PDU会话建立完整信令流拆解：从NAS请求到QoS Flow创建的全链IE解析

PDU Session Establishment（PDU会话建立）是5G系统中最核心的会话管理过程之一，定义于 3GPP TS 23.502 Section 4.3.2.2。该过程在UE完成5GMM注册之后触发，负责建立UE到数据网络（DN）的完整用户面数据通路，包括SMF选择、UPF选择、N4会话建立、QoS Flow创建以及N3/N9隧道分配。本文将聚焦TS 23.502和TS 24.501中的具体机制，逐条消息拆解信令流程中的每一个关键Information Element。

一、过程概览与触发条件

1.1 过程定位

PDU Session Establishment在5G协议栈中的定位如下：

1.2 与LTE PDN Connectivity的本质区别

5G将注册（5GMM）和会话管理（5GSM）彻底分离。LTE中，PDN Connectivity Request搭载在Attach Request中隐式触发默认承载建立；5G中，UE必须先完成Registration，再显式发起独立的PDU Session Establishment。这种设计带来的好处是：会话管理与移动性管理解耦，支持更灵活的多会话并发、SSC模式切换和网络切片映射。

LTE:  Attach Request → PDN Connectivity Request（隐式绑定）
5G:   Registration Request → Registration Complete → PDU Session Establishment Request（显式独立）

1.3 触发条件

根据TS 24.501 Section 6.4.1.2，以下条件满足时UE发起PDU Session Establishment：

• UE已完成5GMM Registration并处于5GMM-REGISTERED状态
• UE上层（应用层/IMS层）请求新的数据连接
• UE请求的DNN+S-NSSAI组合不在已有PDU Session中
• Request Type为"initial request"（初始请求）

二、完整信令时序图

以下是基于TS 23.502 Figure 4.3.2.2.1-1绘制的UE发起PDU Session Establishment完整信令流程：

sequenceDiagram
    participant UE
    participant RAN as (R)AN/gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UDM
    participant PCF
    participant UPF
    participant DN as Data Network

    Note over UE,DN: Step 1: UE发起PDU Session Establishment Request
    UE->>RAN: ULInformationTransfer (RRC)
    RAN->>AMF: NGAP Uplink NAS Transport + NAS(UL NAS Transport + PDU Session Establishment Request)
    Note right of UE: 启动定时器T3580

    Note over UE,DN: Step 2: AMF执行SMF选择
    AMF->>AMF: 基于S-NSSAI + DNN + SUPI选择SMF<br/>（查询NRF或使用本地配置）

    Note over UE,DN: Step 3: AMF向SMF创建SM Context
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request<br/>{SUPI, PDU Session ID, DNN, S-NSSAI, AMF ID, N1 SM Container}

    Note over UE,DN: Step 4: SMF向UDM获取签约数据
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get(SUPI, S-NSSAI, DNN)
    UDM-->>SMF: 订阅数据（允许的DNN列表、SSC模式、QoS Profile等）
    SMF->>UDM: Nudm_SDM_Subscribe(SUPI)（订阅数据变更通知）

    Note over UE,DN: Step 5: SMF与PCF建立策略关联
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create<br/>{SUPI, DNN, S-NSSAI, PDU Session Type}
    PCF-->>SMF: PCC Rules + Session AMBR + Authorized QoS

    Note over UE,DN: Step 6: SMF选择UPF并建立N4会话
    SMF->>SMF: 基于DNAI + S-NSSAI + DNN + UE位置选择UPF
    SMF->>UPF: N4 Session Establishment Request<br/>{F-TEID(CN), PDR, FAR, QER, URR}
    UPF-->>SMF: N4 Session Establishment Response<br/>{F-TEID(UPF)}

    Note over UE,DN: Step 7: SMF返回N1N2消息给AMF
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>含N1(PDU Session Establishment Accept) + N2(PDU Session Resource Setup)
    Note right of UE: 停止定时器T3580

    Note over UE,DN: Step 8: AMF向RAN发送N2请求
    AMF->>RAN: NGAP PDU Session Resource Setup Request<br/>N2 SM Info + NAS PDU(PDU Session Establishment Accept)

    Note over UE,DN: Step 9: RAN建立无线承载并转发NAS给UE
    RAN->>UE: RRC Reconfiguration（建立DRB）
    RAN->>UE: DLInformationTransfer(NAS PDU Session Establishment Accept)

    Note over UE,DN: Step 10: RAN返回N2响应
    RAN-->>AMF: NGAP PDU Session Resource Setup Response<br/>{AN Tunnel Info(F-TEID), PDU Session ID}

    Note over UE,DN: Step 11: AMF更新SMF的SM Context
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request<br/>{AN Tunnel Info, PDU Session Resource Setup Response}

    Note over UE,DN: Step 12: SMF更新UPF的N4会话
    SMF->>UPF: N4 Session Modification Request<br/>{AN Tunnel Info(F-TEID for DL)}
    UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response

    Note over UE,DN: Step 13: SMF向AMF确认
    SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response

    Note over UE,DN: Step 14: 可选 - SMF向PCF报告会话事件
    SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Update（会话开始通知）

    Note over UE,DN: 用户面数据通路建立完成
    UE<<->>UPF: N3 Tunnel (GTP-U)
    UPF<<->>DN: N6 Interface

三、关键消息IE逐步解析

3.1 PDU Session Establishment Request（TS 24.501 Section 8.3.1）

这是UE发出的第一个NAS 5GSM消息，承载在UL NAS Transport中经gNB转发至AMF。

关键IE设计意图

DNN（Data Network Name）：在5G中替代LTE的APN。当UE未提供DNN时，AMF/SMF使用UDM签约数据中的Default DNN。DNN的NAS编码格式与APN相同（TS 24.501 Section 9.11.4.2），但语义上DNN更准确地描述了"数据网络"的概念，而不仅仅是"接入点"。

S-NSSAI：由SST（Slice/Service Type，8bit标准值或24bit运营商自定义值）和可选的SD（Slice Differentiator，24bit）组成。UE只能使用Registration过程中AMF下发的Allowed NSSAI中的S-NSSAI来发起PDU Session Establishment。如果UE使用了不在Allowed NSSAI中的切片标识，AMF将拒绝请求。

SSC Mode：这是5G相比LTE的重要增强，三种模式决定了UE移动时PDU会话的锚点行为：

graph TD
    A[SSC Mode选择] --> B[SSC Mode 1]
    A --> C[SSC Mode 2]
    A --> D[SSC Mode 3]
    B --> B1[UPF锚点不变<br/>IP地址保持<br/>适用:语音、IMS]
    C --> C1[离开锚点区域时<br/>释放旧会话<br/>重建新会话<br/>IP地址改变]
    D --> D1[先建新锚点<br/>再释放旧锚点<br/>Make-Before-Break<br/>IP地址暂时双栈]
    style B1 fill:#e8f5e9
    style C1 fill:#fff3e0
    style D1 fill:#e3f2fd

3.2 AMF的SMF选择过程（TS 23.502 Section 4.3.2.2 Step 2）

AMF收到PDU Session Establishment Request后，首先执行SMF选择。这是整个流程中的关键决策点：

SMF选择的输入参数：

选择过程：

1. AMF检查是否已有此PDU Session ID对应的SMF（会话已存在场景）
2. 若无，AMF通过NRF（Nnrf_NFDiscovery）查询：supi + S-NSSAI + DNN + smf-service-area
3. NRF返回候选SMF列表
4. AMF基于负载均衡策略选择一个SMF
5. 若NRF查询失败，AMF使用本地配置的默认SMF

3.3 Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request（TS 29.502 Section 5.1.1）

AMF通过SBI（Service-Based Interface）调用SMF的Nsmf_PDUSession_CreateSMContext服务：

关键参数：

Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request:
├── supi: "imsi-460001234567890"        # 用户永久标识
├── pduSessionId: 5                      # PDU Session ID
├── dnn: "internet"                      # 数据网络名称
├── sNssai:                              # 切片信息
│   ├── sst: 1                           # eMBB
│   └── sd: "112233"
├── pduSessionType: "IPV4V6"            # PDU会话类型
├── servingNfId: "amf-1"                 # AMF标识
├── servingNetwork: "46000"              # PLMN ID
├── n1SmContainer:                       # N1 SM信息（PDU Session Establishment Request的完整NAS PDU）
│   └── <binary NAS PDU>
├── anType: "3GPP_ACCESS"               # 接入类型
├── ratType: "NR"                        # RAT类型
├── ueLocation:                          # UE位置
│   └── tai: "46000123456"
└── guami:                               # AMF的GUMMEI

3.4 SMF处理流程（TS 23.502 Section 4.3.2.2 Steps 3-6）

SMF收到请求后，执行一系列内部处理和外部交互：

Step 3: 签约数据获取

SMF调用 Nudm_SDM_Get(SUPI, S-NSSAI, DNN) 获取以下关键数据：

• 允许的DNN列表：验证请求的DNN是否在签约范围内
• 允许的SSC Mode列表：验证请求的SSC Mode是否被允许
• 允许的PDU Session Type列表：IPv4/IPv6/IPv4v6/Ethernet/Unstructured
• Default 5QI和ARP：默认QoS参数
• Session AMBR：会话级聚合最大比特率
• Charging特征：计费相关参数

Step 4: PCF策略关联

SMF调用 Npcf_SMPolicyControl_Create 获取PCC（Policy and Charging Control）规则：

• Authorized Default QoS：包含5QI、ARP、GBR/MBR（对于GBR Flow）
• Authorized Session AMBR：网络最终授权的上下行速率
• Charging Key：计费键值
• Gate Status：门控状态（open/close）

Step 5-6: UPF选择与N4会话建立

SMF选择UPF是PDU Session Establishment中最关键的决策之一：

SMF与选定UPF之间的N4 Session Establishment（TS 29.244 Section 7.5.2）携带以下关键规则：

graph LR
    subgraph N4 Session Establishment
        A[PDR - Packet Detection Rule] --> A1[Source Interface: CORE/F-TEID]
        A --> A2[Destination Interface: ACCESS/CP-TEID]
        C[FAR - Forwarding Action Rule] --> C1[Action: FORWARD]
        C --> C2[Destination Interface: ACCESS]
        D[QER - QoS Enforcement Rule] --> D1[QFI: 9 (Default)]
        D --> D2[Gate Status: OPEN]
        D --> D3[UL/DL MBR/GFBR]
        E[URR - Usage Reporting Rule] --> E1[Measurement Method: VOLUME]
        E --> E2[Reporting Triggers]
    end

N4 Session Establishment Request关键IE：

3.5 PDU Session Establishment Accept（TS 24.501 Section 8.3.2）

SMF构建Accept消息经AMF和RAN转发至UE。这是整个过程中信息量最大的NAS消息：

PDU Address IE详解：

当PDU Session Type为IPv4v6时，PDU Address包含一个IPv4地址和一个IPv6接口标识符。IPv6地址的前缀通过Router Advertisement在用户面传递（TS 23.502 Section 5.8.2.2.2），IPv4地址直接在NAS层分配。

3.6 N2 PDU Session Resource Setup（TS 38.413 Section 8.4.1）

AMF通过NGAP接口向gNB发送PDU Session Resource Setup请求：

NGAP PDU Session Resource Setup Request Transfer关键IE：

gNB收到后建立DRB（Data Radio Bearer），通过RRC Reconfiguration向UE配置无线侧资源，同时将PDU Session Establishment Accept作为NAS PDU通过DLInformationTransfer转发给UE。

四、QoS Flow创建机制深度解析

4.1 QoS Flow vs EPS Bearer

5G的QoS模型（TS 23.501 Section 5.7）相比LTE的承载模型有本质区别：

graph TB
    subgraph "LTE QoS模型"
        L1[EPS Bearer] --> L2[Default Bearer<br/>QCI: 9]
        L1 --> L3[Dedicated Bearer 1<br/>QCI: 1]
        L1 --> L4[Dedicated Bearer 2<br/>QCI: 5]
    end
    subgraph "5G QoS模型"
        N1[PDU Session] --> N2[Default QoS Flow<br/>QFI: 9, 5QI: 9]
        N1 --> N3[QoS Flow 1<br/>QFI: 1, 5QI: 1]
        N1 --> N4[QoS Flow 2<br/>QFI: 2, 5QI: 5]
    end
    style N2 fill:#e8f5e9
    style N3 fill:#e3f2fd
    style N4 fill:#fff3e0

关键区别：

4.2 默认QoS Flow的创建

在PDU Session Establishment过程中，SMF自动创建一个默认QoS Flow（通常QFI=9，5QI=9，Non-GBR），无需UE显式请求。这个默认QoS Flow的参数来源于PCF下发的PCC规则或UDM签约数据中的Default 5QI。

Authorized QoS Rules结构（TS 24.501 Section 9.11.4.12）：

QoS Rule:
├── Rule Identifier: 1                    # 规则ID
├── Rule Operation Code: 1                # 创建默认QoS规则
├── DQR bit: 1                            # Default QoS Rule标识
├── QoS Rule Precedence: 255              # 最低优先级（兜底规则）
├── QFI: 9                                # QoS Flow Identifier
├── Packet Filter List: (空)              # 默认规则无包过滤器，匹配所有流量
└── Packet Filter Identifier: 0           # 无特定过滤器

默认QoS Rule的特点是没有包过滤器（Packet Filter List为空），这意味着它匹配PDU Session中所有未被其他QoS Rule匹配的数据包——这就是"Best Effort"的兜底规则。

4.3 QoS Flow的状态转换

stateDiagram-v2
    [*] --> QoSFlowNotExists: PDU Session建立前
    QoSFlowNotExists --> DefaultQoSFlowCreated: PDU Session Establishment<br/>(SMF自动创建QFI=9)
    DefaultQoSFlowCreated --> DedicatedQoSFlowAdded: PDU Session Modification<br/>(SMF添加专用QoS Flow)
    DedicatedQoSFlowAdded --> QoSFlowModified: PDU Session Modification<br/>(更新QoS参数)
    QoSFlowModified --> QoSFlowModified: 参数持续调整
    DedicatedQoSFlowAdded --> DefaultQoSFlowOnly: PDU Session Modification<br/>(删除专用QoS Flow)
    DefaultQoSFlowOnly --> DefaultQoSFlowCreated: 再次添加专用Flow
    DefaultQoSFlowCreated --> [*]: PDU Session Release
    DefaultQoSFlowOnly --> [*]: PDU Session Release

五、异常流程与5GSM Cause Code分析

5.1 PDU Session Establishment Reject原因值

根据TS 24.501 Section 6.4.1.4和Annex A，以下是最关键的Reject Cause值及其排错指引：

5.2 定时器行为

T3580超时4次后，UE认为PDU Session Establishment失败，向高层报告失败原因。

六、抓包识别与故障排错

6.1 Wireshark抓包识别

在Wireshark中识别PDU Session Establishment流程，按以下协议栈层次过滤：

N1接口（NAS层）过滤：

# 过滤NAS 5GSM消息
nas-5gs.message_type == 0xc1    # PDU Session Establishment Request
nas-5gs.message_type == 0xc2    # PDU Session Establishment Accept
nas-5gs.message_type == 0xc3    # PDU Session Establishment Reject

N2接口（NGAP层）过滤：

# 过滤NGAP PDU Session Resource Setup
ngap.procedureCode == 38        # PDU Session Resource Setup

N4接口过滤：

# 过滤PFCP N4 Session Establishment
pfcp.message_type == 50         # PFCP Session Establishment Request
pfcp.message_type == 51         # PFCP Session Establishment Response

N11接口（SBI层）过滤：

# 过滤SBI Nsmf_PDUSession服务调用
http2.headers.path contains "nsmf-pdusession"

6.2 常见故障场景与排错思路

场景1：PDU Session Establishment Request发出后无响应

排查步骤： 1. 检查gNB是否正常转发UL NAS Transport（RRC层/NGAP层日志） 2. 检查AMF是否正确解析N1 SM Container并触发SMF选择 3. 检查SMF是否可达（SBI Nsmf_PDUSession_CreateSMContext超时？） 4. 检查T3580定时器是否触发重传

场景2：SMF返回Reject #27 Missing or Unknown DNN

排查步骤： 1. 解码NAS PDU中的DNN字段，确认UE请求的DNN拼写 2. 查询UDM中该SUPI的签约数据，确认Allowed DNN列表 3. 检查AMF是否正确传递了DNN（AMF可能使用了默认DNN替换UE请求的DNN）

场景3：PDU Session Establishment Accept但无数据通路

排查步骤： 1. 检查N4 Session是否成功建立（PFCP Session Establishment Response的Cause） 2. 检查N3隧道端点是否正确交换（UPF的F-TEID和gNB的F-TEID） 3. 检查gNB是否收到NGAP PDU Session Resource Setup Response 4. 检查UPF是否收到更新的AN Tunnel Info（N4 Session Modification）

七、SSC Mode对PDU Session行为的影响

7.1 三种SSC Mode的对比

7.2 SSC Mode选择逻辑

SMF根据以下优先级决定最终使用的SSC Mode：

1. UE请求的SSC Mode必须在UDM签约允许的SSC Mode列表中
2. 若UE请求的Mode不在允许列表中，SMF选择允许列表中的默认Mode
3. 若Reject，SMF包含5GSM Cause #68和Allowed SSC Mode IE

八、与EPS互操作的影响

PDU Session Establishment Accept中的Mapped EPS Bearer Contexts IE（TS 24.501 Section 9.11.4.5）为5G→LTE互操作做准备：

• SMF将默认QoS Flow映射为EPS Default Bearer（EBI + QCI映射）
• 专用QoS Flow映射为EPS Dedicated Bearer
• 映射关系在PDU Session建立时就确定，而非切换时临时协商

5QI到QCI的映射规则（TS 23.501 Table 5.7.4-1）：

常见问题

Q1: PDU Session Establishment和Registration有什么区别和依赖关系？ A: Registration是5GMM层的移动性管理过程，建立UE与AMF之间的信令连接和安全上下文。PDU Session Establishment是5GSM层的会话管理过程，建立UE到DN的数据通路。Registration必须先完成，UE才能发起PDU Session Establishment。一个Registration可以关联多个PDU Session（不同DNN/S-NSSAI组合）。

Q2: UE没有在Request中携带DNN时，网络如何处理？ A: 根据TS 24.501 Section 6.4.1.2，当UE未提供DNN时，AMF使用UDM签约数据中的Default DNN。若签约数据中也没有Default DNN，AMF拒绝请求（5GSM Cause #27）。此外，AMF在调用Nsmf_PDUSession_CreateSMContext时会将选定的DNN传给SMF。

Q3: 一个PDU Session中可以有多少个QoS Flow？ A: 标准未规定最大数量限制，但实际受限于UE支持的Maximum Number of Supported Packet Filters（在5GSM Capability中声明）和SMF/UPF的实现限制。典型商用网络中，一个PDU Session通常包含1个默认QoS Flow（QFI=9）+ 数个专用QoS Flow（如QFI=1/2/5用于IMS语音/视频/信令）。

Q4: N4 Session Establishment失败会导致什么后果？ A: 若UPF返回PFCP Session Establishment Response中Cause不为"Success"，SMF将终止PDU Session Establishment过程，向UE返回PDU Session Establishment Reject（5GSM Cause #26 "Insufficient Resources"），并通过Nsmf_PDUSession_ReleaseSMContext释放已创建的SM Context。

Q5: 反射QoS（Reflective QoS）在PDU Session Establishment中如何启用？ A: UE在5GSM Capability IE中声明支持Reflective QoS。SMF在PDU Session Establishment Accept的Authorized QoS Rules中可以为特定QoS Flow设置RQA（Reflective QoS Attribute）标记。当RQA被设置时，UE通过检测下行数据包中的QFI来推导上行QoS规则，无需SMF显式下发上行QoS规则。UPF会在下行GTP-U包的Extension Header中携带QFI，UE据此自动创建对应的包过滤器。

参考来源

1. 3GPP TS 23.502 V18.10.0 — Section 4.3.2.2 UE-requested PDU Session Establishment
2. 3GPP TS 24.501 — Section 6.4.1 PDU Session Establishment procedure, Section 8.3.1/8.3.2 NAS message format
3. ShareTechnote - 5G PDU Session Establishment — NAS消息结构和IE详细说明
4. 3glteinfo - 5G NAS PDU Session Establishment Request — NAS消息IE参考和抓包分析
5. HiCellTek - PDU Session Establishment — 5GSM NAS协议完整解读和LTE对比

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。