Ao capturar a sinalização de registro 5G, os engenheiros normalmente conseguem localizar sem muita dificuldade mensagens como Initial UE Message, Uplink NAS Transport e outros procedimentos NGAP. A questão mais difícil costuma estar por baixo disso: como um pacote de sinalização N2 sai do gNB, atravessa a rede de transporte e o data center e finalmente chega ao servidor que hospeda o serviço AMF? Se a AMF foi virtualizada e roda em uma VM, com qual endpoint o gNB está realmente estabelecendo sua associação SCTP? Quais são as funções do gateway PTN, do roteador de borda do data center e dos switches EOR e TOR? E, quando a sinalização falha, o diagnóstico deve começar por NGAP, SCTP, roteamento IP ou encaminhamento MAC de Camada 2?

Essas perguntas parecem pertencer a áreas diferentes da engenharia. A equipe de rádio se concentra no gNB, a equipe de core observa a AMF e o NGAP, a equipe de transporte gerencia a PTN e a equipe do data center é responsável por switches e servidores. Em um caminho N2 funcional, porém, todos esses componentes trabalham como uma única cadeia contínua. Um NAS Registration Request recebido pelo gNB não simplesmente “salta” para a AMF. Primeiro, o gNB retransmite a mensagem do lado RRC para o NGAP, encapsula-a sobre SCTP e IP, envia-a por vários nós de rede de Camada 3 e Camada 2 e, por fim, entrega-a ao ambiente de computação onde o processo AMF está em execução. O diagnóstico do roteamento N2 fica muito mais simples quando o caminho lógico de protocolos e o caminho físico da rede são analisados em conjunto, em vez de reduzir tudo a um teste do tipo “consigo dar ping na AMF?”.

O que a interface N2 realmente encaminha?

N2 é a interface de sinalização entre o gNB e a AMF. Para registro de UE, gerenciamento de mobilidade e outros procedimentos do plano de controle 5G, o UE gera mensagens NAS, enquanto o gNB executa uma função crítica de retransmissão. Ele recebe o NAS-PDU do UE, transporta-o dentro da mensagem NGAP apropriada e o envia para a AMF por N2. No sentido de downlink, ocorre o processo inverso. Portanto, para compreender a sinalização N2, é necessário separar a própria mensagem de aplicação do caminho de transporte que a carrega.

Considere um UE iniciando o registro. Primeiro, o UE envia um NAS Registration Request para o gNB pela pilha de protocolos de rádio. Nesse tipo de sinalização, o gNB não é o endpoint final da aplicação. Sua função é inserir o NAS-PDU em uma mensagem NGAP e encaminhá-lo para a AMF pela relação de transporte N2 já estabelecida. Em alto nível, no lado do UE, a mensagem passa por NAS, RRC, PDCP, RLC, MAC e L1. No gNB, a mensagem NAS é retransmitida da pilha do lado rádio para o NGAP e, em seguida, transportada sobre SCTP, IP, Camada 2 e Camada 1. Na AMF, o pacote é desencapsulado pela pilha inversa até que a mensagem NAS chegue à camada de processamento NAS.

Um equívoco comum é tratar “o gNB encaminhando NAS” como o mesmo tipo de encaminhamento realizado por um roteador IP. Eles ocorrem em camadas diferentes. Primeiro, o gNB faz uma retransmissão em nível de protocolo de NAS/RRC para NGAP e cria um novo pacote SCTP/IP do lado N2. A rede de transporte e a rede do data center não precisam entender se a carga útil contém um Registration Request ou outro procedimento NAS. A função delas é apenas mover o pacote de acordo com o roteamento IP, o endereçamento MAC e as informações de interface.

Os procedimentos NGAP também podem ser divididos em associados a UE e não associados a UE. NAS Transport e Initial Context Setup são procedimentos associados a UE, enquanto NG Setup é um procedimento de nível de nó, não associado a UE. Essa distinção é útil durante o diagnóstico. Se todos os UEs de um gNB não conseguem se comunicar com a AMF, os primeiros pontos a verificar devem ser a relação N2 no nível do nó, SCTP e o roteamento IP. Se apenas um UE for afetado, a investigação deve continuar acompanhando o contexto NGAP e NAS desse UE.

Quais nós de rede a sinalização N2 atravessa entre o gNB e a AMF?

Diagramas lógicos de arquitetura costumam mostrar N2 como uma única linha entre o gNB e a AMF. Essa representação é útil para explicar a relação da interface, mas não mostra o caminho real de rede percorrido pelo tráfego de sinalização. Em uma implantação real, um gNB raramente fica conectado diretamente a um servidor AMF por um único enlace físico. Há uma rede de transporte entre a RAN e o data center do core, enquanto roteadores, switches e redes de servidores são usados dentro do próprio data center.

Um caminho de transporte N2 simplificado pode ser representado da seguinte forma: o gNB envia o tráfego para um gateway PTN de Camada 3; o pacote atravessa a rede de transporte e chega ao roteador de borda de Camada 3 do data center; depois passa pelos switches EOR e TOR antes de chegar ao servidor que hospeda a AMF. A PTN transporta o tráfego IP do lado do gNB para o data center regional ou central. O roteador de Camada 3 na borda do data center então roteia o pacote N2 para a rede de servidores correta. Dentro do data center, os switches EOR e TOR realizam comutação de Camada 2 até que o quadro Ethernet alcance a interface do servidor que executa a carga de trabalho da AMF.

Em um core 5G baseado em nuvem, a pergunta “em qual equipamento está a AMF?” não pode ser respondida apenas em termos de servidor físico. A AMF pode rodar como uma função de rede virtualizada em um nó de computação de uso geral, e o mesmo servidor físico também pode hospedar máquinas virtuais OAM, outras funções de rede ou várias instâncias de serviço. Por exemplo, uma VM pode executar o serviço AMF responsável pelo processamento de NAS, NGAP e SCTP. Do ponto de vista do gNB, porém, a informação importante é o endpoint IP do serviço N2 exposto pela AMF, e não a identificação do servidor físico no rack.

Isso significa que o diagnóstico de N2 envolve pelo menos três conceitos diferentes de localização. A localização física identifica o rack e o host físico onde a carga de trabalho é executada. A localização lógica identifica a VM ou instância de serviço que hospeda a AMF. A localização de rede é o endereço IP N2 da AMF usado pelo gNB ao estabelecer a associação SCTP. É perfeitamente possível que o servidor físico, a VM e o processo AMF pareçam saudáveis e, ainda assim, N2 permaneça inacessível porque a VLAN, o gateway padrão, a rota IP, a porta do switch ou a camada de comutação virtual não entrega corretamente o tráfego a esse endereço N2.

Qual é a diferença entre roteamento e encaminhamento no caminho N2?

Entregar um pacote de sinalização N2 à AMF envolve mais do que simplesmente ter uma tabela de roteamento. Do ponto de vista do processamento de rede, é importante distinguir roteamento de encaminhamento. O roteamento normalmente é uma função de Camada 3. Quando um dispositivo recebe um pacote IP, ele procura o endereço IP de destino na tabela de roteamento, determina a interface de saída e seleciona o próximo salto apropriado. Ao longo do caminho N2, o gNB, o gateway PTN de Camada 3 e o roteador de borda do data center precisam das informações de roteamento IP correspondentes. Essas rotas podem ser configuradas estaticamente ou aprendidas por meio de um protocolo de roteamento dinâmico.

Considere que o endereço de origem N2 do gNB seja A e o endereço N2 da AMF seja B. O gNB não precisa saber em qual rack físico de servidores B está localizado. Ele só precisa saber qual gateway de próximo salto deve receber os pacotes destinados à sub-rede que contém B. Os dispositivos de Camada 3 da PTN tomam a mesma decisão com suas próprias tabelas de roteamento até que o pacote entre na rede do data center que contém a AMF.

O roteamento determina para onde o pacote deve seguir, mas ele ainda precisa ser transmitido pelo enlace físico atual. Se Ethernet for usado, o dispositivo adiciona um cabeçalho de quadro Ethernet contendo os endereços MAC de origem e destino. O switch então encaminha o quadro de acordo com sua tabela de endereços MAC. Como resultado, o cabeçalho externo de Camada 2 do mesmo pacote IP N2 pode mudar ao atravessar diferentes saltos de Camada 3. A camada IP continua representando a relação fim a fim entre o gNB e a AMF, enquanto os endereços MAC são relevantes apenas para o segmento de Camada 2 atual.

Dentro do data center, os switches EOR e TOR realizam principalmente comutação de Camada 2. Depois que o roteador de Camada 3 do data center entrega o pacote N2 ao domínio correto de Camada 2 do lado do servidor, os switches EOR e TOR usam suas tabelas MAC para mover o quadro em direção à porta do servidor de destino. Essa distinção é importante na análise de pacotes. Endereços MAC diferentes em pontos de captura distintos não significam que o pacote mudou de destino final, e endereços IP de origem e destino inalterados não significam que o pacote trafegou diretamente entre os dois endpoints sem atravessar dispositivos intermediários.

Por que a associação SCTP é a fronteira-chave no diagnóstico de N2?

NGAP não roda diretamente sobre IP; ele roda sobre SCTP. Portanto, um caminho N2 utilizável exige primeiro conectividade IP e, em seguida, o estabelecimento bem-sucedido da associação SCTP. Isso cria uma dependência clara para o diagnóstico: se o roteamento IP estiver quebrado, SCTP não poderá ser estabelecido; sem SCTP, NGAP não poderá operar; e sem NGAP, a sinalização NAS não poderá ser retransmitida corretamente.

O contrário, porém, não é necessariamente verdadeiro. Conseguir dar ping na AMF demonstra apenas algum nível de conectividade IP. Isso não comprova que o serviço SCTP necessário esteja acessível, que a associação SCTP possa ser estabelecida, que os parâmetros NGAP estejam corretos ou que o processo de aplicação da AMF esteja funcionando normalmente.

• Primeiro, verifique o caminho IP. Confira o endereço N2 do gNB, a máscara de sub-rede, o gateway padrão e a rota até o endereço N2 da AMF. Em seguida, confirme que o gateway PTN e os dispositivos de Camada 3 do data center possuem tanto a rota de ida quanto a rota de retorno. A rota de retorno é especialmente fácil de esquecer. Um pacote saindo do gNB pode chegar corretamente à AMF enquanto a AMF ainda não possui uma rota válida de volta para a sub-rede do gNB. Como N2 é uma interface de sinalização bidirecional, os dois sentidos precisam funcionar.

• Segundo, confirme que SCTP realmente foi estabelecido. Depois de confirmar a conectividade IP, verifique se o gNB e a AMF concluem o procedimento de associação SCTP e entram no estado Established. Se a associação nunca for estabelecida, examine as portas da camada de transporte, os vínculos de IP locais, ACLs, firewalls e quaisquer políticas de segurança aplicadas ao longo do caminho. Data centers reais também podem incluir IDS/IPS, balanceadores de carga, componentes SDN ou outros sistemas de segurança e controle de tráfego que podem afetar SCTP mesmo quando não aparecem nos diagramas simplificados de arquitetura.

• Terceiro, avance para NGAP e NAS. NG Setup, Initial UE Message e NAS Transport só devem ser analisados depois que a associação SCTP estiver estável. Se SCTP funciona, mas NG Setup falha, o problema está acima da camada de transporte IP, na lógica de aplicação ou configuração N2. Se NG Setup é bem-sucedido, mas a sinalização de registro de um UE específico não chega à AMF, continue rastreando Initial UE Message, os valores UE-NGAP-ID e o NAS-PDU. Essa abordagem em camadas evita um erro comum: iniciar o diagnóstico de NAS antes de confirmar que a mensagem NAS realmente atravessou a interface N2.

Como uma captura de pacotes pode reconstruir todo o caminho de sinalização N2?

O verdadeiro valor de compreender o roteamento N2 aparece durante a captura de pacotes e o isolamento de falhas. Ao diagnosticar um caso em que a sinalização entre o gNB e a AMF está falhando, o caminho deve ser verificado das camadas de transporte para cima. O local da captura é importante. Uma captura no lado do gNB confirma se a sinalização realmente sai da estação rádio base. Uma captura próxima à PTN ou à borda do data center ajuda a determinar se o pacote entra na região do core. Uma captura no lado do servidor mostra se o pacote N2 chega fisicamente ao host que executa a carga de trabalho AMF. Se a captura do lado do gNB mostra pacotes SCTP INIT sendo transmitidos enquanto o host AMF nunca os vê, a falha quase certamente está na rede intermediária, e não na lógica de aplicação NGAP.

Após capturar o pacote, verifique se os endereços IP de origem e destino correspondem ao projeto esperado. Se a AMF foi migrada, expandida ou movida para uma nova VM enquanto o gNB ainda aponta para um endereço N2 antigo, a sinalização pode seguir pelo caminho errado mesmo que a configuração NGAP pareça não ter mudado. Em seguida, inspecione a rota salto a salto pelos dispositivos de Camada 3. No gNB, gateway PTN e roteador do data center, verifique a rota para a sub-rede da AMF, incluindo interface de saída, próximo salto e caminho de retorno. Se for usado roteamento dinâmico, confirme que a rota foi realmente aprendida e instalada na tabela de encaminhamento, em vez de apenas verificar se o protocolo de roteamento está habilitado na configuração.

Quando o pacote chega à borda de Camada 3 do data center mas ainda não alcança o servidor AMF, o foco do diagnóstico passa do roteamento IP para o encaminhamento de Camada 2. Verifique a associação de VLAN nos switches EOR e TOR, o aprendizado de endereços MAC, o estado das portas voltadas ao servidor e se o servidor ou a camada de comutação virtual está conectado à rede de serviço correta. Por fim, correlacione os achados de rede com o estado SCTP. Se o caminho IP bidirecional estiver saudável, mas SCTP ainda não puder ser estabelecido, investigue o tratamento das portas SCTP, o vínculo de IP e o próprio processo AMF. Depois que SCTP estiver estabelecido, a análise de NGAP e NAS pode prosseguir com uma fronteira de falha muito mais clara.

Visto de ponta a ponta, o “roteamento da sinalização N2” é formado por dois processos diferentes, mas contínuos. O primeiro ocorre dentro do gNB. Uma mensagem NAS chega do UE pelo lado rádio, é retransmitida para uma mensagem NGAP e depois encapsulada sobre SCTP e IP para poder ser transportada pela rede N2.

O segundo processo ocorre dentro da rede de transporte e do data center. Esses dispositivos de rede não precisam saber se a carga útil contém um Registration Request ou um procedimento Initial Context Setup. Eles utilizam roteamento IP de Camada 3 e encaminhamento MAC de Camada 2 para mover o pacote salto a salto até o ambiente de computação que executa o serviço AMF.

Na prática de engenharia, a maneira mais eficaz de diagnosticar N2 é manter uma visão fim a fim:

UE NAS → retransmissão do gNB → NGAP → SCTP → roteamento IP → encaminhamento de Camada 2 → servidor AMF → processo AMF

Depois que essa cadeia é seguida camada por camada, muitos problemas que inicialmente parecem “falhas de registro”, “N2 inacessível” ou “falhas de associação SCTP” complexas podem ser reduzidos a uma pergunta bem mais específica: em qual camada e em qual salto o pacote parou?

Perguntas frequentes

A sinalização N2 passa pela UPF?

Na arquitetura 5G normal, o caminho do plano de controle N2 não depende da UPF. N2 conecta o gNB e a AMF, enquanto a UPF participa principalmente do caminho do plano de usuário. Quando N2 está inacessível, o diagnóstico deve se concentrar no caminho de transporte do plano de controle entre o gNB e a AMF, em vez de começar pelo túnel do plano de usuário N3.

Por que os endereços MAC mudam ao capturar o mesmo pacote N2 em pontos diferentes?

Os endereços MAC pertencem ao segmento atual de Camada 2. Depois que um pacote atravessa um dispositivo de roteamento de Camada 3, ele é encapsulado com um novo cabeçalho de Camada 2 para o próximo enlace. Portanto, os endereços MAC de origem e destino podem mudar de salto em salto, mesmo que os endereços IP fim a fim do gNB e da AMF continuem associados ao mesmo fluxo de comunicação N2.

Por que SCTP ainda pode falhar mesmo que o gNB consiga dar ping na AMF?

Ping verifica principalmente a conectividade IP baseada em ICMP. SCTP também depende do tratamento das portas de transporte, do vínculo de IP local, de ACLs, firewalls, políticas de segurança e do processo de aplicação da AMF. Portanto, a conectividade IP é apenas um pré-requisito para a comunicação N2 e não garante que SCTP ou NGAP estejam funcionando corretamente.

Se a AMF estiver rodando em uma máquina virtual, o gNB precisa saber a localização física do servidor?

Não. O gNB estabelece a conexão N2 usando o endereço IP do serviço N2 da AMF, e não a localização física do servidor. O host físico, o switch virtual, o mapeamento da VM e a topologia interna do data center são detalhes de implementação, mas ainda precisam entregar os pacotes destinados ao endpoint N2 da AMF à instância de serviço correta.

Por que é necessário verificar tanto as rotas de ida quanto as de retorno em problemas de N2?

NGAP e SCTP são bidirecionais. Mesmo que os pacotes do gNB consigam chegar à AMF, o handshake SCTP e os procedimentos NGAP subsequentes continuarão falhando se a AMF não tiver uma rota válida de volta para a sub-rede do gNB. Portanto, conectividade em um único sentido não é suficiente para provar que o caminho N2 está completo.