Open5GCore简介

调研5G相关的东西时了解到了一个5G核心网的测试平台，名为open5GCore，颇有趣味，于是在这里进行简要的整理和概括，感兴趣的读者也可以前往其官网 http://www.open5gcore.org/ 做进一步了解。

一．Open5GCore是什么

Open5GCore是下一代移动核心网的测试平台，是一个集成了核心网（core network）、无线接入网（radio network）、分布式管理（distributed management）和虚拟化（virtualization）的软件工具包，可以用来辅助5G系统中各个模块的研究和开发。Open5GCore是对5G系统的源码实现，主要关注核心网的5G未来演进功能。是各公司开发5G核心网产品的一个基础，同时也是研发的一个测试验证平台。

Open5GCore目前由一家名为Fraunhofer Fokus的公司运营，该公司在2013年前在运营一个名为OpenEPC的项目。OpenEPC是一个覆盖了3GPP Release 12的核心网功能的商业软件，Open5GCore的软件工具包架构是在OpenEPC的结构基础（基于3GPP Rel的小尺寸功能性LTE / EPC核心网络）上增加了5G的要素，强化了NFV/SDN，并提供了一个用于评估的BenchMarking模块，这几个增进的要素都在图1所示的Open5GCore宏观架构和图2所示的基本核心网功能架构上有所体现。

二．Open5GCore基本核心网架构及功能

Open5GCore主要关注核心网的5G未来演进功能，所以这一小节主要介绍Open5GCore的基本核心网架构及功能。Open5GCore基于OpenFlow 1.4的控制数据路径分割进一步扩展，能够与真正的LTE蜂窝集成，并使用现成的LTE设备执行概念验证演示。另外，Open5GCore支持按需WiFi作为可信任的非3GPP接入网络。图二所示是Open5GCore的基本核心网的功能架构。

Open5GCore基本核心网包含以下功能：

• 具有WIFI功能的模拟eNB（eNB emulation with WiFi）：我们知道在实际情况下，一个物理基站与终端之间的通信，首先，基站需要有LTE认证，其次，移动终端需要有SIM卡。模拟eNB是物理eNBs的一个替代方案，用于在没有LTE认证的情况下运行测试台。可以通过利用附加的LTE/5G信令包来实现模拟eNB。
• 使用OpenFlow 1.4实现控制-数据平面分离的SGW和PGW，包含GTP支持扩展的OpenFlow交换机
• HSS：基于OpenEPC Rel. 2 - Rel. 5 HSS
• UE移动性管理：基于 3GPP EPC Rel. 11 ，OpenEPC Rel. 5实现了MME，支持Linux操作系统和安卓操作系统，并且基于OpenEPC Rel.5实现了对接入网络的选择控制。
• 对WIFI的最基本的支持，包含一个简化形式的受信赖的无线接入网关（TWAG）和一个AAA服务器。

三．Open5GCore的特性

1. 5G无线增强功能：

Open5GCore为当前的LTE-Uu接口实现完整的无线信令协议栈，目的是将物理无线研究领域与核心网桥接。通过进一步的调整，LTE/5G信令构成了进一步研究RAN领域以及对前向和回程（fronthaul and backhaul）、RAN和核心网之间适当边界定义的基础。图3所示是Open5GCore实现的无线信令协议栈。

Open5GCore内的LTE/5G信令包括以下新协议和功能特性：

• 非接入层（Non-Access Stratum, NAS）（UE端）：包括具有简化的EMM状态机（目前不支持专用承载，MAPCON等）的完整协议。
• 无线资源控制（Radio Resource Control, RRC）：具有扩展状态机的完整的协议实现，支持附件，拆卸和切换。
• 数据包聚合协议（Packet Data Convergence Protocol, PDCP）：基本的PDUs支持。完整性、标记以及头部压缩等功能都可以根据需要轻松添加。
• 无线链路控制（Radio Link Control, RLC）：支持透明和未认证模式，以及部分认证模式。

另外，实现了以下由LTE/5G信令向物理层PHY的附加功能：

• MAC模拟：实现了包含信道分配在内的协议；
• 支持小型论坛API(Small Cell Forum API)到PHY；
• 使用MAC模拟和基于以太网的PHY的最小调度器；
• 基于以太网的PHY模拟。

传统EPC核心网支持的附加协议（直接从OpenEPC Rel.5上移植而来）：

• 非接入层（MME侧）：包括用于UE的会话和移动性状态机。
• S1-AP协议：包含最具代表性功能的简化状态机实现的协议的实现。
• SCTP：基本协议实现，目前无需做进一步的扩展。
• GTP-U协议：自从OpenEPC Rel.3之后就一直在使用。

2．功能共址（Functionality Co-location）：

Open5GCore包含一组模块，通过在软件层面上融合特定网络位置相关的可用功能，实现了控制和数据路径功能的共址。

具体来说，Open5GCore包括以下模块，这些模块可以做到使不同的网络功能在单个运行的软件实例中共址：

• Diameter内部交换模块：使二进制信息进程之间的转发不需要对Diameter消息进行编码/解码，并通过网络进行传输。它可以实现：

a)通过压缩S6a接口，实现MME和HSS的共址；

b)通过压缩SWx接口，实现AAA服务器和HSS的共址；

c)通过压缩STa接口，实现TWAG和AAA服务器的共址。

• GTP内部交换模块：两个实体位于同一位置时，可以在GTP消息的进程之间进行转发，而无需对GTP消息进行编码/解码。
• 概念协同验证控制实体（CTRL）：包括3GPP EPC MME，SGW（仅控制部分）和PGW（仅控制部分）的功能；
• 另外，可以使用分布式数据库后端将HSS添加到CTRL实体。

3. 运行时灵活性和鲁棒性：

Open5Gcore包括基本的运行时灵活性功能，这使得可以在运行时负载平衡，用户分配和5G系统接口特有的高可用性等功能方面进行进一步开发。

Open5GCore Rel.1包含以下基于5G架构开发的新算法，这些算法可以保证Open5GCore在运行时的灵活性。

• Diameter负载平衡功能 – 该功能可以充当独立的Diameter路由器代理（DRA），或者它可以与Diameter接口的始发组件共址
• 用于GTP和Diameter接口的内部和/或远程网络功能选择，使得能够基于非标准化的准则（例如用户的身份和存档）、下一个实体的位置和负载、故障或网络管理操作进行下一个实体的运行选择。

4. 数据路径灵活性：

Open5GCore从3GPP架构出发，提出了基于OpenFlow 1.4接口的控制-数据平面拆分，从而使数据路径的灵活性更高。

除了数据-控制平面的划分，Open5GCore还包含以下一些额外功能：

• 支持最短基础设施数据路径：对于特定用户、APN和数据流，Open5GCore基站可以拦截数据流并将其直接发送给目标用户，当然这前提必须是在此情景下两个UE都与同一个基站相连。在UE由于需要切换而改变所连接的基站的情况下，最短数据路径是无法保证的，因此默认使用EPC数据路径，该扩展也是5G/LTE基站的一部分。
• 单交换数据路径：位于SGW-U和PGW-U的功能被集成在一个单个的交换机中，SGW-C被修改为用作GTP隧道建立的背靠背代理（back-to-back agent），通过这种方式可以消除在数据路径上对SGW-U的需求。
• 支持使用多个PGW-U交换机来实现：负载均衡（这些交换机位于核心网络的情况下）、分流（在其中一个交换机距离UE很近的情况下）、数据路径分布和分布式移动性管理支持（交换机位于网络中不同运营商位置的情况下）。

5. 基准测试工具：

Open5GCore有自己的基准测试工具（benchmarking tool），用于对核心网络进行定量的端到端评估。由于5G架构尚未解决，因此在实际测试环境中对不同替代方案进行评估的需求非常迫切，并且该测试环境应该具有足够的灵活性，可以通过预标准程序轻松扩展。基准测试工具模拟LTE-Uu接口，同时支持基于3GPP标准的S1-MME和S1-U接口，从而能够评估核心网络的能力。根据需求，基准测试工具还可以支持基于Open5GCore LTE/5G信令的LTE-Uu接口。图6是Open5GCore基准测试工具和环境示例图。

Open5GCore基准测试工具和环境包含几个功能特点：

• 灵活和直观的eNB拓扑配置（比如小区和其相邻小区的列表），就好像能从核心网的视角上可见一样。
• 灵活的用户移动性和负载模式，这些模式从网络角度来看也是可视的，例如基于用户数目的移动性和非个体用户模式
• 支持x1000个模拟用户
• 支持在不同进程中运行的x10个eNB（数量很大程度上取决于基准测试工具的基准计算能力）
• 基于RAN拓扑配置和被测体系结构的实现架构，支持S1-MME和S1-U接口
• 支持附件，拆卸和主动切换程序
• 基准工具中的监控：成功率，程序延迟；
• 监控被测系统：用于计算和存储资源消耗，弹性，故障等

四．Open5GCore的部署

Open5GCore可以被部署在VMWare上，也可以被部署在OpenStack环境中。

在Openstack环境中部署时，OpenSDNCore为Open5GCore的部署提供NFV管理和编排，以及提供当下一些能够实现网络虚拟化的SDN应用。

为了支持大规模接入装置，Open5GCore还整合了OpenMTC工具包。除了其特定的M2M信息交换特性，OpenMTC还包含一个综合的装置和接入管理基础架构，能够实现大量装置的远程接入控制，这对于未来5G在大规模装置和应用接入领域的研究具有很大的意义。