基于服務化架構的5G核心網消息傳遞研究

鄭 偉

（中國鐵路北京局集團有限公司北京通信段，北京 100038）

1 概述

第5代移動通信技術（5G）已經成為當前熱門的移動通信網絡發展方向，其高帶寬、低延時等突出特性，使其成為當今世界推動社會與經濟發展、生活方式改變的重要動力。隨著國內鐵路裝備、設施、運維等方面的全面信息化、智能化，基于5G技術標準的5G-R系統在國內鐵路通信網中將逐步替代GSM-R，成為國內鐵路專用移動通信系統的主流技術。

與屬于第二代移動通信技術（2G）的GSM-R相比，5G在終端、無線網、核心網、傳輸承載網等方面均發生了巨大變化。其中核心網摒棄了專用設備、專用接口、專用功能、專用平臺的傳統模式，采取了信息通信技術（ICT）化的思路，即：使用通用性強的計算機服務器加載專用程序方式，形成網絡功能（Network Function ，NF）邏輯實體，實現網元自身的各種功能；控制平面（Control Panel， CP）與用戶業務平面（User Panel， UP）邏輯分離；核心網中不同NF間使用計算機行業標準（如HTTP、OpenAPI等）傳送和處理CP消息，實現業務流的控制與管理；NF邏輯分隔、功能清晰且高度散化，通過統一協議標準互聯，單獨部署或集中部署均可；可運行在通用平臺上或跨平臺使用，突破了專用硬件和平臺的限制。

2 SBA與SBI

與GSM-R核心網網元（如MSC/VLR、HLR、SCP等）間主要采用E1專用電路、通過時隙互聯、使用NO.7信令體系傳送信令消息完全不同的是，5G核心網不同NF間的控制消息傳遞，使用IP網進行物理承載、以TCP/IP協議為基礎承載協議，并采用SBA理念，應用層通過HTTP/2協議傳送和處理消息，實現網元邏輯功能。

2.1 SBA

SBA是5G核心網中的關鍵架構之一，其核心思想是將3GPP標準定義的各種網絡功能分隔成不同的服務模塊或功能模塊，以可被靈活部署、應用為目的，以“微服務”的形式將網元功能獨立劃分，構建核心網。在SBA架構的網絡中，協議標準定義的各種NF，都可物理或邏輯獨立地被部署在相同或者不同的物理實體，如服務器、集群、服務云等設備中。

通過SBA架構的網絡邏輯功能切割和互聯，5G網絡實現了對不同NF的靈活部署、相互耦合和調用，從而實現5G的控制與管理功能。

網絡運營商在此基礎上可提供更為靈活、乃至任意疊加的移動通信業務。

2.2 SBI

支持SBA網絡功能的NF對外提供服務的接口，稱為SBI。SBI是支持SBA、對外提供NF各種基本功能的協議實現形式，它包含該服務的IP地址、端口號、封裝格式、加密等基本內容。

5G核心網間傳遞消息的SBI基本協議模型如圖1所示。

圖1 SBI協議棧參考模型Fig.1 SBI protocol stack reference model

該協議模型中，底層采用TCP/IP承載；自TCP層以上，采用HTTP/2應用層協議進行消息傳遞，具體應用信息（Application）如消息、文字、數據流等，均包含于HTTP/2協議內；考慮消息傳送過程的安全性，在消息傳送前采用傳輸層安全協議（Transport Layer Security ，TLS）對HTTP/2及以上的消息進行加密處理。

其中，HTTP/2即超文本傳輸協議2.0（Hypertext Transfer Protocol 2.0），是目前互聯網主流超文本協議（HTTP/1.1）的改進和優化版本，主要增加了客戶端與服務端之間的多路數據復用支持、不同請求的優先級支持、服務端推送支持等功能，大大加快數據傳送的速度和效率，同時提升了安全性。

5G核心網主要利用HTTP/2的特點進行消息傳遞，相比GSM-R有明顯優勢：文本數據交互形式的便利性，HTTP/2的消息內容均為文本形式，直接可讀，GSM-R網絡中的消息內容采用二進制格式，必須用信令儀或編解碼器進行翻譯后才可讀；文本數據交互內容的便利性，5G中的各個NF間，可通過JSON等形式或標準直接交互字符、數字、數組甚至圖片、視頻流等數據信息，不像GSM-R信令需要進行專門的編解碼、且僅支持二進制數據，因此交互和處理數據。信息的方式更為多樣，效率也更高；利用TCP面向連接特性的傳送方式更為可靠，NF間建立通信通道基于面向連接的TCP/IP協議，一旦建立連接后，可通過長連接隨時發送、接收消息；TCP協議中豐富的握手、序列校驗等機制，與GSM-R網絡中主要利用MTP層的幀序列控制模式相比，能夠保證更高的傳送可靠性；HTTP協議中的get、post等基本操作方法，為NF網元間發送、接收消息，以及消息流的控制等，提供了豐富的控制形式；新增的TLS傳輸安全子層，同GSM-R核心網中信令消息全部透明傳輸相比，顯著提升了消息傳遞的信息安全級別。

因此，基于SBA架構的消息和數據傳送機制，為5G網絡實現網元功能微化、獨立化和可靠傳遞提供了基本條件。

3 基于SBA的5G網絡結構

一個典型的獨立組網、提供基本安全認證、只提供數據業務、不含切片功能的5G核心網網絡，其基于SBI實現的NF主要應包括：接入與移動性管理功能（AMF）；會話管理功能（SMF）；用戶平面功能（UPF）；用戶數據管理功能（UDM）；認證服務功能（AUSF）等。

據此可以搭建一個只包含必要NF功能、簡化的5G數據業務網絡。

如圖2所示，在SBA架構下的各種NF，因其緊扣5G服務定義中的具體化、獨立化和結構化等特點，功能實體均被明確切割分離為獨立的邏輯軟件實體，從而支持靈活的、可伸縮性的部署方式，即各種NF可集中部署在一個云平臺乃至一個服務器物理實體上，或者部署在各自獨立運行、互聯互通的不同服務器物理實體中。各個NF通過SBI協議模型，實現了互相協同配合，通過IP數據網傳送消息或數據進行互聯互通，從而實現5G核心網的各種功能。

圖2 微化服務的簡化5G網絡示意Fig.2 Schematic diagram of simplified 5G network for microservice

4 SBI接口消息傳遞實例

4.1 HTTP/2的請求（request）操作

在SBI的基本應用層協議HTTP/2中，定義了豐富的請求類操作類型，主要包括get、post、put、delete、patch、option等，這些操作定義，給NF間交互信息提供了靈活的處理手段，例如post方法向其他NF傳送數據，delete方法指示從目標NF中刪除數據等。

其中較為常用的典型操作get，主要用于查詢消息。例如，通過AMF向EIR查詢PEI（IMEI）是否允許接入網絡時，AMF向EIR發送的查詢請求中就采用get方法，如圖3所示。

圖3 AMF與EIR間基于SBI的信息交互示意Fig.3 Schematic diagram of information interaction based on SBI between AMF and EIR

該示例中，AMF通過HTTP/2協議中的get方法，向EIR發送“N5g-eir_Equipment Identity Check Get Request”消息，消息中包含發起注冊入網終端的PEI（IMEI）號碼。

4.2 HTTP/2的響應（response）消息

HTTP/2的響應消息，包括響應狀態行、響應頭、響應主體3個部分，其中響應狀態行中的響應碼是關鍵信息之一。上例中，EIR認證后，將認證結果以“N5g-eir_Equipment Identity Check Get Response”的方式返回給對應的AMF。其中包含正常響應結果的響應碼為“200”，表示對應get消息的響應成功，其內容包含在后續響應主題中。

值得一提的是，HTTP/2基本向下兼容了HTTP/1.1。上例中，當出現AMF發送消息的目的NF錯誤、資源指定錯誤或配置錯誤等情況時，AMF要么收不到EIR的任何response消息，要么收到response消息中的錯誤碼為“404”，也就是平時使用瀏覽器訪問不存在的網頁資源時，常看到的“網頁不存在”類型的錯誤提示。

可見，HTTP/2就是在充分利用HTTP既有的超文本傳送協議、繼承既有HTTP消息格式的基礎上發展而來的，且該協議基于SBI接口實現后，兩者共同擴展HTTP的應用場景，開發者可以通過OpenAPI等規范，方便地獲得相關通用開發文檔。

5 基于SBI的5G-R核心網結構

當前鐵路實際應用需求主要包括：行車控制類業務，如列車控制、無線車次號與調度命令傳送等；車輛監測類業務，如晃車、車載設備狀態、車輛運行狀態監測等；基礎設施檢監測業務，如橋隧位移形變、接觸網形變與應力、滾石落木監測等；線路監測業務，如震動狀態信息、軌道與路基變化等；安全綜合類業務，如視頻監控、施工安全防護等。

基于上述實際需求，可充分利用5G核心網中SBA架構的特性，快速構建和部署滿足鐵路業務實際需求的5G-R核心網方案，相關的功能網元設備應主要包括以下幾種：基于SBI協議的5G核心網網元設備，如移動性管理設備（AMF）、會話管理設備（SMF）、用戶數據管理設備（AUSF/UDM）、終端位置管理設備（LMF）、終端識別設備（EIR）、網絡切片控制設備（NSSF）等；兼具SBI及其他接口協議功能的核心網網元設備，如用戶平面接口設備（UPF）、專用組呼控制設備（MCx）、非3GPP網絡接口設備（N3IWF）等；兼容既有鐵路業務所需的專用網元，如實現移動終端IP地址分配與安全認證的RAIDUS設備、專用域名服務器DNS設備、歸屬服務器GROS設備、GPRS接口服務器GRIS設備等。

6 結論

從以上描述和分析可見，在移動通信系統功能特別是核心網網元功能實體間的消息傳送和處理方面，5G網絡通過SBA架構以及HTTP/2等協議的設計與應用，摒棄了通信行業傳統的二進制編碼、點對點傳遞專用格式消息的理念，以及繁瑣地定義消息格式、長度、內容等方法，而是借鑒和引用了計算機程序開發相關的規范和標準，直接采用可讀性強的文本式數據結構交互信息，特別適合通信網絡信令交互這種少量、多次的數據交換場景，這也正是“ICT的IT化”（信息通信技術的信息化）的一種典型體現。