基于服務化架構的5G核心網(wǎng)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(jīng)成為當前熱門的移動通信網(wǎng)絡發(fā)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(jīng)濟發(fā)展、生活方式改變的重要動力。隨著國內(nèi)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(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。

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(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（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(wǎng)絡功能（Network Function ，NF）邏輯實體，實現(xiàn)網(wǎng)元自身的各種功能；控制平面（Control Panel， CP）與用戶業(yè)務平面（User Panel， UP）邏輯分離；核心網(wǎng)中不同NF間使用計算機行業(yè)標準（如HTTP、OpenAPI等）傳送和處理CP消息，實現(xiàn)業(yè)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(tǒng)一協(xié)議標準互聯(lián)，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(wǎng)網(wǎng)元（如MSC/VLR、HLR、SCP等）間主要采用E1專用電路、通過時隙互聯(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)進行物理承載、以TCP/IP協(xié)議為基礎承載協(xié)議，并采用SBA理念，應用層通過HTTP/2協(xié)議傳送和處理消息，實現(xiàn)網(wǎng)元邏輯功能。

2.1 SBA

SBA是5G核心網(wǎng)中的關鍵架構之一，其核心思想是將3GPP標準定義的各種網(wǎng)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(wǎng)元功能獨立劃分，構建核心網(wǎng)。在SBA架構的網(wǎng)絡中，協(xié)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(wǎng)絡邏輯功能切割和互聯(lián)，5G網(wǎng)絡實現(xiàn)了對不同NF的靈活部署、相互耦合和調(diào)用，從而實現(xiàn)5G的控制與管理功能。

網(wǎng)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(yè)務。

2.2 SBI

支持SBA網(wǎng)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(xié)議實現(xiàn)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(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應用層協(xié)議進行消息傳遞，具體應用信息（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）的改進和優(yōu)化版本，主要增加了客戶端與服務端之間的多路數(shù)據(jù)復用支持、不同請求的優(yōu)先級支持、服務端推送支持等功能，大大加快數(shù)據(jù)傳送的速度和效率，同時提升了安全性。

5G核心網(wǎng)主要利用HTTP/2的特點進行消息傳遞，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)絡中的消息內(nèi)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(shù)據(jù)交互內(nèi)容的便利性，5G中的各個NF間，可通過JSON等形式或標準直接交互字符、數(shù)字、數(shù)組甚至圖片、視頻流等數(shù)據(jù)信息，不像GSM-R信令需要進行專門的編解碼、且僅支持二進制數(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，可通過長連接隨時發(fā)送、接收消息；TCP協(xié)議中豐富的握手、序列校驗等機制，與GSM-R網(wǎng)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(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架構的消息和數(shù)據(jù)傳送機制，為5G網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)絡結(jié)構

一個典型的獨立組網(wǎng)、提供基本安全認證、只提供數(shù)據(jù)業(yè)務、不含切片功能的5G核心網(wǎng)網(wǎng)絡，其基于SBI實現(xiàn)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(shù)據(jù)管理功能（UDM）；認證服務功能（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)務網(wǎng)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(jié)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(lián)互通的不同服務器物理實體中。各個NF通過SBI協(xié)議模型，實現(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)進行互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)5G核心網(wǎng)的各種功能。

圖2 微化服務的簡化5G網(wǎng)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(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)絡時，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（response）消息

HTTP/2的響應消息，包括響應狀態(tài)行、響應頭、響應主體3個部分，其中響應狀態(tài)行中的響應碼是關鍵信息之一。上例中，EIR認證后，將認證結(jié)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(jié)果的響應碼為“200”，表示對應get消息的響應成功，其內(nèi)容包含在后續(xù)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(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，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(wǎng)頁資源時，?？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消息格式的基礎上發(fā)展而來的，且該協(xié)議基于SBI接口實現(xiàn)后，兩者共同擴展HTTP的應用場景，開發(fā)者可以通過OpenAPI等規(guī)范，方便地獲得相關通用開發(fā)文檔。

5 基于SBI的5G-R核心網(wǎng)結(jié)構

當前鐵路實際應用需求主要包括：行車控制類業(yè)務，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，如晃車、車載設備狀態(tài)、車輛運行狀態(tài)監(jiān)測等；基礎設施檢監(jiān)測業(yè)務，如橋隧位移形變、接觸網(wǎng)形變與應力、滾石落木監(jiān)測等；線路監(jiān)測業(yè)務，如震動狀態(tài)信息、軌道與路基變化等；安全綜合類業(yè)務，如視頻監(jiān)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(wǎng)中SBA架構的特性，快速構建和部署滿足鐵路業(yè)務實際需求的5G-R核心網(wǎng)方案，相關的功能網(wǎng)元設備應主要包括以下幾種：基于SBI協(xié)議的5G核心網(wǎng)網(wǎng)元設備，如移動性管理設備（AMF）、會話管理設備（SMF）、用戶數(shù)據(jù)管理設備（AUSF/UDM）、終端位置管理設備（LMF）、終端識別設備（EIR）、網(wǎng)絡切片控制設備（NSSF）等；兼具SBI及其他接口協(xié)議功能的核心網(wǎng)網(wǎng)元設備，如用戶平面接口設備（UPF）、專用組呼控制設備（MCx）、非3GPP網(wǎng)絡接口設備（N3IWF）等；兼容既有鐵路業(yè)務所需的專用網(wǎng)元，如實現(xiàn)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(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)元功能實體間的消息傳送和處理方面，5G網(wǎng)絡通過SBA架構以及HTTP/2等協(xié)議的設計與應用，摒棄了通信行業(yè)傳統(tǒng)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(nèi)容等方法，而是借鑒和引用了計算機程序開發(fā)相關的規(guī)范和標準，直接采用可讀性強的文本式數(shù)據(jù)結(jié)構交互信息，特別適合通信網(wǎng)絡信令交互這種少量、多次的數(shù)據(jù)交換場景，這也正是“ICT的IT化”（信息通信技術的信息化）的一種典型體現(xiàn)。