基于free5gc模拟5G核心网和UERANSIM模拟5G用户设备的模拟5G网络环境的部署搭建方法总结和解析。

简介：下文介绍了基于free5gc模拟5G核心网和UERANSIM模拟5G用户设备的模拟5G网络环境的部署搭建方法，并且通过完成相关配置，

简单实现测试5G用户设备接入核心网的注册流程、去注册流程，模拟了一个用户设备通过模拟核心网进行实际的数据业务的过程。

这样一套模拟5G环境，可以有效缓解研究者所面临的没有实际5G环境可用以及实际环境过于复杂等问题，为5G安全研究提供一个可行的途径。

1. 安装前准备工作

 1.1 确认Linux内核版本

使用命令：uname -a 确定虚拟机内核版本

使用以下命令更新虚拟机内核版本

sudo apt install 'linux-image-5.0.0-23-generic'
sudo apt install 'linux-headers-5.0.0-23-generic

在 Linux 系统中，sudo apt install 命令用于从软件仓库中安装软件包。

• linux-image 安装新的内核版本，允许系统使用该内核启动并运行。
• linux-headers 为编译与该内核版本相关的模块提供必要的头文件。

 1.2 通过apt安装部分基础支持组件

sudo apt install git-all
sudo apt-get install curl
sudo apt install make
sudo apt -y install gcc
sudo apt -y install g++
sudo apt -y install autoconf
sudo apt -y install libtool
sudo apt -y install pkg-config
sudo apt -y install libmnl-dev
sudo apt -y install libyaml-dev

这些命令安装了一套常见的开发工具和库，用于设置编译环境、版本控制、网络管理以及配置文件解析。它们广泛应用于软件开发和构建过程，特别是在编译从源代码构建的软件时。

1.3 安装go语言环境

通过命令安装go语言环节，安装完成后，配置环境变量。

1.4 安装docker环境

通过官方安装脚本安装docker，

安装完成后，运行命令docker --version验证

之后需要安装docker-compose，通过以下命令完成：

再之后，我们需要更换docker源，默认源下载速度过慢，会导致之后部署时出现下载超时错误：

之后重启docker服务即可完成docker的部署：

完成后，需要将当前普通用户加入docker用户组，docker用户组在上述安装时自动创建，无需手动创建：

此步目的在于防止后续free5gc容器化部署时，到make base步骤，出现以下错误：

（

Docker 是一个开源的平台，用于开发、发布和运行应用程序。通过使用 Docker，开发者可以将应用程序及其依赖项打包在一个轻量级、可移植的容器中，并在任何支持 Docker 的环境中运行。Docker 容器提供了一个隔离的环境，确保应用程序在不同的操作系统和硬件环境中保持一致的行为。

）

1.5   安装cmake

！此处装的cmake，需要3.17及以上版本，否则后续UERANSIM环境搭建会出错。

CMake 是一个开源的跨平台构建系统，用于自动化软件的编译、测试和打包。它特别适合管理大型复杂项目，尤其是在涉及多个平台（如 Windows、Linux、macOS）和编译器（如 GCC、Clang、MSVC）时。CMake 通过读取项目的配置文件（通常是 CMakeLists.txt）生成适合目标平台的构建脚本，如 Makefile 或 Visual Studio 的项目文件。

CMakeLists.txt 的基本结构：

每个使用 CMake 的项目都需要一个 CMakeLists.txt 文件，它定义了如何构建项目。一个简单的 CMakeLists.txt 可能包含以下内容

# 声明使用的 CMake 版本
cmake_minimum_required(VERSION 3.10)

# 项目名称和版本号
project(MyProject VERSION 1.0)

# 指定使用的 C++ 标准
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
set(CMAKE_CXX_STANDARD_REQUIRED True)

# 添加可执行文件
add_executable(MyExecutable main.cpp)

# 链接外部库（例如查找 OpenSSL 并链接）
find_package(OpenSSL REQUIRED)
target_link_libraries(MyExecutable OpenSSL::SSL)

1.6 安装mongodb

注：此组件为free5gc的数据库组件，为free5gc独立部署的必须步骤

MongoDB 是一个面向文档的 NoSQL 数据库系统，它主要用于存储和处理大量的非结构化数据。与传统的关系型数据库系统不同，MongoDB 不使用表格和行的形式来存储数据，而是使用类似 JSON 的 BSON（Binary JSON）格式来存储文档。

MongoDB 在 Free5GC 独立部署中的作用主要体现在数据存储、配置管理、日志记录和性能优化等方面。它的文档存储模型、灵活的查询语言、强大的索引和聚合功能、以及支持高可用性和扩展性的特性，使其成为管理 Free5GC 数据和配置的理想选择。这些功能使得 MongoDB 能够有效地支持 Free5GC 的高性能和高可用性需求。

1.7 安装yarn

注：此组件为free5gc的webui支持组件，为free5gc独立部署的必须步骤

YARN（Yet Another Resource Negotiator）是 Hadoop 生态系统中的一个资源管理和调度框架。它主要用于管理计算集群中的资源分配，以支持分布式数据处理任务。YARN 是 Hadoop 2.x 及更高版本的一部分，它负责管理集群资源，并协调各种应用程序的资源需求。以下是 YARN 的详细解释以及它对 Free5GC 独立部署的作用。

YARN 作为 Hadoop 的资源管理和调度框架，主要负责集群资源的分配、调度和监控。在 Free5GC 的独立部署中，YARN 可以用于有效地管理计算资源，处理大规模数据任务，并提供高可用性和扩展性。这使得 Free5GC 能够在需要大规模数据处理和分析时，利用 YARN 提供的资源管理和调度能力，以优化性能和可靠性。

2.  free5gc容器化部署

2.1 构建GTP5G模块

！注意构建GTP5G模块时，需要用普通用户构建，否则后续使用时会出错

注：gtp5g模块是free5gc模拟核心网的内核模块，无论何种部署方案，都必须安装

2.2 容器化部署free5gc模拟核心网

容器化的部署方式:

1. 下载Free5GC Compose项目

2. 修改构建脚本以应对国内网络问题

3. 构建Free5GC Docker镜像

4. 构建Docker容器

5. 运行Free5GC核心网

3.UERANSIM模拟设备安装

UERANSIM 是一个开源项目，旨在模拟用户设备（UE）和无线接入网络（RAN）环境，特别是5G网络中的UE和gNodeB（gNB，5G基站）。这个工具主要用于测试和验证5G核心网（如Free5GC）的功能，而不需要实际的物理设备。通过UERANSIM，开发者可以创建虚拟的UE和gNB来与5G核心网通信，进行端到端的网络测试。

作用：模拟UE（User Equipment）和模拟gNB（gNodeB，5G基站）

组成和架构：UE模拟器和gNB模拟器

工作流程：

网络启动，UE注册和认证，PDU会话简历，数据传输

4. 全套环境配置并运行

1 启动Free5GC环境

2 UERANSIM配置设置：

获取虚拟机网卡地址，获取AMF的IP地址，修改UERANSIM中的gnb配，注册虚拟UE到Free5GC：

3 启动UERANSIM模拟设备：

启动模拟基站（gNB），启动模拟用户设备（UE），验证连接

通过正确配置Free5GC的网络信息（如AMF IP）和UERANSIM的配置文件，可以成功模拟5G基站和用户设备的行为，进行5G网络功能的验证与测试。这种模拟方式为研究人员和开发人员提供了无需物理硬件的5G网络测试环境。

5. 模拟5g网络基本使用演示

5.1  free5gc模拟核心网基本信息查看

上述环境搭建完成，并且启动free5gc容器后，我们可以通过以下命令查看free5gc单个容器的一些状态信息：

docker inspect <容器名(如amf)>

可以通过命令，查询出所有容器及其对应的ip地址，查询出所有容器及其对应的mac地址，进入到各个容器的交互界面

5.2  free5gc模拟核心网基本网络结构分析

free5gc模拟环境搭建完成后，其会虚拟出一个网桥，以及数个和网元对应的虚拟端口，网元通过这些端口和网桥、gnb连接，可以安装bridge-utils工具，以使用brctl命令查看相关信息。

在此基础上经过一定分析后，可画出当前free5gc+ueransim模拟5g网络的组网图大致如下：

5.3 UERANSIM模拟gNB建立

通过以下命令即可建立起虚拟的gnb，并且可以在前台看到相关的建立信息。

cd ~/UERANSIM/build
./nr-gnb -c ../config/free5gc-gnb.yaml

5.4 UERANSIM模拟ue建立与注册、去注册

1.通过命令即可建立出虚拟的UE设备，同时该命令还会将UE设备在核心网处注册。

cd ~/UERANSIM/build
sudo ./nr-ue -c ../config/free5gc-ue.yaml

（命令的目的就是到对应文件夹当中执行对应可执行文件自动化建立UE和gnb）

2. 抓包分析UE注册交互：

使用Wireshark抓包工具，在UE注册过程中捕获通过NGAP协议传输的信令包。通过过滤NGAP协议，可以详细分析UE与网络注册时的信令交互，帮助了解5G网络的工作原理和调试流程。

3. 去注册流程

使用./nr-cli imsi-<UE的IMSI>命令进入UE的命令行界面，并使用deregister命令执行UE的去注册操作。Wireshark可用来抓取去注册过程中发送的信令包，帮助验证去注册流程的正确性。

5.5 Free5GC实际数据业务模拟

5.6 总结

以上步骤详细介绍了如何通过Free5GC和UERANSIM模拟5G网络的关键流程，包括：