3.1 5G核心网网络架构

核心网是移动通信网络的重要组成部分，它位于接入网和外部网络之间，主要负责提供用户连接、用户管理以及作为承载网络提供到外部网络的接口。5G核心网相比于4G核心网有较大的演进，例如：引入了服务化架构、网络切片等，这些演进能够帮助5G网络更加灵活高效地运作以及适应不同场景的需求^[1]。

5G核心网在设计时遵循了以下关键原则和概念^[2-3]：

●用户平面功能与控制平面功能分离，允许独立的可扩展性、演进和灵活部署，例如，用户面功能（UPF）下沉部署。

●模块化功能设计，例如，实现灵活高效的网络切片。

●在适用的情况下，将过程（即网络功能之间的交互）定义为服务，以便可以重复使用它们。

●如果需要，允许每个网络功能（NF）直接与其他任一NF交互。

●接入网和核心网之间解耦，使得核心网与接入网间的接口支持不同的接入网类型，例如3GPP接入和non-3GPP接入。

●支持统一的认证架构。

●支持“无状态”NF，其中“计算”资源与“存储”资源解耦。

●支持能力开放。

●支持对本地服务（边缘计算）和集中服务的并发访问。

●支持漫游，包括用户面归属地路由和本地疏导路由。

3.1.1 5G网络架构

本小节首先简述5G网络架构的两种表述方式，然后分别介绍5G网络的非漫游架构和漫游架构以及5G核心网重要的设计理念——服务化架构，并在本小节的最后对比4G/5G网络架构的异同。

1.概述

5G网络架构中，NF间的交互可以通过两种方式表述：

●服务化表述：控制平面的NF，例如接入和移动性管理功能（AMF），允许其他授权的NF接入自身的服务。这种表述方式在必要时也可以包含参考点的表述方式。

●参考点表述：通过任意两个NF，例如AMF和会话管理功能（SMF），间的参考点（例如N11）来描述NF间的服务交互。

2.非漫游架构

用户终端（UE）处在归属地运营商网络中时，以非漫游的方式获取网络的服务。图3-1和图3-2分别为基于服务化接口和基于参考点的5G非漫游网络架构。UE通过接入网（AN）接入5G核心网（CN），其中(R)AN可以是NG-RAN，也可以是协议支持的其他类型接入网，不同类型的接入网与5G核心网间具有共同AN-CN接口。当UE没有漫游时，UE的信令及媒体流数据均由归属网络传输，所有NF由归属网络提供。

3.漫游架构

当UE处在非归属运营商网络中时，将以漫游的方式获取网络的服务。5G有本地疏导（LBO）和归属地路由（HR）两种漫游架构。图3-3和图3-4分别为基于服务化接口和基于参考点的5G本地疏导漫游架构。在本地疏导漫游架构中，漫游用户的用户面由拜访运营商网络（VPLMN）疏导。

图3-5和图3-6分别为基于服务化接口和基于参考点的5G归属地路由漫游架构。在归属地路由漫游架构中，漫游用户的用户面数据要回归到归属运营商网络（HPLMN）中。

4.服务化架构

服务化架构是5G核心网相较于传统核心网的重要演进，主要具有以下特征：

●网络设备（NE）重构为NF：5G核心网运用虚拟化技术，将传统核心网的NE进行了软硬件解耦，软件部分称为NF。借鉴IT系统服务化/微服务化架构的成功经验，5G服务化架构进一步地将一个NF拆分成若干个自包含、自管理、可重用的NF服务，通过模块化实现了NF间的解耦和整合，各解耦后的NF独立扩容、独立演进、按需部署。

●NF服务自动化管理：5G核心网定义了网络存储库功能（NRF），能够支持NF服务的动态注册与发现，实现了NF服务的自动化管理。

●网络通信路径优化：传统核心网的NE间具有固定的通信链路，而在5G核心网服务化架构下，各NF间可以通过消息总线根据需求任意通信，极大地优化了通信路径。

●NF间的交互解耦：控制面所有NF之间的交互采用服务化接口，同一种NF服务可以被多种NF调用，降低了接口与其两端连接的NF之间的耦合度，最终实现整网功能的按需定制，灵活支持不同的业务场景和需求。

5.4G/5G网络架构对比

5G核心网采用了服务化架构的设计理念，使得5G核心网在网络架构上与4G核心网存在诸多不同。4G网络架构是基于NE的网络架构，每个NE具有固定的功能，NE之间连接固定、信令交互固化。5G网络架构是基于服务的网络架构，通过架构和功能重构，5G核心网可以实现软件定义、能够独立升级的NF以及动态的网络连接，NF采用服务化的接口，使其可以重用而无须针对不同NF定义不同接口。

同时，5G核心网与4G核心网在网络架构上也存在相同点。如图3-7所示，5G核心网在NF划分上借鉴了4G核心网对于NE的划分，这使得5G核心网中的很多NF都可以在4G核心网中找到功能对应的NE。5G NF与4G NE的对应关系见表3-1。

3.1.2 5G网络功能

1.AMF

AMF负责接入和移动性管理。与4G MME相比，AMF没有会话管理的功能，会话管理交由SMF负责。相应地，AMF增加了非接入层（NAS）透传的功能，能够转发UE与SMF间会话管理相关的NAS消息（NAS-SM Message）。此外，AMF还支持non-3GPP接入。一个AMF实例可支持部分或全部AMF功能，主要包括：

●RAN CP接口（N2）的终节点。

●NAS接口（N1）的终节点，同时负责NAS加密和完整性保护。

●注册管理。

●连接性管理。

●可达性管理。

●移动性管理。

●合法侦听（对于AMF事件和LI系统的接口）。

●转发UE和SMF之间的SM消息。

●用于路由SM消息的透明代理。

●接入认证。

●接入鉴权。

●转发UE和SMSF之间的SMS消息。

●安全锚点功能（SEAF）。

●用于监管服务的定位业务管理。

●用于与EPS交互时分配EPS承载ID。

●UE移动性事件通知。

●支持non-3GPP接入。

2.SMF

SMF负责会话管理。4G网络中会话管理由MME、SGW-C以及PGW-C三个NE负责，而5G网络中的会话管理统一由SMF负责。相比于4G MME/SGW-C/PGW-C，SMF可以选择性地激活/去激活PDU会话以及负责确定PDU会话的业务和会话连续性（SSC）模式。一个SMF实例可支持部分或全部SMF功能，主要包括：

●会话管理，例如，会话建立、修改和释放，包括UPF和AN节点之间的隧道维护。

●UE IP地址分配和管理。

●DHCPv4和DHCPv6功能。

●用于以太网PDU的地址解析协议代理，或IPv6邻居请求代理。SMF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址，来响应地址解析协议和/或IPv6邻居请求。

●UPF的选择和控制。

●配置UPF的业务流定向，将业务流路由到合适的目的地。

●面向PCF接口的终节点。

●合法侦听（针对SM事件和LI系统的接口）。

●计费数据收集和计费接口的支持。

●控制和协调UPF计费数据的采集。

●NAS消息的SM部分的终节点。

●下行链路数据通知。

●面向AN侧的SM消息发起端，经由AMF通过N2发送给AN。

●确定会话的SSC模式。

●漫游相关功能。

3.UPF

UPF是用户面的NF，负责用户面数据的处理。4G网络中核心网用户面数据由SGW-U和PGW-U两个NE负责，而5G网络中的核心网用户面数据统一由UPF负责处理。相比于4G PGW-U/SGW-U，UPF新增了对上行分类器（UL CL）和分支点（Branching Point）功能的支持。一个UPF实例可支持部分或全部UPF功能，主要包括：

●无线接入技术（RAT）内/RAT间移动性的锚点。

●与数据网络（DN）互连的PDU会话节点。

●分组路由和转发。

●数据包检测。

●用户平面的策略规则执行。

●合法侦听（UP采集）。

●流量使用情况报告。

●上行链路分类器功能，用于支持业务流到不同数据网的路由。

●分支点功能，用于支持IPv6多归属PDU会话。

●用户平面的服务质量（QoS）处理，例如，分组过滤，UL/DL速率执行。

●上行链路流量验证，例如业务数据流（SDF）到QoS Flow的映射。

●上行链路和下行链路中的传输层数据包标记。

●下行链路分组缓存和下行链路数据通知触发。

●向源NG-RAN节点发送和转发一个或多个“结束标记”。

●用于以太网PDU的地址解析协议代理，或IPv6邻居请求代理。UPF通过提供与请求中发送的IP地址相对应的MAC地址，来响应地址解析协议和/或IPv6邻居请求。

4.UDM

UDM负责统一数据的管理。5G核心网允许UDM、PCF和NEF仅保留数据处理能力而将结构化数据存储在UDR中，从而使得计算资源和存储资源解耦。UDM和UDR配合可提供相当于4G HSS的功能。UDM支持以下功能：

●产生3GPP认证与密钥协商协议（AKA）参数。

●用户标识处理，例如，存储和管理签约永久标识符（SUPI）。

●支持解析签约加密标识符（SUCI）。

●基于签约数据的接入授权，例如，漫游限制。

●针对为UE服务的NF的注册管理，例如，存储服务于UE的AMF，服务于UE PDU会话的SMF。

●支持业务/会话连续性。

●支持被叫短消息业务（SMS）数据传输。

●合法侦听功能。

●签约管理。

●短信管理。

5.AUSF

AUSF配合UDM负责用户鉴权数据相关的处理，支持的功能为对3GPP接入和非授信non-3GPP接入的鉴权。

6.PCF

PCF负责策略控制，支持以下功能：

●支持统一的策略框架来管理网络行为。

●为控制平面功能提供策略规则。

●访问UDR中的签约数据用于策略决策。

7.NEF

NEF负责网络能力的开放。一个NEF实例可支持部分或全部NEF功能，主要包括：

●能力和事件的开放：NF的能力和事件可以通过NEF安全地向第三方应用功能及边缘计算功能开放。NEF通过标准化接口Nudr向UDR存储结构化数据并检索。

●从外部应用向3GPP网络安全地提供信息：它为应用功能提供了一种向3GPP网络安全地提供信息的手段，例如，预期的UE行为。

●内部-外部信息翻译：为与应用功能交换的信息和与内部网络功能交换的信息提供转换。根据网络策略，NEF负责向外部AF屏蔽网络和用户敏感信息。

●NEF从其他网络功能（基于其他网络功能的开放功能）接收信息并存储在UDR中。

●NEF也可支持PFD功能：NEF中的PFD功能可在UDR中存储和检索PFD，并根据SMF请求或NEF的PFD管理请求向SMF提供PFD。

8.NSSF

NSSF是5G核心网新增的NF，负责网络切片的选择，支持以下功能：

●选择为UE提供服务的一组网络切片实例。

●确定允许的NSSAI，如果有需要将其映射为签约的S-NSSAI。

●确定配置的NSSAI，如果有需要将其映射为签约的S-NSSAI。

●确定服务于UE的AMF集合，或可基于配置，通过查询NRF确定候选AMF的列表。

9.NRF

NRF负责存储5G核心网中的NF信息，还负责针对NF以及NF服务的自动化管理，支持以下功能：

●支持服务发现功能。接收来自NF实例的NF发现请求，并将发现的NF实例的信息提供给NF实例。

●维护可用NF实例的NF配置文件及其支持的服务。

在考虑网络切片情况下，基于网络的具体实现，运营商可以部署多层次的NRF。

●针对PLMN：NRF配置了整个PLMN上关于NF/NF服务的信息。

●针对共享的多个切片：NRF配置了属于一组网络切片的NF/NF服务的信息。

●针对特定切片：NRF配置了属于某一特定切片的NF/NF服务的信息。

10.UDR

UDR负责存储来自UDM、PCF和NEF的结构化数据，支持以下功能：

●支持由UDM存储和检索签约数据。

●支持PCF存储和检索策略数据。

●支持NEF存储和检索用于能力开放的结构化数据。

●应用数据（包括用于应用检测的PFD和来自多个UE的应用请求信息）。

11.UDSF

UDSF是一个可选的NF，负责存储非结构化数据，支持的功能为存储和检索任何NF的非结构化数据信息。

3.1.3 NF服务框架

1.NF间的交互

在NF服务框架中，控制面中各个NF之间的交互由调用NF服务实现，其中，NF服务可以理解为一个NF服务生产者（NF Service Producer）通过服务化接口向其他授权的NF服务消费者（NF Service Consumer）开放的一种能力。每个NF对外暴露通用的服务化接口，以便其他授权的NF调用其NF服务。为了提供NF服务，NF服务生产者可能还会调用其他NF的服务。位于NF服务框架中的两个NF之间的交互（服务消费者和服务生产者之间的服务调用）通过以下两种机制实现：

（1）“请求-响应”机制

一个控制面NF_B接收到另一个控制面NF_A发来的请求（Request）消息，请求控制面NF_B提供某一个NF服务。该服务可以是执行一个操作或者是提供某些信息或者二者皆有，如图3-8所示。NF_B基于NF_A的请求来提供NF服务。在请求-响应机制里，两个NF（服务消费者和服务生产者）之间的通信是一对一的，并且生产者需要在一定时间内对来自消费者的请求进行一次响应（Response）。

（2）“订阅-通知”机制

一个控制面NF_A向另一个控制面NF_B发送订阅（Subscribe）请求消息，订阅其NF服务，如图3-9所示。多个控制面NF可以订阅同一个控制面的NF服务。NF_B将NF服务的结果通知（Notify）给订阅该服务的各个NF。订阅请求应包括NF服务消费者的通知端点，以便NF服务生产者向NF服务消费者发送事件通知消息。此外，订阅请求还可以包括周期性更新的通知请求或通过某些事件触发的通知请求（例如，所请求的信息发生变化或达到某个阈值等）。订阅通知可以通过以下方式之一实现：

●显式订阅：NF服务消费者和NF服务生产者之间进行独立的请求/响应。

●隐式订阅：通知订阅包含在同一个NF服务的另一个NF服务操作中。

●默认通知端点：在NF和NF服务注册过程中，将NF消费者希望接收的每种通知类型的通知端点注册为NRF的NF服务参数。

“订阅-通知”机制中，控制面NF_A也可以控制面NF_C的名义向控制面NF_B订阅服务，也就是控制面NF_A向服务生产者发送订阅请求消息，服务生产者将事件通知消息发送给其他服务消费者，如图3-10所示。在这种情况下，控制面NF_A向服务生产者发送订阅请求消息时，携带控制面NF_C的通知端点。

2.NRF提供的服务

在NF服务框架中，NF服务消费者可以调用NF服务生产者的NF服务。为此5G核心网新增了NRF，NRF通过NF服务架构提供NF的注册、发现、服务上线通知等功能，实现NF和NF服务的按需配置，使NF服务消费者知道NF服务生产者有其需要的NF服务。需要说明的是，在3GPP R15标准中，NF服务和NF总是相关联的，即NF服务的发现是通过NF的发现过程实现的。

（1）NF/NF服务注册/更新/去注册

NF实例在其首次上线时可以在NRF中进行注册，通知NRF其支持的NF服务列表，以便NRF能够正确地维护可用的NF实例及其支持的服务的信息。此外，NF实例还可以更新或删除NF服务的相关参数。

图3-11和图3-12分别为NF服务注册流程图和NF服务更新流程图，其中的NF服务消费者是针对NRF而言的。NF服务消费者在注册/更新时会向NRF提供NF配置文件（NF profile），NF配置文件内容包括：NF类型、NF实例ID、NF服务的名称（如果有的话）、PLMN ID、NF实例的IP地址或FQDN、切片标识等。对于保存数据的NF，如UDR，NF服务消费者还会向NRF还提供SUPI范围、数据组标识。

当NF以正常的方式关闭或断开网络前，NF实例可以从NRF中去注册。如果NF实例由于NF宕机或网络连接失败等错误原因导致其不可用或无法访问，则可以由另一个授权实体（例如OAM功能）从NRF中注销NF实例。图3-13为NF服务去注册流程图。

（2）NF/NF服务发现

NRF维护着一定区域内所有可用的NF实例及其支持的服务的信息。通常情况下，NF实例在首次想要使用某一特定NF服务时，需向相应的NRF请求该NF/NF服务的相关信息即可完成NF/NF服务发现。

图3-14为NF服务发现流程图，其中的NF服务消费者是针对NRF而言的。NF服务消费者向NRF发送NF发现请求消息，消息中包含目标NF类型、目标NF服务名称、NF服务消费者的类型（用于NRF对该请求进行授权）。此外，消息中可以可选地包含S-NSSAI（例如用于选择AMF、SMF）、目标NF的PLMN ID、服务PLMN ID、DNN（例如用于选择SMF）、NF服务消费者ID（用于对请求进行授权）、SUPI（用于发现UDR）等。NRF在对该请求授权之后，回应NF服务消费者的请求消息，回应消息中包含满足NF发现条件的NF实例的列表、每个NF实例的FQDN或IP地址以及满足条件的NF服务实例信息等，还可以包含UDR支持的SUPI范围、数据组标识等可选信息。

（3）NF/NF服务状态通知

NF实例可以向NRF订阅或取消订阅其感兴趣的NF、NF实例、NF服务的状态信息更新。通过订阅NRF将在这些状态信息发生改变时，给NF实例发送通知消息。

图3-15为NF服务状态订阅/通知流程图，其中的NF服务消费者是针对NRF而言的。NF服务消费者向NRF发送NF状态订阅请求消息，消息中可以包含感兴趣的NF类型、感兴趣的NF实例ID、感兴趣的NF服务。NRF在给NF服务消费者授权之后，向其返回确认信息。当NF服务消费者感兴趣的NF实例首次注册、注册更新或者去注册时，NRF向其发送NF状态通知，通知内容包括NF实例ID、NF状态（如注册、取消注册）、新注册的NF实例的NF服务等信息。

（4）NF服务授权

NF服务授权是指NF服务消费者具备发现NF实例以及使用其提供的NF服务的授权。NF服务授权的检查由NRF与NF服务生产者共同完成，授权信息基于NF的策略信息、运营商的策略信息、运营商之间的协议等等。

授权过程可以分为两个步骤：首先，在NF服务发现过程中，NRF基于NF实例的粒度，针对每个符合发现条件的NF实例，确认NF服务消费者是否允许发现所请求的NF服务生产者实例。然后，NF服务生产者根据UE签约信息或漫游协议以及NF类型，按照NF服务类型的粒度，检查NF服务消费者是否允许访问所请求的NF服务生产者提供的NF服务。

3.1.4 5G网络接口及协议栈

1.5G接入网和5G核心网之间控制面接口及协议栈

5G-AN和5GC之间的N2接口上定义了如下两类流程：

●N2接口的管理流程，这些流程不与特定的UE相关，例如配置或者重置N2接口。

●与单个UE相关的流程，例如：NAS传输相关的流程、UE上下文管理相关的流程、PDU会话资源相关的流程、切换管理相关的流程。

5G-AN和5GC之间的控制面接口具有如下特性：

●无论何种类型的5G-AN（例如，3GPP RAN、通过N3IWF接入5GC的不可信non-3GPP接入），5G-AN和5GC间采用统一的NG-AP协议。

●AMF对于一个UE有唯一的N2终节点。

●AMF和其他网络功能（例如SMF）解耦。为此，NG-AP支持AMF负责在5G接入网和SMF之间传递N2 SM信息，AMF对该信息进行透传。

AN-AMF和AN-SMF之间的控制面接口和协议栈分别如图3-16和图3-17所示。其中NG-AP是5G-AN和AMF之间的应用层协议，SCTP保证5G-AN和AMF之间的信令传输，N2 SM信息是NG-AP信息的一部分，包含在NG-AP消息和N11相关的消息中。

2.UE和5G核心网之间控制面接口及协议栈

针对UE使用的每种接入方式（3GPP接入、non-3GPP接入），UE都有一个N1 NAS连接，该连接唯一的N1终节点位于AMF。N1 NAS连接可以用于UE的注册管理、连接管理、会话管理相关的消息和流程。

N1接口上的NAS协议包括NAS-MM部分和NAS-SM部分。诸如会话管理信令、短消息、UE策略、位置服务等场景下的协议可以承载在N1 NAS-MM协议上，用于UE与除AMF外的其他NF交互。NAS-MM消息包括注册管理和连接管理的NAS消息，这些NAS消息和其他类型的NAS消息（例如会话管理）是解耦的，对应的流程也是解耦的。NAS传输会话管理信令、短消息、UE策略、位置服务的协议栈如图3-18所示。

NAS-MM协议具备如下特性：

●适用于终结于AMF的NAS流程，包括处理UE的注册管理（RM）和连接管理（CM）、在UE和AMF之间提供安全的NAS信令连接、接入控制。

●适用于其他类型的NAS消息（如NAS-SM、SMS等），并且可以和RM/CM NAS消息同时传输。

●针对3GPP接入和non-3GPP接入采用相同的NAS协议。当只有一个AMF为UE服务，并且UE同时具备多种接入方式（3GPP和non-3GPP接入）时，UE针对其每种接入方式，都有一个N1 NAS连接。

UE-AMF之间的控制面接口和协议栈如图3-19所示。

NAS-SM支持UE和SMF之间的会话管理，例如PDU会话用户面的建立、修改和释放。SM信令消息的创建和处理都是在NAS-SM层完成的，其内容不会被AMF解析。NAS-MM层负责UE和AMF之间SM信令的收发，提供必要的安全保护（完整性保护）能力，并为AMF如何转发以及向何处转发SM信令消息提供指示。

UE-SMF之间的控制面接口和协议栈如图3-20所示。

3.5G核心网NF之间控制面接口及协议栈

5G核心网NF之间基于服务化架构进行交互。NF服务生产者通过服务化接口向NF服务消费者开放NF服务。5G核心网中的以下控制面接口被定义为服务化接口：Namf, Nsmf, Nudm, Nnrf, Nnssf, Nausf, Nnef, Nsmsf, Nudr, Npcf, N5g-eir, Nlmf。

5G基于服务化的接口使用HTTP/2协议，JSON作为应用层系列协议。关于传输层的安全保护，所有的3GPP网络功能都必须支持TLS协议，如果一个PLMN中没有提供其他的网络安全方案，那么TLS必须得到使用。传输层采用的协议是TCP^[4]。

服务化接口协议栈如图3-21所示。

高性能、灵活性是移动通信系统设计的基本准则。在3GPP Rel-15完成的同时，3GPP也指出标准后续版本（Rel-16）将进一步考虑HTTP/2承载于QUIC/UDP和采用二进制编码方法（如CBOR）作为标准进一步演进优化的可能性。

4.N4接口及协议栈

N4接口用于SMF和UPF之间的交互，同时具备控制面功能和用户面功能。N4接口上定义了如下流程：

●N4会话管理流程，用于SMF建立、更新、移除UPF上的N4会话上下文。

●N4报告流程，用于UPF向SMF报告N4会话相关的事件（例如，流量使用情况）。

●N4节点级别流程，包括SMF和UPF之间N4联结的建立、更新、释放，UPF向SMF报告N4节点级别的事件，N4 PFD管理流程。

●SMF暂停计费流程。

N4接口的用户面功能，用于在SMF和UPF之间转发数据。当用户处于CM-IDLE态时，UPF可以转发下行数据给SMF，SMF根据不同数据流特征值（DSCP）触发不同的寻呼策略。

控制面和用户面功能的N4接口协议栈如图3-22所示。

5.用户面接口及协议栈

N3接口和N9接口分别用于接入网和UPF、UPF和UPF之间的用户面数据传输。用户面协议栈（N3和N9接口）如图3-23所示，其中：

●PDU层：该层负责在UE和DN之间的PDU会话上传输PDU。当PDU会话类型为IPv4、IPv6或IPv4v6时，对应数据包为IPv4数据包、IPv6数据包，或二者都有；当PDU会话类型为以太网时，对应的数据包是以太网帧。

●GPRS隧道的用户面隧道协议（GTP-U）：该协议用于在骨干网中对N3接口和N9接口上的用户数据进行隧道传输。GTP负责为用户所有的PDU提供PDU会话级别的封装。该层同时携带与QoS Flow相关联的标识。