# 5GC 系统架构

## 4G/5G 核心网对比
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首先，我们试着用颜色标注出 4G EPC 的相关网元，如下图所示。

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MME 和 HSS 的色彩斑驳，这意味着它们虽然同为控制面网元，在 4G EPC 中承载了太多的功能，将会在 5GC 中进行拆分。下图中对 5GC 的各个 NF 也按功能用颜色进行标注，和 4G 网元相同的颜色意味着相似的功能。

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仔细一看，大部分 5G NF 还是能在 4G 核心网中找到影子，如下图所示：MME 中负责接入和移动性管理的功能独立出来成为了 5G 的 AMF。与此同时，MME 中负责会话管理的功能部分和 SGW-C/PGW-C 合并成为 SMF。

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MME 和 HSS 中关于用户鉴权的功能被抽取出来，合并成为 5G 的 AUSF。与此同时，HSS 中剩余的用户数据管理功能独立成为 UDM，和 AUSF 配合工作来完成用户鉴权数据相关的处理。

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负责策略控制和计费规则管理功能的 PCRF，演化成了 5G 中的策略控制功能 PCF，丢掉了计费规则管理功能。

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除了这些从 4G 传承下来的功能，5G 核心网还引入了一些全新的网络功能 NF，主要包括 NSSF，NEF 和 NRF。

5GC 中，每个 NF 都通过服务化接口对外提供服务，并允许其他 NF 访问或调用自身的服务。提供服务的 NF 被称作 NF Consumer，访问或调用服务的 NF 被称作 NF Producer。这些活动都需要 NRF 的管理和监控。每个 NF 启动时，必须要到 NRF 进行注册登记才能提供服务。红色的 NF1 想要让绿色的 NF2 来提供服务，必须先到 NRF 来进行服务发现才行。

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用户面的 NF 相对比较简单，直接把 4G EPC CUPS 的两个控制面网元 SGW-U/PGW-U 合二为一，成为了 5GC 的 UPF。

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## 4G/5G 核心网融合架构
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## 5GC 架构
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### AMF

**AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）**：作为 NG-RAN 接入 5GC 的门户，提供注册管理、连接管理、移动性管理、用户可及性管理、参与鉴权和授权相关的管理功能等。抽取了 4G EPC 中分散在 MME、SGW-C、PGW-C 提供的接入控制和移动性管理功能。

- **注册管理**：初始注册、注册更新、去注册、注册区管理、5G-GUTI 分配等。
- **连接管理**：NAS 链接管理、业务请求、寻呼、可达性管理、RRC-Inactive。
- **移动性管理**：移动性限制、时间订阅和通知、系统内移动性更新和切换。
- **接入控制**：接入控制、接入优先级。
- **网络切片**：初始 AMF 选择、AMF 重定向、切片修改、会话多切片。
- **服务化管理及网元选择**：AMF 的服务管理、服务化接口异常处理、AMF/SMF/PCF/AUSF/UDM/GMLT/>MF/SMSF 的服务发现和网元选择机制。
- **用户数据管理**：UDM 签约数据更新、删除、新增。
- **消息透明公路由**：PDU Session 管理、UE 策略、定位服务。
- **POOL管理**：AMF 分配和更新权重/GUAMI、SET 内负载重平衡。
- **拥塞控制**：非服务化接口 N1/N2 拥塞控制、服务化接口拥塞控制。
- **故障恢复**：有备份和无备份下 AMF 故障恢复、计划内停止服务。
- **其他功能**：紧急业务、对等 PLMN，DNN 纠错，用户信令跟踪等。


### AUSH

**AUSF（Authentication Server Function，鉴权服务功能）**：实现对用户的鉴权和认证。

### UDM

**UDM（Unified Data Management，统一数据管理）**：包含 UDR（Unified Data Repository）和 FE（Front End），FE 是一个存取 UDR 数据的前端。负责各种用户签约数据管理、用户鉴权数据管理、用户标识数据管理等。AUSF 和 UDM 功能的集合与 4G EPC 中的 HSS 一致。

### UDSF

**UDSF（Unstructured Data Storage network function，非结构化数据存储功能）**：存储 NF 之间的非结构化数据。

### UDC
**UDC（User Data Convergence）**：主要是将 UDM、AUSF 和 PCF 这三个和用户资料、计费相关的网元整合为 UDC，用以确保数据的一致性和降低在控制面发送重复的信令。

### SMF

**SMF（Session Management Function，会话管理功能）**：是 5GC 的核心网元，负责会话管理相关的功能，包括建立、修改、释放会话等，具体功能包括会话建立过程中的 IP 地址分配、选择和控制用户面功能、配置业务路由和 UP 流量引导、确定 SSC 模式、配置 UPF 的 QoS 策略等。抽取了 4G EPC 中分散在 MME、SGW-C、PGW-C 提供的会话管理功能。

- **服务化功能**：服务注册、更新和去注册，服务订阅，NRF 主备切换、心跳功能。
- **移动性管理**：去注册、业务请求，Xn/X2 切换。
- **会话管理**：PDU Session 建立、修改和释放，N4 接口的会话管理，用户面去活。
- **路由选择**：UPF 选择，PCF/UDM 等 NF 发现，业务分流（ULCL/BP）。
- **用户面管理**：业务检测控制和路由控制，IP 地址管理，数据缓存，Endmarker。
- **业务连续性管理**：SSC mode 1、2、3。
- **位置管理**：向 AMF 订阅位置信息，向其他 NF 提供位置信息。
- **策略控制**：PCC 策略关联管理，策略和计费控制，策略控制时间上报。

### UPF
**UPF（User Plane Function，用户平面功能）**：主要提供用户平面的业务处理功能，包括业务路由、包转发、业务锚定功能、QoS 映射和执行、上行链路的标识识别并路由到 DN（Data Network，数据网络）、下行包缓存和下行链路数据到达的通知触发、与外部 DN 连接等。抽取了 4G EPC 中分散在 SGW-U 和 PGW-U 的用户面功能。而且在 5GC 中，一个 PDU Session 可以指定若干个 UPF 提供服务，区别于 4G PDN Connection 只能指定一条用户面数据链路（eNB、SGW、PGW）。

- **会话管理**：N4 接口的会话管理。
- **路由转发**：基于 L3-L7 层的 SDF 识别和转发，业务分流（ULCL/BP），数据缓存，Endmarker。
- **策略执行**：执行 SMF N4 接口下发的各类规则。

融合节点功能：

- **头增强**：HTTP/HTTPS 头增强。
- **APN 融合**：分流，防欺诈。
- **QoS 控制**

### PCF

**PCF（Policy Control Function，策略控制功能）**：和 4G EPC 中的 PCRF 功能一致。从 UDM 获得用户签约的策略并下发到 AMF、SMF 等，再由 AMF、SMF 进一步下发到 UE、RAN 和 UPF。


- **服务化功能**：服务注册、更新和去注册、服务订阅、服务发现。
- **非会话类策略控制**：接入与移动性控制、UE 策略、AMF 事件订阅。
- **会话类策略**：QoS 控制、门控、用量检测、业务检测、重定向、会话绑定、SMF 事件订阅、预定义规则、动态规则。
- **策略数据接口**：SPR -> 策略数据 UDR 数据迁移。
- **语音功能**：VoNR 能力。
- **数据容灾**：组 Pool 功能、服务化容灾机制、策略数据容灾、PCF 容错。

### NEF

**NEF（Network Exposure Function，网络能力开放）**：类似 4G EPC 中的 SCEF（Service Capability Exposure Function），允许外部网元或 AF 存取部分 UE 信息、改变 UE 的行为等。

### BSF
- **BSF 服务注册/注销/更新**
- **Nbsf 服务鉴权**：验证 BSF 支持对 Service Consumer 进行服务鉴权。
- **与 NRF 连接检测**：心跳检测、BSF 可靠性、BSF 支持主备 NRF 切换。
- **会话绑定信息创建**：删除、查询	验证 SMF 和内置 BSF 支持 IP PDU Session 绑定信息创建、删除和查询。
- **UE 信息获取**：
- **IP 地址重复的会话绑定信息查询**：验证内置 BSF 支持 IPv4 地址重复场景下的会话绑定信息查询。返回指定 UE 的 ID、锚点 PCF Endpoint。
- **PCRF 地址映射**：验证内置 BSF 支持通过服务化 DRA 提供会话建立的 PCRF 地址映射关系。

### NRF

**NRF（NF Repository Function，网络注册功能）**：提供一个 NF 之间沟通的桥梁，例如某一个 NF 想要知道另一个（含有特定信息/功能的）NF 是否存在以及使用该 NF 或是取得该 NF 中的信息。

- **服务管理**：AMF、SMF、PCF、UDM 等关键 NF 服务注册、更新、心跳检测、去注册、状态订阅/通知/去订阅。
- **服务发现**：关键 NF 服务发现。
- **分层架构**：跨 NRF 进行地柜查询、迭代查询。
- **数据同步**	
- **故障恢复**	
- **流控机制**	

### NSSF
**NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）**：负责根据入网 UE 提供的 NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information）或 S-NSSAI 判断应该为 UE 提供哪个网络切片的服务，进而决定由哪个 AMF 为该 UE 提供接入服务。

- **服务化功能**：服务注册、更新和去注册、服务订阅、服务发现。
- **网络切片**：初始 AMF 选择、AMF 重定向、发起 PDU Session 时切片选择、会话多切片。

切片：

- **注册管理**：初始注册、更新、去注册、注册区管理、5G-GUTI 分配等。
- **连接管理**：NAS 连接管理、业务请求、寻呼、可达性管理、RRC-Inactive。
- **网络切片**：初始 AMF 选择、AMF 重定向、切片修改、会话多切片。
- **服务化管理及网元选择**：AMF/SMF/UDM/NRF/NSSF 服务发现和网元选择。
- **用户数据管理**：UDM 签约数据更新、删除、新增。
- **POOL 管理**：AMF 分配和更新权重/GUAMI，SET 内负载重平衡。


### AF
**AF（Application Function）**：可以利用 SBA 中的 NF，例如用户资料、计费方式等等，设计服务/APP，用于提供客户/UE Service，类似于 SDN Controller 上的 APP。