5G PDU Session Establishment全链路信令与QoS Flow建立深度拆解

一、为什么PDU Session Establishment是5GC最复杂的过程

PDU Session Establishment（TS 23.502 Section 4.3.2.2.1）是5G系统中涉及NF最多、信令交互最长的单次NAS过程。一次完整的UE-Initiated PDU Session Establishment需要穿越UE → gNB → AMF → SMF → UDM → PCF → UPF七个节点，产生至少15条信令消息。与4G EPS的PDN Connectivity相比，5G引入了QoS Flow替代EPS Bearer、N4/PFCP替代Gx/GTP-C、SBI服务化接口替代Diameter三大架构变革，使得这个过程的信息元素（IE）和决策路径远比4G复杂。

本文聚焦TS 23.502 V18.10.0 Figure 4.3.2.2.1-1定义的UE-requested PDU Session Establishment for non-roaming场景，逐条信令拆解关键IE，深入分析QoS Flow建立机制，并结合Wireshark抓包实战给出排错方法。

二、完整信令时序图

以下是TS 23.502 Section 4.3.2.2.1定义的完整UE-Initiated PDU Session Establishment流程：

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

    Note over UE,UPF: Phase 1: UE发起请求 → SMF创建SM Context
    UE->>gNB: NAS UL NAS TRANSPORT<br/>(PDU Session Establishment Request)
    gNB->>AMF: N2 UL NAS TRANSPORT<br/>(NAS PDU + User Location Info)
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, PDU Session ID, AMF ID)
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>(SM Context创建确认)

    Note over UE,UPF: Phase 2: SMF策略与订阅数据获取
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI)
    UDM-->>SMF: 订阅数据(Session AMBR, 5QI, subscribed DNN)
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Notification<br/>(注册SMF为serving SMF)
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create<br/>(SUPI, DNN, S-NSSAI, PDU Session Type)
    PCF-->>SMF: PCC Rules (SDF, 5QI, ARP, GBR/MBR, Charging)

    Note over UE,UPF: Phase 3: UPF选择与N4会话建立
    SMF->>UPF: N4 Session Establishment Request<br/>(PDR, FAR, QER, URR, BAR)
    UPF-->>SMF: N4 Session Establishment Response<br/>(F-SEID, UPF N3 TEID)

    Note over UE,UPF: Phase 4: N1N2消息传递与空口资源建立
    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>(N1 SM Container + N2 SM Info)
    AMF->>gNB: N2 PDU Session Resource Setup Request<br/>(NAS PDU + N2 SM Info + QoS Profile)
    gNB->>UE: RRC Reconfiguration<br/>(DRB配置 + NAS PDU Session Establishment Accept)
    UE-->>gNB: RRC Reconfiguration Complete
    gNB-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response<br/>(AN Tunnel Info + TEID)

    Note over UE,UPF: Phase 5: 数据面隧道打通
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request<br/>(N2 SM Info: AN Tunnel Endpoint)
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request<br/>(更新FAR: AN Tunnel Endpoint)
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response

整个流程可清晰划分为五个阶段：SM Context创建、策略与订阅获取、UPF/N4会话建立、N1N2消息传递与空口资源配置、数据面隧道打通。其中阶段4和阶段5是决定PDU Session能否真正可用的关键——空口DRB建立和N3隧道打通缺一不可。

三、逐阶段关键IE深度解析

3.1 Phase 1：UE发起请求 → SMF创建SM Context

NAS层：PDU Session Establishment Request

UE通过NAS UL NAS TRANSPORT消息承载5GSM PDU Session Establishment Request，关键IE如下：

AMF行为：AMF收到NAS消息后不解析5GSM内容，而是根据DNN和S-NSSAI进行SMF选择（TS 23.501 Section 6.3.2）。SMF选择可能通过NRF Discovery（Nnrf_NFDiscovery）完成，也可能使用AMF本地配置。选择完成后AMF调用Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request，携带SUPI、DNN、S-NSSAI、PDU Session ID、AMF ID、User Location Info等。

设计意图：AMF作为NAS消息的"中转站"，不参与会话管理决策。这种控制面解耦设计使得SMF可以独立演进，也使得AMF过载时不会因会话处理而进一步恶化。

3.2 Phase 2：SMF策略与订阅数据获取

SMF在创建SM Context后，需要获取两份关键数据：

（1）UDM订阅数据获取（Nudm_SDM_Get）

SMF调用Nudm_SDM_Get获取该用户在指定DNN和S-NSSAI下的签约数据：

Nudm_SDM_Get Response包含：
├── Session Management Subscription Data
│   ├── DNN Configuration
│   │   ├── PDU Session Types (allowed)
│   │   ├── SSC Modes (allowed)
│   │   ├── Default 5QI (通常为9)
│   │   ├── Default ARP
│   │   ├── Session-AMBR (UL/DL)
│   │   └── Subscribed IPv4/IPv6 prefix
│   ├── S-NSSAI
│   └── Interworking Information (EPS)

SMF同时调用Nudm_SDM_Notification（即SMF Register），将自己注册为该PDU Session的serving SMF。这样当UDM中订阅数据变更时，UDM可以通过Nudm_SDM_Notification通知SMF。

（2）PCF策略关联建立（Npcf_SMPolicyControl_Create）

SMF向PCF发起Npcf_SMPolicyControl_Create，建立SM Policy Association。PCF返回的PCC Rules是整个QoS Flow建立的决策源头：

PCC Rule (TS 29.512 Section 4.2.4):
├── Rule ID
├── SDF Template (Service Data Flow Filter)
│   └── Flow Description: permit out ip from <IP> to <IP> <port>
├── 5QI (e.g., 9 for default, 1 for voice)
├── ARP (Priority, Pre-emption Capability/Vulnerability)
├── MBR UL/DL (Maximum Bit Rate)
├── GBR UL/DL (Guaranteed Bit Rate)
├── Charging Key (Rating Group)
└── Precedence

SMF根据PCC Rule推导出： - QoS Flow：将PCC Rule映射到QFI（QoS Flow Identifier） - N4 Rule（PDR/FAR/QER/URR）下发给UPF - QoS Rule通过NAS下发给UE - QoS Profile通过N2下发给gNB

graph TB
    subgraph "PCF决策层"
        PCC[PCC Rule<br/>SDF + 5QI + ARP + GBR]
    end

    subgraph "SMF映射层"
        QF[QoS Flow<br/>QFI = 0x01]
        QR[QoS Rule → UE<br/>QoS Rule ID + Packet Filter]
        N4R[N4 Rules → UPF<br/>PDR + FAR + QER]
        QP[QoS Profile → gNB<br/>5QI + ARP + GBR]
    end

    PCC --> QF
    QF --> QR
    QF --> N4R
    QF --> QP

    style PCC fill:#e1f5fe
    style QF fill:#fff3e0
    style QR fill:#e8f5e9
    style N4R fill:#fce4ec
    style QP fill:#f3e5f5

关键设计点：SMF是整个QoS映射的中枢——它将PCF的策略意图翻译为三个不同维度的规则，分别面向UE（QoS Rule）、UPF（N4 Rule）和gNB（QoS Profile）。这种"一次决策、三维下发"的架构确保了端到端QoS一致性。

3.3 Phase 3：UPF选择与N4会话建立

SMF根据DNN、S-NSSAI、UE位置、UPF负载等信息选择UPF（TS 23.501 Section 6.3.3）。选择完成后发起N4会话建立（基于PFCP协议，TS 29.244）：

N4 Session Establishment Request中的关键规则：

典型N4规则组合（默认QoS Flow）：

PFCP Session Establishment Request:
├── Create PDR #1 (UL)
│   ├── Source Interface: ACCESS (from gNB)
│   ├── F-TEID: allocate new (检测UL GTP隧道)
│   ├── QFI: 0x09 (5QI=9, default non-GBR)
│   └── FAR ID: → FAR #1
├── Create PDR #2 (DL)
│   ├── Source Interface: CORE (from DN)
│   ├── UE IP Address: 10.1.1.x
│   ├── SDF Filter: (empty → catch-all)
│   └── FAR ID: → FAR #2
├── Create FAR #1 (UL→DN)
│   ├── Action: FORWARD
│   └── Destination Interface: CORE
├── Create FAR #2 (DL→gNB, initially BUFFER)
│   ├── Action: FORW (after AN tunnel info received)
│   ├── Destination Interface: ACCESS
│   └── Outer Header Creation: (待SMF收到AN Tunnel后更新)
├── Create QER #1
│   ├── QFI: 0x09
│   └── Gate: OPEN
└── Create URR #1
    ├── Measurement Method: VOLUME
    └── Reporting Trigger: TIME_QUOTA

UPF的N4 Session Establishment Response携带F-SEID（F-fully qualified SEID）和UPF侧的N3 TEID——这是后续gNB发往UPF的GTP隧道端点标识。

3.4 Phase 4：N1N2消息传递与空口资源建立

SMF通过Namf_Communication_N1N2MessageTransfer（TS 29.518 Section 6.1）将两份信息打包发送给AMF：

• N1 SM Container：PDU Session Establishment Accept（给UE的NAS消息）
• N2 SM Information：PDU Session Resource Setup参数（给gNB的NGAP信息）

PDU Session Establishment Accept中的关键IE（TS 24.501 Section 9.11.3.2）：

Default QoS Rule的结构（TS 24.501 Section 9.11.4.3）：

QoS Rule:
├── QoS Rule Identifier: 1 (默认规则ID)
├── QFI: 0x09 (对应5QI=9)
├── Packet Filter Count: 0  ← 无包过滤器=catch-all
├── Precedence: 255 (最低优先级)
├── QoS Parameters:
│   ├── 5QI: 9 (Non-GBR, Default)
│   └── ARP: Priority=15, Pre-emption=No, Vulnerable=No
└── Authorization QoS:
    └── Session-AMBR: UL=100Mbps, DL=1Gbps

N2 SM Information（通过NGAP PDU Session Resource Setup传递给gNB）：

N2 SM Information:
├── PDU Session ID
├── S-NSSAI
├── QoS Flow Setup Request List
│   └── QoS Flow Item:
│       ├── QFI: 0x09
│       ├── QoS Profile:
│       │   ├── 5QI: 9
│       │   ├── ARP: Priority=15
│       │   └── Session-AMBR
│       └── UL/DL TNL Information (UPF N3 TEID)
├── PDU Session Type: IPv4
└── SGW UPF N3 TEID + IP Address

gNB处理：gNB收到N2 PDU Session Resource Setup Request后执行： 1. 根据QoS Profile建立DRB（Data Radio Bearer） 2. 将NAS PDU Session Establishment Accept通过RRC Reconfiguration带给UE 3. 分配AN侧N3 Tunnel Endpoint（gNB TEID + IP） 4. 通过N2 PDU Session Resource Setup Response返回AN Tunnel Info

3.5 Phase 5：数据面隧道打通

AMF将gNB返回的AN Tunnel Info通过Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request转发给SMF。SMF收到后：

1. 更新UPF的FAR：SMF向UPF发送N4 Session Modification Request，将FAR #2的DL方向从BUFFER状态改为FORWARD，并填入gNB的N3 TEID和IP地址
2. UPF确认后，N3下行隧道打通
3. 此时UPF可以下行发送数据包到gNB，gNB通过DRB转发给UE
4. 上行方向：UE发送上行数据包 → gNB封装到GTP（N3）→ UPF → DN

至此，PDU Session全链路打通。

四、QoS Flow建立机制深度分析

4.1 Default QoS Flow vs Dedicated QoS Flow

PDU Session建立时，至少建立一个Default QoS Flow。这个Flow的QFI通常为默认值，5QI为9（Non-GBR best effort），且其QoS Rule不包含Packet Filter——这意味着所有未被其他QoS Rule匹配的上行流量都映射到这个Flow。

graph TD
    subgraph "UE上行包分类"
        PKT1[上行IP包<br/>SIP:5060] -->|匹配Rule #2<br/>TFT: port=5060| QF2[QoS Flow #2<br/>QFI=1, 5QI=1<br/>IMS语音]
        PKT2[上行IP包<br/>TCP:80] -->|无匹配<br/>Catch-all| QF1[QoS Flow #1<br/>QFI=9, 5QI=9<br/>Default Best Effort]
    end

    subgraph "gNB DRB映射"
        QF2 --> DRB2[DRB #2<br/>5QI=1, GBR]
        QF1 --> DRB1[DRB #1<br/>5QI=9, Non-GBR]
    end

    subgraph "UPF N3封装"
        DRB2 --> GTP2[GTP-U<br/>QFI=1 in ext header]
        DRB1 --> GTP1[GTP-U<br/>QFI=9 in ext header]
    end

    GTP2 --> N6[DN / IMS]
    GTP1 --> N6

    style QF2 fill:#ffcdd2
    style QF1 fill:#c8e6c9

注意：gNB有权将多个QoS Flow复用到同一个DRB上（只要5QI兼容），这是gNB的本地决策，SMF不控制DRB映射。

4.2 三方规则映射关系

4.3 QoS Flow的标准化5QI映射表（TS 23.501 Table 5.7.4-1摘录）

五、状态转换与生命周期

stateDiagram-v2
    [*] --> PDU_SESSION_NOT_EXIST: UE Power On
    PDU_SESSION_NOT_EXIST --> PDU_SESSION_INACTIVE: PDU Session<br/>Establishment Request
    PDU_SESSION_INACTIVE --> PDU_SESSION_ACTIVE: 收到PDU Session<br/>Establishment Accept
    PDU_SESSION_ACTIVE --> PDU_SESSION_MODIFICATION: UE/Network发起<br/>PDU Session Modification
    PDU_SESSION_MODIFICATION --> PDU_SESSION_ACTIVE: Modification Complete
    PDU_SESSION_ACTIVE --> PDU_SESSION_INACTIVE: UE进入CM-IDLE<br/>(AN Release)
    PDU_SESSION_INACTIVE --> PDU_SESSION_ACTIVE: Service Request<br/>(恢复AN资源)
    PDU_SESSION_ACTIVE --> PDU_SESSION_NOT_EXIST: PDU Session<br/>Release
    PDU_SESSION_INACTIVE --> PDU_SESSION_NOT_EXIST: PDU Session<br/>Release

    note right of PDU_SESSION_ACTIVE
        CM-CONNECTED状态下
        N3隧道+DRB均激活
        可收发用户数据
    end note

    note right of PDU_SESSION_INACTIVE
        CM-IDLE状态下
        AN资源释放
        N3隧道保留但无活跃承载
        UPF缓冲下行数据
    end note

六、抓包识别与实战排错

6.1 Wireshark过滤技巧

6.2 常见故障点与排错思路

3GPP Release 18对PDU Session Establishment引入了以下关键增强（TS 23.502 V18.x.x）：

1. 卫星接入增强：PDU Session Establishment支持NTN（Non-Terrestrial Network）场景下的高延迟N4链路适配，SMF可配置更长的PFCP定时器
2. 边缘计算集成：通过Application Detection（ADC）规则，UPF在PDU Session建立时即可配置流量检测和本地分流规则，支持UL CL（Uplink Classifier）和Branching Point的提前部署
3. Enhanced UPF冗余：支持Stateful PFCP Replication，主备UPF间同步N4 Session状态，PDU Session切换时无需重新建立
4. Alternative QoS Profile：PCF可在PCC Rule中下发多个备选QoS Profile（TS 23.501 Section 5.7.1.2a），SMF和gNB可在运行时动态切换，无需触发PDU Session Modification
5. Red Cap UE优化：针对Reduced Capability UE，简化PDU Session建立过程中的部分QoS参数协商，降低信令开销

常见问题

Q1: PDU Session和EPS Bearer有什么本质区别？ A: 核心区别在于QoS粒度。4G EPS中一个PDN Connection包含Default Bearer + Dedicated Bearer，Bearer是QoS最小单位；5G中一个PDU Session包含多个QoS Flow，QoS Flow不等于Bearer——gNB可以将多个QoS Flow复用到一个DRB上。此外，5G的QoS Rule在UE侧执行包分类，而4G的TFT只在UE和PGW两端使用。

Q2: Default QoS Rule为什么可以没有Packet Filter？ A: 这是TS 23.501 Section 5.7.1.4的刻意设计。Default QoS Rule是唯一允许不包含Packet Filter的规则，它作为"兜底规则"（catch-all），将所有未被Dedicated QoS Rule匹配的上行流量映射到Default QoS Flow。这保证了UE在任何情况下都有可用的QoS Flow发送数据。

Q3: 如果PCF不可用，PDU Session还能建立吗？ A: 可以。根据TS 23.502 Section 4.3.2.2.1，SMF在PCF不可用时可使用本地策略（Local Policy）来推导QoS参数。这种降级机制保证了即使PCF故障，基本的PDU Session仍可建立，但无法提供动态PCC和计费功能。

Q4: 为什么需要N4 Session Modification阶段？不能在N4 Session Establishment时就把AN Tunnel Info给UPF吗？ A: 因为时序约束。N4 Session Establishment发生在SMF获得UPF N3 TEID之后、gNB建立DRB之前。此时gNB的AN Tunnel Endpoint还未分配。SMF必须先拿到UPF的N3 TEID，通过N2消息交给gNB，等gNB建立DRB后返回AN Tunnel Info，再用N4 Modification更新UPF的FAR。这是一个典型的两端隧道信息异步交换问题。

Q5: 二次认证（Secondary Authentication）什么时候触发？ A: 根据TS 23.502 Section 4.3.2.2.1 Step 9a，当UDM订阅数据指示该DNN需要Secondary Authentication时，SMF会在UDM获取数据后、N4会话建立前，向DN-AAA服务器发起EAP-based认证。这在企业专线、校园网等场景常见，UPF本身不参与认证过程。

参考来源

1. 3GPP TS 23.502 V18.10.0 — Section 4.3.2.2.1 UE-requested PDU Session Establishment
2. 3GPP TS 23.501 V18.x.x — Section 5.7 QoS Model, Section 6.3.2 SMF Selection, Section 6.3.3 UPF Selection
3. 3GPP TS 29.244 V18.x.x — Section 7.5 N4/PFCP Session Establishment Procedures
4. 5G PDU Session Establishment and Wireshark trace - Derek Cheung (Medium) — 实战抓包分析
5. ShareTechnote - 5G PDU Session Establishment — 流程图与参数解读

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。 MF session management 3. 3GPP TS 24.501 V18.7.0 — Section 8.3.6/8.3.7: NAS SM PDU Session Establishment messages 4. 3GPP TS 29.502 V18.6.0 — Section 5.1: Nsmf_PDUSession Service API 5. ShareTechnote 5G PDU Session — PDU Session Establishment signaling walkthrough

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。