Introdução ao 5G Core
O Core é a estrutura responsável por gerenciar os recursos de rede e as conexões dos usuários, como autenticação, QoS, segurança, roteamento, encaminhamento de pacotes, mobilidade, interceptação legal e outros. Juntamente com a interface de acesso via rádio, Radio Access Network (RAN), compõe a rede móvel de telecomunicações.
No 5G, o Core foi concebido tendo-se como foco uma arquitetura baseada em serviços, ou seja, uma estrutura flexível em que suas funcionalidades são divididas em nós ligados a um barramento comum que interagem entre si de forma independente. Essa abordagem permite a utilização de recursos em nuvem, de orquestração e de edge computing para escalonar a rede e adaptá-la continuamente a variações na carga de processamento, atingindo-se, assim, maior eficiência e estabilidade.
Para comunicação entre os nodos, chamados de Network Functions (NFs), a 3GPP definiu uma API (Application Programming Interface) que funciona sobre o protocolo HTTP (Hypertext Transfer Protocol) e que segue o modelo REST (Representational State Transfer). O modelo REST, proposto em 2000, conta com amplo suporte nas linguagens de programação e é muito empregado na Web, onde muitas empresas disponibilizam uma API em REST para interação com seus produtos.
As funções de rede essenciais do Core 5G (mostradas na Figura 1) são: AMF, UDM (Unified Data Management), AUSF (Authentication Server Function), UDR (Unified Data Repository), SMF (Session Management Function), NRF (Network Repository Function) e UPF. São elas que gerenciam a autenticação, estabelecimento de sessão, roteamento, interface com a rede de rádio, interface com o equipamento do usuário (UE), mobilidade, estabelecimento de túnel com a rede de dados ou Data Network (DN), entre outras funcionalidades. No entanto, há ainda funções de rede adicionais que estendem as capacidades do Core (mostradas na Figura 2), como a PCF (Policy Control Function), NSSF (Network Slice Selection Function), N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function), AF (Application Function), NEF (Network Exposure Function), SMSF (Short Message Service Function), LMF (Location Management Function) e outras.
Figura 1 – Elementos essenciais de uma rede 5G [2].
Figura 2 – Funções de rede de um Core 5G [2].
O conjunto de protocolos NAS (Non Access Stratum), composto por 5GMM (5GS Mobility Management) e 5GSM (5GS Session Management), intermedia a conexão entre o UE e o Core. Para as mensagens de controle entre UE e AMF, destinadas ao gerenciamento do registro de dispositivos, mobilidade e segurança, o protocolo 5GMM é utilizado, enquanto que para as mensagens entre UE e SMF, como as destinadas ao gerenciamento das sessões PDUs (Protocol Data Unit), utiliza-se o protocolo 5GSM.
As próximas subseções descrevem as principais função de rede do Core 5G.
AMF
O AMF (Access and Mobility Management Function) é responsável por estabelecer a conexão com a RAN, através da interface N2, e com o UE, através da interface N1. O AMF gerencia o registro, autenticação e mobilidade do UE, além de gerenciar a encriptação e integridade das mensagens NAS. Também, retransmite as mensagens de gerenciamento de sessão, Session Management (SM), entre UE e SMF, as mensagens SMS (Short Message Service) entre UE e SMSF, as mensagens dos serviços de localização entre UE e LMF e entre RAN e LMF e as mensagens de política entre UE e PCF. Por fim, conta ainda com suporte para entrega de mensagens de aviso públicas, Public Warning System (PWS), e interface para interceptação legal, Lawful Interceptation (LI). Ressalta-se que um determinado UE só poderá ser servido por um AMF em um instante de tempo. A Figura 3 ilustra as interfaces utilizadas pelo AMF para interação com as demais funções de rede.
Figura 3 – Interfaces de rede utilizadas pelo AMF [2].
SMF
O SMF (Session Management Function) estabelece e gerencia a conexão entre o UE e a rede de dados (DN). Para isso, ele seleciona o UPF de acordo com os requisitos da conexão e estabelece uma sessão PDU (Protocol Data Unit) entre o acesso e o UPF ou entre UPFs quando necessário. A interface de comunicação entre SMF e UPF é chamada de N4. O protocolo PFCP (Packet Forwarding Control Protocol), desenvolvido para o 4G e evoluído para o 5G, é utilizado na camada de aplicação da interface N4 e atua em cima do protocolo UDP. O estabelecimento da sessão PDU, bem como de suas características, depende dos requisitos do UE, das informações dos bancos de dados do UDM/UDR e das políticas de serviço e QoS configuradas no PCF. O SMF também pode alocar endereços IPs para as sessões PDUs e possui suporte para interface de interceptação legal (LI). A Figura 4 ilustra as interfaces utilizadas pelo SMF para interação com as demais funções de rede.
Figura 4 – Interfaces de rede utilizadas pelo SMF [3].
UPF
O UPF (User Plane Function) é a função de rede que gerencia o tráfego do usuário. Suas interfaces de rede estão expostas na Figura 5. Ele é escolhido e controlado pelo SMF, no que tange as políticas de serviço, e serve como ponte entre a rede de dados (DN) e o UE, roteando, processando e direcionando os pacotes de acordo com as regras do SMF. Desse modo, atua como ponto de ancoragem para a sessão PDU, abstraindo os eventos de mobilidade na rede e armazenando os pacotes que não podem ser entregues ao UE em um buffer para posterior encaminhamento. Pode ser disposto de forma geograficamente centralizada ou distribuída, não havendo restrições no número de UPFs servindo uma sessão PDU, conforme especificações da 3GPP. Além disso, podem ser implementados em série, encaminhando-se o tráfego com base em regras de roteamento.
O UPF é responsável, também, por coletar dados estatísticos de tráfego, gerar relatórios, aplicar QoS de acordo com a demanda da rede e replicar o tráfego para monitoramento legal.
Há uma funcionalidade no UPF chamada de Up Link Classifier (UL CL) que permite direcionar o tráfego para diferentes UPFs baseado em regras de encaminhamento fornecidas pelo SMF. O UL CL gerencia o envio dos pacotes do UE para as diferentes redes e das redes de volta para o UE, podendo ser adicionado ou removido a qualquer momento pelo SMF. A Figura 6 ilustra o funcionamento do UL CL.
Figura 5 – Interfaces de rede utilizadas pelo UPF [3].
Figura 6 – Direcionamento de tráfego através de UL CL [2].
NRF
O NRF (Network Repository Function) serve como repositório das funções de rede (NFs) disponíveis para o Core. Ele armazena as características que descrevem cada NF registrado e permite que outras NFs consultem seu banco de dados para obter o endereço, na rede, dos serviços desejados. A grande vantagem trazida pelo NRF é a não exigência de conhecimento prévio dos endereços e perfis dos elementos do Core que compõem a rede, podendo ser requisitados no momento em que uma determinada NF necessitar de um serviço de outra NF. Cada NF, ou entidade representando a NF, é responsável por registrar-se no NRF e atualizar seu status, porém, o NRF dispõe de um mecanismo keep alive que identifica elementos que não estão mais disponíveis. Mudanças na estrutura do Core ou de escalabilidade são simplesmente efetuadas através de atualizações do status da NF alterada no NRF, sem necessidade de alterar-se as configurações internas das outras NFs. Dentre as informações de perfis disponíveis no NRF, pode-se citar: tipo da NF, ID (identificação), endereço, capacidade, serviços suportados e informações de autorização.
UDM
O UDM (Unified Data Management) acessa e gerencia os dados de inscrições armazenados no UDR, envia dados relevantes para as NFs que servem o UE, como AMF e SMF, autoriza acessos e serviços, autentica usuários, gerencia identificação de usuários e oferece suporte a serviços SMS. De forma geral, o UDM fornece uma interface de acesso aos bancos de dados com informações da rede, permitindo que um usuário utilize múltiplos UDMs para transações diferentes.
UDR
O UDR (Unified Data Repository) armazena e fornece acesso de dados de inscrições para o UDM, dados de políticas para o PCF e dados estruturados para exposição para o NEF.
AUSF
O AUSF (Authentication Server Function) realiza a autenticação primária e o estabelecimento de chaves entre o UE e a rede, utilizando para isso informações do UDM. Suas interfaces com o AMF e o UDM podem ser visualizadas na Figura 7.
Figura 7 – Interfaces de rede utilizadas pelo AUSF [3].
PCF
O PCF (Policy Control Function) é responsável por armazenar e prover as políticas de serviço para as NFs. Para o SMF, as políticas fornecidas são os níveis de QoS e regras de tráfego e cobrança, as relacionadas ao estabelecimento da sessão PDU e as relacionadas ao tráfego local que podem influenciar a escolha do UPF por parte do SMF. Para o AMF, o PCF fornece as regras de acesso e mobilidade, como restrições de áreas de serviço e prioridades de acesso. Para o UE, o PCF fornece, através do AMF, políticas relacionadas ao acesso não 3GPP, políticas de escolha de fatias na rede (slicing), de escolha de redes de dados (DN), entre outras. As interfaces de rede do PCF estão expostas na Figura 8.
As políticas são determinadas considerando-se fatores como condição da rede, políticas da operadora local, requisitos de aplicativo e dados de assinatura do usuário.
Figura 8 – Interfaces de rede utilizadas pelo PCF [3].
NSSF
O NSSF (Network Slice Selection Function) é o elemento que seleciona as fatias de rede para serem utilizadas pelo UE. Tal procedimento é realizado com base no parâmetro de Single Network Slice Selection Assistance Information (S-NSSAI), que define a fatia desejada. Também, o NSSF lista os AMFs que podem servir o UE, podendo consultar o NRF para isso.
N3IWF
O N3IWF (Non-3GPP Inter Working Function) permite a integração de redes que não são parte do acesso definido pela 3GPP, como WiFi, ao Core 5G. Essa interconexão é feita através do estabelecimento de túneis IKEv2 (Internet Key Exchange) e IPsec (IP Security Protocol) entre N3IWF e UE. A Figura 9 ilustra a utilização do N3IWF para conectar uma rede não 3GPP ao Core 5G.
Figura 9 – N3IWF conectando uma rede não 3GPP ao Core 5G [2].
NWDAF
A função NWDAF (Network Data Analysis Function) é responsável por coletar dados de outras funções de rede por meio de serviços que expõem eventos dessas funções [4]. Ela também coleta dados de sistemas, operações e gerenciamento e do repositório unificado de dados (UDR). Qualquer outra função de rede ou até mesmo aplicativos externos podem teoricamente consumir os serviços oferecidos pela NWDAF [4,5]. Os principais consumidores da NWDAF são a NSSF e a PCF. Ao coletar dados, a NWDAF pode realizar análises, como resumos históricos ou estatísticos, ou previsões de valores futuros [4]. As análises realizadas pela NWDAF podem ser usadas por outras funções de rede para realizar ações específicas na rede, como modificar uma fatia específica ou modificar a qualidade de serviço (QoS) de um serviço [2,4].
Atenção: O texto acima foi extraído do TCC de Christian Mailer, intitulado Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço, disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624.
Referências:
[1] MAILER, Christian. Plataforma de CORE 5G em nuvem para disponibilização de funções de rede como serviço. 2020. 54 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/209624. Acesso em: 15 abr. 2021.
[2] ROMMER, S. et al. 5G Core Networks: Powering Digitalization. [S.l.]: Academic Press, 2019.
[3] PENTTINEN, J. 5G Explained: Security and Deployment of Advanced Mobile Communications. 1. ed. Hoboken, NJ, EUA: Wiley, 2019.
[4] ROTA, Lucas Kienen. Avaliação e validação da interoperabilidade das Redes Non3GPP com as redes 5G fim a fim (UE a UE). 2023. 88 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/248729. Acesso em: 13 jul. 2023.
[5] SILVA, Gabriel Henrique Davanço. Classificação de tráfego por classes de serviço no núcleo 5G. 2022. 80 f. TCC (Graduação) – Curso de Engenharia de Controle e Automação, Departamento de Engenharia de Controle, Automação e Computação, Universidade Federal de Santa Catarina. Campus Blumenau, Blumenau, 2022. Disponível em: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/237577. Acesso em: 26 ago. 2022.
