基于服務(wù)化架構(gòu)的5G核心網(wǎng)消息傳遞研究

鄭 偉

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京通信段，北京 100038）

1 概述

第5代移動通信技術(shù)（5G）已經(jīng)成為當(dāng)前熱門的移動通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展方向，其高帶寬、低延時(shí)等突出特性，使其成為當(dāng)今世界推動社會與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生活方式改變的重要動力。隨著國內(nèi)鐵路裝備、設(shè)施、運(yùn)維等方面的全面信息化、智能化，基于5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的5G-R系統(tǒng)在國內(nèi)鐵路通信網(wǎng)中將逐步替代GSM-R，成為國內(nèi)鐵路專用移動通信系統(tǒng)的主流技術(shù)。

與屬于第二代移動通信技術(shù)（2G）的GSM-R相比，5G在終端、無線網(wǎng)、核心網(wǎng)、傳輸承載網(wǎng)等方面均發(fā)生了巨大變化。其中核心網(wǎng)摒棄了專用設(shè)備、專用接口、專用功能、專用平臺的傳統(tǒng)模式，采取了信息通信技術(shù)（ICT）化的思路，即：使用通用性強(qiáng)的計(jì)算機(jī)服務(wù)器加載專用程序方式，形成網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function ，NF）邏輯實(shí)體，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元自身的各種功能；控制平面（Control Panel， CP）與用戶業(yè)務(wù)平面（User Panel， UP）邏輯分離；核心網(wǎng)中不同NF間使用計(jì)算機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如HTTP、OpenAPI等）傳送和處理CP消息，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流的控制與管理；NF邏輯分隔、功能清晰且高度散化，通過統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)，單獨(dú)部署或集中部署均可；可運(yùn)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(wǎng)網(wǎng)元（如MSC/VLR、HLR、SCP等）間主要采用E1專用電路、通過時(shí)隙互聯(lián)、使用NO.7信令體系傳送信令消息完全不同的是，5G核心網(wǎng)不同NF間的控制消息傳遞，使用IP網(wǎng)進(jìn)行物理承載、以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)承載協(xié)議，并采用SBA理念，應(yīng)用層通過HTTP/2協(xié)議傳送和處理消息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元邏輯功能。

2.1 SBA

SBA是5G核心網(wǎng)中的關(guān)鍵架構(gòu)之一，其核心思想是將3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的各種網(wǎng)絡(luò)功能分隔成不同的服務(wù)模塊或功能模塊，以可被靈活部署、應(yīng)用為目的，以“微服務(wù)”的形式將網(wǎng)元功能獨(dú)立劃分，構(gòu)建核心網(wǎng)。在SBA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義的各種NF，都可物理或邏輯獨(dú)立地被部署在相同或者不同的物理實(shí)體，如服務(wù)器、集群、服務(wù)云等設(shè)備中。

通過SBA架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)邏輯功能切割和互聯(lián)，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對不同NF的靈活部署、相互耦合和調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)5G的控制與管理功能。

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在此基礎(chǔ)上可提供更為靈活、乃至任意疊加的移動通信業(yè)務(wù)。

2.2 SBI

支持SBA網(wǎng)絡(luò)功能的NF對外提供服務(wù)的接口，稱為SBI。SBI是支持SBA、對外提供NF各種基本功能的協(xié)議實(shí)現(xiàn)形式，它包含該服務(wù)的IP地址、端口號、封裝格式、加密等基本內(nèi)容。

5G核心網(wǎng)間傳遞消息的SBI基本協(xié)議模型如圖1所示。

圖1 SBI協(xié)議棧參考模型Fig.1 SBI protocol stack reference model

該協(xié)議模型中，底層采用TCP/IP承載；自TCP層以上，采用HTTP/2應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行消息傳遞，具體應(yīng)用信息（Application）如消息、文字、數(shù)據(jù)流等，均包含于HTTP/2協(xié)議內(nèi)；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(xié)議（Transport Layer Security ，TLS）對HTTP/2及以上的消息進(jìn)行加密處理。

其中，HTTP/2即超文本傳輸協(xié)議2.0（Hypertext Transfer Protocol 2.0），是目前互聯(lián)網(wǎng)主流超文本協(xié)議（HTTP/1.1）的改進(jìn)和優(yōu)化版本，主要增加了客戶端與服務(wù)端之間的多路數(shù)據(jù)復(fù)用支持、不同請求的優(yōu)先級支持、服務(wù)端推送支持等功能，大大加快數(shù)據(jù)傳送的速度和效率，同時(shí)提升了安全性。

5G核心網(wǎng)主要利用HTTP/2的特點(diǎn)進(jìn)行消息傳遞，相比GSM-R有明顯優(yōu)勢：文本數(shù)據(jù)交互形式的便利性，HTTP/2的消息內(nèi)容均為文本形式，直接可讀，GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的消息內(nèi)容采用二進(jìn)制格式，必須用信令儀或編解碼器進(jìn)行翻譯后才可讀；文本數(shù)據(jù)交互內(nèi)容的便利性，5G中的各個NF間，可通過JSON等形式或標(biāo)準(zhǔn)直接交互字符、數(shù)字、數(shù)組甚至圖片、視頻流等數(shù)據(jù)信息，不像GSM-R信令需要進(jìn)行專門的編解碼、且僅支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此交互和處理數(shù)據(jù)。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(xié)議，一旦建立連接后，可通過長連接隨時(shí)發(fā)送、接收消息；TCP協(xié)議中豐富的握手、序列校驗(yàn)等機(jī)制，與GSM-R網(wǎng)絡(luò)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(xié)議中的get、post等基本操作方法，為NF網(wǎng)元間發(fā)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(wǎng)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(gòu)的消息和數(shù)據(jù)傳送機(jī)制，為5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能微化、獨(dú)立化和可靠傳遞提供了基本條件。

3 基于SBA的5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

一個典型的獨(dú)立組網(wǎng)、提供基本安全認(rèn)證、只提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、不含切片功能的5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其基于SBI實(shí)現(xiàn)的NF主要應(yīng)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(shù)據(jù)管理功能（UDM）；認(rèn)證服務(wù)功能（AUSF）等。

據(jù)此可以搭建一個只包含必要NF功能、簡化的5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。

如圖2所示，在SBA架構(gòu)下的各種NF，因其緊扣5G服務(wù)定義中的具體化、獨(dú)立化和結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)，功能實(shí)體均被明確切割分離為獨(dú)立的邏輯軟件實(shí)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(wù)器物理實(shí)體上，或者部署在各自獨(dú)立運(yùn)行、互聯(lián)互通的不同服務(wù)器物理實(shí)體中。各個NF通過SBI協(xié)議模型，實(shí)現(xiàn)了互相協(xié)同配合，通過IP數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送消息或數(shù)據(jù)進(jìn)行互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)的各種功能。

圖2 微化服務(wù)的簡化5G網(wǎng)絡(luò)示意Fig.2 Schematic diagram of simplified 5G network for microservice

4 SBI接口消息傳遞實(shí)例

4.1 HTTP/2的請求（request）操作

在SBI的基本應(yīng)用層協(xié)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(shù)據(jù)，delete方法指示從目標(biāo)NF中刪除數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)時(shí)，AMF向EIR發(fā)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(xié)議中的get方法，向EIR發(fā)送“N5g-eir_Equipment Identity Check Get Request”消息，消息中包含發(fā)起注冊入網(wǎng)終端的PEI（IMEI）號碼。

4.2 HTTP/2的響應(yīng)（response）消息

HTTP/2的響應(yīng)消息，包括響應(yīng)狀態(tài)行、響應(yīng)頭、響應(yīng)主體3個部分，其中響應(yīng)狀態(tài)行中的響應(yīng)碼是關(guān)鍵信息之一。上例中，EIR認(rèn)證后，將認(rèn)證結(jié)果以“N5g-eir_Equipment Identity Check Get Response”的方式返回給對應(yīng)的AMF。其中包含正常響應(yīng)結(jié)果的響應(yīng)碼為“200”，表示對應(yīng)get消息的響應(yīng)成功，其內(nèi)容包含在后續(xù)響應(yīng)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(dāng)出現(xiàn)AMF發(fā)送消息的目的NF錯誤、資源指定錯誤或配置錯誤等情況時(shí)，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(shí)使用瀏覽器訪問不存在的網(wǎng)頁資源時(shí)，?？吹降摹熬W(wǎng)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(xié)議、繼承既有HTTP消息格式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，且該協(xié)議基于SBI接口實(shí)現(xiàn)后，兩者共同擴(kuò)展HTTP的應(yīng)用場景，開發(fā)者可以通過OpenAPI等規(guī)范，方便地獲得相關(guān)通用開發(fā)文檔。

5 基于SBI的5G-R核心網(wǎng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)前鐵路實(shí)際應(yīng)用需求主要包括：行車控制類業(yè)務(wù)，如列車控制、無線車次號與調(diào)度命令傳送等；車輛監(jiān)測類業(yè)務(wù)，如晃車、車載設(shè)備狀態(tài)、車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等；基礎(chǔ)設(shè)施檢監(jiān)測業(yè)務(wù)，如橋隧位移形變、接觸網(wǎng)形變與應(yīng)力、滾石落木監(jiān)測等；線路監(jiān)測業(yè)務(wù)，如震動狀態(tài)信息、軌道與路基變化等；安全綜合類業(yè)務(wù)，如視頻監(jiān)控、施工安全防護(hù)等。

基于上述實(shí)際需求，可充分利用5G核心網(wǎng)中SBA架構(gòu)的特性，快速構(gòu)建和部署滿足鐵路業(yè)務(wù)實(shí)際需求的5G-R核心網(wǎng)方案，相關(guān)的功能網(wǎng)元設(shè)備應(yīng)主要包括以下幾種：基于SBI協(xié)議的5G核心網(wǎng)網(wǎng)元設(shè)備，如移動性管理設(shè)備（AMF）、會話管理設(shè)備（SMF）、用戶數(shù)據(jù)管理設(shè)備（AUSF/UDM）、終端位置管理設(shè)備（LMF）、終端識別設(shè)備（EIR）、網(wǎng)絡(luò)切片控制設(shè)備（NSSF）等；兼具SBI及其他接口協(xié)議功能的核心網(wǎng)網(wǎng)元設(shè)備，如用戶平面接口設(shè)備（UPF）、專用組呼控制設(shè)備（MCx）、非3GPP網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備（N3IWF）等；兼容既有鐵路業(yè)務(wù)所需的專用網(wǎng)元，如實(shí)現(xiàn)移動終端IP地址分配與安全認(rèn)證的RAIDUS設(shè)備、專用域名服務(wù)器DNS設(shè)備、歸屬服務(wù)器GROS設(shè)備、GPRS接口服務(wù)器GRIS設(shè)備等。

6 結(jié)論

從以上描述和分析可見，在移動通信系統(tǒng)功能特別是核心網(wǎng)網(wǎng)元功能實(shí)體間的消息傳送和處理方面，5G網(wǎng)絡(luò)通過SBA架構(gòu)以及HTTP/2等協(xié)議的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，摒棄了通信行業(yè)傳統(tǒng)的二進(jìn)制編碼、點(diǎn)對點(diǎn)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(nèi)容等方法，而是借鑒和引用了計(jì)算機(jī)程序開發(fā)相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，直接采用可讀性強(qiáng)的文本式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交互信息，特別適合通信網(wǎng)絡(luò)信令交互這種少量、多次的數(shù)據(jù)交換場景，這也正是“ICT的IT化”（信息通信技術(shù)的信息化）的一種典型體現(xiàn)。