G网络中，用户的位置信息必须从无线基站上报给MME，然后由MME通过S-GW传递给P-GW，最终传递给PCRF进行策略的更新。而在5G核心网服务化架构下，各网络功能服务之间可以根据需求任意通讯，极大地优化了通讯路径。同样的以用户位置信息策略为例，PCF可以提前订阅用户位置信息变更事件，当AMF中的网络服务功能检测到用户发生位置变更时，发布用户位置信息变更事件，PCF可直接实时接收到该事件，无需其他网络功能服务进行中转。

四、网络功能服务间的交互解耦

传统核心网网元之间的通讯遵循请求者和响应者的点对点模式，这是一种相互耦合的传统模式。5G核心网架构下的网络功能服务间通讯机制进一步解耦为生产者和消费者模式，生产者发布相关能力，并不关注消费者是谁，在什么地方。消费者订阅相关能力，并不关注生产者是谁，在什么地方。这是一种从IT业借鉴过来的通讯模式，非常适用于通讯双方的接口解耦。

5G核心网的服务化架构是5G时代在网络架构方面的一个重大变革，具备灵活可编排、解耦、开放等传统网络架构所无法比拟的优点，是5G时代迅速满足垂直行业需求的一个重要手段。核心网的黑盒子已经被打开，依托于服务化架构的5G核心网，移动通信网络一定会在未来的万物互联之路上展现出巨大的能力。