Quando os engenheiros entram em contato pela primeira vez com as interfaces do núcleo 5G, é comum começar memorizando tudo de N1 a N50: as funções de rede nas duas extremidades, o protocolo utilizado e o equivalente mais próximo em 4G. Essa abordagem pode ajudar no início, mas rapidamente se mostra insuficiente durante a implantação, a análise de sinalização e a solução de problemas. Na prática, as perguntas mais úteis são: esta interface pertence ao acesso, ao gerenciamento de sessão, ao controle de políticas ou ao plano de usuário? Ela transporta NAS, GTP-U, PFCP ou um serviço SBI? E, quando ocorre um problema, qual caminho de controle deve ser seguido em seguida?

Essa também é uma das diferenças arquitetônicas mais importantes entre 5GC e EPC. O 5G não simplesmente renomeia interfaces como S1, S11, Gx e S6a. Em vez disso, mantém diversos pontos de referência e introduz a arquitetura baseada em serviços, ou SBA, permitindo que funções de rede do plano de controle interajam por chamadas de serviço. Por esse motivo, as interfaces 5GC são melhor analisadas tanto pela perspectiva dos pontos de referência quanto pela perspectiva dos serviços SBA.

Como entender a SBA e a arquitetura de pontos de referência

Há duas maneiras úteis de visualizar o 5GC. A primeira é a arquitetura tradicional de pontos de referência, que descreve a relação lógica entre duas entidades funcionais, como N1 entre UE e AMF, N2 entre gNB e AMF, N3 entre gNB e UPF e N4 entre SMF e UPF. A segunda é a visão SBA, na qual funções do plano de controle como AMF, SMF, PCF, UDM, AUSF, NSSF, NEF e NRF são tratadas como produtoras e consumidoras de serviços.

Essas duas visões não são contraditórias. O modelo de pontos de referência é útil para rastrear caminhos de sinalização de ponta a ponta, enquanto a SBA oferece uma forma mais clara de compreender a descoberta dinâmica de funções de rede, a invocação de serviços e a expansão de serviços.

N2, por exemplo, tem uma relação de extremidades muito clara: o gNB se conecta ao AMF e usa NGAP para transportar sinalização NAS e dar suporte ao gerenciamento de conexão. N3 conecta o gNB ao UPF e transporta tráfego do plano de usuário por GTP-U. Interfaces desse tipo apresentam uma característica clara de caminho ponto a ponto.

Quando o AMF acessa UDM, AUSF ou PCF, porém, o foco muda para os serviços expostos por essas funções de rede. N8 é usado entre AMF e UDM para obter informações de assinatura relacionadas ao gerenciamento de mobilidade, N12 suporta o gerenciamento de autenticação entre AMF e AUSF, e N15 permite que o AMF obtenha políticas relacionadas à mobilidade. Essas relações refletem a migração do plano de controle 5GC de protocolos dedicados tradicionais para interações de serviço baseadas em HTTP/2.

Isso significa que, ao analisar capturas de pacotes ou diagramas de arquitetura, os engenheiros não devem tratar uma interface como N8 apenas como uma conexão física fixa. É mais importante determinar qual NF está consumindo qual serviço, como a instância de serviço foi descoberta e a qual etapa do procedimento de serviço pertence a transação HTTP/2.

Como as interfaces principais podem ser agrupadas?

Em vez de memorizar os números de interface um por um, um método mais prático é agrupá-los de acordo com a função de rede que suportam. Quando uma mensagem de sinalização aparece, os engenheiros podem primeiro identificar a categoria funcional e depois restringir a análise à interface específica.

Caminhos de acesso e plano de usuário

N1, N2 e N3 formam o grupo de interfaces mais fundamental do lado de acesso 5G. N1 opera entre UE e AMF e transporta informações de gerenciamento de mobilidade e de sessão no 5G NAS. N2 conecta gNB e AMF, usa NGAP para transportar sinalização NAS e suporta o gerenciamento de conexão. N3 conecta gNB e UPF e transporta o tráfego real do plano de usuário por GTP-U.

Dentro da rede principal, os UPFs podem continuar encaminhando tráfego de usuário por N9 usando GTP-U, enquanto o UPF se conecta à rede de dados externa, ou DN, por N6. O tráfego em N6 já não é sinalização de controle específica do 5G; trata-se de tráfego IP da camada de aplicação, como conteúdo web, imagens, vídeo e outros dados de usuário.

Portanto, se o registro do UE for bem-sucedido e a sessão PDU for estabelecida, mas o tráfego de aplicação ainda não passar, a solução de problemas normalmente deve sair do plano de controle do AMF e se concentrar em N3, no comportamento de encaminhamento do UPF, em N6 e na DN externa.

Controle de sessão e do plano de usuário

N4 é uma das interfaces de controle mais importantes do 5GC. Ela opera entre SMF e UPF e usa PFCP. O SMF gerencia o controle de sessão, enquanto o UPF realiza o encaminhamento de pacotes; por isso, N4 é usada para instalar regras de encaminhamento e controlar o comportamento do plano de usuário.

N11 conecta AMF e SMF e suporta principalmente sinalização de gerenciamento de sessão PDU. Quando um UE inicia o estabelecimento de uma sessão PDU, o AMF encaminha a solicitação de gerenciamento de sessão ao SMF para processamento adicional. Se o registro for concluído, mas o estabelecimento da sessão PDU falhar, N11 e os procedimentos subsequentes do SMF geralmente são pontos importantes de diagnóstico.

N16 suporta interações entre instâncias de SMF, incluindo procedimentos relacionados à reseleção de SMF. Em comparação com EPC, o 5GC separa as funções de controle em um número maior de NFs independentes. Responsabilidades antes concentradas em MME, SGW ou PGW são distribuídas entre funções como AMF, SMF, PCF e UDM, criando novas relações de serviço.

Políticas, autenticação e dados de assinatura

O controle de políticas é amplamente centrado no PCF. N7 conecta SMF e PCF e é usada para solicitar políticas relacionadas ao gerenciamento de sessão. N5 opera entre PCF e AF e transporta parâmetros e requisitos de serviço no nível da aplicação. N15 permite que o AMF obtenha políticas relacionadas à mobilidade.

Para dados de assinatura, N8 permite que o AMF acesse o UDM e recupere informações de assinatura de gerenciamento de mobilidade, enquanto N10 conecta SMF e UDM para obter dados de assinatura relacionados ao gerenciamento de sessão. A autenticação é ainda separada em N12 entre AMF e AUSF e N13 entre AUSF e UDM.

Essa separação é especialmente importante. No EPC, o HSS tratava grande parte das funções de dados de assinante e autenticação. No 5GC, as responsabilidades são divididas de maneira mais precisa entre UDM, AUSF e funções relacionadas de armazenamento de dados. Quando a autenticação falha, verificar apenas se os dados do assinante existem já não é suficiente. Também é necessário determinar se a falha ocorreu quando o AMF iniciou a autenticação, durante o processamento do AUSF ou quando o AUSF tentou obter as informações necessárias do UDM.

O que as interfaces de serviço avançadas tratam?

A escalabilidade do modelo de interfaces 5GC fica especialmente clara além de N1 a N16. À medida que fatiamento de rede, exposição de capacidades, análise de rede, roaming e desacoplamento de dados são introduzidos, mais interfaces são estabelecidas em torno de funções de rede independentes.

N22 conecta AMF e NSSF para seleção de fatia de rede. N34 conecta NSSF e NWDAF para que a análise de rede possa apoiar decisões relacionadas a fatias. O NWDAF também pode fornecer informações analíticas ao PCF por N23, permitindo que dados analíticos auxiliem decisões de políticas. Como resultado, o controle de políticas não precisa mais depender apenas de informações estáticas de assinatura e regras predefinidas.

A exposição de capacidades envolve principalmente o NEF. N29 opera entre SMF e NEF, enquanto N30 conecta NEF e PCF. N33 suporta a invocação de serviços entre APIs e o AF. Assim, o NEF ocupa uma posição importante entre aplicações externas e as capacidades da rede principal, oferecendo uma forma controlada de expor funções de rede a serviços do lado da aplicação.

O armazenamento de dados também é mais separado. N35 conecta UDM e UDR para armazenamento de dados de assinatura, N36 conecta PCF e UDR para armazenamento de dados de políticas, e N37 permite que o NEF acesse o UDR para dados relacionados à exposição de capacidades e aplicações. UDSF também é usado para armazenamento de dados não estruturados, apoiando a separação entre funções de computação e armazenamento.

Em cenários de roaming e entre operadoras, interfaces adicionais incluem N24 entre o PCF visitado e o PCF de origem, N27 entre o NRF visitado e o NRF de origem, N31 entre V-NSSF e H-NSSF e N32 entre V-SEPP e H-SEPP. O SEPP fornece controle de segurança nas fronteiras entre operadoras. Essas interfaces podem não aparecer com frequência em um ambiente de teste local de uma única operadora, mas tornam-se importantes ao analisar arquiteturas de roaming.

As funções de tarifação também estão migrando do modelo tradicional baseado em Diameter para interações baseadas em serviços. N28 conecta PCF e CHF para que informações relacionadas à tarifação possam apoiar decisões de regras PCC, enquanto N40 conecta SMF e CHF. N41 a N49 ficam reservadas dentro da faixa correspondente das especificações. Outra interface especializada é N50, que conecta AMF e CBCF para serviços de alerta público e avisos de desastre.

O que considerar ao mapear 5GC para EPC?

A experiência com EPC é muito útil na transição de 4G para 5G, mas a relação não deve ser tratada como uma substituição mecânica um para um. As semelhanças entre interfaces 5GC e EPC são principalmente referências funcionais, e não equivalências exatas.

Alguns mapeamentos são relativamente intuitivos. N2 pode ser comparada funcionalmente com S1-MME, enquanto N3 se assemelha a S1-U. N4 é funcionalmente semelhante a Sxa, Sxb e Sxc em uma arquitetura EPC baseada em CUPS. N7 pode ser comparada com Gx do ponto de vista de controle de políticas, enquanto N5 ajuda a explicar o papel de política de aplicação tradicionalmente associado a Rx.

Padrões de migração semelhantes também aparecem em funções de assinatura e autenticação. N8 pode ser comparada funcionalmente com parte da interação S6a entre MME e HSS. N14, que suporta gerenciamento de mobilidade entre AMFs, pode ser comparada com S10 entre MMEs, enquanto N17, para verificação de identidade do equipamento, corresponde funcionalmente à interação S13 entre MME e EIR.

No entanto, muitas interfaces 5GC não têm equivalente direto em 4G. Exemplos incluem N22 para seleção de fatia, N23 para análise de rede, N27 para descoberta de NRF entre domínios e as interfaces em torno do armazenamento de dados baseado em UDR. Essas relações foram introduzidas como resultado da arquitetura baseada em serviços e do maior desacoplamento funcional no 5GC.

Um método melhor de migração é, portanto, comparar primeiro as funções e depois os mecanismos de sinalização, em vez de forçar cada interface N a corresponder a uma interface S ou a um ponto de referência Diameter. A evolução dos protocolos é especialmente significativa: a sinalização do plano de controle EPC dependia fortemente de Diameter e GTPv2, enquanto muitas interações do plano de controle 5GC agora utilizam serviços SBI baseados em HTTP/2.

Uma abordagem prática para analisar interfaces 5GC

Na análise real de sinalização 5GC, muitas vezes é mais eficaz trabalhar de trás para frente a partir do sintoma do serviço do que avançar a partir de um número de interface. Se o UE não consegue se registrar, comece por N1, N2 e pelos procedimentos subsequentes de autenticação do AMF e de dados do assinante. Se o registro for bem-sucedido, mas a sessão PDU falhar, continue com N11, SMF, N7, N10 e N4. Se a sessão PDU for estabelecida, mas o tráfego de usuário não alcançar a rede de dados, mude o foco para N3, encaminhamento do UPF e N6.

Para problemas relacionados a políticas, continue com N7 e a cadeia de sinalização relacionada ao PCF. Para problemas de seleção de fatia, concentre-se em N22 entre AMF e NSSF. Para exposição de capacidades ou requisitos de políticas orientados por aplicações, estenda a análise às interfaces relacionadas a NEF, AF e PCF. Depois que um mapeamento de quatro camadas “etapa do serviço — função de rede — interface — protocolo” é estabelecido, as dezenas de interfaces N ficam muito mais fáceis de interpretar.

Do estudo da arquitetura à solução de problemas em redes em produção, a parte mais importante da análise das interfaces 5GC é compreender a relação entre as funções. A camada de acesso leva o UE ao núcleo da rede, o gerenciamento de sessão estabelece a PDU Session, os serviços de políticas e assinatura determinam como essa sessão deve ser tratada, o plano de usuário transporta o tráfego real de aplicações e a SBA permite que as funções do plano de controle cooperem por interações baseadas em serviços. Compreender essa lógica de ponta a ponta oferece mais valor de engenharia do que simplesmente memorizar uma tabela completa de interfaces.

Perguntas frequentes

Um número de interface N mais alto significa uma função mais nova?

Não. Os números de interfaces N são usados para identificar pontos de referência lógicos e não indicam geração tecnológica, importância ou ordem cronológica. N1, N2 e N3 estão entre as interfaces 5GC mais fundamentais, enquanto números mais altos incluem tanto relações funcionais mais novas quanto pontos de referência reservados.

Todas as interfaces do plano de controle 5GC usam HTTP/2?

Não. Muitas interações do plano de controle relacionadas à SBA usam HTTP/2, mas o 5GC inclui vários outros protocolos. N2 usa NGAP, N3 e N9 usam GTP-U, N4 usa PFCP, e a comunicação entre UE e AMF também envolve 5G NAS. Portanto, a solução de problemas deve começar pela identificação do tipo de interface antes de escolher o método de análise de protocolo apropriado.

Por que o nome da interface N às vezes não aparece nas capturas de pacotes?

Os nomes das interfaces N representam pontos de referência lógicos na arquitetura. As capturas de pacotes normalmente mostram o protocolo real, como HTTP/2, NGAP, PFCP ou GTP-U, junto com os endereços IP das funções de rede em comunicação. Assim, a interface N lógica deve ser identificada a partir das funções das duas NFs e do procedimento de serviço em análise.

Uma rede de teste 5GC precisa implantar todas as interfaces definidas?

Não. As interfaces que realmente aparecem dependem da escala da rede, dos serviços habilitados e de o ambiente suportar recursos como roaming, fatiamento de rede, exposição de capacidades, análise de rede ou serviços de alerta público. O registro básico e a conectividade de dados usam apenas uma parte de toda a estrutura de interfaces 5GC.