IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”

【来源申明】本文引用了微信公众号“鲜枣课堂”的《核心网，不是一般的难啊》文章内容。为了更好的内容呈现，即时通讯网在引用和收录时内容有改动，转载时请注明原文来源信息，尊重原作者的劳动。

1、系列文章引言

1.1适合谁来阅读？

本系列文章尽量使用最浅显易懂的文字、图片来组织内容，力求通信技术零基础的人群也能看懂。但个人建议，至少稍微了解过网络通信方面的知识后再看，会更有收获。如果您大学学习过《计算机网络》这门课，那么一定不要错过本系列文章。

特别推荐即时通讯开发者来阅读，因为针对移动弱网的问题，确实可以找到很多有价值的答案。

友情提示：本系列文章可能涉及以下通信技术范畴，如您有兴趣，也可自行系统地学习：

1.2本系列文章的初衷

作为即时通讯（IM、消息推送等应用场景）相关技术的开发者人员来说，似乎了解跨专业的通信技术（这是大学通信工程专业类学生的学习内容），有点过于深入和底层了，因为一般来说熟练掌握逻辑层的TCP\IP相关协议、网络编程相关的应用技术就差不多能胜任这方面的本职工作了。

没错，确实是这样。但在开发IM、推送这类应用系统时，尤其在移动网络下，各种弱网问题，让人非常痛苦。

典型的弱网问题，比如：

• 1）频繁掉线；
• 2）丢包严重；
• 3）网络抖动；
• 4）网络延迟；
• ........
  

那么，针对以上现象，怎么才能有底气的跟老板、客户、产品经理地解释以下问题？

• 1）导致这些现象的根本原因到底是什么？
• 2）怎么跟老板解释，要搞定在高铁上用好音视频聊天功能很困难？
• 3）怎么跟客户解释P2P在3G、4G甚至5G网络下的成功率问题？
• 4）怎么向客户说明，商场或人多场合下，明明信号很好，但你的APP确用不了？
• .......
  

你说这些都是网络问题，APP代码无能为力。那么，你倒是讲讲到底是什么样的网络问题？能把人讲信服了，就可以甩锅给网络，不然只能是APP代码背锅了。现实吧！

所以，我们还是老老实实花点功夫来研究研究通信技术吧（通信技术直面的是网络通信物理层），至少遇到问题，不说给别人，至少给自已找到一个说的过去的解释。这才是一个优秀程序员的修养！

1.3本系列文章的价值

网上能找到的通信技术资料都太过专业或太不专业，要么都是搞网络工程方面的内行人编写的（内容专业但很枯燥难懂），要么就是外行的IT开发人员写的（很少见，且价值不大，因为不够专业，所以内容并不准确，参考价值很有限）。

既能让外行的普通程序员看懂，还能准确地讲明白通信技术知识，这样的资料简直比找金矿还难。因为普通程序员能接触到的网络编程、网络通信方面的资料多针对数据通信的逻辑层（比如：tcpip、socket等知识范畴），而通信技术涉及的是数据通信的物理层（交换机、路由器、天线、网络制式等），某种意义上来说，这是完全不同的技术方向。

好消息是，经过长时间的资料搜集，终于有了本系列文章，希望能给你带来帮助。

1.4拓展阅读

即时通讯网之前已经整理过《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》、《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》、《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》这几篇初涉通信层的文章，但都因技术广度和深度有限，能带给读者的帮助比较局限。如果您看过这几篇文章，那么一定不要错过本次的《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章。

另外，如果您对最基本的程序员本该掌握的网络编程知识都还不怎么了解的话，建议首先阅读《网络编程懒人入门系列文章》、《脑残式网络编程入门系列》，以及更高深一点的《不为人知的网络编程系列文章》。

1.5番外：通信技术女神镇楼

▲ 史上最高颜值科学杂志封面，人物为 “CDMA之母”——海蒂·拉玛（一个被演艺事业耽误的科学女神）

2、本系列文章目录

《IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(二)：通信交换技术的百年发展史(下)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(三)：国人通信方式的百年变迁》
《IM开发者的零基础通信技术入门(四)：手机的演进，史上最全移动终端发展史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(五)：1G到5G，30年移动通信技术演进史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术》
《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”》（* 本文）
《IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十一)：为什么WiFi信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十二)：上网卡顿？网络掉线？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十三)：手机信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十四)：高铁上无线上网有多难？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十五)：理解定位技术，一篇就够》

3、本文内容概述

两年前，我在为即时通讯网整理各种类IM文章的时候，一些通信层的技术疑问，受限于对移动端无线通信底层技术的设计和原理了解不多，苦于找不到让人信服的答案。最后没办法，只能去买专业的通信技术书籍来啃，这些书籍里介绍无线通信技术的时候，“核心网”这个东西几乎是无处不在，能明显感觉到它的重要性。这次正好专门整理《IM开发者的零基础通信技术入门》系列文章，所以单独把有关“核心网”的这个知识拎出来大家一起学习，对于加深对无线通信技术的理解是很有好处的，希望文章内容能帮助到你。

对于通信专业的人来说，几乎每个人都认为核心网难（不只是难，而且是非常难），很难有人能通俗易懂地讲明白它是什么东西。所以本文想借此机会，为零基础的IM开发者或其他移动端应用层程序员们，讲清楚这个话题。

4、什么是核心网？

核心网的英文叫Core Network（核心网络），简称CN，嗯，没错，和我们伟大祖国的英文简称是一样的。

关于核心网的定义，大家千万别去看百度百科，里面的说法要么是废话，说了等于没说，要么不是人话，完全看不懂。

那究竟该怎么定义呢？说实话，迄今为止，我没有见到任何一个能让人满意的回答。



不是我故弄玄虚，而是这个概念真的很难定义——如果从广义的角度来解释，很难划定边界，如果从狭义的角度来解释，又没有任何一个实体准确与之对应。

它实际上是一个集合，是很多“具有特定功能的设备”的统称。

为了方便理解，大家可以把核心网视为一个“非常复杂的加强版路由器”。


▲ 核心网可以视为一个“非常复杂的加强版路由器”

通信网络的三大组成部分：接入网、承载网、核心网。


▲ 通信网络的组成部分

通信网络组成部分的通俗解释：

• 1）接入网是“窗口”，负责把数据收上来；
• 2）承载网是“卡车”，负责把数据送来送去；
• 3）核心网呢，就是“管理中枢”，负责管理这些数据，对数据进行分拣，然后告诉它，该去何方。
  

而对数据的处理和分发，其实就是“路由交换”，这是核心网的本质。



因此，对于通信专业的同学来说，如果你要立专要从事核心网，恭喜你，《电磁场和电磁波》可以扔了！不过，请去隔壁计算机专业那边，借一本《计算机网络（自顶向下方法）》。


▲《计算机网络（自顶向下方法）》封面

5、核心网为什么复杂？

核心网之所以复杂，其实是人为造成的。再具体一点说，就是因为市场的需要。用户产生欲望，市场制造欲望，欲望越多，需求越多，需求越多，业务越多。业务越多，设备越多，接口越多，网络越复杂。



整个通信，亦是如此。最早的时候，固定电话网的核心网，说白了就是把电线两头的电话连接起来，这种交换，非常简单。



后来，用户数量越来越多，网络范围越来越大，开始有了分层。



网络架构也复杂了，有了网元。网元就是Net Element（网络单元），简称NE，是具有某种功能的网络单元实体。同时，我们要识别和管理用户了——不是任何一个用户都允许用这个通信网络。只有被授权的合法用户，才能使用。于是，多了一堆和用户有关的设备（网元）。

简而言之，它们的核心任务只有三个：认证、授权和记账

• 1）认证：就是看你是不是合法用户，有没有密钥；
• 2）授权：就是看你有权限做什么事，哪些服务可以用，哪些不能用；
• 3）记账:就是看你做了哪些事，然后记录下来，收你的钱。
  

再后来，有了无线通信，连接用户的方式变了，从电话线变成无线电波，无线接入网诞生。

接入网变了，核心网也要跟着变，于是有了无线核心网。

再再后来，有了2G，3G，4G。每一代通信标准，每一项具体制式，都有属于自己的网络架构，自己的硬件平台，自己的网元，自己的设备。


▲ 硬件平台随时代发展（以某厂家为例）

于是，这个网络就变得空前复杂。


▲ 这张图，只是一个LTE而已... （本图很模糊，高清图请在下方附件下载！）

友情提示：上面“LTE_Network_Reference”这张图的高清版在网上很难找到，但即时通讯网已为你备好，请在下方附件点击下载！
LTE_Network_Reference_v3.2[PDF高清矢量图](52im.net).zip (2.44 MB , 下载次数: 19 , 售价: 2 金币)

5 年前 上传

请点击文件名下载附件！

6、为何新通信标准的出现，运营商都要换新的设备？

主要原因在于以下几个方面。

【第一】：因为用户数量激增，无线速率激增，所以网络设备的数据处理能力必须随之激增：

处理器的运算速度激增，设备单板端口数量和带宽激增（电口变光口），内部线路（总线）的带宽激增。就像我们的电脑一样，以前是586,1M网卡，后来是奔腾处理器，100M网卡，现在是酷睿处理器，1000M网卡。这就是升级换代，速度和性能的提升。

【第二】：就是我前面说的，业务变得无比复杂了：

最开始是打电话，后来多了发短信，再后来，多了上网（数据业务）。

你以为就这三种简单业务？细究起来，远远不止啊：以前是后付费，你打电话，我记账，月底给你账单。

后来，有了预付费，你先存钱，你打电话的同时，我随时盯着你，只要你的余额一用完，我立刻掐掉你的电话。

为了实现“预付费”这个功能，我们多了“智能网”设备。

以前发文本短信，后来要发彩信。

以前电话振铃就是嘟嘟嘟，后来有了彩铃。

以前电话号码是正常位数，现在多了短号码，多了集团用户，多了特服号码（不是你想的那种“特殊服务”啊，是110,119,120这种特殊情况服务号码）。更别说还有变态的一卡双号和一号双卡。

以前上网就是统一按流量收费，现在有了定向免流量（像腾讯大王卡这样）

……

所有这些特殊的业务，都带来了新网元，新设备，新功能，从而导致整个核心网，越来越庞大，越来越复杂。



这个图不要细看了，很抑郁的。。。

7、小结一下无线通信和核心网的复杂性

个人认为，无线的难，难在空中接口、信道。

站在研发的角度，编解码方式的设计、调制解调方式的设计、天线的设计、算法、仿真等，都难。然后，网络的性能指标、参数设置、手机状态、阀值、兼容问题等，也难（尤其是对网优工程师）。但是，终究都是围绕空口这一个接口转，标准流程并不算复杂，涉及的网元也不多。



而且，对于一线工程师来说，理论部分都是顶层设计好的，不需要改动（例如前面说的编码方式、信道设计、物理层结构），所以，实际工作中，这一方面要好一些。更多的工作难度，是来自于基站的数量。一个项目，几千个站，需要把它们都照顾好，经常要下站点，是体力上的考验、困难。

但是，核心网恰好相反。核心网，就是路由交换，打包发包，围着协议栈、TCP/IP、OSI模型、报文转，没有空间波那些高深的理论，也不需要想破头去考虑如何突破速率瓶颈和对抗干扰。但是，它涉及的功能性网元种类多，网元与网元之间的接口非常多。不同的接口，使用的是不同的协议，要记住的协议细节很多。


▲ 数不清的接口

而且，核心网有各种业务，例如短信、智能网、VoLTE等，业务的流程非常复杂，涉及到很多网元的配合，甚至跨网络类型（例如同时接入3GPP无线和Non-3GPP无线）。


▲ 核心网业务流程举例

所以，核心网的一线工程师之所以难当，就是难在业务流程、业务对接和协议参数上。

此外，就是各种网元的各种数据配置项，非常复杂。再有一个，复杂的网络，一旦出现问题，排查起来非常困难。

不过和无线相比，核心网有一点优势，就是KPI指标。无线非常关注指标，而核心网对指标其实并不是特别care。不是指标不重要，而是说，核心网，要么就是对的，要么就是错的，一旦能接通，就每次都能，不存在说有时候成功，有时候失败。而无线空口的话，就说不准了。

除了技术难度的压力外，核心网因为承载动辄百万千万的用户，一旦出事，就是大事，所以精神压力会远远大于无线工程师，这是另话。正是因为核心网的技术难度，加上责任艰巨，使得核心网工程师在同行面前，拥有相当不错的“江湖地位”。

不过，这个地位仅限于精神上，至于说经济地位，很抱歉，这是不存在的，你就不要想太多了……

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