5G核心网服务化架构增强技术的研究

（中国信息通信研究院移动通信创新中心，北京 100191）

0 引言

通信网络是一个不断引入新技术、不断颠覆发展的过程。基于独立组网的5G 核心网在3GPP R15 第一个版本上，充分吸收了IT 技术优势，引入了面向云服务的概念，制定了基于服务的网络架构（SBA），以软件服务重构核心网功能，形成了5G 网络快速部署和弹性扩缩容能力。随着5G 网络商用进程不断扩大，SBA 架构优势明显的同时，也同样给5G 网络带来了挑战，网元数目增多，网间HTTP 信令负荷大大增加，微服务带来的灵活扩展性，也让网元间的互联互通更加复杂，为此3GPP R16 提出了eSBA 技术，引入网络实体服务通信代理（SCP），使每个网络功能（NF）及其网络功能服务（NF Service）可以通过SCP 与其他网络功能及其网络功能服务进行间接通信，大大降低了NF 间的信令交互和路由转发，同时eSBA 还引入了网络功能集（NF Set）和网络功能服务集（NFS Set）的概念，可以更好地支持网元及网元服务间的热备份功能，更充分利用了无状态网络的架构，提高了整个系统的资源利用率以及系统可靠性。

1 R15版本服务化架构及其带来的问题

3GPP R15 定义的5G 核心网基于服务化架构，打破了移动核心网点对点多接口协议栈的传统架构，每一个NF以服务的方式呈现出来，任何一个NF 都可以使用统一的HTTP 协议，调用或者提供相应的服务来进行通信。这种微服务架构借鉴了IT 领域云原生技术，使得网络架构的后向兼容性极高，开放性更好，对于拉通ICT 领域的业务运营极其便利。随着5G 网络的大规模建设，用户数增多，5G核心网在网络实际部署中所面临的一些挑战逐步显现。

基于服务化架构的5G 核心网网元类型和网元数目众多，服务规模远大于4G 网络，传统的4G 核心网系统在MME/HSS/PCRF 之间尚有DRA 做Diameter 信令的收敛和路由转发，而R15 版本的5G 核心网全网所有NF 之间直接互联通信，NF 间的HTTP 链接数目规模巨大，对NF 的性能规格要求较高，如图1所示，尤其是省际NF间的信令链路，在直连通信情况下占用了过多的承载网带宽资源，随着后续5G 网络的发展，4G 用户的大量迁移，业务容量不断增多，全网NF 直连通信方式将会给网络带来极大的挑战。

图1 全网元直接互联

5G 移动通信网面临CT、IT 和OT 的深度融合，对网络质量要求越来越高，R15 版本的5G 核心网NF 实现了计算与存储分离的无状态功能，但仍存在业务功能和数据模块尚未分离的情况，网络实际部署中使用传统POOL 的容灾备份机制，存在不支持热容灾、业务中断时间长的问题，或者使用N+1 热备冗余，导致整个网络的资源利用率降低。

2 R16版本服务化架构增强及其演进

R16 版本的5G 核心网在架构上引入SCP，使每个网络功能及其网络功能服务可以通过SCP 与其他网络功能及其网络功能服务进行间接通信。eSBA 系统架构如图2 所示：

图2 5G服务化架构增强（eSBA）系统架构图

为提升5G 核心网系统的可靠性，eSBA 引入网络功能集、网络功能服务集、网络功能上下文迁移、网络功能服务上下文迁移。多个NF 可以组成NF 集、多个NF服务可以组成NF 服务集，一个集内的NF 实例/NF 服务实例功能相同、共享上下文数据、或者实现上下文迁移。

2.1 SCP的引入，增强了服务化框架结构

R16 版本的5G 核心网在服务框架上做了增强，引入SCP 网元，主要负责间接通信和代理发现。定义了4 种通信模式[1]：

（1）Model A，无服务发现直接通信模式；

（2）Model B，服务发现直接通信模式；

（3）Model C，无代理发现间接通信模；

（4）Model D，代理发现间接通信模式。

模式A 和模式B 为直接通信模式，服务消费者（Consumer）通过本地策略或者查询NRF 服务发现服务生产者（Producer）信息后，直接与目标服务生产者进行通信。模式A 和模式B 主要是R15 版本的直接通信模式，模式C 和模式D 为间接通信模式，服务消费者和服务生产者通过SCP 进行间接通信。SCP 在转发消息的过程中实现链路汇聚、消息转发、代理服务发现，以及部分增值业务。

如图3 所示，在模式C 下，服务消费者通过查询NRF进行服务发现，服务消费者根据发现结果选择一个NF 集或NF 集中的一个特定NF 实例。服务消费者向SCP 发送业务请求消息，消息中包含指向NF 服务实例或一组NF服务实例的所选服务生产者的地址。当地址是指向一组NF服务实例时，由SCP 选择一个NF 服务实例。如果条件允许，SCP 可以与NRF 交互，获取选择参数，例如位置、容量等。SCP 将服务请求消息路由给所选的服务生产者实例。模式C 方案提供了从3GPP R15 直连模式到R16 非直连模式最平滑的升级，对服务消费者的影响最小。

图3 模式C

如图4 所示，在模式D 下，服务消费者不进行任何服务发现或选择，服务消费者发送服务请求给SCP，在服务请求消息中携带必要的服务发现参数和选择参数，SCP 使用请求消息中的地址、服务发现参数和选择参数到NRF 进行服务发现，并且根据获取的服务发现结果将请求消息路由至服务生产者实例。根据运营商策略，SCP可以使用NRF 进行服务发现，可以通过SCP 本地策略路由请求消息至服务生产者实例。

图4 模式D

对比一下模式C 和模式D 对5G 网络部署的影响，模式C 下，SCP 仅实现信令消息转发，可部分消息经过SCP，部分消息不经过SCP，对SCP 性能要求较低。模式D 下，SCP 除了转发信令消息外，还需要执行代理服务发现，订阅其他网元状态，需要处理的信令消息较多，对SCP 性能要求较高。当SCP 故障时，在模式C 下，NF 消费者仍可通过简单机制直接选择目标NF 完成业务流程处理，对于整个网络的影响较小，风险不大。模式D 下，由于业务流程不同，NF 消费者无法直接选择目标NF，导致业务失败，对网络的影响较大，风险较大。模式D 简化了服务消费者自身的处理逻辑，但从实质上却改变了服务消费者的行为，同时增加了网络整体演进的复杂度。无论模式C 或模式D，NF 的服务注册、注销、更新等均直接与NRF 交互，对于NRF 功能实现、部署架构以及业务处理与引入SCP 前基本无变化。所以运营商在实际网络部署中，需要考虑实际组网情况，直连模式、C 模式、D 模式需要兼顾考虑，并存部署。

如图5 所示，通过SCP 进行信令集中路由和转发，简化了网络结构，使运营商的信令网从网状结构简化成星型网，减少了需要维护的信令连接关系，减少了信令链路数，同时降低了NF 网元的信令组网能力的要求，便于聚焦业务功能。同时SCP 的引入还可以屏蔽区域内NF拓扑结构，适用于运营商间漫游场景。SCP 代理服务发现或者HTTP 代理模式可以对整个运营商网络进行集中管控，汇聚省间HTTP 信令链路，生产者负载、过载控制，实现了网络负载均衡和信令风暴的收敛。

图5 引入SCP非直连通信

2.2 NF集新技术，提高整系统可靠性

在传统的移动核心网部署中使用了资源池（POOL）的容灾备份机制，多个控制网元组成一个POOL，网元间负荷均衡，资源共享，实现了网络的安全、可靠、高效、便于维护的核心网络。R15 版本的5GC 在网络实际部署中，AMF 也采用了相同策略。但是传统的核心网控制网元组POOL 没有标准的热备份功能，在实际网络部署中，有多种方式进行在线数据的实时备份，例如N+1 方式，或者链式备份等。R15 版本的5GC NF 的功能设计是无状态的，即计算和存储分离，非结构化数据存储功能（UDSF）把NF 的在线数据保存功能分离出来，主要负责NF 的非结构化数据的存储，这使得NF 在数据备份上具有天然优势。

R16 版本的5GC 引入了NF 集的概念，如图6 所示，部署NF 实例时可以采用NF 集，NF 集内存在多个NF 实例，并作为一组NF 实例共同实现分布、冗余和可伸缩的网络特性。NF 服务也支持同样的部署方式。对等的NF实例和NF 服务实例，即同一个NF 集内的NF 实例或同一个NF 服务集的NF 服务实例可以共享相同的上下文数据或进行上下文迁移流程。在出现故障、负载均衡、负载重均衡等情况下，同一个NF 集内的备选NF 可替换正在工作的NF。

图6 UDSF保存各NF的动态上下文数据

这种网络可靠性设计需要同时工作在两种通信模式，即直接通信和间接通信。在直接通信模式下，NF 服务消费者参与可靠性相关流程。在间接通信模式下，SCP 参与可靠性相关流程。多个对等的控制面NF 可以组合为NF 集，例如，将多个SMF 实例组合为SMF 集。NF 集内的NF 可以互换，这是因为集内所有NF 共享相同的上下文数据，且可以部署在不同的位置。NF 集的定义提供了NF 间共享用户上下文的机制，实现了NF 故障时用户不掉线，支持在线业务热备的功能，实际上可作为一种增强POOL 方案在实际网络中部署，极大地提高网络的可靠性。

2.3 服务化架构增强演进

5G 网络处于IT 技术和互联网高度发展的时代，SBA和NFV 的引入，为5G 网络在功能架构和部署方面增加了极大的灵活性，SBA 体现了云计算特点的同时，还有更多优化增强的空间，例如服务的自包含、可重用性，逻辑功能的内聚和细分，基于服务的独立生命周期管理，服务的自动化自愈性以及分布式扩展等，这些增强演进方向将能更好地支持5G 网络功能服务的自动化和高可靠性。

3 结束语

随着5G 网络部署的发展和扩大，5G 核心网服务化架构标准也在不断的研究和发展中，R16 在针对服务化架构增强的研究中形成了多种解决方案，已经写入标准的方案将为网络带来极大的效益，展现出更多的价值。服务化架构是5G 网络迈向ICT 融合的首创，是新一代CN 架构的起点，它会沿着IT 的方向逐渐完善和增强演进下去，为未来的云网融合开创先河。