01

首先，講一個(gè)毛毛蟲過河的故事

一只毛毛蟲經(jīng)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(shí)的毛毛蟲引起不適，放個(gè)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(dāng)然有很多，但最美麗最浪漫的卻只有一個(gè)，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(jīng)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(nèi)部，毛毛蟲的身體正在發(fā)生著宇宙上最為奇妙的變化，這是它一生中至關(guān)重要的時(shí)刻。那曾經(jīng)只能蠕動(dòng)的柔弱肉體，全部融化成蛹內(nèi)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(gè)全新的生命即將誕生。在一個(gè)陽光明媚的早晨，一只美麗的蝴蝶破繭而出，振翅高飛。

現(xiàn)在，這只蝴蝶，曾經(jīng)的毛毛蟲，早已不再懼怕大江大海，它的目標(biāo)是詩和遠(yuǎn)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(gè)過程，生物學(xué)上叫做“完全變態(tài)”。也就是說，雖然蝴蝶是由毛毛蟲發(fā)育而來，但它們的形態(tài)卻截然不同。

從4G核心網(wǎng)到5G核心網(wǎng)的演進(jìn)和毛毛蟲羽化成蝶非常類似，也經(jīng)歷了“完全變態(tài)”的過程。完全變態(tài)，意味著放下包袱，摒棄過往，輕裝上陣。

02

毛毛蟲 — 4G核心網(wǎng)是什么樣的？

顧名思義，核心網(wǎng)位于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的中央，主要負(fù)責(zé)終端用戶的移動(dòng)性管理，會(huì)話管理和數(shù)據(jù)傳輸。

4G核心網(wǎng)架構(gòu)

4G核心網(wǎng)主要包含MME，SGW，PGW，HSS這幾個(gè)網(wǎng)元，下面簡要介紹下這些網(wǎng)元的作用。

MME的全稱是Mobility Management Entity，含義為移動(dòng)性管理實(shí)體。

這是4G核心網(wǎng)中的核心網(wǎng)元，顧名思義，MME主要負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理和控制，包含用戶的鑒權(quán)、尋呼、位置更新和切換等等。

總之，手機(jī)必須定期向MME報(bào)告自己的位置，如果想上網(wǎng)的話，也必須先到MME經(jīng)過安檢才行，而且，如果手機(jī)跑到其他基站下，也需要MME來協(xié)調(diào)切換的事宜。MME就是大內(nèi)總管，掌控一切，統(tǒng)領(lǐng)全局。

SGW的全稱叫Serving Gateway，含義為服務(wù)網(wǎng)關(guān)。它主要負(fù)責(zé)手機(jī)上下文會(huì)話的管理和數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，相當(dāng)于數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。

PGW的全稱叫Packet data network Gateway，含義為分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。它主要負(fù)責(zé)連接到外部網(wǎng)絡(luò)，也就是說，如果手機(jī)要上互聯(lián)網(wǎng)，必須要PDW點(diǎn)頭，通過PDW轉(zhuǎn)發(fā)才行。除此之外PDW還承擔(dān)著手機(jī)的會(huì)話管理和承載控制，以及IP地址分配，計(jì)費(fèi)支持等功能。

HSS的全稱叫Home Subscriber Server，含義為歸屬用戶服務(wù)器。它是一個(gè)中央數(shù)據(jù)庫，包含與用戶相關(guān)的信息和訂閱相關(guān)的信息。其功能包括:移動(dòng)性管理，呼叫和會(huì)話建立的支持，用戶認(rèn)證和訪問授權(quán)。

然而，這樣的架構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)用戶面數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)進(jìn)行會(huì)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(diǎn)導(dǎo)致了業(yè)務(wù)改動(dòng)復(fù)雜，效率難以優(yōu)化，部署運(yùn)維難度大的問題。

于是，在2016年，3GPP對SGW/PGW進(jìn)行了一次拆分，把這兩個(gè)網(wǎng)元都進(jìn)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(gòu)（控制面用戶面分離架構(gòu)）。

控制面用戶面分離(CUPS)架構(gòu)的4G核心網(wǎng)

控制面用戶面分離還有另一個(gè)重要目的，那就是讓網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)（中心數(shù)據(jù)中心），也可部署于接入網(wǎng)（邊緣數(shù)據(jù)中心），最終實(shí)現(xiàn)可分布式部署。

按理說這樣一來，控制面和用戶面已經(jīng)完全分開，各司其職，各自發(fā)揮所長就可以很好地協(xié)同工作了。可是5G，裹挾著萬物互聯(lián)的浪潮滾滾而來，一切網(wǎng)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(gòu)再好，也是脫胎于4G核心網(wǎng)，而4G核心網(wǎng)僅僅是為手機(jī)高速上網(wǎng)誕生的，這只對應(yīng)了5G的eMBB場景。此架構(gòu)因?yàn)椴粔蜢`活，大量的網(wǎng)元和復(fù)雜接口無法支持多元化5G業(yè)務(wù)。面對多樣化的5G業(yè)務(wù)場景，需要新的核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呼之欲出。

03

5G核心網(wǎng)?—?毛毛蟲到蝴蝶的蛻變

經(jīng)過業(yè)界專家的潛心研究，決定拋棄突破傳統(tǒng)功能實(shí)體的藩籬，采用基于服務(wù)的架構(gòu)（SBA），擁抱虛擬化，控制面和用戶面分離，計(jì)算和存儲(chǔ)分離，全面支持網(wǎng)絡(luò)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(wù)的架構(gòu)（Service Based Architecture）？

眾所周知，傳統(tǒng)網(wǎng)元是一種軟硬件結(jié)合的緊耦合的黑盒設(shè)計(jì)，引入虛擬化之后，軟件和硬件解耦，從此硬件擺脫了專用設(shè)備的束縛，使用通用的服務(wù)器即可，成本極大降低。

于此同時(shí)，軟件也不再關(guān)注底層硬件，可擴(kuò)展性極大提高。但是，這樣的軟件還是單體結(jié)構(gòu)，如果只想升級(jí)或者擴(kuò)容內(nèi)部一個(gè)模塊，就得牽一發(fā)而動(dòng)全身，一點(diǎn)也不靈活。

因此，專家們借鑒了IT系統(tǒng)中微服務(wù)的架構(gòu)，把大的單體軟件進(jìn)一步分解為多個(gè)小的模塊化組件，這些組件就叫做網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù) (NFS)，它們高度獨(dú)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(wǎng)絡(luò)功能(NF)，以提升業(yè)務(wù)部署的敏捷性和彈性。

核心網(wǎng)到SBA架構(gòu)的進(jìn)化

于是，4G核心網(wǎng)中那些“實(shí)體”，“服務(wù)器”，“網(wǎng)關(guān)”等和硬件相關(guān)的字眼蕩然無存，虛擬化之后的網(wǎng)絡(luò)不再關(guān)注底層硬件；那些錯(cuò)綜復(fù)雜的軟件功能模塊全部回爐重造，再淬火凝練成為一個(gè)個(gè)的軟件意義上的網(wǎng)絡(luò)功能（NF，即Network Function）。

5G核心網(wǎng)架構(gòu)圖

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能邏輯上相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)元，并且這些功能都是完全獨(dú)立自治的，無論是新增，升級(jí)，還是擴(kuò)容都不會(huì)影響到其他的功能，這就為網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和擴(kuò)展提供了極大的便利性。

5G的各個(gè)NF的名稱及含義

注意了！下文會(huì)反復(fù)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(zhuǎn)變，真可稱得上“完全變態(tài)”。

我們現(xiàn)在來看看這一切變化都是怎么發(fā)生的。從毛毛蟲到蝴蝶再怎么劇變，運(yùn)動(dòng)，循環(huán)，消化這些基本功能雖然經(jīng)過了重組，但終究還是從毛毛蟲體內(nèi)早已孕育了許久的“成蟲盤”上長出來的。

毛毛蟲體內(nèi)的成蟲盤

蝴蝶圖的沒找到，就放一個(gè)果蠅圖吧

5G核心網(wǎng)的變化也是如此，那一個(gè)個(gè)陌生的網(wǎng)絡(luò)功能NF，其實(shí)就像毛毛蟲體內(nèi)蟄伏的成蟲盤一樣，隨著時(shí)代大潮的召喚，汲取著4G核心網(wǎng)演進(jìn)的養(yǎng)分，迅速生長，最終破繭而出。

04

4/5G核心網(wǎng)對比?— 蛹內(nèi)發(fā)生了那些變化？

要對比4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)的相同和不同之處，類似于追蹤毛毛蟲體內(nèi)的成蟲盤的動(dòng)向，必須標(biāo)記之后再作詳細(xì)觀察。

首先，我們試著用顏色標(biāo)注出4G核心網(wǎng)的相關(guān)網(wǎng)元，如下圖所示。

控制面和用戶面分離的4G核心網(wǎng)（不同功能用顏色標(biāo)注）

從上圖可以看出，經(jīng)歷了CUPS架構(gòu)的洗禮，SGW和PGW的用戶面和控制面已經(jīng)完全分開了，那么5G會(huì)不會(huì)把同為控制面的SGW-C和PGW-C合一呢？會(huì)不會(huì)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(wǎng)元，在4G時(shí)代承載了太多的功能，會(huì)在5G進(jìn)行拆分。

同理，對5G核心網(wǎng)的各個(gè)NF也按功能用顏色進(jìn)行標(biāo)注，和4G網(wǎng)元相同的顏色意味著相似的功能。歷經(jīng)了變態(tài)的5G核心網(wǎng)如下圖所示。

5G核心網(wǎng)（不同功能用顏色標(biāo)注）

仔細(xì)一看，大部分5G NF還是能在4G核心網(wǎng)中找到影子，就像在毛毛蟲體內(nèi)也能找到蝴蝶的“成蟲盤”一樣。

如下圖所示，MME中負(fù)責(zé)接入和移動(dòng)性管理的功能獨(dú)立出來，成為了5G的AMF；與此同時(shí)，負(fù)責(zé)會(huì)話管理的功能，和SGW-C和PGW-C合并成為SMF，會(huì)話管理從以前的兼職，分散管理變成了現(xiàn)在的專業(yè)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(guān)于用戶鑒權(quán)的功能被抽取出來，合并成為5G的AUSF；與此同時(shí)，HSS中剩余的用戶數(shù)據(jù)管理功能獨(dú)立成為UDM，和AUSF配合工作來完成用戶鑒權(quán)數(shù)據(jù)相關(guān)的處理。

AUSF和UDM的誕生

AUSF：Authentication Server Function

UDM：Unified Data Management

除了這些“大變態(tài)”的網(wǎng)元，當(dāng)然“小變態(tài)”的。如下圖所示，負(fù)責(zé)策略控制和計(jì)費(fèi)規(guī)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(jì)費(fèi)規(guī)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(wǎng)還引入了一些全新的網(wǎng)絡(luò)功能NF，主要包括NSSF，NEF和NRF。

NSSF（Network Slice Selection Function 網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）一看就是負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)切片的。在5G時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)切片的管理和運(yùn)營將是新業(yè)務(wù)和新商業(yè)模式的關(guān)鍵。

NEF（Network Explosure Function?網(wǎng)絡(luò)功能開放），顧名思義，就是負(fù)責(zé)管理對外開放網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的。所有的外部應(yīng)用，想要訪問5G核心網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，都必須要NEF牽線搭橋才行。

NRF（NF Repository Function 網(wǎng)絡(luò)倉儲(chǔ)功能）可不是類似硬盤這樣的存儲(chǔ)器，而是像一個(gè)倉庫一樣，用來進(jìn)行NF的登記和管理的。由于5G的NF眾多，如果采用手動(dòng)的管理方式無異于一場災(zāi)難，因此就需要用NRF來實(shí)現(xiàn)所有NF的自動(dòng)化管理。

每個(gè)NF都通過服務(wù)化接口對外提供服務(wù)，并允許其他NF訪問或調(diào)用自身的服務(wù)。提供服務(wù)的NF被稱作“NF服務(wù)提供者”，訪問或調(diào)用服務(wù)的NF被稱作“NF服務(wù)使用者”。這些活動(dòng)都需要NRF的管理和監(jiān)控。

如下圖所示，每個(gè)NF啟動(dòng)時(shí)，必須要到NRF進(jìn)行注冊登記才能提供服務(wù)。紅色的NF1想要讓綠色的NF2來提供服務(wù)，必須先到NRF來進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)才行。

NRF的作用和NF之間的交互

負(fù)責(zé)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(gè)控制面網(wǎng)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(wǎng)是十分復(fù)雜的，從架構(gòu)的設(shè)計(jì)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(dú)立組網(wǎng)之所以能成為業(yè)界的主流，除了快速部署，成本低的優(yōu)勢之外，還有很大一部分原因是5G核心網(wǎng)尚不成熟。

5G核心網(wǎng)，經(jīng)過了這么一番完全變態(tài)，目前正在積攢著力量，假以時(shí)日，必帶領(lǐng)5G進(jìn)入全新的時(shí)代。

編輯：黃飛