Network Functions - ianchen0119/Introduce-to-5GC GitHub Wiki

Recap：5GC 架構

ref: TS 123 501 V15.3.0

上圖為 5G 核心網路的架構圖，參考該架構圖我們可以發現一些細節：

1. 除了 N1、N2、N3、N4、N6 與 N9，每一個 Network Function 都使用 SBI 溝通。

2. 這些不經由 SBI 的 Reference Points，分別使用了以下協定進行資料的傳輸：

  • N1 使用 NAS Protocol，NAS（Non-access stratum）的訊息並非像是圖片中直接連上核心網路，而是會送往 RAN 後由 RAN 進行轉發（NAS 也就是非直接接入的意思）。
  • N2 使用 NGAP Protocol。
  • N3 與 N9 使用 GTP-I Protocol。
  • N4 使用 PFCP Protocol。

Network Functions 介紹

4G 核心網路（EPC）與 5G 核心網路都有 Network Function 的概念，如果對 EPC 有一定的認識就會發現 MME（EPC 的 Network Function 之一）要負責的工作實在繁重了！

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圖片來源：LTE筆記: 5G 核心網路 (core network) 的演進

3GPP 在訂定 R15 規格書時將 5G 核心網路的 Network Function 重新劃分，明顯的差異在：

  • Session 與 Mobility 的管理工作從原本由一個 NF 負責改交由 AMF 與 SMF 負責。
  • 將 HSS 根據不同的資料類型拆成兩個 data producer（UDR & AUSF）。
  • 新增 NRF、NEF 與 NSSF

補充： NEF 提供 Network Exposure 的功能，它讓外部的 AF（Application Function）可以透過它存取核心網路的資源以及提供 traffic influence 的支援。

本文會簡單的帶大家認識一些常見的 Network Function（以 free5GC 有實作的為主）。

Access and Mobility Management Function (AMF)

AMF 負責的工作在 EPC 中原本是由 MME 負責，但是在 EPS 的設計中，MME 需要負責更多 Control Plane 的處理。 在 5GS 中，AMF 僅需要注重在訪問與移動性管理，具體功能包含:

  • Encryption and Integrity Protection on NAS
  • Connection & Registration Management
  • 參與 Authentication 流程
  • 當與 4G 核心網路互動時，負責分配 EPS Bearer ID
  • 處理與 UE、RAN 之間的 Control Plane message
  • 處理 4G-5G or 5G-5G 的 Handover
  • UE reachability
  • SMF selection（可以基於 TAC、切片或是 DNN）
  • 支援網路切片（與 NSSF 互動選擇出最佳的 Slice）
  • C-IoT 最佳化

相關 SBI

TS 29.518 的 章節 5.1 有定義 AMF 作為哪些 API 的 Producer，這些 API 又會由誰來使用：

Session Management Function (SMF)

  • Session 管理，包含：建立、釋放與修改 session。
  • 維護 UPF 與基地台之間的通道，該通道用來傳輸 user plane data。
  • 負責分配與管理 UE 的 IP 位址（也可以由外部網路或是 UPF 負責）。
  • 存取 subscription-related info
  • 套用 PCF 提供的 policy rules 至 UPF，UPF 會根據這些規則執行 QoS。

User Plane Function (UPF)

類似於 EPC 中的 P-GW，負責以下內容：

  • DL/UP Data transmission 負責 Packet 的路由以及轉發，讓 UE 能夠通到外部網路。
  • 為 UE 分配 IP 位址
  • 連結 UE 與 PDN
  • 執行 Policy Rule
  • Usage Report 搜集用戶的使用資訊並交給 SMF 以達到計費需求。
  • QoS 控制每一個 QoS Flow 的傳輸速率
  • Downlink Data Buffering 根據 BAR 來決定是否需要暫存封包。

Authentication Server Function (AUSF)

Supports authentication for 3GPP access and untrusted non-3GPP access as specified in TS 33.501 [29].

  • implements the EAP authentication server for security procedures with AMF
  • stores keys that are retrieved by AMF for security and integrity protection

Network Repository Function (NRF)

6.2.6 in 3GPP 501 R15

NRF 支援以下功能:

  • Supports service discovery function 其他 NF 可以向 NRF 發送 Receive NF Discovery Request，NRF 會提供它被找到的 NF 的資料。
  • Maintains the NF profile of available NF instances and their supported services. NF Profile 會包含這些資料:
    • NF instance ID.
    • NF type.
    • PLMN ID.
    • Network Slice related Identifier(s) e.g. S-NSSAI, NSI ID.
    • FQDN or IP address of NF.
    • NF capacity information.
    • NF Specific Service authorization information.
    • if applicable, Names of supported services.
    • Endpoint Address(es) of instance(s) of each supported service.
    • Identification of stored data/information.
    • Other service parameter, e.g., DNN, notification endpoint for each type of notification that the NF service is interested in receiving.
    • Location information for the NF instance.
    • TAI(s).
    • Routing ID, for UDM and AUSF.
    • One or more GUAMI(s), in case of AMF.
    • SMF area identity(ies) in case of UPF.
    • UDM Group ID, range(s) of SUPIs, range(s) of GPSIs, range(s) of external group identifiers for UDM.
    • UDR Group ID, range(s) of SUPIs, range(s) of GPSIs, range(s) of external group identifiers for UDR.
    • AUSF Group ID, range(s) of SUPIs for AUSF.

在 Network Slicing 的背景下，基於 network implementation，多個 NRF 可以被部屬到不同層級之中:

  1. PLMN level
  2. shared-slice level the NRF is configured with information belonging to a set of Network Slices.
  3. slice-specific level the NRF is configured with information belonging to an S-NSSAI.

在 roaming 的背景下，多個 NRF 可以被部屬到不同網路:

  • the NRF(s) in the Visited PLMN (known as the vNRF) configured with information for the visited PLMN.
  • the NRF(s) in the Home PLMN (known as the hNRF) configured with information for the home PLMN, referenced by the vNRF via the N27 interface.

Network Slice Selection Function (NSSF)

NSSF 幫助 AMF 針對不同的使用場景選擇一個合適的網路切片（NSSelection），網路切片的概念會在後面的章節提到。 NSSF 的主要職責為：

  • 選擇一個切片集合用於服務 UE
  • 決定 allowed NSSAI & configured NSSAI
  • 依據訂閱用戶的資料與地點為 UE 選擇 AMF set

Policy Control Function (PCF)

PCF 就像是 EPC 中的 PCRF，會向 UDR 索取訂閱用戶的資料以制定 QoS & Charging rules。 舉例來說：當 PDU Session 在建立或是修改階段，SMF 收到相關請求時會向 PCF 詢問 policy decision 以套用適當的 QoS 策略。

Unified Data Management (UDM)

類似於 EPC 中 HSS 的邏輯功能，UDM 負責用戶標識、簽約數據、鑒權數據的管理、用戶的服務網元註冊管理：

  • 因為 O&M intervention 或是 Implicit Deregistration timer 到期，UDM 會觸發 Network-initiated Deregistration：

Unified Data Repository (UDR)

5G 架構運許 UDM, PCF, NEF 儲存資料到 UDR 之中，這些資料包含 UDM 與 PCF 存放的訂閱戶資料與策略資料、NEF 存放的 structured data for exposure 和 application data (including Packet Flow Descriptions (PFDs) for application detection, AF request information for multiple UEs)。 UDR 可以部屬在每一個 PLMN 且他可以服務同一個 PLMN 下的 UDM, PCF 以及 NEF。

Non-3GPP Interworking Function (N3IWF)

N3IWF 提供 Non-Trusted 3GPP Access 服務接入（例如：透過 wifi 接入核心網路），一般的 UE 無法與 N3IWF 連線，只有 N3UE 可以使用該功能，通常這個網元會被用在智慧工廠上。

  • 建立 IPsec tunne
  • 處理 NAS/NGAP 訊息
  • IPsec/N3 封包的封裝與解封裝