5G NGC — 关键技术 — R15 SBA
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- 背景
- 在5G时代...
- 在5G时代下,移动网络架构必须实现革新.
- Cloud Native架构,是5G网络的核心选择.
- 在5G时代下,移动网络架构必须实现革新.
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SBA 软件架构
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5G 架构演进首期重点推进 NF 功能模块重构及软件化实施
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5G 架构演进第二阶段重点开展 NF 服务（Service）设计方案制定
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5G 架构演进第三阶段重点推进 NF 服务（Service）及其 API（SBI）体系构建
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5G 架构演进第四阶段重点完成服务化治理框架体系搭建
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服务接口通信机制采用两种模式：基于请求-响应机制和订阅-取消机制
- 服务化 NF 介绍
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- AMF
- SMF
背景
5G 时代，移动网络架构必须革新！
致力于以更低的成本支持大流量和大连接
然而目前的运营商网络系统主要依赖专用硬件设备与 vendor 完成设备整合 而现有网络架构的资源利用率较低 这一现状导致运营商大规模建设新网络和扩展现有系统的投资成本显著增加
- 借助新技术推动灵活多样化的服务实现：针对不同行业领域的5G网络以及其应用呈现多元化特征，在网络服务的内容类型、服务对象范围以及传输速率等方面发生了全面性转变；要求流量资源与业务应用场景紧密结合以显著提高连接效益
多样化的网络服务迫使网络从僵化的硬管线路转向更加灵活的软管线路，并非为了维持现状。
即为软件定义型网络，
它能够促进流量与业务应用之间的有机整合。
综上所述，在第五代移动通信系统（5G）的发展中展现了革命性创新。该标准采用了一种全新的架构理念，在SBA架构基础之上融合了切片技术和CU与DU分离机制，并充分运用云计算技术手段。这种创新设计使得网络实现了定制化的架构布局、开放化的资源共享模式以及个性化的服务配置方案。通过这一系列技术创新手段，在满足海量数据传输需求的同时具备了大流量传输能力（即高带宽）、同时支持大规模设备连接的能力（即高密度连接）以及极低延迟的实时响应能力（即低时延），从而完美地解决了万物互联时代下的通信挑战
Cloud Native 架构，是 5G 网络的必然选择！
为了满足垂直领域内物联网业务需求的变化挑战，在5G网络建设中必须打造一个灵活适应变化的能力，并具备长期维护与升级的能力的新一代网络架构；同时要求该架构不仅要在技术创新上走在前沿，并且能够涵盖最新的技术创新成果，并且能够持续推动行业进步以及对未来产生深远影响
Cloud Native的主要任务在于致力于改变软件构建方式；这些架构主要包括微服务架构、DevOps以及基于容器的敏捷基础架构；其目标是实现软件交付的弹性、可重复性和可靠性。
云原生是一个整合性的概念体系，在其涵盖的主要领域包括：技术层面涉及微服务架构与敏捷基础设施建设以及管理层面涵盖DevOps理念、持续交付策略和康威定律应用等。这一概念体系代表了当前软件发展领域的核心成就，并且能够充分满足5G网络建设的需求
注意，并非Cloud Native只是将传统的网络功能软件直接迁移至虚拟化平台上；其体系结构、业务逻辑和管理系统都将发生显著而剧烈的变化。
5GC 体系结构旨在从以管理功能为导向转向以业务功能为导向。该架构将以模块化和软件化的形式进行架构设计，并最终能够高效地支撑多种服务类型下的网络切片。
5GC 体系结构旨在从以管理功能为导向转向以业务功能为导向。该架构将以模块化和软件化的形式进行架构设计，并最终能够高效地支撑多种服务类型下的网络切片。
微服务是指将单体架构分解为多个粒度更小的独立功能模块（Micro-Services）。各功能模块之间通过API接口进行交互，并且每个功能模块能够独立运行并支持部署、升级和扩展操作。可以在不影响现有客户服务的情况下实现对当前应用的快速迭代更新。正是基于这一设计理念，在传统硬件网元设备中首先实现了虚拟化转变为NF状态，在此基础上又将其进一步细分为多个NF Service模块。
传统硬件网元设备采用紧耦合设计的黑盒设备形式。NFV技术通过从黑盒设备中分离出NF软件模块，并将其作为独立功能单元处理后发现其规模仍然较大且具有单一实体架构特点。为了进一步优化系统性能这些模块需要被细化成为细粒度化的微服务架构中的NF Service组件。因此在向微服务架构转型的过程中网络元组件的数量会发生显著增加这一过程主要体现在网络功能 service（NFS）组件数量大幅上升这一现象可以通过观察网络功能 service实例的变化来具体分析。同时这些NFS组件之间的集成关系将由统一的服务接口支持实现以确保整个系统能够快速响应业务需求并提升开发效率
移动通信网络在演进过程中经历了从传统的物理网络设备到网络功能虚拟化（NFV技术的应用），再到云计算化的部署方案以及基于云计算原生态架构的"云原生"四个阶段的发展历程。
SBA（基于微服务的软件架构）
5GC 的控制面完全实现了服务化的软件架构这一创新性构架方案被称为 SBA（Service Based Architecture）。SBA 起源于中国移动，并由其联合全球 14 家运营商和华为等 12 家网络设备厂商共同提出。该架构融合了 IT 领域的微服务设计理念，并结合NFV 和软件虚拟化理念形成了一种创新性构架方案。这种创新性构架方案被定位为一种 Cloud Native 构建模式。
通过 SBA 架构实现 5GC 解耦NF 的独立扩展、独立演进以及按需部署。参考IT系统服务化/微服务架构的经验，在控制面上的所有NF之间采用的服务接口均为标准化的服务化接口。单一的服务能够被多个NF进行调用，并以此降低各NF之间的接口耦合度。从而实现网络功能配置的需求，并支持多样化的业务场景与具体需求
SBA 为 5GC 带来的好处：
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网络架构扁平化：通过优化控制面设计，在NF之间实现了完全IP化的连接，并取消了传统的分层架构依赖关系，在提高传输效率方面取得了显著效果。
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运维与部署智能化：该系统支持从入网部署到NF Service注册、发现未上线的服务以及状态检测等操作均可实现自动化处理。
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网络功能负载均衡：相同功能类型的NF共同承载和提供相关服务，在资源分配上实现了高度平衡。
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网络功能服务故障转移：任何一个NF发生故障时可通过智能化管理机制将该服务临时隔离并转接至其他同类型NF进行处理。
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扩容/缩容简单：在现有架构基础上新增功能时只需完成特定配置即可，并不会对现有业务运行造成任何干扰。
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升级容易：所有新增的功能均采用标准化接口设计，在不影响现有业务的前提下可快速完成升级操作而无需影响旧版本则直接退网。
- 开放的网络能力 ：在标准接口下，第三方系统也可以进行接入。
5G 新架构第一步：NF 的功能重构、软件化
由架构与功能重组来达成软件定义型网络功能及连接建立。
在5G体系中，原有的"网元"概念被重新定位为"网络功能"。
可见，在5GC框架下对网元实体的功能体系及各网元间通信机制进行了系统性重构与规范制定。其网络功能单元均以高度模块化架构呈现，并具备良好的扩展性和可扩展性特征。这些网元单元虽然数量众多但凭借模块化设计展现出了显著优势即在扩容、缩容以及升级过程中均能快速响应并实现无缝对接同时保证彼此间互不干扰确保整体运行效能不受影响。
在此架构下
NF（Network Function）划分：从4G EPC网元实体功能中剥离出关键功能单元，在5GC中构建独立的NF模块。通过实现各NF的独立化与协同运作，在不影响其他功能的前提下实现按需扩展、灵活升级与灵活配置。
- 4G 固定网络 ：稳定连接、功能模块化、信令交互流程固化。
- 5G 可变网络 ：将网元拆分为服务模块，通过 API 接口进行功能调用。
例如：4G 参考点架构的主要问题是——缺乏规范化扩展能力。5G 虽然仍然保留了参考点架构的概念，但其主要目的是为了实现技术上的便利性交换。
5G 新架构第二步：NF Service（服务）的设计
SBA 借取了业界成熟SOA体系及微服务架构等先进理念，并基于电信网络发展现状及其特点和发展趋势，在经过革新性设计后确定了新的技术路线。该方案旨在通过软件服务重构核心业务系统，在提升灵活性与开放性的同时实现智能化转型
NF服务的 service化：一个NF可对外提供多个NF Service，并仅支持单一功能。这些NF Service遵循生产者-消费者模式，并通过SBI接口实现访问。所有NF Service均配备注册与发现机制以实现在网络功能在5GC中的即插即用和自动化组网能力。同一个NF Service可通过多台不同的NF Service调用以提高其可复用性，并优化业务流程架构设计
NOTE：
- 23501章7.2节完整列举了NF服务的各种类型。
- 23502节5.2.2部分系统性地列出了NF服务的具体消息与参数设置。
面向 “云原生” 定义服务是 SBA 的核心：
- 分层架构支持灵活配置 ：每个5G软件功能由细粒度的"服务"来定义，在系统设计上实现了良好的分层架构，并通过灵活的服务组合满足不同业务场景的需求。
- 轻量级设计易于扩展 ：该系统遵循标准化协议提供灵活的API交互机制，在网络内部优化了资源利用以降低配置复杂性和通信开销；对外则提供了统一开放的API接口供第三方应用调用。
- 模块独立性便于升级维护 ：系统采用模块独立的设计理念，在功能升级时可通过简单的灰度发布实现无缝过渡；同时基于虚拟化平台实现了快速部署与弹性扩缩容。
5G 新架构第三步：NF service 的 API（SBI）
为了支持SBA新架构的运行和发展需求,必须具备相应的兼容性,并采用以下新一代协议体系:TCP、HTTP/2、JSON以及OpenAPI.
新一代协议的优点：
- 应用当前主流协议的标准版本，在IT/Internet领域具有广泛的适用性。
- 该系统旨在推动未来网络部署工作并实现快速落地。
- 通过持续集成与发布新的网络功能及服务组合。
- 新型REST API接口显著提升了运营商及第三方用户的服务接入能力。
如前所述，NF 由多个 NF Services 组成，并通过 Service Based Interface（SBI）进行访问；从而使得 NF Services 能够获得授权并灵活调用。
Uniform solution for all 5G Service-Based Interfaces:
- 当可能时优先采用REST风格服务设计，在无法实现时则采用基于RPC的自定义方法。
- Open API 3.0.0被选定为接口定义语言。
- JSON被选作序列化协议的标准。
- 对于基于服务的接口，HTTP/2被选定为应用层协议。
- TCP被选作传输层协议。
- 使用QUIC、二进制编码（例如CBOR）以及其他相关技术目前尚未实施，并将留作未来版本中支持的可能性。
5G 新架构第四步：服务化治理框架
服务化架构构成了SBA的核心，在此基础上基于注册、搜索以及调用机制构建了NFs与Service之间的基础通信架构。该架构设计巧妙地实现了5GC新增功能的快速接入与无缝集成。
每个 NF 利用 SBI 向外发布 NF Service（NFS），并支持其他相关网络功能对其进行访问或功能调用。其中被提供的网络功能称为 NF Consumer，在此过程中负责进行需求对接和资源调配的角色则被称为网络功能生产者（NF Producer）。所有此类活动均需 NRF 的管理与监控。在每个网络功能启动之前须至 NRF 注册登记方能完成相关业务的支持工作。红队中的 NF1 希望绿队中的 NF2 能为其提供相关业务支持，则需先进入 NRF 平台发起需求对接。
其中NRF则对应于微服务架构的服务注册与发现中心支持NFServices的注册流程以及状态监控功能实现了自动化的管理与优化选择并与具备良好的扩展性所有NFServices都需要完成注册流程并在系统中录入相关信息如URL地址NF类型以及其功能特性
每当新增一个ProducerNFService时, 必须先将其登记至NRF系统中进行注册操作。如果某个ConsumerNFService试图访问相关生产者的NF服务, 就需要通过查询确认该producer是否已存在, 并且该NRF系统是否对其使用给予授权（Authorized）。只有在上述两个条件均得到满足的情况下, 消费者才能向相应的producer发送请求。
服务接口通信方式：Request-Response 和 Subscribe-Notify
SBI 为 NF Services 提供 “请求-响应” 和 “通知-订阅” 两种调用方式：
Request-Response ：NF Service Consumer向NF Service Producer发起请求获取特定的服务内容，在服务响应阶段可能涉及执行某种操作或提供相关信息。
Subscribe Notify ：NF服务 Consumer NF从NF服务 Producer NF订阅网络功能服务。NF服务 Producer NF将所有订阅该服务的NF服务 Consumer NF发送通知并返回结果。消费者订阅的信息可能是按时间周期更新的信息或特定事件触发的通知。例如：请求中的信息发生更改或达到了阈值等。
服务化 NF 介绍
AMF
SMF
