Bei der Aufzeichnung von 5G-Registrierungssignalisierung finden Techniker Meldungen wie Initial UE Message, Uplink NAS Transport und andere NGAP-Prozeduren meist ohne große Schwierigkeiten. Schwieriger ist häufig die darunterliegende Frage: Wie verlässt ein N2-Signalisierungspaket den gNB, durchquert Transportnetz und Rechenzentrum und erreicht schließlich den Server, auf dem der AMF-Dienst läuft? Wenn der AMF virtualisiert ist und in einer VM ausgeführt wird, mit welchem Endpunkt baut der gNB tatsächlich seine SCTP-Assoziation auf? Welche Aufgaben haben PTN-Gateway, Edge-Router des Rechenzentrums sowie EOR- und TOR-Switches? Und wenn die Signalisierung ausfällt, sollte die Fehlersuche bei NGAP, SCTP, IP-Routing oder der MAC-Weiterleitung auf Layer 2 beginnen?

Diese Fragen scheinen zu unterschiedlichen technischen Fachgebieten zu gehören. Das Funkteam konzentriert sich auf den gNB, das Kernnetzteam auf AMF und NGAP, das Transportteam betreibt das PTN und das Rechenzentrumsteam ist für Switches und Server zuständig. Auf einem funktionierenden N2-Pfad arbeiten all diese Komponenten jedoch als durchgehende Kette. Ein vom gNB empfangener NAS Registration Request „springt“ nicht einfach zum AMF. Der gNB leitet die Nachricht zunächst von der RRC-Seite an NGAP weiter, kapselt sie über SCTP und IP ein, sendet sie durch mehrere Layer-3- und Layer-2-Netzknoten und liefert sie schließlich an die Rechenumgebung, in der der AMF-Prozess läuft. Die Fehlersuche im N2-Routing wird erheblich einfacher, wenn logischer Protokollpfad und physischer Netzpfad gemeinsam betrachtet werden, anstatt alles auf einen einfachen Test „Kann ich den AMF anpingen?“ zu reduzieren.

Was leitet die N2-Schnittstelle tatsächlich weiter?

N2 ist die Signalisierungsschnittstelle zwischen gNB und AMF. Bei UE-Registrierung, Mobilitätsverwaltung und anderen 5G-Control-Plane-Prozeduren erzeugt das UE NAS-Nachrichten, während der gNB eine zentrale Relay-Funktion übernimmt. Er nimmt die vom UE empfangene NAS-PDU, transportiert sie innerhalb der passenden NGAP-Nachricht und sendet sie über N2 zum AMF. In Downlink-Richtung läuft der Vorgang umgekehrt. Zum Verständnis der N2-Signalisierung muss daher die eigentliche Anwendungsnachricht vom Transportpfad getrennt betrachtet werden, der sie überträgt.

Betrachten wir ein UE, das eine Registrierung startet. Das UE sendet zunächst einen NAS Registration Request über den Funkprotokoll-Stack zum gNB. Für diese Art der Signalisierung ist der gNB nicht der endgültige Anwendungsendpunkt. Seine Aufgabe besteht darin, die NAS-PDU in eine NGAP-Nachricht einzubetten und sie über die bereits bestehende N2-Transportbeziehung zum AMF weiterzuleiten. Auf hoher Ebene wird die Nachricht auf UE-Seite über NAS, RRC, PDCP, RLC, MAC und L1 verarbeitet. Im gNB wird die NAS-Nachricht aus dem funkseitigen Stack an NGAP übergeben und anschließend über SCTP, IP, Layer 2 und Layer 1 transportiert. Im AMF wird das Paket in umgekehrter Reihenfolge entkapselt, bis die NAS-Nachricht die NAS-Verarbeitungsschicht erreicht.

Ein häufiges Missverständnis besteht darin, „der gNB leitet NAS weiter“ als denselben Weiterleitungsvorgang wie bei einem IP-Router zu betrachten. Beide Vorgänge finden auf unterschiedlichen Schichten statt. Der gNB führt zunächst ein protokollseitiges Relay von NAS/RRC zu NGAP durch und erzeugt ein neues SCTP/IP-Paket auf der N2-Seite. Transportnetz und Rechenzentrumsnetz müssen nicht wissen, ob die Nutzlast einen Registration Request oder eine andere NAS-Prozedur enthält. Ihre Aufgabe besteht lediglich darin, das Paket anhand von IP-Routing, MAC-Adressierung und Schnittstelleninformationen weiterzuleiten.

NGAP-Prozeduren lassen sich außerdem in UE-assoziierte und nicht UE-assoziierte Prozeduren unterteilen. NAS Transport und Initial Context Setup sind UE-assoziierte Prozeduren, während NG Setup eine nicht UE-assoziierte Prozedur auf Knotenebene ist. Diese Unterscheidung ist bei der Fehlersuche hilfreich. Wenn alle UEs an einem gNB nicht mit dem AMF kommunizieren können, sollten zuerst die N2-Beziehung auf Knotenebene, SCTP und das IP-Routing geprüft werden. Ist nur ein UE betroffen, sollte die Untersuchung entlang des NGAP- und NAS-Kontexts dieses UEs fortgesetzt werden.

Welche Netzknoten durchquert die N2-Signalisierung zwischen gNB und AMF?

Logische Architekturdiagramme zeigen N2 häufig als einzelne Linie zwischen gNB und AMF. Diese Darstellung ist nützlich, um die Schnittstellenbeziehung zu erklären, zeigt jedoch nicht den tatsächlichen Netzpfad des Signalisierungsverkehrs. In einer realen Bereitstellung ist ein gNB nur selten über eine einzige physische Verbindung direkt mit einem AMF-Server verbunden. Zwischen RAN und Kernnetz-Rechenzentrum liegt ein Transportnetz, während innerhalb des Rechenzentrums Router, Switches und Servernetzwerke eingesetzt werden.

Ein vereinfachter N2-Transportpfad lässt sich wie folgt darstellen: Der gNB sendet den Verkehr an ein Layer-3-PTN-Gateway; das Paket durchquert das Transportnetz und erreicht den Layer-3-Edge-Router des Rechenzentrums; anschließend passiert es EOR- und TOR-Switches, bevor es den Server erreicht, auf dem der AMF läuft. Das PTN transportiert den gNB-seitigen IP-Verkehr zum regionalen oder zentralen Rechenzentrum. Der Layer-3-Router an der Rechenzentrumsgrenze routet das N2-Paket dann zum richtigen Servernetz. Innerhalb des Rechenzentrums führen EOR- und TOR-Switches Layer-2-Switching durch, bis der Ethernet-Frame die Serverschnittstelle erreicht, auf der die AMF-Workload läuft.

In einem cloudbasierten 5G-Kernnetz lässt sich die Frage „Auf welchem Gerät läuft der AMF?“ nicht ausschließlich über einen physischen Server beantworten. Der AMF kann als virtualisierte Netzfunktion auf einem allgemeinen Compute-Knoten ausgeführt werden, und derselbe physische Server kann zusätzlich OAM-VMs, andere Netzfunktionen oder mehrere Serviceinstanzen hosten. Beispielsweise kann eine VM den AMF-Dienst ausführen, der NAS-, NGAP- und SCTP-Verarbeitung übernimmt. Aus Sicht des gNB ist jedoch der vom AMF bereitgestellte N2-Service-IP-Endpunkt entscheidend, nicht das Etikett des physischen Servers im Rack.

Das bedeutet, dass die N2-Fehlersuche mindestens drei unterschiedliche Ortsbegriffe umfasst. Der physische Standort bezeichnet das Rack und den physischen Host, auf dem die Workload läuft. Der logische Standort bezeichnet die VM oder Serviceinstanz, die den AMF hostet. Der Netzwerkstandort ist die AMF-N2-IP-Adresse, die der gNB beim Aufbau der SCTP-Assoziation verwendet. Es ist durchaus möglich, dass physischer Server, VM und AMF-Prozess ordnungsgemäß zu funktionieren scheinen, während N2 trotzdem nicht erreichbar ist, weil VLAN, Standard-Gateway, IP-Route, Switch-Port oder virtuelle Switching-Schicht den Verkehr nicht korrekt zu dieser N2-Adresse zustellen.

Was ist der Unterschied zwischen Routing und Weiterleitung auf dem N2-Pfad?

Die Zustellung eines N2-Signalisierungspakets an den AMF erfordert mehr als nur eine Routingtabelle. Aus Sicht der Netzwerkverarbeitung ist es wichtig, Routing und Weiterleitung zu unterscheiden. Routing ist in der Regel eine Layer-3-Funktion. Wenn ein Gerät ein IP-Paket empfängt, sucht es die Ziel-IP-Adresse in seiner Routingtabelle, bestimmt die Ausgangsschnittstelle und wählt den passenden nächsten Hop. Entlang des N2-Pfads benötigen der gNB, das Layer-3-PTN-Gateway und der Edge-Router des Rechenzentrums die entsprechenden IP-Routinginformationen. Diese Routen können statisch konfiguriert oder über ein dynamisches Routingprotokoll gelernt werden.

Angenommen, die N2-Quelladresse des gNB lautet A und die N2-Adresse des AMF lautet B. Der gNB muss nicht wissen, in welchem physischen Server-Rack sich B befindet. Er muss lediglich wissen, welches Next-Hop-Gateway Pakete für das Subnetz mit B erhalten soll. Layer-3-Geräte im PTN treffen anhand ihrer eigenen Routingtabellen dieselbe Entscheidung, bis das Paket das Rechenzentrumsnetz erreicht, in dem sich der AMF befindet.

Routing bestimmt, wohin das Paket als Nächstes gehen soll, aber das Paket muss weiterhin über die aktuelle physische Verbindung übertragen werden. Wird Ethernet verwendet, fügt das Gerät einen Ethernet-Frame-Header mit Quell- und Ziel-MAC-Adresse hinzu. Der Switch leitet den Frame anschließend anhand seiner MAC-Adresstabelle weiter. Daher kann sich der äußere Layer-2-Header desselben N2-IP-Pakets ändern, wenn unterschiedliche Layer-3-Hops durchlaufen werden. Die IP-Schicht repräsentiert weiterhin die Ende-zu-Ende-Beziehung zwischen gNB und AMF, während MAC-Adressen nur für das jeweilige Layer-2-Segment relevant sind.

Innerhalb des Rechenzentrums übernehmen EOR- und TOR-Switches überwiegend Layer-2-Switching. Nachdem der Layer-3-Rechenzentrumsrouter das N2-Paket in die korrekte serverseitige Layer-2-Domäne geliefert hat, verwenden EOR- und TOR-Switches ihre MAC-Tabellen, um den Frame zum Zielserver-Port zu bewegen. Diese Unterscheidung ist bei der Paketanalyse wichtig. Unterschiedliche MAC-Adressen an verschiedenen Capture-Punkten bedeuten nicht, dass das Paket sein endgültiges Ziel geändert hat; unveränderte Quell- und Ziel-IP-Adressen bedeuten umgekehrt nicht, dass das Paket ohne Zwischenkomponenten direkt zwischen den beiden Endpunkten übertragen wurde.

Warum ist die SCTP-Assoziation die entscheidende Grenze bei der N2-Fehlersuche?

NGAP läuft nicht direkt über IP, sondern über SCTP. Ein nutzbarer N2-Pfad erfordert daher zunächst IP-Erreichbarkeit und anschließend einen erfolgreichen Aufbau der SCTP-Assoziation. Daraus ergibt sich eine klare Abhängigkeit bei der Fehlersuche: Ist das IP-Routing unterbrochen, kann SCTP nicht aufgebaut werden; ohne SCTP funktioniert NGAP nicht; und ohne NGAP kann NAS-Signalisierung nicht erfolgreich weitergeleitet werden.

Die Umkehrung gilt jedoch nicht zwingend. Dass sich der AMF anpingen lässt, zeigt lediglich ein gewisses Maß an IP-Erreichbarkeit. Es beweist nicht, dass der erforderliche SCTP-Dienst erreichbar ist, die SCTP-Assoziation aufgebaut werden kann, die NGAP-Parameter korrekt sind oder der AMF-Anwendungsprozess ordnungsgemäß funktioniert.

• Erstens: Prüfen Sie den IP-Pfad. Prüfen Sie die N2-Adresse des gNB, Subnetzmaske, Standard-Gateway und die Route zur N2-Adresse des AMF. Stellen Sie anschließend sicher, dass PTN-Gateway und Layer-3-Geräte des Rechenzentrums sowohl eine Hin- als auch eine Rückroute besitzen. Gerade die Rückroute wird leicht übersehen. Ein vom gNB gesendetes Paket kann den AMF erfolgreich erreichen, während der AMF keine gültige Route zurück zum gNB-Subnetz hat. Da N2 eine bidirektionale Signalisierungsschnittstelle ist, müssen beide Richtungen funktionieren.

• Zweitens: Bestätigen Sie, dass SCTP tatsächlich aufgebaut ist. Nachdem die IP-Erreichbarkeit bestätigt wurde, prüfen Sie, ob gNB und AMF die SCTP-Assoziationsprozedur abschließen und den Zustand Established erreichen. Kommt die Assoziation nie zustande, prüfen Sie Transport-Layer-Ports, lokale IP-Bindings, ACLs, Firewalls und alle Sicherheitsrichtlinien entlang des Pfads. Reale Rechenzentren können außerdem IDS/IPS, Load Balancer, SDN-Komponenten oder andere Sicherheits- und Verkehrssteuerungssysteme enthalten, die SCTP beeinflussen können, auch wenn sie in vereinfachten Architekturdiagrammen nicht dargestellt sind.

• Drittens: Gehen Sie zur Analyse von NGAP und NAS über. NG Setup, Initial UE Message und NAS Transport sollten erst analysiert werden, wenn die SCTP-Assoziation stabil ist. Funktioniert SCTP, aber NG Setup schlägt fehl, liegt das Problem oberhalb der IP-Transportschicht in der N2-Anwendungs- oder Konfigurationslogik. Ist NG Setup erfolgreich, aber die Registrierungssignalisierung eines bestimmten UE erreicht den AMF nicht, verfolgen Sie weiter Initial UE Message, die UE-NGAP-ID-Werte und die NAS-PDU. Dieser schichtweise Ansatz verhindert einen häufigen Fehler: mit der NAS-Fehlersuche zu beginnen, bevor bestätigt wurde, dass die NAS-Nachricht die N2-Schnittstelle tatsächlich durchlaufen hat.

Wie lässt sich mit einer Paketaufzeichnung der vollständige N2-Signalisierungspfad rekonstruieren?

Der praktische Wert des Verständnisses von N2-Routing zeigt sich bei Paketaufzeichnungen und Fehlerisolation. Bei einer Störung der Signalisierung zwischen gNB und AMF sollte der Pfad von den Transportschichten nach oben geprüft werden. Der Capture-Punkt ist entscheidend. Eine Aufzeichnung auf gNB-Seite bestätigt, ob die Signalisierung die Basisstation tatsächlich verlässt. Eine Aufzeichnung nahe PTN oder Rechenzentrumsrand zeigt, ob das Paket in den Kernnetzbereich gelangt. Eine serverseitige Aufzeichnung zeigt, ob das N2-Paket den Host mit der AMF-Workload physisch erreicht. Wenn auf gNB-Seite gesendete SCTP-INIT-Pakete zu sehen sind, der AMF-Host sie aber nie empfängt, liegt die Störung mit hoher Wahrscheinlichkeit im dazwischenliegenden Netz und nicht in der NGAP-Anwendungslogik.

Prüfen Sie nach der Paketaufzeichnung zunächst, ob Quell- und Ziel-IP-Adresse dem vorgesehenen Design entsprechen. Wurde der AMF migriert, horizontal skaliert oder in eine neue VM verschoben, während der gNB weiterhin auf eine alte N2-Adresse zeigt, kann die Signalisierung einen falschen Pfad nehmen, obwohl die NGAP-Konfiguration ansonsten unverändert erscheint. Untersuchen Sie anschließend die Route Hop für Hop über die Layer-3-Geräte. Prüfen Sie auf gNB, PTN-Gateway und Rechenzentrumsrouter die Route zum AMF-Subnetz einschließlich Ausgangsschnittstelle, Next Hop und Rückweg. Wird dynamisches Routing verwendet, bestätigen Sie, dass die Route tatsächlich gelernt und in die Forwarding-Tabelle installiert wurde, anstatt lediglich zu prüfen, ob das Routingprotokoll in der Konfiguration aktiviert ist.

Erreicht das Paket die Layer-3-Grenze des Rechenzentrums, aber weiterhin nicht den AMF-Server, verlagert sich die Fehlersuche vom IP-Routing auf die Layer-2-Weiterleitung. Prüfen Sie VLAN-Zugehörigkeit auf EOR- und TOR-Switches, MAC-Adresslernen, den Status serverseitiger Ports und ob Server bzw. virtuelle Switching-Schicht mit dem richtigen Servicenetz verbunden sind. Setzen Sie diese Netzbefunde anschließend mit dem SCTP-Status in Beziehung. Ist der bidirektionale IP-Pfad intakt, SCTP lässt sich aber weiterhin nicht aufbauen, prüfen Sie SCTP-Portbehandlung, IP-Binding und den AMF-Prozess selbst. Sobald SCTP aufgebaut ist, kann die Analyse von NGAP und NAS mit einer deutlich klareren Fehlergrenze fortgesetzt werden.

Ende zu Ende betrachtet besteht „N2-Signalisierungsrouting“ tatsächlich aus zwei unterschiedlichen, aber kontinuierlichen Prozessen. Der erste findet im gNB statt. Eine NAS-Nachricht erreicht den gNB von der UE-Funkseite, wird in eine NGAP-Nachricht weitergeleitet und anschließend über SCTP und IP eingekapselt, damit sie über das N2-Netz transportiert werden kann.

Der zweite Prozess findet im Transportnetz und im Rechenzentrum statt. Diese Netzwerkgeräte müssen nicht wissen, ob die Nutzlast einen Registration Request oder eine Initial Context Setup-Prozedur enthält. Sie verwenden Layer-3-IP-Routing und Layer-2-MAC-Weiterleitung, um das Paket Hop für Hop zur Rechenumgebung zu bewegen, in der der AMF-Dienst läuft.

Für die praktische Arbeit ist es daher am effektivsten, bei der N2-Fehlersuche eine Ende-zu-Ende-Sicht beizubehalten:

UE NAS → gNB-Weiterleitung → NGAP → SCTP → IP-Routing → Layer-2-Weiterleitung → AMF-Server → AMF-Prozess

Wird diese Kette Schicht für Schicht verfolgt, lassen sich viele Probleme, die zunächst wie komplexe „Registrierungsfehler“, „N2 nicht erreichbar“-Störungen oder „SCTP-Assoziationsfehler“ aussehen, auf eine viel konkretere Frage reduzieren: Auf welcher Schicht und an welchem Hop ist das Paket stehen geblieben?

Häufig gestellte Fragen

Durchläuft die N2-Signalisierung den UPF?

In einer normalen 5G-Architektur ist der N2-Control-Plane-Pfad nicht vom UPF abhängig. N2 verbindet gNB und AMF, während der UPF hauptsächlich am User-Plane-Pfad beteiligt ist. Ist N2 nicht erreichbar, sollte sich die Fehlersuche auf den Control-Plane-Transportpfad zwischen gNB und AMF konzentrieren und nicht beim N3-User-Plane-Tunnel beginnen.

Warum ändern sich MAC-Adressen, wenn dasselbe N2-Paket an verschiedenen Stellen aufgezeichnet wird?

MAC-Adressen gehören zum jeweils aktuellen Layer-2-Segment. Nachdem ein Paket ein Layer-3-Routinggerät passiert hat, wird es für den nächsten Link mit einem neuen Layer-2-Header eingekapselt. Quell- und Ziel-MAC-Adressen können sich daher von Hop zu Hop ändern, obwohl die Ende-zu-Ende-IP-Adressen von gNB und AMF weiterhin demselben N2-Kommunikationsfluss zugeordnet sind.

Warum kann SCTP weiterhin fehlschlagen, obwohl der gNB den AMF anpingen kann?

Ping prüft hauptsächlich die ICMP-basierte IP-Erreichbarkeit. SCTP hängt außerdem von der Behandlung von Transportports, lokalem IP-Binding, ACLs, Firewalls, Sicherheitsrichtlinien und dem AMF-Anwendungsprozess ab. IP-Erreichbarkeit ist daher nur eine Voraussetzung für N2-Kommunikation und garantiert nicht, dass SCTP oder NGAP korrekt funktionieren.

Wenn der AMF in einer virtuellen Maschine läuft, muss der gNB den physischen Serverstandort kennen?

Nein. Der gNB baut die N2-Verbindung über die N2-Service-IP-Adresse des AMF auf, nicht über den physischen Serverstandort. Physischer Host, virtueller Switch, VM-Zuordnung und interne Rechenzentrumstopologie sind Implementierungsdetails, müssen aber dennoch Pakete, die an den N2-Endpunkt des AMF adressiert sind, an die richtige Serviceinstanz zustellen.

Warum müssen bei N2-Problemen sowohl Hin- als auch Rückroute geprüft werden?

NGAP und SCTP arbeiten bidirektional. Selbst wenn Pakete vom gNB den AMF erreichen, schlagen der SCTP-Handshake und nachfolgende NGAP-Prozeduren weiterhin fehl, wenn der AMF keine gültige Route zurück zum gNB-Subnetz besitzt. Einseitige Erreichbarkeit reicht daher nicht aus, um einen vollständigen N2-Pfad nachzuweisen.