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变态!说的就是你,5G核心网

本文来源:无线深海

首先,讲一个毛毛虫过河的故事
一只毛毛虫经过长途跋涉,终于来到了河边。对岸鲜花盛开,四季如春,恍如天国,毛毛虫想去对岸生活,却被这条大河阻挡了去路,四处也不见桥的踪影,它要怎样才能渡过大河呢?
为防止真实的毛毛虫引起不适,放个可爱的卡通毛毛虫
游过去?搭船过去?求人带过去?可行的答案当然有很多,但最美丽最浪漫的却只有一个,那就是:变成蝴蝶飞过去。 为了变成蝴蝶,毛毛虫不辞辛苦,终日大吃不倦,经历了一次又一次的蜕皮,一天天不断地长大。 终于有一天,它感受到了某种神秘力量的召唤,于是吐出丝来,作茧自缚。在茧里,毛毛虫逐渐变成了一头圆一头尖的子弹形的蛹。 蛹的内部,毛毛虫的身体正在发生着宇宙上最为奇妙的变化,这是它一生中至关重要的时刻。那曾经只能蠕动的柔弱肉体,全部融化成蛹内部的一腔浆液,全新的组织,就在这一片混沌中重生。 终于,全新的身体,还有全新的翅膀逐渐成型,一个全新的生命即将诞生。在一个阳光明媚的早晨,一只美丽的蝴蝶破茧而出,振翅高飞。 现在,这只蝴蝶,曾经的毛毛虫,早已不再惧怕大江大海,它的目标是诗和远方。
蝴蝶中的翘楚:光明女神闪蝶
从丑陋的毛毛虫成长为美丽的蝴蝶的这个过程,生物学上叫做“完全变态”。也就是说,虽然蝴蝶是由毛毛虫发育而来,但它们的形态却截然不同。 从4G核心网到5G核心网的演进和毛毛虫羽化成蝶非常类似,也经历了“完全变态”的过程。完全变态,意味着放下包袱,摒弃过往,轻装上阵。
毛毛虫 — 4G核心网是什么样的?
顾名思义,核心网位于网络数据交换的中央,主要负责终端用户的移动性管理,会话管理和数据传输。
4G核心网架构
4G核心网主要包含MME,SGW,PGW,HSS这几个网元,下面简要介绍下这些网元的作用。 MME的全称是Mobility Management Entity,含义为移动性管理实体。
这是4G核心网中的核心网元,顾名思义,MME主要负责移动性管理和控制,包含用户的鉴权、寻呼、位置更新和切换等等。 总之,手机必须定期向MME报告自己的位置,如果想上网的话,也必须先到MME经过安检才行,而且,如果手机跑到其他基站下,也需要MME来协调切换的事宜。MME就是大内总管,掌控一切,统领全局。 SGW的全称叫Serving Gateway,含义为服务网关。它主要负责手机上下文会话的管理和数据包的路由和转发,相当于数据中转站。
PGW的全称叫Packet data network Gateway,含义为分组数据网络网关。它主要负责连接到外部网络,也就是说,如果手机要上互联网,必须要PDW点头,通过PDW转发才行。除此之外PDW还承担着手机的会话管理和承载控制,以及IP地址分配,计费支持等功能。
HSS的全称叫Home Subscriber Server,含义为归属用户服务器。它是一个中央数据库,包含与用户相关的信息和订阅相关的信息。其功能包括:移动性管理,呼叫和会话建立的支持,用户认证和访问授权。
然而,这样的架构却还有些不足,控制面和用户面并没有完全分开。如上所述,SGW和PGW不但要处理转发用户面数据,还要负责进行会话管理和承载控制等控制面功能,这种用户面和控制面交织的缺点导致了业务改动复杂,效率难以优化,部署运维难度大的问题。 于是,在2016年,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),称为CUPS架构(控制面用户面分离架构)。
控制面用户面分离(CUPS)架构的4G核心网
控制面用户面分离还有另一个重要目的,那就是让网络用户面功能摆脱“中心化”的囚禁,使其既可灵活部署于核心网(中心数据中心),也可部署于接入网(边缘数据中心),最终实现可分布式部署。 按理说这样一来,控制面和用户面已经完全分开,各司其职,各自发挥所长就可以很好地协同工作了。可是5G,裹挟着万物互联的浪潮滚滚而来,一切网元都要思考自身是否能很好满足5G的三大场景需求。 CUPS架构再好,也是脱胎于4G核心网,而4G核心网仅仅是为手机高速上网诞生的,这只对应了5G的eMBB场景。此架构因为不够灵活,大量的网元和复杂接口无法支持多元化5G业务。面对多样化的5G业务场景,需要新的核心网网络架构呼之欲出。
5G核心网 — 毛毛虫到蝴蝶的蜕变
经过业界专家的潜心研究,决定抛弃突破传统功能实体的藩篱,采用基于服务的架构(SBA),拥抱虚拟化,控制面和用户面分离,计算和存储分离,全面支持网络切片,并可对第三方开放接口,来一场完完全全的蜕变。 什么是基于服务的架构(Service Based Architecture)? 众所周知,传统网元是一种软硬件结合的紧耦合的黑盒设计,引入虚拟化之后,软件和硬件解耦,从此硬件摆脱了专用设备的束缚,使用通用的服务器即可,成本极大降低。 于此同时,软件也不再关注底层硬件,可扩展性极大提高。但是,这样的软件还是单体结构,如果只想升级或者扩容内部一个模块,就得牵一发而动全身,一点也不灵活。 因此,专家们借鉴了IT系统中微服务的架构,把大的单体软件进一步分解为多个小的模块化组件,这些组件就叫做网络功能服务 (NFS),它们高度独立自治,并通过开放接口来相互通信,可以像搭积木一样组合成大的网络功能(NF),以提升业务部署的敏捷性和弹性。
核心网到SBA架构的进化
于是,4G核心网中那些“实体”,“服务器”,“网关”等和硬件相关的字眼荡然无存,虚拟化之后的网络不再关注底层硬件;那些错综复杂的软件功能模块全部回炉重造,再淬火凝练成为一个个的软件意义上的网络功能(NF,即Network Function)。
5G核心网架构图
每个网络功能逻辑上相当于一个网元,并且这些功能都是完全独立自治的,无论是新增,升级,还是扩容都不会影响到其他的功能,这就为网络的维护和扩展提供了极大的便利性。
5G的各个NF的名称及含义 注意了!下文会反复提到这些NF的缩写
这样的变化,像极了毛毛虫把自己融化再羽化成蝶的转变,真可称得上“完全变态”。 我们现在来看看这一切变化都是怎么发生的。从毛毛虫到蝴蝶再怎么剧变,运动,循环,消化这些基本功能虽然经过了重组,但终究还是从毛毛虫体内早已孕育了许久的“成虫盘”上长出来的。
毛毛虫体内的成虫盘 蝴蝶图的没找到,就放一个果蝇图吧
5G核心网的变化也是如此,那一个个陌生的网络功能NF,其实就像毛毛虫体内蛰伏的成虫盘一样,随着时代大潮的召唤,汲取着4G核心网演进的养分,迅速生长,最终破茧而出。
4/5G核心网对比 — 蛹内发生了那些变化?
要对比4G核心网和5G核心网的相同和不同之处,类似于追踪毛毛虫体内的成虫盘的动向,必须标记之后再作详细观察。 首先,我们试着用颜色标注出4G核心网的相关网元,如下图所示。
控制面和用户面分离的4G核心网(不同功能用颜色标注)
从上图可以看出,经历了CUPS架构的洗礼,SGW和PGW的用户面和控制面已经完全分开了,那么5G会不会把同为控制面的SGW-C和PGW-C合一呢?会不会把同为用户面的SGW-U和PGW-U合一呢? MME和HSS上面色彩斑驳,也就意味着它们虽然同为控制面网元,在4G时代承载了太多的功能,会在5G进行拆分。 同理,对5G核心网的各个NF也按功能用颜色进行标注,和4G网元相同的颜色意味着相似的功能。历经了变态的5G核心网如下图所示。
5G核心网(不同功能用颜色标注)
仔细一看,大部分5G NF还是能在4G核心网中找到影子,就像在毛毛虫体内也能找到蝴蝶的“成虫盘”一样。 如下图所示,MME中负责接入和移动性管理的功能独立出来,成为了5G的AMF;与此同时,负责会话管理的功能,和SGW-C和PGW-C合并成为SMF,会话管理从以前的兼职,分散管理变成了现在的专业和集中化管理。
AMF和SMF的诞生 AMF:Access and Mobility management Function SMF:Session Management Function
慢着,MME中那一条紫色的部分去哪了?请看下图,MME和HSS中关于用户鉴权的功能被抽取出来,合并成为5G的AUSF;与此同时,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。
AUSF和UDM的诞生 AUSF:Authentication Server Function UDM:Unified Data Management
除了这些“大变态”的网元,当然“小变态”的。如下图所示,负责策略控制和计费规则管理功能的PCRF,演化成了5G中的策略控制功能PCF,丢掉了计费规则管理功能。
PCF的诞生 PCF:Policy Control Function
除了这些从4G传承下来的功能,5G核心网还引入了一些全新的网络功能NF,主要包括NSSF,NEF和NRF。 NSSF(Network Slice Selection Function 网络切片选择功能)一看就是负责管理网络切片的。在5G时代,网络切片的管理和运营将是新业务和新商业模式的关键。 NEF(Network Explosure Function 网络功能开放),顾名思义,就是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NEF牵线搭桥才行。 NRF(NF Repository Function 网络仓储功能)可不是类似硬盘这样的存储器,而是像一个仓库一样,用来进行NF的登记和管理的。由于5G的NF众多,如果采用手动的管理方式无异于一场灾难,因此就需要用NRF来实现所有NF的自动化管理。 每个NF都通过服务化接口对外提供服务,并允许其他NF访问或调用自身的服务。提供服务的NF被称作“NF服务提供者”,访问或调用服务的NF被称作“NF服务使用者”。这些活动都需要NRF的管理和监控。 如下图所示,每个NF启动时,必须要到NRF进行注册登记才能提供服务。红色的NF1想要让绿色的NF2来提供服务,必须先到NRF来进行服务发现才行。
NRF的作用和NF之间的交互
负责控制面的NF介绍完毕,用户面的NF就非常简单了,直接把4G CUPS的两个控制面网元SGW-U和PGW-U合二为一,成为5G的用户面功能:UPF。
UPF的诞生 UPF:User Plane Function
由上面的一系列变化可以看出,5G核心网是十分复杂的,从架构的设计到最终成熟商用之间还有很长的路要走。 所以,在5G的早期,5G基站接入EPC,使用非独立组网之所以能成为业界的主流,除了快速部署,成本低的优势之外,还有很大一部分原因是5G核心网尚不成熟。 5G核心网,经过了这么一番完全变态,目前正在积攒着力量,假以时日,必带领5G进入全新的时代。 清晨的阳光照在刚刚破茧而出的蝴蝶身上,虽然它的翅膀还皱缩着,身上的几丁质外壳还正在硬化,但其美丽的身影已经一览无余,一飞冲天指日可待。