5G PDU会话建立信令流全链拆解：从NAS到N4的16步完整推演

一、机制定位与设计意图

PDU Session Establishment（PDU会话建立）是5G核心网最基础、最高频的会话管理流程，定义于 TS 23.502 Section 4.3.2。该流程完成UE到DN（数据网络）之间端到端数据通道的建立，涉及7个网络功能（UE、RAN、AMF、SMF、UPF、UDM、PCF）的协同交互，跨越6个关键接口（N1/N2/N3/N4/N7/N10）。

设计意图解析：

• 控制面与用户面分离（CUPS继承）：SMF负责控制面决策（QoS、计费、路由），UPF仅负责用户面转发，两者通过N4/PFCP接口交互
• 会话管理与移动性管理解耦：AMF只做NAS消息的透传代理（N11接口），不解析5GSM信令内容，实现网元职责清晰
• 策略驱动：PCF通过N7接口下发PCC规则，SMF据此生成QoS流和PFCP规则，实现业务差异化处理
• SMF选择动态化：AMF通过NRF发现或本地配置选择SMF，支持基于切片、DNN、DNAI的灵活路由

二、完整信令时序图（TS 23.502 Figure 4.3.2.2-1）

以下时序图基于 TS 23.502 Section 4.3.2.2.1 的UE发起场景（非漫游），展示从UE发出NAS请求到用户面数据通道就绪的完整16步流程：

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

    Note over UE,UPF: Phase 1: NAS请求与SMF选择 (Step 1-3)
    UE->>RAN: 1. UL NAS Transport<br/>PDU Session Establishment Request<br/>(NAS 5GSM Message)
    RAN->>AMF: 2. N2 UL NAS Transport<br/>(含RAN UE NGAP ID, NAS PDU)
    AMF->>AMF: 3. SMF Selection<br/>(NRF Discovery / Local Config)

    Note over UE,UPF: Phase 2: SM Context创建与策略获取 (Step 4-8)
    AMF->>SMF: 4. Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, PDU Session ID, AMF ID)
    SMF->>UDM: 5. Nudm_SDM_Get<br/>(Subscription Data for DNN/S-NSSAI)
    UDM-->>SMF: 6. Subscription Data<br/>(Default 5QI, Session-AMBR, SSDM)
    SMF-->>AMF: 7. Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>(SM Context ID, Cause)
    SMF->>PCF: 8. Npcf_SMPolicyControl_Create<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, IPv4/IPv6)

    Note over UE,UPF: Phase 3: UPF选择与N4会话建立 (Step 9-11)
    SMF->>SMF: 9. UPF Selection<br/>(NRF / DNAI / Topology)
    SMF->>UPF: 10. N4 PFCP Session Establishment Request<br/>(Create FAR, Create PDR, Create QER)
    UPF-->>SMF: 11. N4 PFCP Session Establishment Response<br/>(F-SEID, UPF TEID)

    Note over UE,UPF: Phase 4: NAS响应与N2资源分配 (Step 12-16)
    SMF->>AMF: 12. Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>(N1 SM Container + N2 SM Info)
    AMF->>RAN: 13. N2 PDU Session Resource Setup Request<br/>(NAS PDU + N2 SM Info)
    RAN->>UE: 14. DL NAS Transport<br/>PDU Session Establishment Accept
    UE-->>RAN: 15. RRC Reconfiguration Complete<br/>(空口资源就绪)
    RAN-->>AMF: 16. N2 PDU Session Resource Setup Response<br/>(RAN TEID, RAN IP)
    AMF->>SMF: 17. Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext<br/>(RAN N3 Info)
    SMF->>UPF: 18. N4 PFCP Session Modification<br/>(Update FAR with RAN F-TEID)

    Note over UE,UPF: ✅ 用户面数据通道 UE → RAN(N3) → UPF(N6) → DN 就绪

三、逐步IE参数深度解析

Phase 1：NAS请求与SMF选择（Step 1-3）

Step 1：UL NAS Transport（TS 24.501 Section 8.2.7）

UE通过 UL NAS TRANSPORT 消息携带 PDU SESSION ESTABLISHMENT REQUEST（TS 24.501 Section 8.3.9），核心IE如下：

DNN与S-NSSAI的联合选择逻辑（TS 23.501 Section 5.15.3）：

UE根据URSP（UE Route Selection Policy）规则，将应用流量匹配到特定的DNN+S-NSSAI组合。如果URSP未提供匹配规则，UE使用默认DNN（HPLMN配置或Default DNN）。

Step 2-3：AMF的SMF选择（TS 23.502 Section 4.3.2.2.1 Step 3a/3b）

AMF收到NAS消息后，执行SMF选择。选择依据的优先级：

1. 已有SM Context：如果PDU Session ID对应的SM Context存在，直接路由到原SMF
2. NRF Discovery：基于S-NSSAI + DNN查询NRF，获取候选SMF列表（TS 29.510 Nnrf_NFDiscovery）
3. 本地配置：使用AMF上配置的SMF静态路由表

SMF选择的关键输入参数（TS 23.501 Section 6.3.2）：

Phase 2：SM Context创建与策略获取（Step 4-8）

Step 4：CreateSMContext（TS 29.502 Section 5.1.1）

AMF通过 Nsmf_PDUSession_CreateSMContext 服务操作向SMF发送创建请求：

POST /nsmf-pdusession/v1/sm-contexts

请求体关键字段（TS 29.502 Section 6.1.6.2.4）：

SMF收到后创建SM Context（会话管理上下文），分配全局唯一的 smContextRef（SM Context ID），后续所有该会话的操作都通过此ID引用。

Step 5-6：UDM订阅数据获取（TS 29.503 Section 5.2.2）

SMF调用 Nudm_SDM_Get 获取用户的会话管理签约数据：

SSC Mode协商逻辑（TS 23.501 Section 5.6.4）：

flowchart TD
    A[UE请求SSC Mode] --> B{Allowed SSC Mode包含<br/>UE请求的Mode?}
    B -->|Yes| C[使用UE请求的SSC Mode]
    B -->|No| D{Allowed SSC Mode<br/>仅包含一个Mode?}
    D -->|Yes| E[使用该唯一允许的Mode]
    D -->|No| F[使用Allowed SSC Mode中<br/>最高优先级的Mode]
    C --> G[SSC Mode确定]
    E --> G
    F --> G

Step 8：PCF策略获取（TS 29.512 Section 4.2.2）

SMF通过 Npcf_SMPolicyControl_Create 向PCF获取PCC规则：

SMF发送给PCF的关键参数：

• SUPI + DNN + S-NSSAI（会话标识三元组）
• IPv4地址/IPv6前缀（如已分配）
• UE Location（TAI + Cell ID）
• Access Type（3GPP access）
• Subscription信息（来自UDM的默认5QI/ARP/Session-AMBR）

PCF返回的PCC规则（TS 29.512 Section 6.1.6.2.2）：

Phase 3：UPF选择与N4会话建立（Step 9-11）

Step 9：UPF选择（TS 23.501 Section 6.3.3）

SMF根据以下因素选择UPF：

1. DNN + S-NSSAI：过滤支持该DNN和切片的UPF
2. DNAI（DN Access Identifier）：边缘计算场景中，选择靠近应用部署位置的UPF
3. UE Location：选择拓扑距离UE最近的UPF（减少N3隧道延迟）
4. UPF负载：NRF上报的UPF负载信息
5. N4能力：UPF支持的PFCP特性（如Multi-Access、UL CL能力）

Step 10-11：N4 PFCP Session Establishment（TS 29.244 Section 7.5.2）

SMF通过PFCP协议向UPF建立N4会话，下发三类核心规则：

PFCP Session Establishment Request消息结构（TS 29.244 Section 7.5.2.2）：

PFCP Session Establishment Request
├── Node ID (SMF标识)
├── F-SEID (SMF侧的PFCP会话端点)
├── Create PDR #1 (上行: UPF → DN, N6接口)
│   ├── PDI:
│   │   ├── Source Interface = CORE (上行)
│   │   ├── F-TEID (SMF分配, 用于GTP-U匹配)
│   │   └── SDF Filter (Service Data Flow模板)
│   ├── Outer Header Removal = GTP-U/IPv4
│   ├── FAR ID → FAR #1
│   └── QER ID → QER #1
├── Create FAR #1 (上行转发规则)
│   ├── Apply Action = FORW (Forward)
│   └── Forwarding Parameters:
│       ├── Destination Interface = CORE (N6)
│       └── Network Instance = DNN值
├── Create PDR #2 (下行: DN → UPF → RAN, N3接口)
│   ├── PDI:
│   │   ├── Source Interface = CORE (下行)
│   │   └── UE IP Address
│   ├── FAR ID → FAR #2
│   └── QER ID → QER #1
├── Create FAR #2 (下行转发规则, 此时目标RAN未知)
│   └── Apply Action = BUFF (缓存, 等待RAN信息)
└── Create QER #1 (默认QoS Flow的限速规则)
    ├── QFI = 默认5QI对应的QFI
    ├── Gate Status = OPEN
    └── MBR = Session-AMBR

UPF的响应（TS 29.244 Section 7.5.2.3）：

• 返回UPF侧的F-SEID（PFCP会话端点标识）
• 返回UPF为N3接口分配的F-TEID（GTP-U隧道端点）——这个TEID将在后续下发给RAN，作为N3上行数据的目的TEID

Phase 4：NAS响应与N2资源分配（Step 12-18）

Step 12-13：N1N2MessageTransfer（TS 29.518 Section 5.2.2.3）

SMF通过 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 将两条信息打包发送给AMF：

• N1 SM Container：PDU SESSION ESTABLISHMENT ACCEPT（给UE的NAS响应）
• N2 SM Info：PDU Session Resource Setup Request（给RAN的N2容器）

AMF拆包后： - N1 NAS消息封装在 DL NAS TRANSPORT 中发给UE - N2 SM Info封装在 NGAP PDU Session Resource Setup Request 中发给RAN

PDU Session Establishment Accept关键IE（TS 24.501 Section 8.3.10）

N2 PDU Session Resource Setup（TS 38.413 Section 8.4.1）

RAN通过NGAP消息获取建立N3隧道所需的全部参数：

RAN的处理： 1. 根据QoS参数（5QI/ARP）建立DRB（Data Radio Bearer） 2. 通过RRC Reconfiguration配置UE的空口资源 3. 分配自己的N3隧道终点（RAN IP + RAN TEID）

Step 17-18：N3隧道最终打通

RAN在 N2 PDU Session Resource Setup Response 中返回RAN侧的N3隧道信息（RAN F-TEID）。AMF通过 Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext 转发给SMF，SMF再通过 N4 PFCP Session Modification 更新UPF的下行FAR规则——将下行数据的转发目标从"缓存"改为"转发到RAN的N3隧道"。

此时完整的用户面数据路径形成：

UE ←→ (Uu空口) ←→ RAN ←→ (N3 GTP-U) ←→ UPF ←→ (N6) ←→ DN

四、SMF状态机转换（TS 23.502 Section 4.3.2）

stateDiagram-v2
    [*] --> No_Session: UE未建立PDU会话

    No_Session --> SM_Context_Created: CreateSMContext Request<br/>(Step 4)
    note right of SM_Context_Created: SM Context存在<br/>但N4/N3未建立

    SM_Context_Created --> Policy_Obtained: PCF Policy Create<br/>(Step 8)
    note right of Policy_Obtained: PCC规则已获取<br/>QoS参数确定

    Policy_Obtained --> N4_Established: PFCP Session Est.<br/>(Step 10-11)
    note right of N4_Established: UPF资源预留<br/>UL CL/PDR/FAR已下发

    N4_Established --> N1N2_Transferred: N1N2Msg Transfer<br/>(Step 12)
    note right of N1N2_Transferred: NAS Accept已发送<br/>等待RAN响应

    N1N2_Transferred --> Active: N2 Resource Setup Response<br/>(Step 16-17)
    note right of Active: 用户面数据通道就绪<br/>N3隧道已打通

    Active --> [*]: PDU Session Release

五、QoS Flow与DRB映射机制

PDU会话建立过程中，SMF根据PCF下发的PCC规则创建QoS Flow。每个PDU会话至少包含一个默认QoS Flow（使用签约的Default 5QI），其特征：

5QI到DRB的映射（RAN本地策略）： - RAN将相同或相似QoS需求的QoS Flow映射到同一个DRB - 3GPP标准不强制规定映射算法，各厂商实现不同 - 典型策略：Non-GBR Flow共享一个DRB，每个GBR Flow独占一个DRB

六、IPv4/IPv6地址分配机制（TS 23.501 Section 5.8.2）

PDU会话建立过程中，IP地址分配有三种方式：

IPv6地址分配的完整流程：

1. SMF为UE分配Interface Identifier（接口标识）
2. SMF通过PDU Session Establishment Accept下发IPv6 Prefix（/64）
3. UE通过IPv6 Stateless Address Autoconfiguration生成完整IPv6地址
4. 可选：SMF通过NDP Proxy或DHCPv6 PD提供额外前缀

七、抓包识别与排错实战

7.1 Wireshark抓包识别要点

7.2 常见故障点与排错

九、PDU会话建立与4G PDN连接建立的对比

常见问题

Q1: PDU Session Establishment中SMF为什么需要先查询UDM再查询PCF？

A: 这是设计上的必然顺序。SMF首先需要从UDM获取签约数据（Default 5QI、Session-AMBR、Allowed DNN等），这些数据决定了PDU会话的基本参数框架。然后SMF携带签约数据和会话信息向PCF请求策略决策，PCF在签约数据的约束范围内下发具体的PCC规则（包括动态QoS、计费策略、门控策略等）。如果PCF认为签约数据不允许该会话建立，会返回错误。因此UDM→PCF的顺序不能颠倒。

Q2: N4 PFCP Session建立时下行FAR为什么是BUFF（缓存）而不是FORW（转发）？

A: 因为在N4建立阶段（Step 10），RAN尚未分配N3隧道终点（RAN F-TEID），UPF不知道下行数据应该发往哪里。因此SMF只能先让UPF对下行数据做缓存（BUFF Action）。等到Step 16-17收到RAN返回的N3隧道信息后，SMF再通过N4 Session Modification将下行FAR从BUFF更新为FORW，填入RAN的IP和TEID。这是控制面先于用户面完成的经典设计——"先建规则，后填参数"。

Q3: 如果UE同时请求IPv4和IPv6（IPv4v6），地址分配过程是怎样的？

A: 当PDU Session Type为IPv4v6时（TS 23.501 Section 5.8.2），SMF可以同时分配IPv4地址和IPv6前缀。IPv4地址通过PDU Session Establishment Accept的PDU Address IE直接下发给UE；IPv6前缀也通过同一IE下发Interface Identifier，UE通过Stateless Address Autoconfiguration（RFC 4862）自行构造完整IPv6地址。某些场景下SMF可能只分配一种地址类型，此时5GSM Cause会指示"DNN congestion"或"PDU session type IPv4 only allowed"。

Q4: AMF在PDU会话建立过程中能看到NAS消息内容吗？

A: AMF可以看到NAS消息的外层封装（如UL NAS TRANSPORT的Payload Container Type和PDU Session ID），但不解析5GSM消息内容。AMF的角色是"透传代理"——根据PDU Session ID确定目标SMF，然后将整个NAS PDU原封不动地转发给SMF。这是5G架构设计的核心原则：移动性管理（AMF）和会话管理（SMF）严格解耦，AMF不关心QoS、IP地址分配等会话级细节。

Q5: PDU会话建立失败时，SMF如何清理已分配的资源？

A: SMF维护了完整的资源分配状态机。如果流程在某个步骤失败，SMF按反向顺序清理：若N4已建立则发起PFCP Session Deletion释放UPF资源；若PCF策略已创建则发起Npcf_SMPolicyControl_Delete释放策略资源；若UDM订阅已注册则发起Nudm_UECM_Deregistration。SM Context在资源清理后被标记为释放状态。整个清理过程遵循"谁创建谁释放"的原则。

参考来源

1. 3GPP TS 23.502 V18.x.x — Section 4.3.2 PDU Session Establishment, Section 4.3.2.2.1 UE-initiated
2. 3GPP TS 24.501 V18.x.x — Section 8.3.9/8.3.10 PDU SESSION ESTABLISHMENT REQUEST/ACCEPT NAS消息定义
3. 3GPP TS 29.502 V18.x.x — Section 5.1.1 Nsmf_PDUSession Service, Section 6.1.6 SM Context数据结构
4. 3GPP TS 29.244 V18.x.x — Section 7.5 PFCP Session Management, Section 7.5.2 PFCP Session Establishment
5. 3GPP TS 38.413 V18.x.x — Section 8.4.1 PDU Session Resource Setup NGAP消息
6. 3GPP TS 29.512 V18.x.x — Section 4.2 Npcf_SMPolicyControl Service操作

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。

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