3G→4G→5G：一张图看懂核心网演进史

3G→4G

3GPP诞生于1998年，旨在对第三代（3G）移动通信网络进行技术规范。1999年，3GPP基于2G系统发布了首版标准Release 99。在Release 99中，核心网分为电路交换域和分组交换域两部分。

电路交换域主要包括MSC（Mobile Switching Center，移动交换中心）和GMSC（ MSC Gateway，MSC网关），分别负责承载传统用户呼叫与外部基于电路的网络的接口。为了使能3G支持广泛的互联网多媒体应用，3GPP还设计了一个分组交换域来承载用户数据，其包括SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS支持节点）和GGSN（Gateway GSN，网关GSN），SGSN是负责移动性、会话管理和计费的实体，GGSN负责确保和管理与外部分组交换网络（例如Internet）的连接。

此外，EIR（Equipment Identity Register，设备标识寄存器）、HLR（Home Location Register，归属位置寄存器），和AuC（Authentication Center，鉴权中心）是电路域和分组域共享的实体，包含了每个订阅的用户设备 (UE) 的所有管理信息，还负责连接规则以及信息和数据保护。

2009年，为了更好的支持移动互联网广泛普及，以及支持更多的用户连接和数据流量，3GPP发布了4G首版标准Release 8。

Release 8提出了分组交换系统的标准，称为EPC（Evolved Packet Core，演进分组核心）。在这个新架构中，所有的服务（比如语音、数据和短信）都由IP协议驱动，这意味着传统电路交换域从核心网中消失了。

传统MSC 和 EIR 的功能被合并到MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）中，MME负责移动宽带网络的鉴权、漫游和会话管理等。HSS（Home Subscriber Server，归宿用户服务器）可以当成是3G系统的HLR和AuC的合并和演进，是存储所有网络用户信息的数据库。S-GW（Serving Gateway，服务网关）具有3G系统中的SGSN的一些功能，其在切换过程中充当移动锚点，并负责路由用户的数据包。PDN-GW（Packet Data Network Gateway，分组数据网网关）结合了GMSC 和 GGSN 的功能，其连接S-GW，也是与外部基于IP的网络的互联节点，负责数据包过滤、合法拦截和IP地址分配等。此外，PCRF（Policy and Charging Rules Function，策略与计费规则功能单元）是一个软件组件，是业务数据流和IP承载资源的策略与计费控制策略决策点。

4G核心网CUPS

为了更灵活的支持不断增长的数据流量，为了让核心网更具模块化和可扩展性，3GPP在Release 14版本中提出了一种称为CUPS的新架构，即CP（控制面）与UP（用户面）分离（Control and User Plane Separation）。在CUPS架构下，控制面和用户面可以独立扩展。基于CUPS架构，PDN-GW分离为PGW-C和PGW-U，S-GW分离为SGW-C和SGW-U。此外，TDF（Traffic Detection Function，流量检测功能）也被分拆为TDF-C和TDF-U两部分。

4G→5G

随着NFV（网络功能虚拟化）和SDN（软件定义网络）技术不断发展，以及为了支持5G端到端网络切片，进入5G时代，核心网再次发生了变革。主要体现在两个方面：一、支持全虚拟化架构，原来3G和4G中的网元实体演变为软件化的网络功能；二、除了支持传统4G核心网网元实体的演进，还引入了控制和操作网络切片的相关功能。

传统MME被分拆为三个新功能：AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性管理功能）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）、UDM（Unified Data Management，统一数据管理）。AMF负责注册、连接和可达性管理以及接入认证与鉴权。UDM和AUSF还分担了传统HSS的职责。SMF负责会话管理，并承接了传统PGW-C和 SGW-C的所有功能。UPF是PGW-U、SGW-U和TDF-U中所有功能的组合。此外，4G PCRF实体中的策略和计费规则由PCF提供。

一个网络切片至少需包含AMF、SMF、PCF、AUSF、UDM和UPF这些基本功能，同时，为了控制和操作每个切片，3GPP还提出了一些新功能：NEF（Network Exposure Function，网络开放功能），负责将网络事件和能力安全地开放给其他功能和第三方网络；NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能），负责为终端选择网络切片；UDSF（Unstructured Data Storage Function，非结构化数据存储功能），负责非结构化数据信息的存储和检索；NWDAF（Network Data Analytics Function，网络数据分析功能），切片负载分析，切片自动化；CHF（Charging Function，计费功能），在线和离线计费；NRF（Network Repository Function，网络存储库功能），提供“服务注册”，“服务授权”和“服务发现”功能；UDR（Unified Data Repository，统一数据存储库），负责用户和策略结构化数据的存储和检索；LMF（Location Management Function，位置管理功能），测量用户、下行链路和上行链路位置……

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