5G服务化网络架构研究

王 丹 中国移动研究院网络与IT技术研究所工程师

1 引言

4G网络经过一段时间的高速发展后，用户数增长趋于平缓，用户红利逐渐消失。随着互联网公司的崛起和OTT业务的广泛普及，传统电信服务逐渐被社交软件取代，运营商的ARPU值持续下滑。为应对越来越多的挑战与考验，以及开拓新的市场需求，ITU、3GPP等标准组织从2016年即开始5G方面的研究。

相对4G而言，5G提供更快的速度，速率可达100Mbit/s~1Gbit/s；提供更低的时延，端到端时延在1ms以下；提供更高的容量，每平方公里有超过100万个设备。新一代的5G网络带来了全新的架构，将赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展，为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式，开启一个全连接的新时代。5G基于服务的架构设计、对切片和边缘计算等特性的支持，实现了网络的定制化、开放化、服务化，可以很好地满足垂直行业的需求。5G将为智能交通、智慧家庭、工业自动化等社会各个方面带来革命性的改变。

2 5G网络架构革新驱动力分析

面向未来移动通信的5G网络将是一个支持更快速度、更短时延、更多用户、更高速移动性的网络，将支持超密集网络、超可靠通信及大规模机器终端的接入，对网络架构提出了更高的要求。当前4G网络架构难以满足5G时代的需求，主要体现在：4G网络设计时仅面向MBB，架构及网元形态相对单一、固定；新业务的引入只能基于现有功能通过打补丁的方式实现；网络扩展慢、不灵活，难以满足多样化的业务场景。

5G的网络需求具有多样性，如果用同一张网络支持所有5G需求，对网络的要求将很高，仅靠优化部署无法满足5G的应用场景及指标要求，引入新的网络架构成为必然。

网络服务的多样性要求网络从过去固化紧耦合的硬管道变为敏捷灵活的软管道，也就是软件定义的网络，实现流量和应用的紧密结合，用新技术实现灵活的多样化服务，提升连接的价值。云计算、微服务、软件定义网络等新技术是对IT产业的一次革命，同样也为未来移动通信提供了新的可能和机遇。5G网络从设计之初，就必须站在更高起点，充分吸收各领域新技术优势。

总之，为满足面向垂直行业的、万物互联的业务需求，5G网络需要一个敏捷的、可持续演进的新架构；更需要一个走在时代前列、代表当前最新技术，面向未来、引领时代发展的新架构。

3 5G服务化网络架构关键技术

为满足5G需求和打造一个先进的面向未来的网络，5G核心网从IT化、互联网化、极简化、服务化4个系统设计理念推进了架构的变革。通过借鉴了业界成熟的SOA、微服务架构等理念，结合电信网络的现状、特点和发展趋势，设计了全新的5G核心网架构，其核心是基于云原生（Cloud Native）的服务化架构（Service Based Architecture，SBA）。云原生是一个思想集合，主要由微服务、DevOps和以容器为代表的敏捷基础架构等部分组成。

面向云原生定义服务是SBA的核心。每个5G软件功能由细粒度的服务来定义，便于网络按照业务场景以服务粒度定制及编排；接口基于互联网协议，采用可灵活调用的API交互，对内降低网络配置及信令开销，对外提供能力开放的统一接口；服务可独立部署、灰度发布，使得网络功能可以快速升级引入新功能，服务可基于虚拟化平台快速部署和弹性扩缩容。

3.1 功能重构

随着网络技术的发展以及人们对业务应用的渴求，EPC网络的不足日渐显现：整体式网元结构导致业务改动复杂，控制面和用户面消息交织导致部署运维难度增大。因此，5G网络新架构设计的第一步是功能重构、软件化。5G核心网向控制面和用户面彻底分离的架构演进，让用户面功能摆脱“中心化”的约束，使其既可灵活部署于核心侧，也可部署于接入侧。5G通过功能重构，实现软件定义的网络功能和网络连接，4G的“网元”重构为5G的“网络功能（Network Function，NF）”。

如图1所示，5G网络并不是从零开始设计的一个全新网络。从功能上来看，5G是4G网络的增强，所以在4G网络里面的功能，在5G核心网里基本上都能找到，5G网络功能实体的划分比4G更加合理、更容易扩展和部署。例如，将4G网络中分散在MME、SGW、PGW的会话管理相关功能剥离出来，集中到一起演变为5G的SMF；将MME、HSS中负责鉴权的相关功能剥离出来，集中在一起形成AUSF。MME中剩下的部分即为AMF，负责接入和移动性管理。HSS中剩余的部分即UDM，负责前台数据的统一处理，包括用户标识、用户签约数据、鉴权数据等。UDR负责存储结构化数据，包括用户签约数据、策略数据等。UDSF存储非结构化数据，包括AMF和SMF使用的会话ID、状态数据。相对4G网络，5G还新增了NRF和NSSF，NRF负责NF的登记和管理，NSSF辅助网络切片相关信息的管理。

3.2 服务化框架

服务化框架是服务化架构SBA的核心，通过服务的注册、发现和调用来构建NF/服务间的基本通信框架，为5G核心网新功能提供即插即用式的新型引入方式。

在服务化架构下，控制面的NF摒弃了传统的点对点通讯方式，采用了新型的服务化接口（SBI接口），每个NF通过各自的服务化接口对外提供服务，并允许其他获得授权的NF访问或调用自身的服务。提供服务的被称为服务提供者或者服务生产者，访问和调用服务的被称为服务使用者或者服务消费者。

（1）服务间的交互

服务消费者与服务生产者之间的交互可以使用“请求—响应”和“订阅—通知”两种方式。

●“请求—响应”方式：服务生产者收到服务消费者发送的请求消息，以触发服务生产者提供某一个服务，该服务可以是执行一个操作或者是提供某些信息，也可能是二者皆有。服务生产者基于服务消费者的请求来提供服务。为了满足服务消费者的请求，服务生产者可能还会调用其他NF的服务。在请求—响应机制里，两个NF（消费者和生产者）之间的通信是一对一的，并且在某一时间段内生产者发送至消费者的响应消息是一次性响应。

图1 5G网络架构演进

●“订阅—通知”方式：服务消费者网元向另一个服务生产者订阅服务。多个NF可以订阅同一个NF服务。服务生产者将服务结果通知给订阅该服务的所有NF。订阅请求应包括NF服务消费者的通知端点，该NF服务消费者可以收到NF服务生产者的事件通知消息；此外，订阅请求可以包括请求类型是周期性更新的通知请求或通过某些事件触发的通知请求（如所请求的信息发生变化、达到某个阈值等）。

（2）服务注册和去注册

为了方便地实现服务的管理和调用，5G网络引入了NRF网络功能，用于存储和维护可用的NF实例及其支持的服务信息。

NF实例可以通过服务注册的方式，在其首次上线时向NRF通知NF实例的可用状态，或者是NF实例内部的个别NF服务实例激活/去激活时，向NRF通知NF实例的可用状态。在NF实例注册其支持的NF服务列表时，对于每个NF服务，可以在NF实例注册时向NRF发送每一种通知服务类型的端点信息。NF实例还可以更新或删除NF服务的相关参数（如删除通知的端点信息）。

当NF以可控的方式即将关闭或断开网络时，NF实例也可以通过服务去注册的方式向NRF发起去注册。如果NF实例由于错误原因导致（如NF崩溃或存在网络问题）变得不可用或无法访问，则授权实体将从NRF注销NF实例。

（3）服务发现

通过查询本地NRF，服务消费者通过服务发现可以发现所需NF及服务列表。

服务消费者发起服务请求时，会携带一些特定的参数，如位置信息、DNN、切片信息等，NRF向服务消费者返回与某些输入标准匹配的NF实例或NF服务的IP地址或FQDN，以及NF/服务的容量、支持的能力等信息。随后，服务消费者根据自身策略选择一个合适的NF/服务实例，发起服务调用。响应消息里应包含一个有效期，在此期间，服务消费者可以缓存搜索结果，即满足搜索过滤条件的NF配置文件对象数组（如提供特定NF服务名称的所有NF实例）。

当在一个PLMN中部署多个NRF时，一个NRF可以通过递归、迭代等方式查询其他NRF中的资源，以便满足服务消费者的服务发现请求。

（4）服务授权

服务授权确保服务消费者被授权访问由服务生产者提供的服务。服务授权可以根据运营商的策略信息、运营商之间的协议等。服务授权信息可以配置在服务生产者中，包括允许使用该服务生产者的NF/服务列表。

根据运营商策略和漫游协议，服务消费者应根据用户、漫游信息和NF类型等进行授权。在服务发现过程中，NRF确认服务消费者是否允许发现所请求的NF服务生产者实例，该过程是NF粒度的。服务生产者检查服务消费者是否允许访问所请求的服务生产者，这是UE粒度的。

3.3 微服务的设计

为了给不同的消费者提供不同的能力，服务化结构将网络功能NF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（NFService），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。每个NF服务都可以通过接口访问，接口可以由一个或多个操作组成（见图2）。

3.4 服务化接口

继SA2确立了5G采用SBA作为5G网络的基础架构后，5G网络内NF之间的接口协议设计成为了服务化架构是否能真正落地的关键。SBA接口涉及多个层次和方面的协议选择，即传输层、应用层、序列化方法、API设计方式、接口描述语言（IDL），每个协议都有众多备选。经过近分析、讨论、仿真、比较、筛选，3GPP确立了TCP、HTTP/2、JSON、Restful、OpenAPI3.0的组合为基础的SBI协议（见图3）。

SBI接口协议摒弃了长久以来电信核心网所使用的Diameter、GTP等协议，创新性地将HTTP/2、JSON等互联网技术引入到电信核心网领域，这种协议设计通过采用Cloud-native及互联网技术，能够实现快速部署、连续的集成和发布新的网络功能和服务、便于运营商自有或第三方业务开发。

图2 网络功能：NF服务和NF服务操作

4 5G服务化网络的演进

3GPPR15的5G网络采用服务化架构，向着Cloud Native架构演进已经迈出关键性的第一步，但是还有多方面需要优化和演进。例如，有必要把“服务”的概念从控制面扩展到用户面；优化系统建模方式，提升灵活性，设计更优的服务粒度；优化服务建模方式，实现服务可以独立部署，不依赖于特定的一个NF；进一步增强服务框架，提高可靠性，支持跟踪和监控，自动化的故障管理支持SBA的前向和后向兼容机制。

为保持5G网络的先进性，本文在R15的服务化框架基础上，提出了一种更加高效、灵活、解耦的分布式服务化架构。整个架构包括服务化框架和服务逻辑两部分。

服务逻辑仅负责业务逻辑的处理，而无需包含服务发现、路由管理等各服务都包含的通用功能，当存在服务调用请求时，该请求将被发送到框架代理。服务框架包含框架代理、服务注册、发现、授权、路由控制等功能。框架代理可以与服务逻辑部署在同一平台，包含服务发现、消息封装/解封装逻辑等功能，并根据框架的路由控制功能选择适当的对端服务实例和适当的路由进行通信。注册、授权和发现与R15中定义的NRF角色类似，提供服务注册、授权和发现（见图4）。服务注册时，当引入新类型的服务逻辑（Service）或者启动一个服务实例时，Service向框架代理发起服务注册，框架代理记录服务类型的Profile、实例ID、实例地址等信息；如果框架代理发现该类型的服务已经注册过，则在框架代理中增加该类型服务的新的实例ID以及对应的参数信息；如果没有注册过，则框架代理向服务框架发起注册（包含该框架代理实例ID，以及支持的新的服务类型）。

服务调用时，服务消费者把服务调用请求直接发给本地框架代理，框架代理去服务框架中发起服务发现，消息中包含本地框架代理的实例ID、请求的服务类型等参数。服务框架返回目标服务实例所在的框架代理实例ID。然后，本地框架代理建立到对端框架代理实例的连接，并把服务调用请求发给对端框架代理，对端框架代理再根据请求中的参数做进一步的服务发现找到服务实例，进而进行服务调用。

5 结束语

图3 服务化接口

图4 分布式服务化架构

为满足5G面向垂直行业的需求，5G网络从IT化、互联网化、极简化、服务化4个系统设计理念出发，定义了新架构、实现了新能力。通过功能软件化、计算与数据分离使得网络可基于统一的基础设施来构建，实现灵活的资源管理和功能的部署；通过服务化的架构、互联网化的协议，使得网络可动态配置、灵活连接；通过控制和用户面分离，提升转发面效率、控制面的容量。

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。