5G N4会话建立：SMF到UPF规则注入全链路信令拆解

一、背景与问题定义

5G核心网控制面与用户面分离（CUPS）架构中，SMF（Session Management Function）与UPF（User Plane Function）之间通过N4接口交换PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）信令。N4会话建立（PFCP Session Establishment）是PDU会话建立过程中最关键的"规则注入"环节——SMF将包检测规则（PDR）、转发动作规则（FAR）、QoS执行规则（QER）、使用量上报规则（URR）打包注入UPF，从而让UPF获得"识别、分类、转发、限速、计费"的完整数据面能力。

核心问题：SMF如何在一个PFCP Session Establishment Request消息中，将多套规则以正确的关联关系注入UPF？UPF又如何分配F-TEID并返回隧道信息？本文基于3GPP TS 29.244 V19.1.0（Release 19）和TS 23.502 V19.2.0 Section 4.3.2.2.1，逐IE拆解这一过程。

二、N4会话建立在整个PDU会话流程中的位置

N4会话建立嵌套在UE触发的PDU Session Establishment流程中，位于SMF完成UPF选择之后、SMF向AMF返回N2 SM信息之前。其上下文关系如下：

sequenceDiagram
    participant UE
    participant RAN as (R)AN
    participant AMF
    participant SMF
    participant UPF as UPF(PSA)
    participant PCF
    participant UDM

    UE->>AMF: NAS PDU Session Establishment Request
    Note right of AMF: DNN, S-NSSAI, PDU Session Type
    AMF->>SMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>(forward NAS)
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get (SM数据)
    UDM-->>SMF: Subscription Data
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create
    PCF-->>SMF: PCC Rules (QoS, Charging)

    rect rgb(255,240,220)
        Note over SMF,UPF: ★ N4会话建立（本文聚焦） ★
        SMF->>UPF: PFCP Session Establishment Request<br/>(PDR + FAR + QER + URR)
        UPF-->>SMF: PFCP Session Establishment Response<br/>(F-TEID, Cause)
    end

    SMF-->>AMF: N1N2MessageTransfer Response<br/>(N2 SM Info + N1 SM Container)
    AMF->>RAN: N2 PDU Session Resource Setup Request
    RAN->>UE: RRC Reconfiguration (DRB建立)
    RAN-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext
    SMF->>UPF: N4 Session Modification (AN Tunnel Info)
    Note over SMF,UPF: 数据面通路打通

三、N4会话建立请求消息深度解析

3.1 消息整体结构

根据TS 29.244 Section 7.5.2，PFCP Session Establishment Request消息由以下顶层IE组成：

3.2 规则关联拓扑

关键设计原则：PDR是规则的入口，通过ID引用关联到FAR、QER、URR。UPF收到数据包后，先按PDR的Precedence值从小到大匹配，命中后执行关联的FAR/QER/URR。

graph TB
    subgraph "PFCP Session Establishment Request"
        subgraph "PDR #1 (UL)"
            p1[PDR ID = 1]
            p1_prec[Precedence = 100]
            p1_pdi[PDI: Source=ACCESS<br/>F-TEID=SMF分配<br/>SDF Filter]
            p1 -->|关联| far1[FAR ID = 1<br/>FORWARD→CORE]
            p1 -->|关联| qer1[QER ID = 1<br/>QFI=9, Gate=OPEN<br/>MBR UL/DL]
        end

        subgraph "PDR #2 (DL)"
            p2[PDR ID = 2]
            p2_prec[Precedence = 100]
            p2_pdi[PDI: Source=CORE<br/>UE IP Addr<br/>SDF Filter]
            p2 -->|关联| far2[FAR ID = 2<br/>FORWARD→ACCESS]
            p2 -->|关联| qer1
        end

        subgraph "PDR #3 (DL Default)"
            p3[PDR ID = 3]
            p3_prec[Precedence = 255]
            p3_pdi[PDI: Source=CORE<br/>UE IP Addr]
            p3 -->|关联| far2
        end
    end

3.3 Create PDR核心IE详解

PDR（Packet Detection Rule）是整个规则注入体系的入口点。TS 29.244 Section 7.5.2.2定义了其结构：

PDI（Packet Detection Information）是PDR的核心，决定了UPF如何识别一个数据包：

Precedence（优先级）：数值越小优先级越高。当多个PDR匹配同一数据包时，选择Precedence最小的。典型取值：

Outer Header Removal：UL PDR通常设置值为0（移除GTP-U/UDP/IP外层头），DL PDR通常不设置（需要保留或添加GTP-U封装）。

3.4 Create FAR核心IE详解

FAR决定了匹配到PDR的数据包应该执行什么动作：

典型配置模式：

• UL FAR：Apply Action=FORWARD, Destination Interface=CORE → 上行数据发往DN
• DL FAR：Apply Action=FORWARD, Destination Interface=ACCESS, Outer Header Creation=GTP-U → 下行数据封装GTP-U发往AN
• DL Default FAR（无SDF匹配时）：与DL FAR相同，但没有QoS保障

3.5 Create QER核心IE详解

QER（QoS Enforcement Rule）是5G QoS Flow到UPF执行面的映射桥梁：

四、F-TEID分配博弈：SMF预分配 vs UPF分配

N4会话建立中有一个重要的设计选择：F-TEID由谁分配？这直接影响信令交互次数和时延。

4.1 两种分配模式对比

sequenceDiagram
    participant SMF
    participant UPF

    rect rgb(220,240,255)
        Note over SMF,UPF: 模式一：SMF预分配（CH=0）
        SMF->>UPF: PFCP Session Est. Request<br/>PDR包含完整F-TEID(IP+TEID)
        UPF-->>SMF: PFCP Session Est. Response<br/>无需返回F-TEID
        Note right of SMF: 优点：Response更轻<br/>缺点：SMF需知道UPF IP
    end

    rect rgb(255,240,220)
        Note over SMF,UPF: 模式二：UPF分配（CH=1）
        SMF->>UPF: PFCP Session Est. Request<br/>PDR中F-TEID仅设CH=1
        UPF-->>SMF: PFCP Session Est. Response<br/>返回UPF分配的F-TEID
        Note right of SMF: 优点：SMF无需知道UPF IP<br/>缺点：需等Response
    end
end

4.2 CH（Choose）标志位详解

F-TEID IE中有一个关键bit：CH（Choose）= 1时，表示请求UPF自行分配F-TEID。

设计意图：5G UPF可以有多组IP地址（N3/N9侧、N6侧），SMF不一定知道UPF会使用哪个接口的IP，因此让UPF自己分配更灵活。在SSC Mode 2/3的UPF重选场景中，新UPF的地址未知，CH=1是必须的。

五、N4会话建立响应消息解析

5.1 Response核心IE

UPF在成功处理PFCP Session Establishment Request后，返回Response消息（TS 29.244 Section 7.5.2.2）：

5.2 响应时序与后续动作

stateDiagram-v2
    [*] --> SMF_ConstructRules: SMF收到PCF PCC Rules
    SMF_ConstructRules --> Send_PFCP_Est_Req: 构造PDR/FAR/QER/URR
    Send_PFCP_Est_Req --> Wait_Response: 等待UPF响应

    Wait_Response --> Success: Cause=Success
    Wait_Response --> Failure: Cause=RequestRejected
    Wait_Response --> PartialSuccess: 部分PDR失败

    Success --> Check_FTEID: 提取UPF分配的F-TEID
    Check_FTEID --> Build_N2SM: 构造N2 SM Information
    Build_N2SM --> Send_N1N2_ToAMF: 发给AMF

    Failure --> Select_NewUPF: 重选UPF
    Select_NewUPF --> Send_PFCP_Est_Req

    PartialSuccess --> EvaluateFailure: 评估失败PDR
    EvaluateFailure --> Success: 核心PDR成功→继续
    EvaluateFailure --> Failure: 核心PDR失败→重选

六、多QoS Flow场景下的规则注入策略

6.1 一个PDU会话多个QoS Flow

5G允许一个PDU会话内建立多个QoS Flow，每个Flow有不同的5QI。N4会话建立时，SMF需要为每个QoS Flow创建独立的PDR+QER组合。

典型配置（VoNR场景：1个Default + 1个IMS Signaling + 1个Voice）：

关键设计： - 语音RTP包Precedence=30，优先于SIP信令Precedence=50和Default的255 - QER2包含GBR保障参数，确保语音速率 - Default PDR作为兜底，QFI=9（non-GBR），Precedence=255

6.2 Rule之间引用关系验证

SMF在构造PFCP Session Establishment Request时，必须确保引用完整性：

graph TD
    subgraph "规则引用校验"
        PDR1_UL["PDR#1(UL)<br/>SIP→QFI5"] -->|"FAR ID"| FAR_UL["FAR#1<br/>FWD→CORE"]
        PDR1_UL -->|"QER ID"| QER1["QER#1<br/>QFI=5,MBR"]
        PDR1_UL -->|"URR ID"| URR1["URR#1<br/>Volume Threshold"]

        PDR2_DL["PDR#2(DL)<br/>SIP→QFI5"] -->|"FAR ID"| FAR_DL["FAR#2<br/>FWD→ACCESS"]
        PDR2_DL -->|"QER ID"| QER1

        PDR3_UL["PDR#3(UL)<br/>RTP→QFI1"] -->|"FAR ID"| FAR_UL
        PDR3_UL -->|"QER ID"| QER2["QER#2<br/>QFI=1,GBR"]

        PDR4_DL["PDR#4(DL)<br/>RTP→QFI1"] -->|"FAR ID"| FAR_DL
        PDR4_DL -->|"QER ID"| QER2

        PDR5_UL["PDR#5(UL)<br/>Default→QFI9"] -->|"FAR ID"| FAR_UL
        PDR5_UL -->|"QER ID"| QER3["QER#3<br/>QFI=9"]

        PDR6_DL["PDR#6(DL)<br/>Default→QFI9"] -->|"FAR ID"| FAR_DL
        PDR6_DL -->|"QER ID"| QER3
    end

    style PDR3_UL fill:#ff9999
    style PDR4_DL fill:#ff9999
    style PDR1_UL fill:#99ccff
    style PDR2_DL fill:#99ccff
    style PDR5_UL fill:#cccccc
    style PDR6_DL fill:#cccccc

七、与4G EPS CUPS的对比

核心差异解读：5G N4最大的增强在于QER引入QFI取代了EPS的Bearer级别QoS，以及FAR的Duplicate能力支持了URLLC冗余传输场景（TS 23.501 Section 5.33.2.1）。

八、抓包识别与故障排查

8.1 Wireshark抓包过滤

# 过滤PFCP Session Establishment Request
pfcp.message_type_value == 50

# 过滤PFCP Session Establishment Response
pfcp.message_type_value == 51

# 过滤特定SEID的会话
pfcp.seid == 0x1234567890abcdef

# 过滤Create PDR中的F-TEID
pfcp.f_teid

# 过滤特定QFI
pfcp.qfi == 9

8.2 常见故障点与排错

N4会话建立并非一次性完成所有规则注入。实际部署中，Session Establishment + Session Modification的配合才是完整的数据面通路打通过程：

1. Session Establishment（本文主题）：注入UL/DL PDR+FAR+QER，建立PSA UPF上的规则上下文
2. Session Modification #1：SMF收到AN Tunnel Info后，修改DL FAR，填入(R)AN的N3 F-TEID
3. Session Modification #2（可选）：QoS Flow建立/修改时，增删PDR/QER
4. Session Modification #3（可选）：UL CL/BP插入时，增加中间UPF的规则

这种"先建后改"的设计，是因为SMF在N4 Session Establishment阶段还不知道(R)AN的隧道信息（要等N2交互后才知道），所以DL FAR的目标隧道地址在第一次Modification时才填充。

十、Release 18/19增强特性

TS 29.244在Rel-18和Rel-19中引入了多项N4增强：

常见问题

Q1: N4 Session Establishment中UL和DL方向是否必须各创建至少一个PDR？

A: 是的。根据TS 29.244，一个N4会话必须包含至少一个UL方向（Source Interface=ACCESS）和一个DL方向（Source Interface=CORE）的PDR，以确保双向数据通路。但在某些特殊场景（如仅下行推送），可能只创建DL PDR。

Q2: SDF Filter和Application ID在PDR中可以同时使用吗？

A: 不建议。TS 29.244规定PDI中的SDF Filter和Application ID是互斥的检测条件。如果同时存在，UPF的行为取决于实现。SDF Filter基于五元组精确匹配，Application ID基于DPI/深度包检测，适用于无法用五元组定义的应用流量。

Q3: UPF返回Cause=RequestRejected时，SMF应该如何处理？

A: TS 23.502 Section 4.3.2.2.1规定SMF应：①记录日志并上报网管；②如果有备选UPF（同S-NSSAI/DNN），触发UPF重选并重新发起N4 Session Establishment；③如果没有备选UPF，向UE返回PDU Session Establishment Reject（Cause=27 "Missing or unknown DNN"或Cause=67 "Insufficient resources"）。

Q4: 多个QER引用同一个QFI时，UPF如何处理速率限制？

A: UPF在执行QoS速率限制时，会按照Session-AMBR（会话级聚合最大速率）和Flow-GBR/MBR（流级速率）两级执行。同一QFI的多个PDR引用的QER中的MBR应该一致（由SMF确保），UPF在实现上通常会对同一QFI的PDR共享速率计数器。

Q5: N4会话建立和PFCP Association Setup是什么关系？

A: PFCP Association Setup是节点级的握手（TS 29.244 Section 7.4.1），在N4会话建立之前完成。Association建立SMF与UPF之间的控制面连接，交换能力集（UPF Features、SMF Features）。N4 Session Establishment是会话级操作，在Association之上创建具体的PDU会话规则。一个Association可以承载多个N4 Session。

参考来源

1. 3GPP TS 29.244 V19.1.0 — Section 7.5.2 (PFCP Session Establishment), Section 7.5.2.2 (Create PDR/FAR/QER/URR IE定义)
2. 3GPP TS 23.502 V19.2.0 — Section 4.3.2.2.1 (UE-requested PDU Session Establishment)
3. PFCP Session Lifecycle in free5GC — free5GC开源实现中的PFCP会话生命周期详解
4. N4 Handler and Rule Application — DeepWiki/open5gs — open5gs开源UPF中N4规则处理机制
5. Cisco UCC 5G UPF N4 Procedures Guide — Cisco UPF产品N4会话管理实践

本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生（微信ID: gprshome201101）维护，聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

[!tip] 51学通信知识星球 星主：爱卫生（微信：gprshome201101）——公众号「51学通信」创办者，19 年通信行业运维与讲师经验，著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书（各大电商平台有售）。 星球定位：深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域，主打运维岗位与信令分析。 当前规模：5200 篇主题 / 990 个回答，198 元/年。 加入福利：加入星球后请加爱卫生微信，拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题，另有群内分享。 AI 加持：51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy，使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例，做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。