【云原生与5G】微服务加持5G核心网

作者：柒号华仔
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1.微服务架构概念

1.1 单体架构与分布式架构

  谈到微服务架构，不可避免的会先想起单体架构和分布式架构。
  单体架构是指将所有的功能、模块、数据库等耦合在一个应用中，称之为单体架构应用，理所当然单体架构应用部署在一台服务器上。由于单体架构所有功能模块耦合在一起，若出现问题将导致整个系统应用无法工作，维护成本高。
  分布式结构是将一个大的系统进行拆分，将应用和数据等分开部署到不同的服务器上，不同服务器之间通过网络进行通信，体现的更多是物理上的分布部署。实际上分布式架构已经具有了微服务的特性，但它的耦合性强，每个模块缺一不可，另外构建成本高。

1.2 微服务架构

  微服务体现在两个词，第一是"微"，第二是"服务"。微说明了小，简单，在这里我又想到了“单纯”一词，单一纯粹。服务是区别于系统，服务一个或者一组相对较小且独立的功能单元，是用户可以感知最小功能集。
  微服务架构是一种架构模式，它提倡将单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间相互协调、互相配合，为用户提供最终价值。每个服务运行在其独立的进程中，服务和服务之间采用轻量级的通信机制相互沟通。每个服务都围绕着具体的业务进行构建，并且能够被独立的部署到生产环境、类生产环境等。

  微服务，关键其实不仅仅是微服务本身，而是系统要提供一套基础的架构，这种架构使得微服务可以独立的部署、运行、升级，不仅如此，这个系统架构还让微服务与微服务之间在结构上“松耦合”，而在功能上“高内聚”。

2.微服务与5G核心网

2.1微服务引入5G核心网

  随着微服务架构的发展普及，加上5G技术的演进和发展需求，5GC将云原生的微服务架构引入，构建了面向业务的SBA架构，实现了低耦合+高内聚的技术升级。
  在面向业务的5G网络架构中，将原本的控制面功能进行了融合和统一，同时控制面功能也分解成为多个独立的网络服务，这些独立的网络服务可以根据业务需求进行灵活的组合。每个网络服务和其他服务在业务功能上解耦，并且对外提供同一类型的服务化接口，向其他调用者提供服务，将多个耦合接口转变为同一类型的服务化接口，可以有效地减少接口数量，并统一服务调用方式，进而提升了网络的灵活性。

2.2 5GC核心网SBA架构

• NSSF:Network Slice Selection Function 　　　　　网络切片选择功能
• NEF:Network Exposure Function　　　　　　　　 网络能力开放功能
• NRF:Network Repository Function　　　　　　　　 网络存储功能
• PCF:Policy Control Function　　　　　　　　　　 策略控制功能
• UDM:Unified Data Management　　　　　　　　 通用数据管理
• AF:Application Function　　　　　　　　　　　　 应用功能
• AUSF:Authentication Server Function　　　　　　 鉴权服务功能
• AMF:Access and Mobility Management Function　 接入与移动性管理功能
• SMF:Session Management Function　　　　　　　 会话管理功能
• SCP:Service Communication Proxy　　　　　　　 服务通信代理
• UE:User Equipment　　　　　　　　　　　　　　 用户终端
• RAN:RadioAccess Network　　　　　　　　　　 无线接入网
• UPF:User Plane Function　　　　　　　　　　　 用户面功能
• DN:Data Network　　　　　　　　　　　　　　　 数据网络

  在SBA架构中，每个核心网网元的接口统一命名为“N +小写英文功能名缩写”。例如，网络切片选择功能NSSF的接口为Nnssf；5G核心网网元的服务操作名称以接口名开始，例如，Nnssf_NSSelection表示NSSF的网络切片选择操作。除了统一的服务化接口外，5G网络仍然保留了少量的参考点接口，如下：

• N1:NAS接口，用于发送NAS消息
• N2:AN与AMF之间NG接口
• N3:AN与UPF之间对接接口，采用GTP-U协议
• N4:控制面SMF和用户面UPF分离的设备接口
• N6:内部网络侧与外部网络侧协议接口，采用GTP-U协议
• N9:两个UPF之间接口，采用GTP-U协议

2.3 服务化架构带来的优点

  相对于3G/4G的参考点设计，服务化架构使5G核心网各网元的功能模块化，接口统一化，结构简单化以及去中心化。

• 功能模块化是指对网络功能进行细化，不再是一个网元集成多个功能，而是分解为独立的功能模块。各模块可以分租进行独立开发和快速迭代，使测试、发布软件能够更加地快捷、频繁和可靠。
• 接口统一化是指各网元之间的通信不再是传统通信的处理机制，即同一设备与其他不同设备间采用不同的接口，服务化架构屏蔽了同一设备与不同设备之间接口的差异，对所有设备提供统一的服务接口，来自不同网元调用统一的服务接口与该网元进行通信。
• 结构简单化是指提供服务的业务模块可以自注册、发布和发现，取消了传统设备间的耦合，简化了不同网元间的复杂联系，进而缩短了业务流程。将整个控制面功能分解为多个独立的网络服务，客户可以根据实际需求灵活选择不同网元进行切片组合，可以方便的进行扩容和缩容，有效降低了系统复杂度，节省了部署成本。
• 去中心化是指让用户面网元摆脱以往4G“中心化”的限制，既可以部署于核心网（中心数据中心），也可部署于接入网（边缘数据中心），实现分布式部署。分布式部署可以缩短用户面数据传输距离，降低传输时延，带来更好的用户体验。

3. 总结

  微服务架构是一种架构，更是一种理念，任何先进的理念都将被不同行业和领域融合升级，相互推动，如同4G带来了移动互联网时代，移动互联网的快速发展带来的万物互联需求推动了5G的发展。时至今日，5G上云已经被越来越多的讨论，把传统的单体设备的设计、开发、发布、部署、运维向云上迁移，在边缘计算，网元云部署，海量数据存储和处理等方面，云原生与5G的关系将越来越密切。