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第 2 章：5G 核心網 3GPP 角度總覽

在第一章裡，我們從「為什麼需要核心網路」與「4G EPC 的演進與限制」開始談起。 從這一章開始，我們會用 3GPP 的視角，來看整個 5G 系統（5GS）的設計： 標準怎麼訂、系統大致長什麼樣子、5G 裡常被提到的 SBA、接口（N1/N2/N3…）到底是什麼意思。

Important

本章的目標不是讓你背下所有編號，而是先建立一個空間感：

知道「5G 系統大致長怎樣」、「控制面跟使用者面怎麼分」，詳細的關鍵概念包含各個 NF 的實際作用之後還會再細講。

2.1 3GPP 與 5G 系統標準化概述

要理解 5G 核心網，第一步其實是搞懂：誰在訂規格？規格長什麼樣子？

2.1.1 3GPP 是什麼？

3GPP（3rd Generation Partnership Project）是一個國際性標準組織，負責制定 3G、4G、5G 相關的技術標準。 它不是一家公司，而是一個「合作平台」，成員包含設備商、營運商、晶片商、研究單位等。

在 3GPP 裡，大致可以分成三大方向的工作組：

  • SA（Service & System Aspects）

    負責「整體架構」與「服務需求」的設計。 例如：5G 系統（5GS）的整體架構、網路功能怎麼切分、有哪些接口、支援哪些服務類型等，都是在 SA 這邊討論。

  • RAN（Radio Access Network）

    專注在「無線接取技術」，也就是 NR（New Radio）的協定、訊號設計、空口相關規格。 常聽到的 38.xxx 系列（例如 38.300、38.331），就是規定 RAN 的規格書。

  • CT（Core Network & Terminals）

    負責「核心網與終端相關的協定與訊令」。 例如 UE 如何跟核心網交握、NAS/NGAP 訊令長什麼樣子，還有各種呼叫流程的細節，都在 CT 裡被定義。

Tip

可以簡單這樣記：

  • SA：決定 5G 長什麼樣子（架構與服務）
  • RAN：決定無線怎麼傳
  • CT：決定訊令怎麼走、流程怎麼跑

2.1.2 23.501 / 23.502 / 23.503 的角色

在 5G 核心網相關的文件裡，最常被提到的三個 TS（Technical Specification）是：

  • TS 23.501 - 系統架構（System Architecture）

    這份文件主要在定義「5G 系統整體架構」，包括：

    • 有哪些網路功能（NF），例如 AMF、SMF、UPF 等
    • 它們之間有哪些接口（N1、N2、N3、N4、N6、Nn…）
    • 不同服務場景（eMBB/URLLC/mMTC）在架構上的支援方式

    可以把 23.501 想成「5G 的建築藍圖」。

  • TS 23.502 - 程序與流程（Procedures）

    專門描述「事情發生時，系統怎麼運作」，例如：

    • UE 如何註冊（Registration）
    • 如何建立與釋放 PDU Session
    • Handover 大致怎麼進行

Tip

可以簡單這樣記：

  • 23.501 是「5GSA 的建築藍圖」。
  • 23.502 是「在這棟建築裡，大家遇到各種情境時的作業手冊」

2.1.3 38.x 系列與 RAN 信令

剛剛提到的都是核心網路比較相關的文件，而在 5G 無線接取（RAN）這一側，你會常看到 38.xxx 開頭的文件：

  • 例如 TS 38.300：描述 NR 與 NG-RAN 的整體架構
  • TS 38.331：定義 RRC（Radio Resource Control）協定，也就是 UE 和 gNB 之間的控制訊令
  • 還有一系列 38.3xx/38.4xx 文件，描述實體層、MAC、RLC、PDCP 等細節

這些文件主要關心的是「UE ↔ gNB（基地台）」之間怎麼互動，而本書聚焦在 核心網（5GC），所以只會在必要的地方簡單帶過 RAN 訊令，幫助你建立前後關聯。

2.1.4 5GC + NR = 5GS

在 3GPP 的定義裡，「5G 系統（5GS）」包含兩個主要部分：

  • 5GC（5G Core）：也就是本書主要要介紹的核心網
  • NR（New Radio）/ NG-RAN：新的無線接取網路（gNB 等）

兩者加起來，才構成一個完整的 5G 系統。
所以你可以把 5GS 理解為：「5GC + NR 所組成的整體網路」。

2.2 5G 系統總覽（5GS Overview）

在深入細節之前，我們先用一個簡單的角度來看整個 5G 系統大致長什麼樣子。

2.2.1 UE – RAN – 5GC – DN：從手機到服務的路徑

從使用者的角度來看，一支手機（UE）要用網路，大致會經過這幾層：

5gc

  • UE（User Equipment）：手機、CPE、IoT 裝置等
  • RAN（無線接取網，這裡是 gNB / NG-RAN）：負責把無線訊號轉成封包，並接到核心網
  • 5GC（5G Core）：處理註冊、身分、路由、政策、計費等邏輯
  • DN（Data Network）：資料網路，可能是 Internet、企業專網、公有雲 VPC、IMS 網路等

2.2.2 RAN 與 Core 的分工

  • RAN 比較像「接入站」

    • 管理無線電資源：誰可以傳、傳多少、用什麼調變
    • 負責把每支 UE 的數據，包裝好送往核心網

  • Core 比較像「指揮中心 + 交通分流站」

    • 決定 UE 是誰、能不能上網、該走哪條路
    • 決定這些封包要送到哪一個 DN、要套什麼 QoS 和政策

這種分工方式，跟 4G 時代很像，但在 5G 裡會更清楚地把控制面與使用者面分開，方便做優化與彈性部署。

2.3 SBA（Service-Based Architecture）

在 4G EPC 裡，很多網元之間是透過 Diameter 或其他傳統電信協定來溝通。 到了 5G 核心網，3GPP 做了一個很大的改變：改用 HTTP + JSON 風格的 Service-Based Architecture（SBA）。

2.3.1 為什麼捨棄 Diameter，改用 HTTP + JSON？

主要有幾個原因：

  • 希望讓電信網路更接近一般 IT / Cloud 的技術棧，方便導入現有工具與生態系
  • 讓網元之間的互動更像「微服務」：每個網元提供一組清楚定義的 API
  • 相比 Diameter，HTTP 在多路複用、延遲與部署靈活性上較有優勢

對開發者與研究者來說，這也代表你可以用比較熟悉的 Web 技術來理解與實作部分 5GC 邏輯。

2.3.2 什麼是 Service-Based Interface（SBI）？

在 SBA 中，網路功能（NF）對外提供「Service」，例如：

  • AMF 提供與 UE 註冊相關的服務
  • SMF 提供與 PDU Session 管理相關的服務
  • PCF 提供策略與控制相關的服務

這些服務透過一個統一的概念介面—— SBI（Service-Based Interface） ——來互通，實際上就是一組 HTTP + JSON 的 API。

Tip

可以把 SBA 想像成：「5GC 裡每個網元都是一個 Service Provider，彼此透過 REST 風格的 API 來叫對方」。

2.3.3 SBA 的優勢

相較於傳統網元對網元的固定介面，SBA 帶來了幾個明顯的優點：

  • 可擴展：某個 NF 壓力太大時，可以開更多實例，只要都在 NRF 註冊，就能被動態使用。
  • 可替換：同一種 NF，可以有不同廠商或不同版本並存，透過 API 介面來做兼容。
  • 可互通：只要遵守同樣的 API 規格，不同實作之間就有機會互通，降低廠商綁定。
  • 易測試：開發與測試人員可以針對單一 NF 或單一 API 進行測試，而不一定要把整個系統都拉起來。

2.4 5G 接口與協定分類（N1 / N2 / N3 / N4 / N6 / SBA）

這一節是本章最核心的部分之一，我們會用「控制面 vs 使用者面」來整理 5G 裡常見的接口名稱。

5gc-n

2.4.1 控制面接口

控制面主要負責「交談與協調」，不是實際承載大量資料。常見的接口有：

  • N1：UE ↔ 5GC（NAS）

    • UE 與 5GC 之間的高層控制訊令，例如 Registration、PDU Session 建立請求等。
    • 訊令內容稱為 NAS（Non-Access Stratum），實際是透過 RAN 轉送到 AMF。

  • N2：RAN ↔ 5GC（NGAP）

    • gNB 與 5GC（AMF）之間的控制介面。
    • 使用的協定是 NGAP，負責像是 UE Context 設定、Handover 控制、PDU Session 相關控制訊息等。

  • N4：SMF ↔ UPF（PFCP）

    • SMF 透過 N4 指示 UPF 如何建立或更新轉送規則（例如封包該往哪一個 DN、用什麼 QoS）。

  • Nn：5GC NF ↔ NF（SBA / HTTP/2）

    • 這是一個統稱，用來表示 5GC 內部各個網路功能（NF）之間的 Service-Based 互動。
    • 實際上使用 HTTP/2 + JSON（即我們前面提到的 SBI），例如 AMF 與 SMF、SMF 與 PCF 等的互動。

2.4.2 使用者面接口

使用者面則是「真正載著你看影片、開網頁、傳資料的封包」的路徑：

  • N3：RAN ↔ UPF（GTP-U）

    • gNB 與 UPF 之間的使用者面通道。
    • 使用 GTP-U 協定來封裝 UE 的 IP 封包，類似於 4G 裡的 S1-U。

  • N6：UPF ↔ DN（Data Network）

    • UPF 與外部資料網路（例如 Internet、企業專網）之間的連接。

2.5 5G 核心流程概述

這一節只用「概念層面」來介紹幾個 5G 裡最重要的流程：不深入每個網元的細部行為，而是幫你先看到整體故事線。

2.5.1 Registration 程序（NAS / NGAP）

Registration 可以視為 5G 裡的「註冊 / 登入程序」，大致上包含這幾個關鍵步驟：

  1. UE 發起 Registration Request：UE 開機或進入 5G 網路時，透過 RAN 把 NAS 註冊請求送到 AMF。
  2. 建立 UE Context：AMF 收到請求後，會為這個 UE 建立一份「上下文（Context）」，裡面包含身分、位置、能力等資訊。
  3. 安全相關程序：包含身分驗證（Authentication）、安全模式設定（Security Mode），確保後續訊令與資料都是在加密與受保護的狀態下進行。
  4. Registration Complete：當雙方完成必要的交換與設定後，UE 會回覆 Registration Complete，表示它已經正式「登入」到 5G 網路。

Tip

註冊的程序就是 UE 開機或是關閉飛行模式時，對核心網路發起的第一個進入程序。

2.5.2 PDU Session 程序

在 4G 裡，我們常講 Bearer；在 5G 裡，對應的核心概念是 PDU Session，你可以把 PDU Session 想成：「UE 與某個資料網路（DN）之間的一條邏輯連線」。

流程大致如下：

  1. UE 請求建立 PDU Session：當 UE 想要上網或連到某個服務時，會發送 PDU Session Establishment Request。
  2. SM 控制平面建立對應的邏輯：核心網裡的 SMF 會決定這個 PDU Session 要連到哪一個 UPF、哪一個 DN 以及要給什麼樣的 QoS 設定
  3. UP 建立 GTP-U 路徑：透過 N3（RAN ↔ UPF）與 N6（UPF ↔ DN），實際構成這條 Session 的使用者面路徑。

之後 UE 的資料封包，就會沿著這條 PDU Session 被轉送，而一個 UE 同時可以有多個 PDU Session，分別對應不同的服務或網路。

Tip

PDU session 的建立就是為了建立一條從 UE 到 DN 的邏輯連線！

2.5.3 Handover 概念

Handover（切換）指的是 UE 在移動過程中，從一個基地台切換到另外一個基地台，但連線不中斷的過程。

這裡只要理解兩件事：

  • 控制面的遷移：系統需要更新 UE 的位置資訊，讓核心網知道 UE 現在是透過哪一個 RAN 連進來的。

  • 使用者面路徑的切換：為了讓封包繼續順利抵達 UE，需要把原本通往舊 gNB 的路徑，改成通往新 gNB，在某些情況下，UPF 的路徑也可能需要調整。

2.6 QoS Flow 與 5QI：5G 與 4G QoS 模型差異

QoS（Quality of Service）是行動網路裡的一個重要主題，在 4G 裡，我們常講「Bearer」；到了 5G，QoS Flow 變成了更核心的概念。

2.6.1 4G Bearer vs 5G QoS Flow

  • 在 4G 裡，一個 EPS Bearer 通常對應一組 QoS 設定，UE 與核心網會為特定服務建立或調整 Bearer。
  • 在 5G 裡，PDU Session 是一條「主隧道」，底下可以掛多個 QoS Flow，每個 Flow 有自己的 QoS 特性。

Note

這代表什麼？

同一條 PDU Session 裡，不同種類的流量，可以走不同的 QoS Flow，例如：

  • 同一支手機，一條 PDU Session 同時承載一般上網與即時語音
  • 網路可以為語音流量給較高優先權、較低延遲，而一般上網則採用較寬鬆的設定

2.6.2 Flow-level QoS：QFI、5QI、GBR / Non-GBR、MBR

在 5G 裡，每一個 QoS Flow 會有一些關鍵屬性（本書後面會再細拆），這裡先點出幾個名詞：

  • QFI（QoS Flow Identifier）：用來識別一個 QoS Flow 的 ID。

  • 5QI（5G QoS Identifier）：定義這個 Flow 使用什麼樣的 QoS 模板。

    • 延遲要求
    • 優先權等級
    • 丟包容忍度

  • GBR / Non-GBR：

    • GBR（Guaranteed Bit Rate）：保證一定頻寬
    • Non-GBR：不保證頻寬，多數一般資料服務屬於此類

  • MBR（Maximum Bit Rate）：

    • 顧名思義是「最大頻寬上限」，常搭配 GBR 一起出現
    • 可以簡單理解為：GBR 是「至少要給到這麼多」，MBR 是「最多只能到這麼多」
    • 系統透過 MBR，避免某個 Flow 在網路資源很充足時「吃到太肥」，影響到其他使用者或其他服務

透過這樣的設計，5G 可以更彈性地支援 eMBB、URLLC、mMTC 等不同場景，在同一條 PDU Session 裡，對不同類型的流量給予不同級別的待遇。

2.7 5G 安全概論

安全是 5G 設計中的重要一環，但本書不會在這一章深入加密演算法或數學細節，而是先用幾個關鍵詞，建立你對 5G 安全機制的基本印象。

2.7.1 5G AKA（Authentication and Key Agreement）

5G 繼承並延伸了以往世代的 AKA 架構：

  • 透過 UE 與網路之間的挑戰與回應，確認雙方身分
  • 同時協商出後續用來保護訊令與資料的金鑰

你可以把它想像成「雙方先互相確認我真的是我、你真的是你，然後一起決定要用什麼鑰匙鎖門」。

2.7.2 SUCI / SUPI：隱私保護

在 5G 裡，為了更好地保護用戶隱私，引入了：

  • SUPI（Subscription Permanent Identifier）：類似「真實身分」（例如對應到 IMSI）。

  • SUCI（Subscription Concealed Identifier）：是經過加密保護後的身分標識，用於空口傳輸，這樣一來，即使有人在無線介面上偷聽，也不容易直接看出用戶的真實身分。

2.8 本章小結

在本章中，我們從 3GPP 的角度，對 5G 系統與核心網做了一次「高空俯瞰」：

  • 理解了 3GPP 的角色，以及 SA / RAN / CT 在 5G 標準化中的分工
  • 了解了 23.501 / 23.502 / 23.503 在架構、程序與政策上的定位
  • 看到了 5GS = 5GC + NR 的整體結構，以及 UE – RAN – 5GC – DN 的大致關係
  • 建立了對 控制面（N1/N2/N4/Nn）與使用者面（N3/N6）分離 的基本概念
  • 初步認識了 SBA、Service-Based Interface（SBI）的角色
  • 用流程理解了 Registration、PDU Session 與 Handover 的大致故事線
  • 看到了 5G QoS Flow / 5QI 與 4G Bearer 模型之間的差異
  • 對 5G 的基本安全概念（AKA、SUCI/SUPI、安全模式）有了第一次印象

接下來的章節，我們會從 5G 的架構出發，透過分析開源專案 free5GC 逐步往下拆解各個網路元件（例如 AMF、SMF、UPF…）的角色與內部流程，讓你能夠從「看懂整體地圖」，一路走到「看懂每一條路線上發生了什麼事」。