5G Network Slicing筆記

根據3GPP TS23.501，其服務導向的架構(Service-based Architecture)主要分成非漫遊參考架構(Non-roaming Reference Architecture，如圖1下半部)跟漫遊參考架構兩種，由於漫遊架構是非漫遊架構的延伸，當然和其他3GPP，Non-3GPP或者其他外部系統整合，架構上也會略作調整，這邊只是先整理最單純的非漫遊參考架構(忽然有種專有名詞殺人的感覺><)。

圖1是4G網路跟5G網路的比較，在圖1的上半部就是簡單的4G網路架構。位於其中的4G核心網路就是透過Mobility Management Entity(MME)來負責用戶的移動性管理，Serving Gateway(SGW)來做會話管理和資料的路由和轉發，Packet Data Network Gateway來負責連接到外部的網路。而Home Subscriber Server(HSS)就是儲存用戶和其訂閱相關的訊息，作為認證授權使用。在2016年的時候，3GPP把SGW和PGW分拆成控制平面（SGW-C和PGW-C）和使用者平面（SGW-U和PGW-U）兩個架構。

從圖1上下比對可以很清楚得知，HSS就演變為5G網路中的AUSF和UDM功能，MME則是演變為AMF和AUSF功能，SGW-C和PGW-C則變成SMF，SGW-U和PGW-U則變成UPF。

圖1下半部中綠色的部分就是所謂的控制平面(Control Plane)，而藍色的部分就是所謂的使用者平面(User Plane)。而Control Plane的網路功能元件分別介紹如下:

Control Plane的各網路元件間的相互作用連接點都以Nxxxx表示，舉例Nnssf就是NSSF的參考作用點。

User Plane的網路元件功能如下:

這邊要提到一個名詞-Packet Data Unit(PDU)，這是在5G網路傳送的封包格式，PDU包含IP，Ethernet，和非結構化的三種資料類型。PDU傳送的建立方式當UE有業務需求的時候，由UE主動發起一個Session，建立在UE和數據網路(DN)間一條新的數據通道。所謂的Session就是指UE使用一個IP位址跟DN進行訊息交換。UE可以在同時間對同一個DN或者多個DN建立不同的PDU Session。而多個PDU Session在通過不同的UPF時，每個PDU Session所對應的SMF可以不同。

上文中的Session and Service Continuity(SSC)模式是5G網路中為了解決不同類型的資料對於IP連續性的要求，因而定義的資料處理模式。5G網路中定義了三種模式SSC Mode1, Mode2和Mode3:

圖2就是一個常見的網路切片(Network Slicing)範例的示意圖，從圖2跟圖1的對照，就可以得知，所謂的Network Slicing就是把SMF,NRF, PCF, UPF根據各自服務的需求切割開。根據TS23.501，Network Slice是被定義包含在公共陸地移動網路(Public Land Mobile Network，PLMN)中，它包含5G核心網路(Core)和無線網路(RAN)的控制平面和使用者平面中，由一組可提供特定網路能力且需要不同資源(如計算,儲存和網路等)的網路功能元件所組成，以Single Network Slice Selection Assistance Information(S-NSSAI)作為識別。他分為Hard Slicing和Soft Slicing兩種，Hard Slicing的網路資源必須個別獨立，而Soft Slicing則可以共享網路資源。

S-NSSAI包含PLMN ID, Slice/Service Type(SST), Slice Differentiator(SD)。所謂的SST就是相關特徵服務的預期網路切片行為，SD就是補充在多個網路切片中相同SST的資訊。標準的SST標明三個5G主要的使用案例: 高頻寬需求(enhanced Mobile Broadband(eMBB)),超低延遲(Ultra Reliable Low Latency Communications(URLCC))和大規模聯網部署(Massive Machine Type Communications(mMTC))。

整個5G的Network Slices是由RAN Slices, Transport Slices, Core Slices三個部分。這邊僅先討論整個流程:

圖3是整個Network Slicing的流程，一開始UE會先送出註冊請求給AMF，請求封包包含用戶特定的NSSAI和Slice/Service Type。AMF會把該Network Slice的資訊轉給UDM做確認。UDM確認是否該UE有權限可以使用這個Slice，並且將結果告知AMF，當AMF得知該UE可以使用Network Slice，AMF會將資訊轉給NSSF來取得Slice資訊，並在AUSF授權認證通過後，將註冊成功的訊息回傳給UE，讓UE開始使用Network Slice。

以下介紹三種非漫遊架構的使用情境:

圖5是在非漫遊情境下，UE使用多個PDU Session同時接入兩個資料網路的情況。在此種情況下每個SMF控制各自的UPF。每個SMF也能以一個PDU Session控制局部的UPF或集中的UPF。

圖6是非漫遊情境下，UE使用單一個PDU Session同時接入兩個資料網路架構。為了支援到DN的可選擇路由功能以及提供SSC Mode3模式，SMF控制PDU Session的路由方式，使該PDU Session同時有多個UPF連接到DN。而對於類型為IPv4, IPv6,IPv4v6或Ethernet的PDU Session，SMF會在該PDU Session的資料傳輸路徑中插入一個上行分類器(Uplink Classifier(ULCL)，圖五深藍色部分)。ULCL的作用就是將類似路由表，將滿足其過濾規則的封包轉發到指定路徑，將所收到的上傳資料(Uplink)轉發到不同PDU Session，將所收到的下載數據(Downlink)合併到UE。ULCL的新增或移除是由SMF來管理，UE不曉得ULCL的存在。