Service Based Architecture (SBA)

Az 5G architektúra változásokat hoz a Core Network-ben a moduláris és cloud-native megközelítéssel. Az egyik legfontosabb előrelépés az, hogy a hagyományos telekommunikációs architektúrát Service-Based Architecture (SBA) váltja, ami rugalmasabb szolgáltatásfejlesztést tesz lehetővé.

Az 5G hálózati rendszer modularitására bevezetett SBA lehetővé teszi, hogy az 5G hálózati funkciói (NF-ek) szolgáltatás alapú interfészen keresztül kommunikáljanak egymással. Az SBA lehetővé teszi az 5G Core Network NF-ek szétválasztását (disaggregation). Az SBA architektúrában mindegyik NF szolgáltatáskészletet nyújt a többi NF számára, és az NF-ek nyitott REST-alapú interfész segítségével kommunikálnak egymással, nem pedig a hagyományos telekommunikációs protokollokkal, mint például a Diameter a 4G Core Networkben.

A szolgáltatásalapú architektúrában (SBA) az 5G hálózat “Control Plane” (vezérlési sik) funkcionalitását összekapcsolt hálózati funkciók (NF-ek) készlete alkotja és mindegyik NF jogosult más NF-ek szolgáltatásaihoz való hozzáférésre.

Miért Service Based az 5G Core Network?

Az 5G Core Network számára a 3GPP szolgáltatásalapú architektúrát (SBA) dolgozott ki. A szolgáltatások a mobilhálózatok funkcióinak létrehozásához és végrehajtásához használt alapvető építőelemek. Az SBA Core Network szolgáltatásokat nyújt egymással összekapcsolt hálózati funkciók (NF) halmazaként, amelyek szolgáltatás alapú interfészen (SBI) keresztül kommunikálnak egymással. Minden NF konténerbe van zárva, és függetlenül működik, és egy SBI-n keresztül teszi ki funkcionalitását más NF-ek számára.

A 3GPP meghatározása szerint, ahol lehetséges, az architektúra elemeket olyan hálózati funkciókként kell definiálni, amelyek közös keretrendszer interfészein keresztül kínálják szolgáltatásaikat minden olyan hálózati funkciónak, amely igénybe veheti ezeket a nyújtott szolgáltatásokat.

Az olyan szolgáltatások, mint az eMBB, az ultra-megbízható alacsony késleltetésű kommunikáció (URLLC) és a masszív géptípusú kommunikáció (mMTC) szolgáltatásalapú architektúra (SBA) megvalósítását igénylik. A szolgáltatásalapú architektúra a szolgáltatásokra helyezi a hangsúlyt, a funkciók elhelyezésére és végrehajtására használt elsődleges architektúrával szemben.

Az 5G SBA és külső applikációk

Az 5G SBA lehetővé teszi harmadik féltől származó alkalmazásoknak, amelyek Application Function (AF) néven ismertek a 3GPP-ben, hogy biztonságosan kommunikáljanak az 5G NF-ekkel. Ezt egy másik NF, a Network Exposure Function (NEF), mint külső kommunikáció közvetítő funkció teszi lehetóvé. Az AF a NEF-en keresztül feliratkozik az AMF-eseményekre, az AMF értesíti a NEF-et, ha az esemény bekövetkezik, a NEF pedig értesíti az AF-et. Ez létfontosságú számos új generációs felhasználási mód lehetővé tételéhez, mint például a precíz beltéri navigáció létesitményekben, épületekben, (pl: repülőterek, vasútállomások, kórházak, bevásárlóközpontok, ipari területek stb.)

Az SBA szolgáltatásalapú architektúrában rejlő teljes potenciál kiaknázásához 5G SA (Standalone) Core Network szükséges.

Az SBA szolgáltatásai és előnyei

Az 5G SBA Network Funkciói

A 5G Core Nework Service Based Architektúra virtualizált cloud native network funkciókból áll. A legfontosabb network funkciók:

1.ábra. 5G Service Based Architecture

NF Repository Function (NRF)

Mikroszolgáltatások felhasználásával megépített hálózati funkciókkal az 5G egy szolgáltatás alapú architektúra központosított felderítési (discovery) keretrendszerrel, ami a NF Repository Function (NRF) funkciót használja. Az NRF nyilvántartást vezet az elérhető NF funkciókrál és a támogatott szolgáltatásokról. Lehetővé teszi, hogy más NF-ek előfizessenek, és értesítést kapjanak az adott típusú NF-ekból származó regisztrációkról. Az NRF szolgáltatás keresést végez a felderítési kéréseket fogadja a NF-oktől, és információkat ad meg arról, hogy mely NF-ek támogatnak bizonyos szolgáltatásokat.

Network Exposure Function (NEF)

A NEF az 5G képességek és funkciók feltárását, valamint a külső felől érkező biztonságos információ szolgáltatást teszi lehetővé.
API gateway-ként lehetővé teszi a külső felhasználóknak, például a vállalatoknak vagy partner üzemeltetőknek, hogy az általuk fejlesztett vagy használt policy-ket az 5G hálózaton belüli felhasználókon alkalmazzák, érvényesítsék. A NEF:
– Biztonságot nyújt, hogy a külső szolgáltatások vagy az alkalmazásfunkciók (AF) hozzáférjenek az 5G Core eszközökhöz.
– Proxyként vagy API csomópontként működik az 5G Core Network-ben.

Policy Control Function (PCF)

Egységes policy szabályokat biztosít a Control Plane funkciókhoz, hozzáférést ad az előfizetési információkhoz az UDR-ben. Szabálykeretet biztosít a network slicing-hez, roaming és mobilitás kezelést támogat hasonlóan a 4G hálózati PCRF-hez.

Alkalmazási funkciók (AF)

Az alkalmazásfunkció (AF) olyan alkalmazás szerverhez hasonlít, amely képes együttműködni több Control Plane NF-el. Az AF-ek különböző alkalmazás szolgáltatásokhoz létezhetnek, és tulajdonosaik lehetnek hálózat üzemeltetők vagy megbízható harmadik felek. Például egy over-the-top (OTT) alkalmazás AF-je képes befolyásolni a felhasználó forgalmának útvonalát egy külső “szélső “edge” szerver felé irányítva. A szolgáltató által megbízhatónak ítélt szolgáltatás AF-je közvetlenül hozzáférhet a hálózati funkciókhoz, míg a nem megbízható vagy harmadik féltől származó AF-ek a NEF-en keresztül férnének hozzá a hálózati funkciókhoz.

Network Slice Selection Function (NSSF)

A Network Slicing az 5G infrastruktúrák alapvető új képessége, amely nagyfokú telepítési rugalmasságot és hatékony erőforrás kihasználást biztosít különféle hálózati szolgáltatások és alkalmazások számára. A logikai végpontok közötti hálózati szelet előre meghatározott képességekkel, forgalmi jellemzőkkel és szolgáltatási szint megállapodásokkal (SLA) rendelkezik. Tartalmazza a virtuális mobilhálózat üzemeltető (MVNO) vagy előfizetői csoport igényeinek kiszolgálásához szükséges virtualizált erőforrásokat, beleértve a dedikált felhasználói User Plane Funkciót (UPF), a Session Management Funkciót (SMF) és a Policy Control Funkciót (PCF).

A felhasználói eszközöket (UE) kiszolgáló Access and Mobility Management Function (AMF) minden olyan hálózati szeletben közös, amelynek az adott UE a tagja. A hálózati szelet azonosítása az S-NSSAI (Single Network Slice Selection Assistance Information) azonosítón keresztül történik. A hálózati szelet kiválasztását az első AMF indítja el, amelyik megkapja az UE regisztrációs kérelmét, amely lekéri az engedélyezett szeleteket az egyesített adatkezelési Unified Data Management (UDM) funkcióból, majd kér egy megfelelő hálózati szeletet az NSSF-től.

Unified Data Management (UDM)

Az UDM szolgáltatásokat nyújt más SBA-funkciókhoz, például az AMF-hez, az SMF-hez és a NEF-hez. Az UDM egy “satetful” (állapottartó) üzenettároló, amely információkat tárol. Lehet azonban az UDM “stateless” (állapot nélküli) is, és akkor az információkat külső egyesített adattárban (UDR) tárolja. Az UDM az előfizetőkkel kapcsolatos információk tárolója a hitelesítési és engedélyezési folyamatokban is szerepet játsztik. A mobilhálózatok korábbi generációiban használt Home Subscriber Server (HSS) analógja.

Authentication Server Function (AUSF)

Az AUSF hitelesítési szerverként működik. Főleg az EAP hitelesítési szerverfunkcionalitást tartalmazza és a authentikációs kulcsok tárolójaként működik a kérelmező NF számára.

Access and Mobility Management Function (AMF)

Az AMF fogadja a NAS jelzéseket. NAS titkosítást és integritásvédelmet, regisztrációt
menedzsmentet, kapcsolatkezelést, mobilitást menedzsmentet, hozzáférés hitelesítést végez. Az AMF a RAN Control Plane interfész (N2) végpontja.

Session Management Function (SMF)

Session Management (session establish, modify, release), UE IP címkiosztás és kezelés,
DHCP funkciók végződése, NAS jelzésekkel kapcsolatos session management, DL adat értesítés és forgalomirányítási konfiguráció az UPF számára.

User Plane Function (UPF)

Packet rooting and forwarding, csomagellenőrzés, QoS kezelés a feladata. Külső PDU session pont a Data Network-hez (DN) való kapcsolódáshoz, és anchor pont az intra- és
inter-RAT mobilitás számára.

A hálózati funkciók (NF-ek) kommunikációja az SBA-ban

Az SBA-ban minden NF szolgáltatóként és szolgáltatás felhasználóként működik. Az összes NF a két mechanizmus egyikével kommunikál egymással:

Kérelem-válasz (Request-Response) mechanizmus: itt a felhasználó NF kéri a szolgáltató NF-t a HTTP/2 kérésen keresztüli szolgáltatásokért, és a szolgáltató NF teljesíti ezt.

Feliratkozás-értesítés (Subscribe-Notify) mechanizmus: a felhasználó NF feliratkozik a szolgáltató NF bizonyos eseményeire, és a szolgáltató NF értesíti a felhasználó NF-t, ha az adott esemény bekövetkezik.

Ez a kommunikáció mindig JavaScript Object Notation (JSON) objektumok használatával történik.

A Network Repository Function (NRF) egy önálló NF tárhelyként és belső közvetítőként működik az NF-ek között az olyan műveleteknél, mint az “NF discovery” és “NF tracking”. Például, ha a Access and Mobility Funkció (AMF) kommunikálni szeretne a Session Management Funkcióval (SMF) data session létrehozására, és bizonyos információkra van szüksége az SMF-ről (beleértve az NF típusát, FQDN/IP-címét, végpont-információit, szolgáltatásokat). Az SMF-el való kommunikáció érdekében lekérdezi ezeket az információkat az NRF-től. Az NRF a szükséges adatokkal válaszol, elősegítve a kommunikációt közöttük.

Az SBA egy “underlaying” REST-alapú állapot nélküli (stateless) tranzakciós keretrendszert biztosít a korábban állapottartó (stateful) szolgáltatásokhoz.

Stateless hálózati funkció: A “compute” erőforrás leválasztásra kerül a „storage” erőforrásról, ezáltal hardware függetlenné válik. Ez a koncepció a felhőalapú alkalmazásokból származik. Hatékonyabb hálózati erőforrás létrehozást és felhasználást tesz lehetővé. Az állapot nélküli (Stateless) NF lekéri a legfrissebb állapotot az adatbázisból (UDSF), feldolgozza a lekért kérelmet, majd frissíti az adatbázist az új állapottal.

Stateful hálózati funkció: két funkció közötti kapcsolatra vonatkozó információk megmaradnak későbbi felhasználás céljából. Egyes esetekben a kapcsolat nyitva marad, még akkor is, ha a két rendszer esetleg nem továbbít információt.

Service Based Interface (SBI)

A hálózati funkciók önállóak, függetlenek és újrafelhasználhatók. Minden hálózati funkció egy szolgáltatás alapú interfészen (SBI) keresztül teszi elérhetővé a funkcionalitását, amely egy REST interfészt alkalmaz HTTP/2 használatával. A TCP head-of-line (HOL) blokkolásával kapcsolatos problémák enyhítésére a jövőben a Quick UDP Internet Connections (QUIC) protokoll használható.

Az SBA interfészek (API-k) az Interface Definition Language (IDL) segítségével vannak meghatározva. Az interfész definíciók YAML használatával készültek, és nyelv- és platform függetlenek, csökkentve a fejlesztési időt és folyamatot. Ezeket az interfészeket a szolgáltató NF és a felhasználó NF használja a szabványos és harmonizált kommunikáció érdekében.