使用arp、ifconfig、docker inspect及网桥brctl 相关命令，收集容器IP及Mac地址相关信息，可以梳理出UERANSIM+free5GC模拟环境组网，如下图所示：

如上图所示：环境基于ubuntu 18.04 VMware虚机部署，5GC网元分别部署在虚机的docker容器中。5GC各模拟网元模拟RAN 通过虚拟网桥进行数据交换。物理机上的VMware 虚拟网卡作为DN(互联网节点)通过虚拟网桥与容器中的UPF对接。

（需注意：确定Linux内核版本，必须要5.0.0-23-generic 或者 5.4.0之后的版本）

内核问题需要补充：确定Linux内核版本，必须要5.0.0-23-generic 或者 5.4.0之后的版本

ubuntu 22.04的内核有些是5.15.0-150-generic，有些是5.4.0-150-generic，导致在编译的过程中，总会报各种错误；而linux中关于内核降级非常复杂，因此建议一开始确定内核版本，或者直接采用ubuntu 18.04，其内核版本为3.x.x，虽然版本也不正确，但是linux中内核升级相对方便，只需要补充一下source.list，然后直接在线下载即可，不需要修改grub文件。原因很简单，Linux自动采用高版本的内核。如果不放心，建议修改grub文件，然后在开机过程中进入高级模式，方便调试。

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

而当数据依赖包在从github进行下载时，可能会出现连接失败或者连接超时等问题，则可采用以下方案进行解决：

git config --global --unset http.proxy 
git config --global url."https://ghproxy.com/https://github.com".insteadOf "https://github.com"

该语句在执行中会报错git clone -b v0.2.0 https://github.com/PrincOwO/gtp5g.git，但是在执行过程中会出现问题。

解决方法：

git clone -b v0.2.0 https://github.com/PrinzOwO/gtp5g.git

5G核心网架构：

5G网络由众多网元构成，每个网元都有特定的功能，UE为用户设备，(R)AN为(无线)接入网络，DN为数据网络，红框内为核心网中的网元集合。

5G核心网采用基于服务的系统架构，在部署上采用虚拟机和容器的方式，采用软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的技术，将控制与转发分离，技术成本大幅降低，使网络更加开放，且具有编程能力。

5G核心网中拥有众多的网元，如AMF、UDM、NRF等，共同承担起核心网的功能，其中与用户注册管理关系最密切的网元是AMF网元，从图中也可看出，AMF网元与基站通过N2口进行通信。

用户注册管理：

用户注册管理是用于用户和网络之间进行注册和注销，在网络建立上下文的过程，用户想要获取网络提供的业务必须先向网络进行注册。

用户注册管理有四个场景：

1 用户初次注册网络

2 用户周期性注册网络

3 用户位置变更引起的网络重新注册 

4 紧急业务引发的网络注册

5G终端初始注册接入核心网及会话建立流程：

5G终端初始注册接入核心网并建立会话的流程主要有以下几个步骤：

1 UE开机，连接到5G基站，发送5G网络注册请求，基站在该过程中透明，只会转发用户的注册请求到5G核心网。

2 在收到用户的注册请求时，因为是初始注册，核心网没有用户的上下文信息，所以就会向用户发送身份验证请求。

3 用户在验证了验证请求的真实性后，会向核心网发送身份验证信息，再次发送注册请求到核心网。

4 核心网收到用户的身份验证信息后，对用户的信息进行验证鉴权，如果通过，就返回注册接收消息，并且发送用户上下文初始化请求，根据用户的回应设置用户的上下文。

5 设置完成后，用户会发送PDU会话建立请求。

6 核心网接受了PDU建立请求后，设置相应的PDU资源。

7 用户可以与核心网进行通信，开始发送和接收数据，进行业务访问。

5G AKA协议核心原理：

参考TS33.501、TS33.102 5G AKA认证协议核心是基于鉴权向量AV的产生与传输、MAC的验证、RES的认证，其核心简要概括如下：

F1-F5算法通常采用Milenage算法。

计算消息认证码(MAC)：MAC = F1K(SQN || RAND || AMF)；

计算期望的认证应答(XRES)：XRES = F2K (RAND)；

网络认证令牌(AUTN)：AUTN = (SQN⊕AK )|| AMF || MAC；

AV：AV=RAND||XRES||CK||IK||AUTN；

核心网发起认证时将AV传递到 UE。

UE 对于核心网AV的认证：

消息序列号(SQN):(SQN⊕AK )⊕AK

预期的计算消息认证码（XMAC）：F1K(SQN || RAND || AMF)；

UE认证的核心网即MAC与XMAC之间的比对。

核心网对于UE RES的认证：

核心网在生成AV的同时会记录XRES，UE认证MAC的同时会将RES返回核心网进行认证。

核心网认证UE核心即 RES与XRES之间的比对。

认证模型中K是如何来的？

5G 各网元密钥采用层次化的派生体系

每一个层级的密钥都有对应的KDF密钥导出函数进行推导，如K->Kausf 的推导，Kausf->Kseaf 的推导，具体参见《TS 33.501 5G 系统安全架构和过程》的 Figure 6.2.2-1：网络节点的5G密钥分发和密钥导出方案 。

至于UE 与核心网双向认证的模型中的K，应该就是本密钥层次模型中的顶层PermanentKey。