什么是5G核心网的微服务

通信网络的链路为：终端 -- 无线接入网 -- 承载网 -- 核心网，进而到达IP数据网络，访问互联网业务，这也是移动互联网的链路。

核心网在从4G到5G的演进过程，产生了非常大的变化：

第一、用户面和控制面完全分离；

第二、网络功能微服务化。本文着重理解这一点。

一、基于SBA的5G核心网

1. 软件应用架构的演进

首先，我们需要看看，IT领域软件架构的发展与演进路线，因为在前十年IT领域所产生的思想与技术，正影响着CT领域未来十年的发展。

在软件开发的初级阶段，我们通常将负责不同的业务职责的代码文件进行逻辑上的划分，分隔不同的小模块，每个小模块赋予相应的职责，大致过程如下图①②③所示：

这些代码开发简单，发布时会被打成一个包，如WAR包，被部署在同一台机器的同一个进程中运行。这被称为 单体应用架构 。程序员的工作就是不停地地修补和旋转这个球。

随着业务的不断深入和复杂性的提高，我们需要构建更多的模块：

模块的增多，程序员们修补和旋转这个大球，实在太累，而且有很多的程序员使不上力气。

那么，就像切西瓜一样，把这个球切开。这样，不同的模块在发布时，会被打成不同的小包，如jar包。它们以接口的形式“藕断丝连”着，部署时还是在同一物理服务器上。

当代码大到一定量级，需要数百人来维护时，真是太难了：一个微不足道的小问题，可以导致整个应用挂掉；大用户量上来时，又无法满足高并发情况下的业务需求。

那么，我们把这个球完全成切开，形成一个一个独立的小球，每个小球负责独立的业务功能对外提供服务。这被称为 微服务（Microservice Architect，MSA） 。

仔细来分析，每个微服务的“小球”都需要找到所需的服务和对外提供服务，大流量来时，多个小球共担流量。大致就是这样了：

不难看到，业务代码是翻译的业务逻辑，直接促进业务创新。像服务发现、负载均衡、熔断、限流等等，属于非业务相关，为提高业务开发效率，这部分功能是可以提取出来的，部署时采用专门的进程负责，称为Mesh，这也就是 Service Mesh（服务网格） 了。

在单体--微服务--服务网格的演进过程中，还有一个阶段被称为SOA，也就是面向服务架构，英文全称是Service-Oriented Architecture。SOA的产生背景更多的是将现有的单体服务进行改造并集成，对外提供统一的服务。

所以，软件应用架构的演进路线是： 单体-- SOA --微服务--服务网格 。

2. 基于服务的架构SBA

我们再来看看，5G核心网的SBA。SBA，英文全称Service Based Architecture，也就是基于服务的架构。

为啥不是IT领域中的SOA或者MSA呢？大致的原因有：

• SOA 提倡将架构分解为层而不是域，需要进行大量测试才能发布；
• 微服务提倡数百或数千个服务，而某些应用场景可能只需数十个可部署的服务；
• 微服务对其数据拥有唯一所有权，而拆分大型数据库模式的难度是最为复杂的部分。

下面的表格列出了SOA、MSA、SBA、Monolithic在敏捷、部署、可测试性、可扩展性、性能、简洁等方面的比较。

不难看出，SBA借鉴了IT业界成熟的SOA（面向服务架构）和MSA（微服务架构），并在它们之间进行了折衷和平衡：

• 服务按领域拆成比SOA更细的粒度，可升级单个服务，而对其他服务几乎没有影响；
• 服务按领域拆成比MSA更粗的粒度，减小调用链，提高可维护性；
• 服务可扩展、开放，任何其他服务都可以进行相互调用，轻量级服务接口是轻量级的HTTP2.0。

以此来实现核心网元的软件化、开放化和智慧化，做到服务功能不太大，也不至于太小。

二、5G核心网服务功能的理解

1. NF是有哪些？

5G核心网软件体现为多个NF网络功能，每个NF又被称为多个NFS网络功能服务。

整体上，又可以看成控制面功能服务和用户面功能服务。本质上是管理线和业务线的工作，一个负责指挥，一个负责干活。

2. NF之间如何进行交互？

5G SBA 由一个参考点表示来描述，该表示命名每个 NF 连接到其他 NF 的点。

NF之间通过总线之间进行互连，参考点通过基于服务的接口（SBI） 实现，如AMF和SMF 通之间的参考点是N11，对应到SBI就是Namf和Nsmf。

SBI的定义只存在控制平面，所以，SMF和UPF之间的参考点是N4，AMF和UE的参考点是N1，AMF和RAN的参考点是N2，RAN和UPF的参考点是N3。

3. NF如何来管理？

众多的NF中，有个NRF（NF Repository Function，网络存储功能），可以进行NF的集中管理，进行NFS的注册、发现、管理与状态检测。每个NF启动时，必须要到NRF进行注册登记才能对外提供服务，登记信息包括NF类型、地址、服务列表等。

4. NF如何对外提供服务？

NEF（Network Exposure Function，网络开放功能），负责管理对外开放网络的数据，外部应用如要访问5G核心网内部数据，则要通过NEF。

5. NF数据如何进行存储？

程序的业务运行过程中，必然产生数据。5G核心网中的数据有结构化数据和非结构化数据。

结构化数据包含：手机号码信息，可以使用的业务信息、数据带宽限制数据等。

非结构化数据包括：用户会话信息、状态信息等。UDSF一般跟AMF、SMF打交道。

UDSF（Unstructured Data Storage Function，非结构化数据存储功能) 用来存储非结构化的数据，允许任何NF存储和检索其非结构化数据。

UDR（Unified Data Repository，统一数据存储） 用来存储结构化数据，UDM管理的用户签约数据和PCF管理的策略数据。

数据存储从各个网元中剥离出来，进行统一的存储，这样NF的“无状态”，有助于实现NF的弹性伸缩。

6. 数据流的如何进行转发？

核心网的首要职责是将数据包按照某种策略进行转发，本质上是“路由和交换”。这个工作由UPF用户平面功能来完成：

接收基站过来的数据流，进行数据包的转发和路由，到达IP数据网络；

面向公网服务，则UPF部署于网络核心侧，负责全网业务；行业专网服务往往需要低时延，则UPF可部署于边缘DC、区域DC、园区、工厂等位置。

7. 手机上网的会话，如何建立？

AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能），负责为用户注册、连接、可达性、移动性管理，为UE和SMF提供会话管理消息传输通道。

SMF（Session Management function，会话管理功能），负责隧道维护、IP地址分配和管理、UP功能选择、策略实施和QoS控制、计费数据采集、漫游等。