Wenn Ingenieure erstmals mit den Schnittstellen des 5G-Kernnetzes arbeiten, beginnen sie häufig damit, alles von N1 bis N50 auswendig zu lernen: die Netzfunktionen an beiden Enden, das verwendete Protokoll und die nächstliegende Entsprechung in 4G. Für den Einstieg kann das hilfreich sein, bei Bereitstellung, Signalisierungsanalyse und Fehlersuche reicht dieser Ansatz jedoch schnell nicht mehr aus. In der Praxis sind andere Fragen wichtiger: Gehört die Schnittstelle zum Zugang, zum Sitzungsmanagement, zur Richtliniensteuerung oder zur Benutzerebene? Transportiert sie NAS, GTP-U, PFCP oder einen SBI-Dienst? Und welchem Steuerpfad sollte man folgen, wenn ein Problem auftritt?

Dies ist zugleich einer der wichtigsten Architekturunterschiede zwischen 5GC und EPC. 5G benennt Schnittstellen wie S1, S11, Gx und S6a nicht einfach um. Stattdessen bleiben mehrere Referenzpunktschnittstellen erhalten, während gleichzeitig die Service-Based Architecture, kurz SBA, eingeführt wird. Dadurch können Netzfunktionen der Steuerungsebene über Dienstaufrufe miteinander interagieren. Deshalb sollten 5GC-Schnittstellen sowohl aus Sicht der Referenzpunkte als auch aus Sicht der SBA-Dienste analysiert werden.

SBA und Referenzpunktarchitektur richtig verstehen

Für die Betrachtung von 5GC gibt es zwei hilfreiche Perspektiven. Die erste ist die klassische Referenzpunktarchitektur. Sie beschreibt die logische Beziehung zwischen zwei funktionalen Einheiten, etwa N1 zwischen UE und AMF, N2 zwischen gNB und AMF, N3 zwischen gNB und UPF sowie N4 zwischen SMF und UPF. Die zweite ist die SBA-Sicht, in der Steuerungsebenenfunktionen wie AMF, SMF, PCF, UDM, AUSF, NSSF, NEF und NRF als Dienstanbieter und Dienstnutzer betrachtet werden.

Diese beiden Sichtweisen widersprechen sich nicht. Das Referenzpunktmodell eignet sich gut zum Nachverfolgen von Ende-zu-Ende-Signalisierungspfaden, während SBA ein klareres Verständnis für die dynamische Erkennung von Netzfunktionen, Dienstaufrufe und Diensterweiterungen ermöglicht.

N2 besitzt beispielsweise eine sehr klare Endpunktbeziehung: Der gNB verbindet sich mit dem AMF und verwendet NGAP, um NAS-Signalisierung zu übertragen und das Verbindungsmanagement zu unterstützen. N3 verbindet den gNB mit dem UPF und transportiert Datenverkehr der Benutzerebene über GTP-U. Schnittstellen dieses Typs weisen einen klaren Punkt-zu-Punkt-Pfad auf.

Wenn der AMF dagegen auf UDM, AUSF oder PCF zugreift, verlagert sich der Fokus auf die Dienste, die diese Netzfunktionen bereitstellen. N8 wird zwischen AMF und UDM verwendet, um Teilnehmerinformationen für das Mobilitätsmanagement abzurufen, N12 unterstützt das Authentifizierungsmanagement zwischen AMF und AUSF, und N15 ermöglicht dem AMF den Abruf mobilitätsbezogener Richtlinien. Diese Beziehungen zeigen den Übergang der 5GC-Steuerungsebene von traditionellen dedizierten Protokollen hin zu HTTP/2-basierten Dienstinteraktionen.

Bei der Analyse von Paketmitschnitten oder Architekturdiagrammen sollte eine Schnittstelle wie N8 daher nicht lediglich als feste physische Verbindung verstanden werden. Wichtiger ist zu bestimmen, welche NF welchen Dienst nutzt, wie die Dienstinstanz gefunden wurde und zu welchem Abschnitt des Dienstablaufs die jeweilige HTTP/2-Transaktion gehört.

Wie lassen sich die Kern-Schnittstellen gruppieren?

Statt Schnittstellennummern einzeln auswendig zu lernen, ist es praktischer, sie nach der Netzfunktion zu gruppieren, die sie unterstützen. Wenn eine Signalisierungsnachricht auftritt, kann zunächst die funktionale Kategorie bestimmt und die Analyse anschließend auf die konkrete Schnittstelle eingegrenzt werden.

Zugangs- und Benutzerebenenpfade

N1, N2 und N3 bilden die grundlegendste Schnittstellengruppe auf der 5G-Zugangsseite. N1 arbeitet zwischen UE und AMF und transportiert Mobilitäts- und Sitzungsmanagementinformationen im 5G NAS. N2 verbindet gNB und AMF, verwendet NGAP zur Übertragung von NAS-Signalisierung und unterstützt das Verbindungsmanagement. N3 verbindet gNB und UPF und transportiert den eigentlichen Datenverkehr der Benutzerebene über GTP-U.

Innerhalb des Kernnetzes können UPFs Benutzerdaten weiterhin über N9 mittels GTP-U weiterleiten, während der UPF über N6 mit dem externen Datennetz, dem Data Network oder DN, verbunden ist. Der Verkehr auf N6 ist keine 5G-spezifische Steuersignalisierung mehr, sondern IP-Verkehr der Anwendungsschicht wie Webinhalte, Bilder, Videos und andere Benutzerdaten.

Wenn die UE-Registrierung erfolgreich ist und die PDU-Sitzung aufgebaut wurde, der Anwendungsverkehr aber dennoch nicht durchkommt, sollte die Fehlersuche deshalb normalerweise die AMF-Steuerungsebene verlassen und sich auf N3, das Weiterleitungsverhalten des UPF, N6 und das externe DN konzentrieren.

Sitzungs- und Benutzerebenensteuerung

N4 ist eine der wichtigsten Steuerungsschnittstellen in 5GC. Sie arbeitet zwischen SMF und UPF und verwendet PFCP. Der SMF übernimmt die Sitzungssteuerung, während der UPF Pakete weiterleitet. N4 dient daher dazu, Weiterleitungsregeln zu installieren und das Verhalten der Benutzerebene zu steuern.

N11 verbindet AMF und SMF und unterstützt hauptsächlich die Signalisierung für das PDU-Sitzungsmanagement. Wenn ein UE einen PDU Session Establishment-Vorgang startet, leitet der AMF die Sitzungsmanagementanforderung zur weiteren Verarbeitung an den SMF weiter. Ist die Registrierung erfolgreich, der Aufbau der PDU-Sitzung jedoch nicht, sind N11 und die nachfolgenden SMF-Abläufe in der Regel wichtige Prüfpunkte.

N16 unterstützt Interaktionen zwischen SMF-Instanzen, einschließlich Abläufen im Zusammenhang mit der SMF-Neuauswahl. Im Vergleich zu EPC trennt 5GC die Steuerungsfunktionen in eine größere Zahl unabhängiger NFs. Aufgaben, die zuvor in MME, SGW oder PGW konzentriert waren, werden auf Funktionen wie AMF, SMF, PCF und UDM verteilt, wodurch neue Dienstbeziehungen entstehen.

Richtlinien, Authentifizierung und Teilnehmerdaten

Die Richtliniensteuerung konzentriert sich weitgehend auf den PCF. N7 verbindet SMF und PCF und wird verwendet, um Richtlinien für das Sitzungsmanagement anzufordern. N5 arbeitet zwischen PCF und AF und transportiert Dienstparameter und Anforderungen auf Anwendungsebene. N15 ermöglicht dem AMF den Abruf mobilitätsbezogener Richtlinien.

Für Teilnehmerdaten erlaubt N8 dem AMF den Zugriff auf den UDM, um Teilnehmerinformationen für das Mobilitätsmanagement abzurufen. N10 verbindet SMF und UDM, um Teilnehmerdaten für das Sitzungsmanagement zu erhalten. Die Authentifizierung wird weiter aufgeteilt in N12 zwischen AMF und AUSF sowie N13 zwischen AUSF und UDM.

Diese Trennung ist besonders wichtig. Im EPC übernahm der HSS einen großen Teil der Teilnehmer- und Authentifizierungsdatenfunktionen. In 5GC sind die Zuständigkeiten genauer auf UDM, AUSF und zugehörige Datenspeicherfunktionen verteilt. Wenn eine Authentifizierung fehlschlägt, reicht es nicht mehr aus zu prüfen, ob Teilnehmerdaten vorhanden sind. Es muss außerdem festgestellt werden, ob der Fehler beim Start der Authentifizierung durch den AMF, während der AUSF-Verarbeitung oder beim Abruf der erforderlichen Informationen durch den AUSF aus dem UDM auftrat.

Welche Aufgaben übernehmen erweiterte Dienstschnittstellen?

Die Skalierbarkeit des 5GC-Schnittstellenmodells wird besonders deutlich, wenn man über N1 bis N16 hinausgeht. Mit der Einführung von Network Slicing, Capability Exposure, Netzwerkanalysen, Roaming und Datenentkopplung entstehen zusätzliche Schnittstellen rund um unabhängige Netzfunktionen.

N22 verbindet AMF und NSSF für die Auswahl von Network Slices. N34 verbindet NSSF und NWDAF, sodass Netzwerkanalysen Entscheidungen im Zusammenhang mit Slices unterstützen können. NWDAF kann außerdem über N23 Analyseinformationen an den PCF liefern, wodurch Analysedaten in Richtlinienentscheidungen einfließen. Die Richtliniensteuerung muss dadurch nicht mehr ausschließlich auf statischen Teilnehmerinformationen und vordefinierten Regeln beruhen.

Capability Exposure betrifft vor allem den NEF. N29 arbeitet zwischen SMF und NEF, während N30 NEF und PCF verbindet. N33 unterstützt Dienstaufrufe zwischen APIs und dem AF. Damit nimmt der NEF eine wichtige Position zwischen externen Anwendungen und den Fähigkeiten des Kernnetzes ein und ermöglicht eine kontrollierte Bereitstellung von Netzfunktionen für anwendungsseitige Dienste.

Auch die Datenspeicherung wird weiter entkoppelt. N35 verbindet UDM und UDR für die Speicherung von Teilnehmerdaten, N36 verbindet PCF und UDR für die Speicherung von Richtliniendaten, und N37 ermöglicht dem NEF den Zugriff auf UDR für Daten im Zusammenhang mit Capability Exposure und Anwendungen. UDSF wird zudem für unstrukturierte Daten verwendet und unterstützt die Trennung von Rechen- und Speicherfunktionen.

In Roaming- und Betreiber-übergreifenden Szenarien kommen weitere Schnittstellen hinzu: N24 zwischen besuchtem PCF und Heim-PCF, N27 zwischen besuchtem NRF und Heim-NRF, N31 zwischen V-NSSF und H-NSSF sowie N32 zwischen V-SEPP und H-SEPP. SEPP stellt Sicherheitskontrollen an Betreibergrenzen bereit. In einer lokalen Testumgebung eines einzelnen Betreibers treten diese Schnittstellen möglicherweise selten auf, bei der Analyse von Roaming-Architekturen sind sie jedoch wichtig.

Auch Abrechnungsfunktionen entwickeln sich vom traditionellen Diameter-basierten Modell hin zu servicebasierten Interaktionen. N28 verbindet PCF und CHF, damit abrechnungsbezogene Informationen Entscheidungen zu PCC-Regeln unterstützen können, während N40 SMF und CHF verbindet. N41 bis N49 sind im entsprechenden Spezifikationsbereich reserviert. Eine weitere spezielle Schnittstelle ist N50, die AMF und CBCF für öffentliche Warn- und Katastrophenalarmdienste verbindet.

Was ist bei der Zuordnung von 5GC zu EPC zu beachten?

Erfahrungen mit EPC sind beim Übergang von 4G zu 5G sehr hilfreich, die Beziehung sollte jedoch nicht als mechanischer Eins-zu-eins-Ersatz betrachtet werden. Die Ähnlichkeiten zwischen 5GC- und EPC-Schnittstellen sind vor allem funktionale Bezugspunkte und keine exakten Gleichsetzungen.

Einige Zuordnungen sind relativ intuitiv. N2 lässt sich funktional mit S1-MME vergleichen, während N3 S1-U ähnelt. N4 ist in einer CUPS-basierten EPC-Architektur funktional mit Sxa, Sxb und Sxc vergleichbar. Aus Sicht der Richtliniensteuerung kann N7 mit Gx verglichen werden, während N5 hilft, die traditionell mit Rx verbundene Rolle der Anwendungsrichtlinien zu verstehen.

Ähnliche Migrationsmuster finden sich bei Teilnehmer- und Authentifizierungsfunktionen. N8 lässt sich funktional mit einem Teil der S6a-Interaktion zwischen MME und HSS vergleichen. N14, das Mobilitätsmanagement zwischen AMFs unterstützt, kann mit S10 zwischen MMEs verglichen werden, während N17 zur Prüfung der Geräteidentität funktional der S13-Interaktion zwischen MME und EIR entspricht.

Viele 5GC-Schnittstellen besitzen jedoch kein direktes 4G-Gegenstück. Beispiele sind N22 für Slice-Auswahl, N23 für Netzwerkanalysen, N27 für domänenübergreifende NRF-Erkennung und die Schnittstellen rund um UDR-basierte Datenspeicherung. Diese Beziehungen entstanden durch die servicebasierte Architektur und die stärkere funktionale Entkopplung in 5GC.

Eine bessere Migrationsmethode besteht daher darin, zuerst die Funktionen und anschließend die Signalisierungsmechanismen zu vergleichen, anstatt jede N-Schnittstelle zwanghaft einer S-Schnittstelle oder einem Diameter-Referenzpunkt zuzuordnen. Die Protokollentwicklung ist besonders deutlich: Die EPC-Steuerungssignalisierung stützte sich stark auf Diameter und GTPv2, während viele Interaktionen der 5GC-Steuerungsebene heute HTTP/2-basierte SBI-Dienste nutzen.

Ein praktischer Ansatz zur Analyse von 5GC-Schnittstellen

Bei der realen 5GC-Signalisierungsanalyse ist es oft effektiver, vom beobachteten Dienstproblem rückwärts zu arbeiten, statt bei einer Schnittstellennummer zu beginnen. Kann sich das UE nicht registrieren, sollte bei N1, N2 und den nachfolgenden AMF-Authentifizierungs- und Teilnehmerdatenabläufen begonnen werden. Ist die Registrierung erfolgreich, die PDU-Sitzung schlägt jedoch fehl, folgt die Prüfung von N11, SMF, N7, N10 und N4. Wird die PDU-Sitzung erfolgreich aufgebaut, der Benutzerdatenverkehr erreicht das Datennetz jedoch nicht, verlagert sich der Fokus auf N3, UPF-Weiterleitung und N6.

Bei richtlinienbezogenen Problemen folgt die Analyse N7 und der PCF-bezogenen Signalisierungskette. Bei Problemen mit der Slice-Auswahl steht N22 zwischen AMF und NSSF im Mittelpunkt. Bei Capability Exposure oder anwendungsgetriebenen Richtlinienanforderungen wird die Analyse auf Schnittstellen rund um NEF, AF und PCF erweitert. Sobald eine vierstufige Zuordnung „Dienstphase — Netzfunktion — Schnittstelle — Protokoll“ erstellt ist, lassen sich die zahlreichen N-Schnittstellen deutlich leichter einordnen.

Von der Architekturbetrachtung bis zur Fehlersuche im produktiven Netz ist das Verständnis der Beziehungen zwischen den Funktionen der wichtigste Teil der 5GC-Schnittstellenanalyse. Die Zugangsschicht bringt das UE ins Kernnetz, das Sitzungsmanagement richtet die PDU Session ein, Richtlinien- und Teilnehmerdienste bestimmen die Behandlung dieser Sitzung, die Benutzerebene transportiert den eigentlichen Anwendungsverkehr, und SBA ermöglicht die Zusammenarbeit der Steuerungsebenenfunktionen über servicebasierte Interaktionen. Dieses Ende-zu-Ende-Verständnis bietet mehr technischen Nutzen als das bloße Auswendiglernen einer vollständigen Schnittstellentabelle.

Häufig gestellte Fragen

Bedeutet eine höhere N-Schnittstellennummer eine neuere Funktion?

Nein. N-Schnittstellennummern dienen zur Kennzeichnung logischer Referenzpunkte und sagen nichts über Technologiegeneration, Bedeutung oder zeitliche Reihenfolge aus. N1, N2 und N3 gehören zu den grundlegendsten 5GC-Schnittstellen, während höhere Nummern sowohl neuere funktionale Beziehungen als auch reservierte Referenzpunkte umfassen.

Verwenden alle 5GC-Steuerungsschnittstellen HTTP/2?

Nein. Viele SBA-bezogene Interaktionen der Steuerungsebene verwenden HTTP/2, 5GC umfasst jedoch auch mehrere andere Protokolle. N2 verwendet NGAP, N3 und N9 nutzen GTP-U, N4 verwendet PFCP, und die Kommunikation zwischen UE und AMF beinhaltet außerdem 5G NAS. Bei der Fehlersuche sollte daher zunächst der Schnittstellentyp bestimmt werden, bevor die geeignete Methode zur Protokollanalyse gewählt wird.

Warum fehlt der Name der N-Schnittstelle manchmal in Paketmitschnitten?

N-Schnittstellennamen bezeichnen logische Referenzpunkte in der Architektur. Paketmitschnitte zeigen normalerweise das tatsächlich verwendete Protokoll wie HTTP/2, NGAP, PFCP oder GTP-U sowie die IP-Adressen der kommunizierenden Netzfunktionen. Die logische N-Schnittstelle muss daher anhand der Rollen der beiden NFs und des analysierten Dienstablaufs bestimmt werden.

Muss ein 5GC-Testnetz jede definierte Schnittstelle bereitstellen?

Nein. Welche Schnittstellen tatsächlich auftreten, hängt von Netzgröße, aktivierten Diensten und davon ab, ob Funktionen wie Roaming, Network Slicing, Capability Exposure, Netzwerkanalysen oder öffentliche Warnungen unterstützt werden. Für grundlegende Registrierung und Datenkonnektivität wird nur ein Teil des vollständigen 5GC-Schnittstellenrahmens benötigt.