電子發燒友App
01
首先，講一個毛毛蟲過河的故事
一只毛毛蟲經過長途跋涉，終于來到了河邊。對岸鮮花盛開，四季如春，恍如天國，毛毛蟲想去對岸生活，卻被這條大河阻擋了去路，四處也不見橋的蹤影，它要怎樣才能渡過大河呢？
為防止真實的毛毛蟲引起不適，放個可愛的卡通毛毛蟲
游過去？搭船過去？求人帶過去？可行的答案當然有很多，但最美麗最浪漫的卻只有一個，那就是：變成蝴蝶飛過去。
為了變成蝴蝶，毛毛蟲不辭辛苦，終日大吃不倦，經歷了一次又一次的蛻皮，一天天不斷地長大。
終于有一天，它感受到了某種神秘力量的召喚，于是吐出絲來，作繭自縛。在繭里，毛毛蟲逐漸變成了一頭圓一頭尖的子彈形的蛹。
蛹的內部，毛毛蟲的身體正在發生著宇宙上最為奇妙的變化，這是它一生中至關重要的時刻。那曾經只能蠕動的柔弱肉體，全部融化成蛹內部的一腔漿液，全新的組織，就在這一片混沌中重生。
終于，全新的身體，還有全新的翅膀逐漸成型，一個全新的生命即將誕生。在一個陽光明媚的早晨，一只美麗的蝴蝶破繭而出，振翅高飛。
現在，這只蝴蝶，曾經的毛毛蟲，早已不再懼怕大江大海，它的目標是詩和遠方。
蝴蝶中的翹楚：光明女神閃蝶
從丑陋的毛毛蟲成長為美麗的蝴蝶的這個過程，生物學上叫做“完全變態”。也就是說，雖然蝴蝶是由毛毛蟲發育而來，但它們的形態卻截然不同。
從4G核心網到5G核心網的演進和毛毛蟲羽化成蝶非常類似，也經歷了“完全變態”的過程。完全變態，意味著放下包袱，摒棄過往，輕裝上陣。
02
毛毛蟲 — 4G核心網是什么樣的？
顧名思義，核心網位于網絡數據交換的中央，主要負責終端用戶的移動性管理，會話管理和數據傳輸。
4G核心網架構
4G核心網主要包含MME，SGW，PGW，HSS這幾個網元，下面簡要介紹下這些網元的作用。
MME的全稱是Mobility Management Entity，含義為移動性管理實體。
這是4G核心網中的核心網元，顧名思義，MME主要負責移動性管理和控制，包含用戶的鑒權、尋呼、位置更新和切換等等。
總之，手機必須定期向MME報告自己的位置，如果想上網的話，也必須先到MME經過安檢才行，而且，如果手機跑到其他基站下，也需要MME來協調切換的事宜。MME就是大內總管，掌控一切，統領全局。
SGW的全稱叫Serving Gateway，含義為服務網關。它主要負責手機上下文會話的管理和數據包的路由和轉發，相當于數據中轉站。
PGW的全稱叫Packet data network Gateway，含義為分組數據網絡網關。它主要負責連接到外部網絡，也就是說，如果手機要上互聯網，必須要PDW點頭，通過PDW轉發才行。除此之外PDW還承擔著手機的會話管理和承載控制，以及IP地址分配，計費支持等功能。
HSS的全稱叫Home Subscriber Server，含義為歸屬用戶服務器。它是一個中央數據庫，包含與用戶相關的信息和訂閱相關的信息。其功能包括:移動性管理，呼叫和會話建立的支持，用戶認證和訪問授權。
然而，這樣的架構卻還有些不足，控制面和用戶面并沒有完全分開。如上所述，SGW和PGW不但要處理轉發用戶面數據，還要負責進行會話管理和承載控制等控制面功能，這種用戶面和控制面交織的缺點導致了業務改動復雜，效率難以優化，部署運維難度大的問題。
于是，在2016年，3GPP對SGW/PGW進行了一次拆分，把這兩個網元都進一步拆分為控制面（SGW-C和PGW-C）和用戶面（SGW-U和PGW-U），稱為CUPS架構（控制面用戶面分離架構）。
控制面用戶面分離(CUPS)架構的4G核心網
控制面用戶面分離還有另一個重要目的，那就是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的囚禁，使其既可靈活部署于核心網（中心數據中心），也可部署于接入網（邊緣數據中心），最終實現可分布式部署。
按理說這樣一來，控制面和用戶面已經完全分開，各司其職，各自發揮所長就可以很好地協同工作了。可是5G，裹挾著萬物互聯的浪潮滾滾而來，一切網元都要思考自身是否能很好滿足5G的三大場景需求。
CUPS架構再好，也是脫胎于4G核心網，而4G核心網僅僅是為手機高速上網誕生的，這只對應了5G的eMBB場景。此架構因為不夠靈活，大量的網元和復雜接口無法支持多元化5G業務。面對多樣化的5G業務場景，需要新的核心網網絡架構呼之欲出。
03
5G核心網?—?毛毛蟲到蝴蝶的蛻變
經過業界專家的潛心研究，決定拋棄突破傳統功能實體的藩籬，采用基于服務的架構（SBA），擁抱虛擬化，控制面和用戶面分離，計算和存儲分離，全面支持網絡切片，并可對第三方開放接口，來一場完完全全的蛻變。
什么是基于服務的架構（Service Based Architecture）？
眾所周知，傳統網元是一種軟硬件結合的緊耦合的黑盒設計，引入虛擬化之后，軟件和硬件解耦，從此硬件擺脫了專用設備的束縛，使用通用的服務器即可，成本極大降低。
于此同時，軟件也不再關注底層硬件，可擴展性極大提高。但是，這樣的軟件還是單體結構，如果只想升級或者擴容內部一個模塊，就得牽一發而動全身，一點也不靈活。
因此，專家們借鑒了IT系統中微服務的架構，把大的單體軟件進一步分解為多個小的模塊化組件，這些組件就叫做網絡功能服務 (NFS)，它們高度獨立自治，并通過開放接口來相互通信，可以像搭積木一樣組合成大的網絡功能(NF)，以提升業務部署的敏捷性和彈性。
核心網到SBA架構的進化
于是，4G核心網中那些“實體”，“服務器”，“網關”等和硬件相關的字眼蕩然無存，虛擬化之后的網絡不再關注底層硬件；那些錯綜復雜的軟件功能模塊全部回爐重造，再淬火凝練成為一個個的軟件意義上的網絡功能（NF，即Network Function）。
5G核心網架構圖
每個網絡功能邏輯上相當于一個網元，并且這些功能都是完全獨立自治的，無論是新增，升級，還是擴容都不會影響到其他的功能，這就為網絡的維護和擴展提供了極大的便利性。
5G的各個NF的名稱及含義
注意了！下文會反復提到這些NF的縮寫
這樣的變化，像極了毛毛蟲把自己融化再羽化成蝶的轉變，真可稱得上“完全變態”。
我們現在來看看這一切變化都是怎么發生的。從毛毛蟲到蝴蝶再怎么劇變，運動，循環，消化這些基本功能雖然經過了重組，但終究還是從毛毛蟲體內早已孕育了許久的“成蟲盤”上長出來的。
毛毛蟲體內的成蟲盤
蝴蝶圖的沒找到，就放一個果蠅圖吧
5G核心網的變化也是如此，那一個個陌生的網絡功能NF，其實就像毛毛蟲體內蟄伏的成蟲盤一樣，隨著時代大潮的召喚，汲取著4G核心網演進的養分，迅速生長，最終破繭而出。
04
4/5G核心網對比?— 蛹內發生了那些變化？
要對比4G核心網和5G核心網的相同和不同之處，類似于追蹤毛毛蟲體內的成蟲盤的動向，必須標記之后再作詳細觀察。
首先，我們試著用顏色標注出4G核心網的相關網元，如下圖所示。
控制面和用戶面分離的4G核心網（不同功能用顏色標注）
從上圖可以看出，經歷了CUPS架構的洗禮，SGW和PGW的用戶面和控制面已經完全分開了，那么5G會不會把同為控制面的SGW-C和PGW-C合一呢？會不會把同為用戶面的SGW-U和PGW-U合一呢？
MME和HSS上面色彩斑駁，也就意味著它們雖然同為控制面網元，在4G時代承載了太多的功能，會在5G進行拆分。
同理，對5G核心網的各個NF也按功能用顏色進行標注，和4G網元相同的顏色意味著相似的功能。歷經了變態的5G核心網如下圖所示。
5G核心網（不同功能用顏色標注）
仔細一看，大部分5G NF還是能在4G核心網中找到影子，就像在毛毛蟲體內也能找到蝴蝶的“成蟲盤”一樣。
如下圖所示，MME中負責接入和移動性管理的功能獨立出來，成為了5G的AMF；與此同時，負責會話管理的功能，和SGW-C和PGW-C合并成為SMF，會話管理從以前的兼職，分散管理變成了現在的專業和集中化管理。
AMF和SMF的誕生
AMF：Access and Mobility management Function
SMF：Session Management Function
慢著，MME中那一條紫色的部分去哪了？請看下圖，MME和HSS中關于用戶鑒權的功能被抽取出來，合并成為5G的AUSF；與此同時，HSS中剩余的用戶數據管理功能獨立成為UDM，和AUSF配合工作來完成用戶鑒權數據相關的處理。
AUSF和UDM的誕生
AUSF：Authentication Server Function
UDM：Unified Data Management
除了這些“大變態”的網元，當然“小變態”的。如下圖所示，負責策略控制和計費規則管理功能的PCRF，演化成了5G中的策略控制功能PCF，丟掉了計費規則管理功能。
PCF的誕生
PCF：Policy Control Function
除了這些從4G傳承下來的功能，5G核心網還引入了一些全新的網絡功能NF，主要包括NSSF，NEF和NRF。
NSSF（Network Slice Selection Function 網絡切片選擇功能）一看就是負責管理網絡切片的。在5G時代，網絡切片的管理和運營將是新業務和新商業模式的關鍵。
NEF（Network Explosure Function?網絡功能開放），顧名思義，就是負責管理對外開放網絡數據的。所有的外部應用，想要訪問5G核心網內部數據，都必須要NEF牽線搭橋才行。
NRF（NF Repository Function 網絡倉儲功能）可不是類似硬盤這樣的存儲器，而是像一個倉庫一樣，用來進行NF的登記和管理的。由于5G的NF眾多，如果采用手動的管理方式無異于一場災難，因此就需要用NRF來實現所有NF的自動化管理。
每個NF都通過服務化接口對外提供服務，并允許其他NF訪問或調用自身的服務。提供服務的NF被稱作“NF服務提供者”，訪問或調用服務的NF被稱作“NF服務使用者”。這些活動都需要NRF的管理和監控。
如下圖所示，每個NF啟動時，必須要到NRF進行注冊登記才能提供服務。紅色的NF1想要讓綠色的NF2來提供服務，必須先到NRF來進行服務發現才行。
NRF的作用和NF之間的交互
負責控制面的NF介紹完畢，用戶面的NF就非常簡單了，直接把4G CUPS的兩個控制面網元SGW-U和PGW-U合二為一，成為5G的用戶面功能：UPF。
UPF的誕生
UPF：User Plane Function
由上面的一系列變化可以看出，5G核心網是十分復雜的，從架構的設計到最終成熟商用之間還有很長的路要走。
所以，在5G的早期，5G基站接入EPC，使用非獨立組網之所以能成為業界的主流，除了快速部署，成本低的優勢之外，還有很大一部分原因是5G核心網尚不成熟。
5G核心網，經過了這么一番完全變態，目前正在積攢著力量，假以時日，必帶領5G進入全新的時代。
編輯：黃飛
工商網監
評論