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5G PDU会话建立全链拆解：SMF/UPF选择、N4(PFCP)会话锚定与PCF策略关联机制

一、为什么PDU会话建立是5GC最复杂的单条信令流

在5G核心网（5GC）中，PDU会话（PDU Session） 是UE与数据网络（DN）之间建立端到端用户面连接的逻辑载体。相比于4G EPS中相对扁平的"PDN连接+EPS承载"模型，5G的PDU会话建立流程（定义于 3GPP TS 23.502 Section 4.3.2.2.1 "UE-initiated PDU Session Establishment"）一次性串联了SMF选择、UPF/PSA选择、订阅数据获取、PCF策略关联、N4(PFCP)会话锚定、N3/N9隧道建立、N2 AN资源建立等7大子流程，涉及AMF、SMF、UDM、PCF、UPF、(R)AN、NRF、NSSF共8类网元。

这条信令流的特殊性在于：控制面（N11/N7/N10）与用户面（N4/N3/N9）在同一过程中并行建立并相互依赖。SMF既是控制面的"指挥中枢"，又是用户面的"配置源头"——它必须先通过N7从PCF拿到PCC规则，才能通过N4向UPF下发PDR/QER/FAR/URR，而N4会话的隧道信息又必须回填给AMF以驱动N2接口向gNB下发无线承载。任何一个环节的IE缺失或时序错配，都会导致PDU会话建立失败。

本文以 TS 23.502 4.3.2.2.1 的标准流程为主线，结合 TS 23.501 6.2.2/6.3.3（SMF/UPF功能与选择）、TS 23.503（PCC框架）以及TS 29.244（N4 PFCP协议），逐消息拆解关键Information Element，并辅以free5GC开源实现中的源码级映射（ApplyPccRules/CreatePccRuleDataPath/AssignQFI/AddQoS/ActivateTunnelAndPDR），帮助协议开发与抓包排错工程师建立"从信令到数据面"的完整心智模型。

二、整体信令时序：UE-initiated PDU会话建立全流程

下图基于TS 23.502 Figure 4.3.2.2.1-1，绘制了一次完整的UE发起PDU会话建立过程，标注了每条消息的归属接口与核心动作。

sequenceDiagram
    participant UE
    participant AN as (R)AN/gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UDM
    participant PCF
    participant UPF
    participant NRF

    Note over UE,AMF: 1. AN信令连接已建立（注册流程后）
    UE->>AMF: NAS Msg: PDU Session Establishment Request<br/>(PDU Session ID, DNN, S-NSSAI, PDU Session Type, SSC mode, Request Type)
    Note over AMF: 2. SMF Selection<br/>(DNN+S-NSSAI+签约→Nnrf_NFDiscovery)
    AMF->>NRF: Nnrf_NFDiscovery (nf-type=SMF, DNN, S-NSSAI)
    NRF-->>AMF: SMF实例列表
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, PDU Session ID, AMF ID, N1 SM container, User Location)
    Note over SMF: 3a. SM Context创建
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get (SUPI, DNN, S-NSSAI)<br/>获取SessionManagementSubscriptionData
    UDM-->>SMF: 签约数据(默认SSC模式, Allowed DNN, Subscribed QoS, Charging)
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Subscribe (数据变更通知)
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>(SM Context ID, N1 SM: PDU Estab Accept/Reject)
    Note over SMF: 3b. SM Policy Association建立
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, IPv4/IPv6, UE IP, Subscription)
    Note over PCF: 策略决策：选PCC规则、QoS决策、计费决策
    PCF-->>SMF: SmPolicyDecision<br/>(PCC rules, QoS decision, Charging decision, Session rules)
    Note over SMF: 4. UPF Selection + ApplyPccRules→Session Rules
    SMF->>NRF: Nnrf_NFDiscovery (nf-type=UPF, DNAI/DNN)
    NRF-->>SMF: UPF实例列表
    SMF->>SMF: ApplyPccRules(): PCC→PDR/QER/FAR/URR, AssignQFI
    Note over SMF,UPF: 5. N4会话锚定（PFCP）
    SMF->>UPF: N4 Session Establishment Request<br/>(PDR, FAR, QER, URR, F-TEID请求)
    UPF-->>SMF: N4 Session Establishment Response<br/>(CN Tunnel Info = N9 F-TEID)
    SMF->>SMF: 分配UE IP地址（IPAM/DHCP）
    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>(N1: PDU Estab Accept[UE IP,PDU Type,SSC,QoS规则]<br/> N2: PDU Session Resource Setup[QoS Profile, N3 UL F-TEID, QFI])
    Note over AMF,AN: 6. N2 AN资源建立
    AMF->>AN: N2 PDU Session Resource Setup Request<br/>(PDU Session ID, NAS Msg, N3 Tunnel Info, QoS Flow List)
    AN->>UE: RRC Reconfiguration（建立DRB）
    AN-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response<br/>(N3 DL F-TEID = AN Tunnel Info)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request<br/>(AN Tunnel Info)
    Note over SMF,UPF: 7. 下行隧道下发
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request<br/>(更新FAR: 下行AN Tunnel Info)
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response
    Note over UE,UPF: ✅ 端到端用户面打通：UE↔DRB↔N3↔UPF↔N6

整条流程可分为七个逻辑阶段：①请求与SMF选择；②SM Context创建与签约获取；③SM Policy关联与策略决策；④UPF选择与PCC规则映射；⑤N4会话锚定；⑥N2/N3用户面资源建立；⑦下行隧道回填与确认。下面逐阶段拆解关键IE。

三、阶段一：PDU会话建立请求与SMF选择

3.1 UE侧NAS请求中的关键IE

UE通过已注册时建立的N1 NAS信令连接，向AMF发送 PDU Session Establishment Request（TS 24.501 Section 8.3.8.1）。该消息封装在UL NAS TRANSPORT中，核心IE如下表：

Information Element 说明 抓包定位（Wireshark NAS-5GS） 设计意图
PDU Session ID UE本地分配的会话标识（1~15，0保留） nas_5gs.pdu_session_identity 同一UE可并行多PDU会话，需唯一标识以供SM Context路由
DNN（Data Network Name） 目标数据网络，等价4G APN nas_5gs.dnn 决定UPF到DN的N6出口与PSA选择域
S-NSSAI（Slice） 切片标识（SST+SD） nas_5gs.s_nssai 缩小SMF/UPF选择范围，实现切片隔离
Requested PDU Session Type IPv4 / IPv6 / Ethernet / Unstructured nas_5gs.requested_type 决定UPF数据面处理方式与IP分配策略
Requested SSC mode SSC1/2/3，会话与服务连续性模式 nas_5gs.ssc_mode 决定锚点是否可迁移（SSC3允许重定位PSA）
Request type INITIAL_REQUEST / EXISTING_PDU_SESSION / MODIFICATION / EMERGENCY nas_5gs.request_type_value 区分新建、切换重建、紧急呼叫等场景
Old PDU Session ID 非3GPP/4G互操作时携带 仅异系统场景 保持PDU Session ID连续性

设计意图：5G把"DNN+S-NSSAI"作为会话寻址的复合主键，而非4G仅靠APN。这是为了支持一个UE在同一DNN下对不同切片建立独立的PDU会话，是切片商用化的协议基础。

3.2 SMF选择机制（TS 23.501 6.3.2 + NRF发现）

AMF收到请求后执行 SMF Selection，其决策依据（TS 23.501 Section 6.3.2）：

  1. 切片约束：UE请求的S-NSSAI必须在注册流程中AMF返回的Allowed NSSAI内，否则AMF直接拒绝（Cause: DNN not supported / Slice not available）。
  2. 签约约束：从UDM的AccessAndMobilitySubscriptionData获取UE签约的Subscribed S-NSSAI与默认DNN列表。
  3. NRF发现：AMF通过 Nnrf_NFDiscovery 服务（nf-type=SMF），以 DNN+S-NSSAI+NF Set为查询参数，获取候选SMF实例列表（含负载、容量、服务区域）。
  4. NSSF辅助（可选）：若AMF自身无法解析（如跨切片、漫游），可调用 Nssf_NSSelectionGet 获取NSI ID与候选SMF Set。
  5. 拓扑/负载亲和：AMF在候选集合内按SMF Set优先选择与AMF Set有良好拓扑关系、负载较低的实例。
flowchart TD
    A[UE: PDUSEstab Request<br/>DNN+S-NSSAI] --> B{AMF: S-NSSAI在<br/>Allowed NSSAI内?}
    B -- 否 --> X1[拒绝#DNN/切片不可用]
    B -- 是 --> C[从UDM取签约<br/>Subscribed S-NSSAI/DNN]
    C --> D{本地Configured可解析?}
    D -- 是 --> E[本地选择规则<br/>DNN+S-NSSAI→SMF Set]
    D -- 否 --> F[Nssf_NSSelectionGet]
    F --> G[获得NSI ID + 候选SMF Set]
    E --> H[Nnrf_NFDiscovery<br/>nf-type=SMF,DNN,S-NSSAI]
    G --> H
    H --> I[候选SMF实例列表]
    I --> J[按负载/拓扑/亲和选择<br/>单个SMF]
    J --> K[Nsmf_PDUSession_CreateSMContext]
    style X1 fill:#f8d7da
    style K fill:#d4edda

CreateSMContext的关键IE（Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request，TS 29.502）：SUPI、PDU Session ID、DNN、S-NSSAI、PDU Session Type、AMF ID、User Location Info (TAI+CGI)、RAT Type、N1 SM container（透传UE的N1 SM消息）、PEI、Guami、Serving NF ID。AMF在此时将会话管理上下文的所有权正式移交SMF。

四、阶段二：SM Context创建与订阅数据获取

SMF收到CreateSMContext后，第一步是创建SM Context，并向UDM拉取会话管理签约数据。

4.1 Nudm_SDM_Get 关键签约IE

SMF调用 Nudm_SDM_Get（TS 29.503），请求 SessionManagementSubscriptionData，返回的关键字段：

签约IE 取值/含义 对会话建立的影响
Single NSSAI 签约切片 校验UE请求切片合法性
DNN Configuration 每DNN的配置（PDU Session Type、SSC mode、Allowed SSC、5QI、Session-AMBR） 决定默认QoS与速率上限
Subscribed default 5QI 默认QoS特征（如9=Non-GBR） 生成默认QoS Flow（QFI=映射值）
Session-AMBR 会话聚合最大比特率 下发UPF QER限速
Default SSC mode 默认SSC（通常SSC3或SSC1） 若UE未请求则使用签约默认
Charging characteristics 计费特性（在线/离线） 后续驱动CHF/计费规则
Static IP Address 静态UE IP（如签约） 跳过DHCP/IPAM动态分配

随后SMF调用 Nudm_SDM_Subscribe 订阅该数据的变更通知（如用户套餐变更），这是5G SBI订阅-通知模式的典型应用，避免数据不一致。

排错提示：若UDM返回SessionManagementSubscriptionData中该DNN不存在，SMF会向AMF回CreateSMContext Response中携带N1 SM Cause = "#DNN_NOT_SUPPORTED_OR_NOT_SUBSCRIBED (27)"，UE侧表现为"无法建立该APN"。这是商用网中最常见的会话建立失败之一。

五、阶段三：SM Policy关联与PCC规则决策（TS 23.503）

SMF在获得签约后，建立与PCF的 SM Policy Association（会话管理策略关联），这是5G策略控制的核心。

5.1 Npcf_SMPolicyControl_Create

SMF调用 Npcf_SMPolicyControl_Create（TS 29.512），携带：SUPI、DNN、S-NSSAI、PDU Session Type、UE IP Address（若已分配）、Subscription（签约QoS/AMBR）、RAT Type、Serving Network、User Location。

PCF综合签约数据（UDR）、应用信息（AF经NEF请求）、预定义PCC规则、本地策略，返回 SmPolicyDecision，其中包含四类决策：

决策类别 关键参数 落地到用户面的网元IE
PCC Rules 规则ID、SDF模板（五元组/流向）、precedence、Gate status 映射为 PDR（Packet Detection Rule）
QoS Decision 5QI、ARP、GBR/Non-GBR、Session-AMBR、QoS Flow 映射为 QER（QoS Enforcement Rule） + QFI分配
Flow Control Decision Flow status、Flow Information 影响PDR的UE/N3/N9方向FAR
Charging Decision Charging key、Metering/Reporting level、Online/Offline 映射为 URR（Usage Reporting Rule）

5.2 PCC规则映射为Session规则（free5GC源码视角）

在free5GC的SMF实现中，这一映射由 ApplyPccRules() 完成，调用链为：

flowchart TD
    A[PCF SmPolicyDecision] --> B["ApplyPccRules()"]
    B --> C["CreatePccRuleDataPath()<br/>读tcData取DNAI<br/>配UPF选择参数<br/>判断默认路径(PCC precedence=255)<br/>标记GBR/Non-GBR<br/>激活tunnel+PDR"]
    B --> D["AssignQFI()<br/>每条PCC规则分配唯一QFI"]
    B --> E["AddQoS()<br/>遍历DataPath节点<br/>创建/配置QER(QFI+gate)<br/>QER关联PDR"]
    B --> F["ActivateTunnelAndPDR()<br/>激活UL/DL隧道<br/>设置URR(可选)<br/>生成FAR转发规则"]
    C --> G["下发N4: PDR+QER+FAR+URR"]
    D --> G
    E --> G
    F --> G
    G --> H[UPF 数据面生效]

这一过程揭示了5G策略落地的本质：PCF输出"业务语义级"规则，SMF翻译成"用户面机器可执行"的四类规则（PDR/QER/FAR/URR），UPF按这些规则对每个报文执行检测、QoS、转发、计费。

六、阶段四+五：UPF选择与N4(PFCP)会话锚定

6.1 UPF/PSA选择（TS 23.501 6.3.3）

SMF通过 Nnrf_NFDiscovery (nf-type=UPF) 获取候选UPF，选择依据（TS 23.501 Section 6.3.3）：

6.2 N4会话建立：PFCP协议四类规则IE（TS 29.244）

SMF向选定的UPF发送 N4 Session Establishment Request（PFCP协议），这是用户面真正"配置成型"的关键消息。PFCP会话的核心是四类IE：

规则类型 全称 作用 典型IE字段
PDR Packet Detection Rule 报文检测：识别哪些报文属于该会话/QoS流 PDR ID、Precedence、PDI（Source Interface=N6/N3/N9、F-TEID、UE IP、SDF Filter）、Outer Header Removal
FAR Forwarding Action Rule 转发动作：报文去向（转发/Drop/Buffer） FAR ID、Apply Action（FORW/BUFF/DROP）、Forwarding Parameters（Destination Interface、Network Instance、Outer Header Creation=N3/N9 F-TEID）
QER QoS Enforcement Rule QoS执行：限速、QFI标记、门控 QER ID、QFI、Gate Status（UL/DL open/close）、MBR、GBR
URR Usage Reporting Rule 用量上报：计费测量 URR ID、Measurement Method（VOLUME/DURATION）、Reporting Triggers、Measurement Period

N4建立消息流程要点： 1. SMF为该PDU会话在UPF侧创建N4 Session（由SEID标识）； 2. 下发默认QoS Flow的PDR（匹配UE IP / N3 F-TEID）； 3. 通过FAR的Outer Header Creation请求UPF分配N9侧F-TEID（CN Tunnel Info）； 4. UPF在Response中返回该F-TEID，SMF将其作为N9隧道端点； 5. 此时UPF的下行（向UE方向）隧道端点（N3 DL F-TEID）尚未确定——需等AN建立完成后回填。

graph TD
    subgraph UPF侧N4 Session(SEID)
        PDR["PDR<br/>Source IF=Core(N6)<br/>UE IP / SDF<br/>去外层头"]
        PDR2["PDR<br/>Source IF=Access(N3)<br/>N3 F-TEID"]
        QER["QER<br/>QFI=9, Gate=Open<br/>Session-AMBR限速"]
        FAR1["FAR(下行)<br/>FORW→Access<br/>OuterHdr=N3 F-TEID<br/>(待AN回填)"]
        FAR2["FAR(上行)<br/>FORW→Core<br/>OuterHdr=N6"]
        URR["URR<br/>Volume计量<br/>周期上报"]
        PDR --> QER --> FAR1
        PDR2 --> QER
        PDR --> URR
        PDR2 --> FAR2
    end
    style FAR1 fill:#fff3cd

抓包识别：在Wireshark中，N4对应 pfcp 协议，可通过pfcp.msg_type == 50（Session Establishment Request）定位建立消息，pfcp.msg_type == 51为Response。展开pfcp.pdr/pfcp.qer/pfcp.far/pfcp.urr即可看到上述IE。

七、阶段六+七：N1N2下发、N2资源建立与下行隧道回填

7.1 N1N2消息下发（Namf_Communication_N1N2MessageTransfer）

SMF完成N4会话建立并分配UE IP后，调用 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 向AMF同时下发：

7.2 N2 AN资源建立与DRB

AMF将N2信息通过 N2 PDU Session Resource Setup Request（NGAP，TS 38.413）发给gNB。gNB： 1. 解析QoS Flow List，按5QI执行DRB映射（TS 38.331 RRC）； 2. 向UE发送 RRC Reconfiguration 建立对应DRB与SDAP/PDCP实体； 3. 完成后通过 N2 PDU Session Resource Setup Response 返回 AN Tunnel Info（N3 DL F-TEID）——即gNB侧N3隧道端点。

7.3 下行隧道回填（关键易错点）

AMF将AN Tunnel Info通过 Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext 回传给SMF。SMF随即执行 N4 Session Modification，更新UPF下行FAR的Outer Header Creation为该AN Tunnel Info。

至此，端到端用户面才真正打通：UE上行报文经DRB→gNB→N3(UL F-TEID)→UPF→N6→DN；DN下行报文经N6→UPF→N3(DL F-TEID=gNB)→gNB→DRB→UE。

常见故障：若AN建立失败（无线资源不足/DRB建立失败），gNB在N2 Response中返回Unsuccessful Resource，SMF收到UpdateSMContext后需决定是否回滚N4会话或保持（等UE重试），具体见TS 23.502 4.3.2.2.1 step 14-18。很多"信令成功但ping不通"的案例，根因是N4 Modification未正确回填AN F-TEID，导致UPF下行报文被FAR丢弃。

八、状态转换与失败处理

PDU会话在其生命周期内经历若干状态，SMF维护的SM Context状态机（结合TS 23.502与实现实践）如下：

stateDiagram-v2
    [*] --> No_SmContext: CreateSMContext到达前
    No_SmContext --> Pending: 收到CreateSMContext<br/>(取签约/建Policy)
    Pending --> Active: N1N2下发成功<br/>且N4建立完成
    Pending --> Rejected: 签约/切片/PCF拒绝<br/>(返回Cause)
    Active --> Inactive_Downlink: AN资源释放<br/>(UE空闲/DDN)
    Inactive_Downlink --> Active: Service Request恢复N3
    Active --> Modifying: PDU Session Modification
    Modifying --> Active: 修改完成
    Active --> Released: PDU Session Release
    Inactive_Downlink --> Released: 释放
    Rejected --> [*]
    Released --> [*]

PDU会话建立可能返回的典型N1 SM Cause（TS 24.501 9.11.3.2）：#27 DNN_NOT_SUPPORTED_OR_NOT_SUBSCRIBED、#28 INSUFFICIENT_RESOURCES_FOR_SPECIFIC_SLICE_AND_DNN、#67 INSUFFICIENT_RESOURCES_FOR_SLICE_AND_DNN、#73 SERVICE_NOT_ALLOWED。抓包定位可在nas_5gs.sm_cause字段确认。

十、常见问题

Q1: PDU会话建立和PDU会话修改的区别是什么？ A: 建立（TS 23.502 4.3.2.2.1）是从零创建SM Context、N4 Session、N3隧道与DRB的完整流程；修改（4.3.3）是在已有PDU会话上调整QoS Flow、新增/删除专用QoS Flow、改变计费或转发规则，只触发N4 Modification与可选的N2修改，不重建SM Context。

Q2: 默认QoS Flow是怎么来的？PCF没下发PCC规则怎么办？ A: SMF用UDM签约的默认5QI和Session-AMBR构造默认QoS Flow（通常是Non-GBR的5QI=9），即使PCF未下发动态PCC规则，SMF也会生成默认PDR/QER/FAR/URR下发UPF，保证"尽力而为"连通性。这对应TS 23.501 5.7.1与free5GC中precedence=255的默认路径逻辑。

Q3: N4的PDR/QER/FAR/URR可以不下发URR吗？ A: 可以。URR（计费）是可选的。若该会话不计费或仅离线统计，SMF可不下发URR或下发简化版。但商用网络中计费是刚需，通常PDR/QER/FAR必备、URR按计费策略选择性下发。

Q4: SMF选择和UPF选择都是SMF做的吗？ A: 不是。SMF选择由AMF完成（基于DNN+S-NSSAI+签约+NRF），UPF/PSA选择由SMF完成（基于DNAI+切片+SSC+负载+UE位置）。两者是"AMF选SMF、SMF选UPF"的级联关系，分属不同网元的职责。

Q5: 为什么N4会话建立后用户面还没通？ A: 因为N4建立时gNB的N3 DL F-TEID（AN Tunnel Info）尚未产生。必须等gNB完成DRB建立、通过N2 Response返回AN Tunnel Info，再经SMF的N4 Session Modification回填下行FAR后，UPF才知道下行报文往哪发。这一"回填"步骤是初学者最易遗漏的环节。

参考来源

  1. 3GPP TS 23.502 V18.x — Procedures for the 5G System, Section 4.3.2.2.1 UE-initiated PDU Session Establishment — PDU会话建立信令流程定义
  2. 3GPP TS 23.501 — System architecture for the 5G System, Section 6.2.2/6.3.2/6.3.3 — SMF功能、SMF/UPF选择机制
  3. 3GPP TS 29.244 — Interface between SMF and UPF (N4) PFCP Protocol — N4 PDR/QER/FAR/URR IE规范
  4. ShareTechnote — 5G Core SMF and UE-Initiated PDU Session Establishment — SMF交互与流程图解
  5. free5GC Blog — Mapping PCC Rules into Session Rules (2024-11-13) — ApplyPccRules源码级PCC→Session规则映射

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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