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深度解析 3GPP TR 21.915：5.5 One step deeper into the 5GS (Part 5 - 5GC核心网络功能与关键特性)

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好的，我们继续进行深度拆解。这是本系列的第八篇文章。在上一篇中，我们厘清了NG-RAN与5GC之间清晰的职责边界。现在，我们将再次将焦点拉回到5G核心网内部，深入探索其核心网络功能（NFs）的具体职责和它们所支撑的革命性网络特性。

深度解析 3GPP TR 21.915：5.5 One step deeper into the 5GS (Part 5 - 5GC核心网络功能与关键特性)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.915 V15.0.0 (2019-09) Release 15规范中，关于“5.5.2 Specificities of the 5G Core Network and associated NFs”的核心章节。本文旨在为读者详细解读构成5GC的“内阁成员”——关键网络功能（NFs）的详细职责，并阐明它们是如何协同工作，以实现网络切片、边缘计算等5G标志性能力的。

在之前的探索中，青年工程师小玲已经对5GC的服务化架构（SBA）和功能划分有了宏观的认识。她知道5GC是由一系列被称为NF（网络功能）的“微服务”组成的有机整体。

“李工，上次我们初步认识了AMF、SMF、UPF这几位‘内阁重臣’，”小玲翻开笔记，“但5GC这个‘中央政府’显然还有更多部门。5.5.2节似乎就要带我们去逐一拜访这些部门，并了解它们是如何协同办公，推出‘网络切片’、‘边缘计算’这些划时代政策的。我对此充满期待。”

“正是如此，”导师李工点头道，“这一节，我们将深入5GC的‘部委大楼’。我们将不仅会重温AMF、SMF、UPF的职责，还会认识NRF、NEF、UDM等更多关键角色。让我们继续以VR游戏设计师美美的体验为线索，看看这些NF是如何在幕后，为她提供无缝、智能、定制化的5G服务的。”

1. 5.5.2.1 Main NFs (主要网络功能) — 5GC的“三驾马车”

本节首先再次聚焦于AMF、SMF、UPF这三个在数据平面和控制平面上处于最核心位置的NF，并对其职责进行了更详尽的描述。

1.1 AMF (Access and Mobility management Function)：移动世界的“大管家”

The AMF (Access and Mobility management Function) support UEs with different mobility management needs. It performs the following main tasks:

  • The Non-Access Stratum (NAS) signalling termination;
  • NAS signalling security;
  • Registration Area management;
  • Support of intra-system and inter-system mobility;
  • Access Authentication & Authorization;
  • SMF selection.

李工解读道：“AMF是UE在核心网的唯一信令入口，所有来自UE的非接入层（NAS）信令都由它终结。它的职责可以概括为‘准入’和‘管理’。”

  • 准入 (Onboarding)：当美美的手机开机时，AMF像一位严格的“门卫”，负责：

    • 身份验证 (Authentication)：联合AUSF确认SIM卡的合法性。

    • 权限检查 (Authorization)：检查美美是否有权接入这个网络，是否处于漫游状态。

    • 安全协商 (Security)：建立NAS层的安全连接，保护后续信令的机密性和完整性。

  • 管理 (Management)：美美成功接入后，AMF就成了她的“贴身管家”：

    • 注册区管理 (Registration Area management)：为美美划分一个活动区域（一组TAI），只要她在这个区域内移动，就无需频繁上报位置，从而节省信令和功耗。

    • 移动性管理 (Mobility management)：当美美的位置需要更新，或者需要进行跨系统（如5G到4G）切换时，由AMF负责总协调。

    • 可达性管理 (Reachability)：当美美长时间不活动进入空闲态时，AMF会记录她的状态，并在有下行数据到达时，通过寻呼（Paging）将她唤醒。

    • SMF选择 (SMF selection)：当美美需要建立数据会话时，AMF会根据切片信息、业务类型等，为她选择一个最合适的SMF。

“AMF就像一个城市的户籍与流动人口管理中心，它不关心市民的具体工作（数据业务），只关心他们的身份、位置和流动状态。”

1.2 SMF (Session Management Function)：数据会话的“总设计师”

The SMF (Session Management Function) … performs the following main tasks:

  • Session Management;
  • UE IP address allocation and management;
  • Selection and control of UPF;
  • Configures traffic steering at UPF to route traffic to proper destination;
  • Control part of policy enforcement and QoS.

“如果说AMF管‘人’，那么SMF就管‘事’，”李工继续说道，“这里的‘事’，就是PDU会话（PDU Session）。”

当美美想启动任何数据应用（上网、游戏、通话）时，SMF就会为她“设计”一条端到端的数据管道：

  • 会话管理 (Session Management)：负责PDU会话的“生老病死”——建立、修改、释放。

  • 地址分配 (IP address allocation)：为美美的PDU会话分配一个IP地址。

  • UPF选择与控制 (Selection and control of UPF)：这是SMF最核心的权力。它可以根据业务需求（如低时延）、用户位置、网络负载等，从UPF资源池中挑选一个或多个UPF来为这个会话服务，并通过N4接口对所选UPF进行“编程”。

  • 流量路由配置 (Configures traffic steering at UPF)：SMF会告诉UPF，收到来自美美的数据包后，应该如何分类（基于QoS Flow）、如何处理（限速、计费）、以及最终转发到哪个外部数据网络（DN）。

  • 策略与QoS执行 (Policy enforcement and QoS)：SMF从PCF接收宏观的策略，并将其转化为UPF能够理解和执行的具体规则（如PDR, FAR, QER）。

“SMF就是一位网络业务的‘总建筑师’，它为每个用户的每个数据需求，都量身定制一套数据转发方案，并指挥UPF这个‘施工队’去具体执行。”

1.3 UPF (User Plane Function)：数据转发的“瑞士军刀”

The UPF (User Plane Function) performs the following main tasks:

  • Anchor point for Intra-/Inter-RAT mobility;
  • Packet routing & forwarding;
  • Packet inspection and User plane part of Policy rule enforcement;
  • QoS handling for user plane;
  • Uplink Classifier to support routing traffic flows to a data network.

李工强调：“UPF是用户数据的必经之路，它功能强大，像一把‘瑞士军刀’。”

  • 移动性锚点 (Anchor point)：在会话保持连续性（SSC Mode 2/3）的场景下，即使美美的手机切换了基站，甚至切换到了4G网络，她的IP地址可以保持不变，业务不中断。这是因为作为会话锚点的UPF没有改变。

  • 路由与转发 (Packet routing & forwarding)：UPF的核心本职工作，根据SMF下发的转发表，将数据包在基站和外部数据网络之间进行高效转发。

  • 策略执行 (Policy rule enforcement)：

    • 深度包检测 (Packet inspection)：能够识别不同应用的数据包。

    • QoS处理 (QoS handling)：对不同数据包进行限速（gating）、优先级标记（marking）、速率保障。

  • 流量上报 (Traffic usage reporting)：向SMF上报流量统计信息，用于计费。

  • 上行分类器 (Uplink Classifier)：支持将来自UE的上行流量，根据规则分流到不同的数据网络。例如，一个PDU会话可以同时访问企业内网和公共互联网。

“UPF的强大和灵活性，特别是其与SMF的彻底分离，是实现边缘计算、本地分流等5G新业务的物理基础。”

1.4 其他核心NFs：支撑体系的“幕后英雄”

除了“三驾马车”，本节还补充介绍了另外几个不可或缺的NF：

  • NRF (Network Repository Function)：5GC的“注册中心”与“服务发现中心”，所有NF都依赖它来找到彼此。

  • NEF (Network Exposure Function)：网络能力“开放门户”，允许经过授权的第三方应用（通过AF）安全地访问和调用网络内部的能力。

  • UDM (Unified Data Management)：用户的“统一数据中心”，管理用户的签约数据、认证凭证等。

2. 5.5.2.2 5GC的关键特性 — 由NFs协同实现的革命性能力

在介绍了各个NF的职责后，5.5.2.2节开始阐述，这些NF是如何协同工作，共同支撑起5G那些令人激动的关键特性的。

2.2.1 本地托管与边缘计算 (Local hosting of services and Edge Computing)

Edge computing is the possibility for an operator and/or a 3rd party to execute the services close to the UE’s access point of attachment. This reduces the end-to-end latency and the load on the transport network.

To enable this, the 5GCN selects a UPF close to the UE and executes the traffic steering from the UPF to the local Data Network via a N6 interface.

李工为小玲画出了边缘计算的实现流程：

  1. 美美在“未来科技城”启动了对时延极度敏感的云渲染应用。

  2. 应用平台（作为AF）通过NEF，向5GC（PCF/SMF）表明了这是一个低时延业务。

  3. AMF告知SMF，美美当前的位置在“未来科技城”的gNB之下。

  4. SMF在决策时，会选择一个部署在“未来科技城”边缘机房的UPF来处理该业务。

  5. SMF对这个边缘UPF进行“编程”，指示它将云渲染的数据流量，直接通过本地的N6接口，转发给同在边缘机房的应用服务器。

数据流实现了“就近处理”，不再需要长途跋涉到远端的中心数据中心，从而极大地降低了时延。

“你看，边缘计算的实现，正是**SMF（决策者）与UPF（执行者）**灵活协作的完美体现。”

2.2.2 网络切片 (Network slicing)

A network slice is a (set of) element(s) of the network specialised in the provisioning of a certain (type of) service(s).

A dedicated NF is introduced for slices handling: the “Network Slice Selection Function” (NSSF), which enables the selection of the appropriate slice(s).

网络切片的实现，则是一场更大规模的协同作战：

  1. 运营商预先定义好不同的网络切片模板，例如“eMBB切片”、“URLLC切片”。

  2. 当美美的手机开机注册时，AMF会将手机请求的切片信息（S-NSSAI）和用户签约的切片信息，发送给NSSF。

  3. NSSF作为“切片总管”，根据网络策略，决定最终允许美美接入哪些切片，并将结果返回给AMF。

  4. AMF会为美美选择一个能够服务于该切片的AMF实例。

  5. 当美美建立PDU会话时，AMF会告知SMF该会话属于哪个切片。

  6. SMF会根据切片要求，选择能够服务于该切片的UPF实例，并配置相应的QoS和策略。

“从NSSF到AMF，再到SMF和UPF，网络切片的实现，贯穿了整个核心网的控制平面和用户平面。它不再是单一网元的功能，而是整个5GC系统协同运作的结果。”

2.2.3 统一接入控制与多接入支持 (Unified access control & Support of 3GPP and non-3GPP access)

5GC设计了一个统一的框架，不仅支持3GPP接入（5G NR, E-UTRA），也支持非3GPP接入（如Wi-Fi），甚至是不受信任的非3GPP接入。

  • 统一认证：通过AUSF，无论是通过5G还是Wi-Fi接入，美美的手机都可以使用SIM卡进行统一的认证。

  • 统一标识：当美美同时通过5G和Wi-Fi接入5GC时，她在核心网中拥有一个唯一的身份标识5G-GUTI。

  • 无缝移动：5GC支持在不同接入技术之间进行无缝的会话迁移，保证业务的连续性。

3. 总结：从“功能”到“能力”的升华

通过对5.5.2节的深入学习，小玲对5GC的理解又上了一个新台阶。她认识到，5GC的先进性，不仅在于其SBA架构和NF设计，更在于这些NF协同起来，所能提供的、前所未有的网络能力。

  • AMF, SMF, UPF构成了网络的核心运作引擎。

  • NRF, NEF, UDM, AUSF, PCF, NSSF等则构成了强大的支撑与管理体系。

  • 边缘计算是SMF-UPF灵活调度的能力体现。

  • 网络切片是NSSF-AMF-SMF端到端协同的能力体现。

  • 多接入融合是AUSF-AMF-SMF统一锚定的能力体现。

“我明白了，”小玲在笔记上总结道，“5GC的强大，不在于单个NF有多复杂，而在于它们组成了一个**‘智慧的群体’**。SBA就是这个群体的沟通语言和协作规则。正是这个群体，才最终将5G从技术规范，升华为能够赋能千行百业的、真正的‘能力平台’。”

FAQ 环节

Q1：5GC中有这么多NF，是不是意味着网络变得更复杂、更难维护了？

A1：从NF的数量上看，似乎是变多了。但由于采用了SBA和云原生技术，网络的整体复杂性反而是降低了。1. 职责单一：每个NF功能内聚，更易于开发、测试和维护。2. 自动化运维：云原生架构使得网络的部署、扩缩容、故障自愈等都可以自动化完成，大大降低了人工运维的复杂度。3. 标准化接口：统一的服务化接口也使得跨厂商互通和问题定位变得更加容易。

Q2：网络切片和QoS有什么区别和联系？

A2：网络切片和QoS是两个维度、但紧密相关的概念。网络切片提供的是资源隔离和SLA保障的“宏观”框架，它定义了一个端到端的虚拟网络，具有整体的特性（如最大带宽、最大时延）。而QoS（在5G中具体体现为QoS Flow和5QI）则是在切片内部，对不同数据流进行“微观”的差异化处理的机制。例如，在一个URLLC切片中，控制信令流的QoS优先级，依然会高于普通的传感数据流。可以说，切片定义了“高速公路”的等级，而QoS则定义了公路上不同“车道”的规则。

Q3：NEF和AF是什么关系？它们是运营商的设备还是第三方应用？

A3：AF (Application Function) 是一个逻辑概念，它代表了任何需要与5G网络交互的第三方应用服务器。例如，美美公司的云渲染平台、一个车联网的服务平台，都可以被视为AF。AF通常属于第三方公司。而NEF (Network Exposure Function) 则是运营商网络内部的一个网元（NF），它扮演着“安全网关”和“API聚合器”的角色。所有来自外部AF的请求，都必须通过NEF，经过NEF的安全认证和策略控制后，才能被转发到核心网内部的其他NF（如PCF、SMF）。

Q4：为什么5GC需要一个专门的NSSF（网络切片选择功能）？这个决策不能在AMF里直接做吗？

A4：设立独立的NSSF是为了实现切片选择策略的集中管理和灵活性。网络切片的选择逻辑可能非常复杂，它需要考虑用户的签约、当前位置、网络负载、运营商策略等多种因素。将这个复杂的决策逻辑从AMF中剥离出来，放到一个专门的NSSF中，有两大好处：1. 解耦：AMF可以专注于其核心的移动性管理职能，变得更轻量。2. 集中与可编程：运营商可以在NSSF中集中配置和动态更新全网的切片策略，而无需去升级每一个AMF实例，这大大提升了策略的灵活性和部署效率。

Q5：UDM（统一数据管理）和4G的HSS有什么区别？

A5：UDM可以看作是4G HSS（归属签约用户服务器）在SBA架构下的演进。最大的区别在于数据与应用逻辑的分离。在4G，HSS既存储用户数据，也包含了处理这些数据的应用逻辑。而在5G，这种功能被进一步拆分：UDR (Unified Data Repository) 负责作为纯粹的数据库，安全地存储用户数据（包括签约数据、状态数据等）；而UDM则作为NF，包含了访问和处理这些数据的应用逻辑。这种分离，使得数据存储和应用逻辑可以独立扩展和演进，更符合云原生的设计思想。

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