更新於 2022/11/10發佈於 2022/01/02閱讀時間約 12 分鐘

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)。

(1) 5G網路架構

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:

Network Slice Selection Function (NSSF): 網路切片選擇，為UE選擇服務的AMF。
Network Exposure Function (NEF): 作為外部用戶連接的API窗口，負責將網路開放給外部網路元件。同時內部的網路元件可以透過NEF和其他網路元件公開估能和事件。
Network Repository Function (NRF): 負責網路元件的設定，註冊和註銷，使各網路元件可以互相發現，並通過API進行通信。
Policy Control Function (PCF): 負責用戶的策略管控和實施。
Unified Data Management (UDM): 用戶數據管理，存儲和管理用戶數據和設定。
Application Function (AF): 應用層功能。
Network Slice-specific and SNPN Authentication and Authorization Function (NSSAAF)
Authentication Server Function (AUSF): 認證授權功能，類似4G中的MME中的認證授權，負責對與連接該網路的3GPP系統或非3GPP系統的UE進行認證。
Access and Mobility Management Function (AMF): 訪問與移動性管理，是5G核心網路中最重要的功能。負責UE（User Equipment，用戶終端）的註冊、連接、訪問驗證授權、移動性和可達性管理，在UE和SMF（Session Management function，會話管理功能）之間提供SM（Session Management，會話管理）消息的傳輸。
Session Management Function (SMF): 管理會話建立，修改和釋放。根據自身配置或和PCF交互來制定策略，做會話選擇，控制UPF和Session and Service Continuity(SSC)模式，維護Protocol Data Unit(PDU)會話狀態，群組管理，控制和協調UPF的收費數據和流量控制等。負責UE的IP分配管理，具配DHCP，ARP代理或IPv6鄰居請求代理的功能。
Service Communication Proxy (SCP): 負責路由控制。
Network Slice Admission Control Function (NSACF)

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:

User Equipment (UE)
(Radio) Access Network ((R)AN)
User Plane Function (UPF): 類似SGW/PGW。回應SMF的請求，做為無線網路(RAN)和外部網路(DN)的互聯點，PDU會話，User Plane上的GTP-U協議的封裝和解封裝，分組路由和轉發，封包檢查，QoS對應等用戶端的處理，並收集用戶流量使用報告。
Data Network (DN): 外部資料網路(如電信商網路，Internet，或者第三方的服務)。

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:

SSC Mode1: 不管UE如何移動，當PDU Session建立後，該PDU Session會產生一個PDU Session Anchor UPF(PSA UPF)，其PSA UPF不會改變，使得IP也不會發生變化，適合對IP改變敏感的服務，如語音或視訊服務。這類似傳統4G網路的作法。
SSC Mode2: 5G網路放棄原本的PSA UPF，並且向UE要求重新建立一個PDU Session，適合IP可暫時丟棄的服務，如網頁瀏覽，Email，或VR/AR這種對頻寬有較高要求但可接受服務暫時中斷的服務。
SSC Mode3: 允許新的PSA UPF向同個DN建立PDU Session，在釋放原來的PSA UPF。適合IP可以改變，但不能容忍IP丟失的服務。這是用在像自動駕駛或物聯網這種對延遲跟可靠性有較高的要求的服務。

(2) Network Slicing

圖2. Network Slicing的範例示意圖。

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. Network Slice 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。

(3) 常見5G非漫遊情境

以下介紹三種非漫遊架構的使用情境:

圖4. 基本使用情境

圖5. 多個PDU Session連接不同DN

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. 單一PDU Session連接不同DN(以ULCL機制為範例)。

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。

參考資料