你拿起手机，打开浏览器，输入一个网址——页面瞬间加载出来。这个过程看似理所当然，但背后经历了一条从手机到互联网的"数据通道"的完整搭建流程。这条通道，就是 PDU会话。
今天我们就来拆解：当你按下"上网"的那一刻，5G网络究竟做了什么？
想象你搬进了一栋新公寓楼。你想接入互联网，需要经历这些步骤：
在5G网络中，这个流程就是 PDU会话建立过程：
| 生活场景 | 5G网络对应 |
|---|---|
| 你（住户） | UE（手机） |
| 物业前台 | AMF（接入和移动性管理功能） |
| 宽带运营商 | SMF（会话管理功能） |
| 上门工程师 | UPF（用户面功能）+ gNB（基站） |
| 宽带套餐选择 | DNN（数据网络名称）+ S-NSSAI（切片信息） |
| 网线拉到你家 | N3隧道（基站到UPF）+ DRB（无线承载） |
| 拿到IP地址 | PDU会话建立接受，UE获得IP |
一句话定义：PDU会话是UE与数据网络（DN）之间的端到端逻辑连接，是5G中手机上网的基本单位。
在4G时代，这个概念叫 PDN连接（由APN标识）。5G把它升级为PDU会话，支持的类型更多、灵活性更强。
4G只支持IP类型的连接。5G大幅扩展了能力，支持 5种PDU会话类型：
| PDU会话类型 | 说明 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| IPv4 | 分配IPv4地址，传IPv4包 | 普通手机上网 |
| IPv6 | 分配IPv6地址，传IPv6包 | 物联网设备、新应用 |
| IPv4v6 | 同时分配IPv4和IPv6地址 | 过渡期兼容场景 |
| Ethernet | 传以太网帧，不分配IP | 企业专线、固定无线接入（FWA） |
| Unstructured | 传任意格式的原始数据比特 | 工业物联网、传感器原始数据 |
为什么5G要支持非IP类型？
这是5G相比4G的一个重大理念转变。4G是"为手机上网设计的网络"，一切围绕IP。5G的目标是"万物互联"——工厂里的传感器可能根本不用IP协议，它们只想把原始数据送到边缘服务器。Ethernet类型则服务于企业客户，把5G网络当作"无线网线"来用。
UE发起PDU会话请求时携带的信息：
┌─────────────────────────────────┐
│ PDU Session Establishment │
│ Request 消息内容： │
│ │
│ • PDU Session ID = 5 │
│ • DNN = "internet" │
│ • S-NSSAI = SST:1, SD:010203 │
│ • PDU Session Type = IPv4 │
│ • SSC Mode = 1 │
└─────────────────────────────────┘
这是本文的核心。我们用一个完整的时序图来展示手机上网的"第一道门"是如何被打开的。
sequenceDiagram
participant UE as UE(手机)
participant gNB as gNB(基站)
participant AMF as AMF(接入管理)
participant SMF as SMF(会话管理)
participant UDM as UDM(用户数据)
participant PCF as PCF(策略控制)
participant UPF as UPF(用户面)
participant DN as DN(数据网络)
Note over UE,DN: 阶段一：UE发起请求
UE->>AMF: NAS: PDU Session Establishment Request<br/>(DNN + S-NSSAI + PDU Session Type + SSC Mode)
AMF->>AMF: 根据DNN和S-NSSAI选择SMF
Note over UE,DN: 阶段二：SMF获取策略与订阅数据
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Request
SMF->>UDM: Nudm_SDM_Get（获取签约数据）
UDM-->>SMF: 返回允许的DNN、QoS、SSC模式等
SMF->>PCF: Npcf_SMPolicyControl_Create（获取策略）
PCF-->>SMF: 返回PCC规则（QoS、计费策略）
Note over UE,DN: 阶段三：SMF选择UPF并建立N4会话
SMF->>SMF: 选择UPF（基于位置、DNN、负载）
SMF->>UPF: N4 Session Establishment Request<br/>（下发包检测、转发、QoS规则）
UPF-->>SMF: N4 Session Establishment Response
Note over UE,DN: 阶段四：建立无线承载和N3隧道
SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext Response<br/>（含N1 SM信息 + N2 SM信息）
AMF->>gNB: N2 PDU Session Resource Setup Request<br/>（含NAS消息 + QoS + CN隧道信息）
gNB->>UE: RRC Reconfiguration<br/>（建立DRB，传递PDU Session Establishment Accept）
UE-->>gNB: RRC Reconfiguration Complete
gNB-->>AMF: N2 PDU Session Resource Setup Response<br/>（含RAN侧N3隧道端点F-TEID）
Note over UE,DN: 阶段五：打通数据面
AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Request<br/>（转发RAN的N3 F-TEID）
SMF->>UPF: N4 Session Modification<br/>（更新下行转发规则：目的为gNB）
UPF-->>SMF: N4 Session Modification Response
SMF-->>AMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext Response
Note over UE,DN: ✅ PDU会话建立完成，数据通路就绪
UE->>gNB: 上行数据（通过DRB）
gNB->>UPF: 上行数据（通过N3 GTP-U隧道）
UPF->>DN: 上行数据（通过N6接口）
DN->>UPF: 下行数据
UPF->>gNB: 下行数据（通过N3 GTP-U隧道）
gNB->>UE: 下行数据（通过DRB）
手机向AMF发送一条 NAS（非接入层）消息：PDU Session Establishment Request。这条消息里装着几个关键参数：
internet、ims、enterprise.example.comAMF收到请求后，第一件事是 选择SMF（下一节详解）。选好SMF后，AMF把请求转发给SMF。SMF需要做两件准备工作：
SMF根据DNN、S-NSSAI、UE位置等信息选择一个UPF，然后通过 N4接口（PFCP协议）向UPF下发规则：
SMF把配置信息打包成 N1 SM信息（给手机的）和 N2 SM信息（给基站的），通过AMF转发：
基站收到后执行 RRC重配置，为手机建立一条 DRB（数据无线承载），并把NAS消息捎带给手机。
基站建立完无线资源后，把自己的N3隧道端点信息（F-TEID）上报给AMF，AMF转给SMF，SMF再更新UPF的转发规则。至此：
端到端数据通路全线贯通。
SMF选择是PDU会话建立中一个关键的"路由决策"。AMF需要根据多种条件选择最合适的SMF来服务这个会话。
flowchart TD
A[UE发起PDU Session Request<br/>携带 DNN + S-NSSAI] --> B[AMF收到请求]
B --> C{AMF本地配置<br/>有SMF映射？}
C -->|有| D[直接选择配置的SMF]
C -->|没有| E[查询NSSF获取候选NSI]
E --> F{NSSF返回结果中<br/>包含SMF信息？}
F -->|是| G[使用NSSF指示的SMF]
F -->|否| H[查询NRF发现SMF]
H --> I[NRF返回候选SMF列表]
I --> J[基于负载/位置/优先级<br/>选择最优SMF]
G --> K[AMF向选定的SMF<br/>发起CreateSMContext]
D --> K
J --> K
style A fill:#e1f5fe
style K fill:#c8e6c9
| 路径 | 触发条件 | 特点 |
|---|---|---|
| 本地配置 | AMF预配置了DNN+S-NSSAI→SMF的映射 | 最快，适合简单网络 |
| NSSF辅助 | 查询网络切片选择功能获取切片内SMF | 适合多切片场景 |
| NRF发现 | 向NRF查询满足条件的SMF实例 | 最灵活，支持动态扩缩容 |
AMF选择SMF时考虑的因素包括：
$$\text{SMF}{\text{selected}} = \arg\max(s) \right)$$}} \left( w_1 \cdot \text{Load}(s) + w_2 \cdot \text{Proximity}(s, \text{UE}) + w_3 \cdot \text{Priority
其中 $\mathcal{S}$ 是满足DNN和S-NSSAI条件的SMF候选集合。
UPF是PDU会话中负责实际数据转发的锚点。SMF选择UPF时考虑的因素：
| 选择因素 | 说明 |
|---|---|
| DNN匹配 | UPF必须连接到UE请求的数据网络 |
| S-NSSAI匹配 | UPF必须支持对应的网络切片 |
| UE位置 | 优先选择靠近UE的UPF，减少时延 |
| UPF负载 | 避免过载，实现负载均衡 |
| DNAI | 数据网络接入标识符，决定UPF接入DN的位置 |
UPF选定后，SMF通过 N4接口（PFCP协议） 建立会话：
N4接口（PFCP）下发的关键规则：
┌─────────────────────────────────────────────┐
│ Packet Detection Rule (PDR) │
│ → 匹配：UE IP = 10.1.2.3 │
│ → 动作：转发到FAR #1 │
│ │
│ Forwarding Action Rule (FAR) │
│ → 上行：转发到N6接口（到互联网） │
│ → 下行：转发到N3隧道（到gNB） │
│ │
│ QoS Enforcement Rule (QER) │
│ → 上行最大速率：100Mbps │
│ → 下行最大速率：100Mbps │
│ → QFI = 9（默认QoS流） │
│ │
│ Usage Reporting Rule (URR) │
│ → 统计字节数，周期上报给SMF │
└─────────────────────────────────────────────┘
这是5G相比4G的一个重要创新点。当手机从一个基站移动到另一个基站时，PDU会话如何处理？
移动前 移动后
UE ──── gNB1 ──── UPF(锚点) ── DN UE ──── gNB2 ──── I-UPF ──── UPF(锚点) ── DN
│ │ │
└──── N3隧道 ────┘ └─N3────┘ └─N9─┘
IP地址：不变（例如始终为 10.1.2.3）
UPF锚点：不变（始终通过同一个UPF连接DN）
移动前：UE ──── gNB1 ──── UPF1(锚点) ── DN
↓ UE移动，触发会话释放
移动后：UE ──── gNB2 ──── UPF2(新锚点) ── DN
IP地址：改变（从10.1.2.3 → 10.5.6.7）
UPF锚点：改变（选择更靠近新位置的UPF）
移动前：UE ──── gNB1 ──── UPF1(锚点) ── DN
↓ 先建立新会话
过渡期：UE ──── gNB2 ──── UPF2(新锚点) ── DN （新旧会话并存）
UE ──── gNB1 ──── UPF1(旧锚点) ── DN
↓ 确认新会话OK后释放旧会话
移动后：UE ──── gNB2 ──── UPF2(新锚点) ── DN
IP地址：改变，但新旧会话短暂共存
UPF锚点：改变
graph LR
subgraph SSC模式对比
direction TB
M1["SSC Mode 1<br/>━━━━━━━━━━<br/>IP不变 · UPF不变<br/>路径可能绕远<br/>复杂度：低<br/>类比：搬家但保留旧邮箱<br/>邮局帮你转发"]
M2["SSC Mode 2<br/>━━━━━━━━━━<br/>IP改变 · UPF改变<br/>路径最优<br/>复杂度：低<br/>类比：搬家后注销旧邮箱<br/>去新邮局重新登记"]
M3["SSC Mode 3<br/>━━━━━━━━━━<br/>IP改变 · UPF改变<br/>路径最优+短暂共存<br/>复杂度：高<br/>类比：搬家前先装好新房<br/>网络确认OK再退旧房"]
end
style M1 fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
style M2 fill:#fff3e0,stroke:#e65100
style M3 fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32
| 特性 | SSC Mode 1 | SSC Mode 2 | SSC Mode 3 |
|---|---|---|---|
| IP地址连续性 | 保持不变 | 改变 | 改变 |
| UPF锚点 | 固定 | 可重定位 | 可重定位 |
| 数据路径优化 | 否（可能绕远） | 是（最优路径） | 是（最优路径） |
| 业务中断 | 无 | 有（先断后建） | 极短（先建后断） |
| 实现复杂度 | 低 | 低 | 高 |
| 4G对应 | 类似默认承载 | 无直接对应 | 无直接对应 |
| 典型应用 | VoNR、视频会议 | 后台下载、IoT | 高质量流媒体 |
SSC模式的选择不是由UE单方面决定的。UE在请求中携带"希望的SSC模式"，网络会根据UDM中的签约策略和PCF的策略来决定最终使用哪种模式。运营商可以为不同的DNN配置不同的默认SSC模式。
理解PDU会话，最好通过与4G的对比来加深印象：
| 维度 | 4G PDN连接 | 5G PDU会话 |
|---|---|---|
| 标识 | APN（接入点名称） | DNN（数据网络名称） |
| 会话类型 | 仅IP（IPv4/IPv6/IPv4v6） | IP + Ethernet + Unstructured |
| 控制面网元 | MME + SGW-C + PGW-C | AMF + SMF（更简洁） |
| 用户面网元 | SGW-U + PGW-U | UPF（可灵活分级） |
| QoS粒度 | 承载级（EPS Bearer） | QoS流级（QoS Flow），更细 |
| 会话连续性 | 只有"保持"一种模式 | SSC Mode 1/2/3，三种可选 |
| 用户面隧道 | S1-U（eNB↔SGW）+ S5/S8（SGW↔PGW） | N3（gNB↔UPF）+ N9（UPF↔UPF） |
| 控制面接口 | GTP-C（MME↔SGW/PGW） | SBI/HTTP（AMF↔SMF）+ PFCP（SMF↔UPF） |
| 架构风格 | 集中式，网元紧耦合 | 服务化，微服务解耦 |
最本质的区别：4G的PDN连接设计时只考虑了一种场景——手机上网。5G的PDU会话从设计之初就面向多样化场景——手机、物联网、工业控制、企业专线，因此需要更灵活的会话类型、更丰富的连续性模式、更精细的QoS控制。
在核心网调试中，PDU会话建立失败是最常见的问题之一。用Wireshark抓取N11接口（AMF↔SMF）的HTTP消息，常见失败原因：
| 失败原因 | 错误码 | 排查方向 |
|---|---|---|
| DNN未签约 | DNN not supported | 检查UDM中该用户的签约数据 |
| 切片不可用 | S-NSSAI not available | 检查NSSF配置和切片部署 |
| SMF选择失败 | SMF not found | 检查NRF注册和AMF本地配置 |
| UPF资源不足 | Resource unavailable | 检查UPF容量和N4会话数 |
| IP地址池耗尽 | IP allocation failed | 检查SMF的IP地址池配置 |
某运营商部署了边缘计算（MEC），希望低时延业务使用本地UPF。如果配置了SSC Mode 1，用户移动到另一个MEC覆盖范围时，数据仍然要回传到远端锚点UPF，时延反而增大。这时应该配置为SSC Mode 2或3，允许UPF重定位。
5G允许一个UE同时建立多个PDU会话，每个会话可以连接不同的DN、使用不同的切片、不同的会话类型：
┌── PDU Session 1: DNN=internet, S-NSSAI=eMBB, IPv4
│ → 普通上网，通过中心UPF
UE ─── gNB ─── AMF ─┤
│
├── PDU Session 2: DNN=ims, S-NSSAI=eMBB, IPv4v6
│ → VoNR语音，通过IMS专用UPF
│
└── PDU Session 3: DNN=enterprise, S-NSSAI=URLLC, Ethernet
→ 企业专线，通过边缘UPF
当怀疑数据面不通时，可以在SMF上查看N4会话状态：
建立只是PDU会话生命周期的起点。一个PDU会话还会经历 修改 和 释放：
stateDiagram-v2
[*] --> 不存在
不存在 --> 建立中: UE发起 Establishment Request
建立中 --> 活跃: 全流程成功<br/>(UPF已配置,DRB已建立)
建立中 --> 失败: SMF/UPF拒绝<br/>或资源不足
失败 --> 不存在: UE可重试
活跃 --> 修改中: UE/网络发起 Modification
修改中 --> 活跃: 修改成功<br/>(QoS变更/添加QoS Flow)
活跃 --> 释放中: UE/网络发起 Release
释放中 --> 不存在: 资源释放完成
note right of 活跃
PDU会话处于活跃状态时：
- 用户面数据正常传输
- QoS策略在执行
- 计费在进行
end note
PDU会话修改（Modification）的常见触发： - UE请求新的QoS（比如视频从720P切换到4K，需要更大带宽） - PCF策略变更（比如用户套餐变更） - 网络侧发起的QoS调整（比如拥塞时降速）
PDU会话释放（Release）的触发： - UE主动断开（关闭移动数据） - SMF发起释放（比如会话超时、策略变更） - AMF发起释放（比如注销、去附着） - 网络侧OAM操作
graph TB
subgraph "5G系统架构中的PDU会话相关接口"
UE["UE<br/>手机"]
gNB["(R)AN<br/>gNB基站"]
AMF["AMF<br/>接入管理"]
SMF["SMF<br/>会话管理"]
UPF["UPF<br/>用户面"]
UDM["UDM<br/>用户数据"]
PCF["PCF<br/>策略控制"]
NRF["NRF<br/>服务发现"]
NSSF["NSSF<br/>切片选择"]
DN["DN<br/>数据网络"]
end
UE -->|"N1 (NAS)"| AMF
UE -->|"Uu (无线)"| gNB
gNB -->|"N2 (NGAP)"| AMF
gNB -->|"N3 (GTP-U)"| UPF
AMF -->|"N11 (SBI)"| SMF
SMF -->|"N4 (PFCP)"| UPF
UPF -->|"N6"| DN
SMF -.->|"N7"| PCF
SMF -.->|"N10"| UDM
AMF -.->|"Nnrf"| NRF
SMF -.->|"Nnrf"| NRF
AMF -.->|"Nnssf"| NSSF
UPF -.->|"N9 (GTP-U)"| UPF
style UE fill:#ffcdd2
style UPF fill:#c8e6c9
style SMF fill:#bbdefb
style AMF fill:#fff9c4
PDU会话管理涉及的核心接口：
| 接口 | 协议 | 作用 | 在PDU会话中的角色 |
|---|---|---|---|
| N1 | NAS | UE↔AMF（经gNB透传） | UE发送会话请求/接收接受消息 |
| N2 | NGAP | gNB↔AMF | 传递无线承载建立/隧道信息 |
| N3 | GTP-U | gNB↔UPF | 用户面数据隧道 |
| N4 | PFCP | SMF↔UPF | 下发转发、QoS、计费规则 |
| N6 | IP/ETH | UPF↔DN | 连接外部数据网络 |
| N9 | GTP-U | UPF↔UPF | UPF间数据转发（漫游/锚点变更） |
| N11 | HTTP/SBI | AMF↔SMF | 控制面会话管理交互 |
Q1: PDU会话和EPS承载是什么关系？ A: 它们是不同代际的概念。4G中一个PDN连接包含一个默认承载和多个专用承载，承载是最小QoS管理单位。5G中一个PDU会话包含多个QoS Flow，QoS Flow是最小QoS管理单位。映射关系：5G的PDU会话 ≈ 4G的PDN连接，5G的QoS Flow ≈ 4G的EPS承载。但5G的QoS Flow不需要像4G那样为每个承载建立独立的GTP隧道，而是通过QFI标记复用同一个隧道。
Q2: 一个手机能同时建立多少个PDU会话？ A: 规范没有严格限制数量，但实际网络中通常限制在15-20个以内。典型场景下一个手机同时有2-3个PDU会话：一个给互联网（DNN=internet），一个给IMS语音（DNN=ims），可能还有一个给企业VPN或边缘计算。
Q3: DNN和APN有什么区别？ A: DNN（Data Network Name）是5G中对APN（Access Point Name）的继承和扩展。格式上DNN和APN基本一致（如"internet"、"ims"），但DNN在5G服务化架构中的使用方式不同——它作为SMF选择和UPF选择的关键参数参与网络功能发现，而不仅仅是DNS查询的输入。另外DNN支持更灵活的通配符匹配。
Q4: 为什么PDU会话建立有时会失败？ A: 常见原因排序：①用户未签约该DNN（UDM中无记录）；②请求的切片不可用（S-NSSAI不匹配）；③SMF/UPF资源不足；④IP地址池耗尽；⑤基站无线资源不足（无法建立DRB）。排查时建议按"NAS消息→N11接口→N4接口→N2接口"的顺序逐段定位。
Q5: Unstructured类型的PDU会话有什么用？ A: Unstructured（非结构化）类型用于传输非IP、非以太网的原始数据。典型场景是工业物联网中的私有协议数据——比如传感器直接上报二进制状态码，不需要IP头封装。5G网络充当"透明管道"，把原始比特从UE直接送到应用服务器。这在SCADA（数据采集与监视控制）系统中很有用。
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。