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【移动网络】5GC：5G核心网络的会话管理（Session Management）

作者：互联网

Session Management

这一篇博文默认您已经了解5GC 的架构与基本NF构造，如果对此块预备知识准备不充足，请移步该博文：[5G 核心网络架构] 5GC: Architecture。该博文对5GC的架构进行了详解，是本文的基本先修课程。

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SMF控制下对UPF进行一定的调控，然后将互联网上的数据和5G NR的数据进行转发，起到一个网关的作用。本文中将对这一过程进行详细的说明。
N3建立起的连接被称为Session（会话），本章重点就是会话管理（Session Management，SM）。

SMF的功能

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控制UPF中使用的流量检测规则
控制UPF中使用的报文转发规则
控制使用报告规则，以支持SMF中的策略和收费功能

为UPF提供服务质量参数值，以实施数据流的QoS，例如，可用数据速率的限制

基本的PDU会话连接

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通过之前的学习，我们知道每一个会话（Session）是通过UPF进行连接的，如图所示。上图存在多个连接，也就存在多个会话。
为方便描述，本文中所有的会话（Session）用S代替，会话管理(Session Management)用SM代替。
图中的DN表示data network（数据网络），代表的案例是互联网（Internet）。UE到DN的连接，我们称之为PDU会话[PDUs]。
IMS： IP MultiMidea Subsystem： 事业单位，企业内部的IP多媒体服务子系统。多媒体是包括声音，影像等媒体数据的统称。而IMS则是3G时代开始出现的基于IP的多媒体通话网络，该网络有单独的IMS协议。3G时代数据是分流的，音频通话质量并不稳定，因此为此单独对多媒体通信制定了包含传输层、应用层的各种协议以及一个完整的框架，这就是IMS。因此IMS是一个往深处说非常复杂的单独的网络协议结构，这里把他理解为【一个独立于Internet以及RAN/CN的另一种网络，是业内提供多媒体服务的，事业单位对该网络有完全控制权】。互联网自然不是某个事业单位能够说了算的，因为网络中并存的同权威单位很多。
实际上现在的4/5G都是使用IP网搭建的，即5GC内部各个NF之间基于IP地址传递消息和提供服务。
一个UE可以由多个UPF连接并构建多个S同时进行数据交换。

PDU会话建立

User Plane(UP）： UP提供PDUs的传输链接。数据会通过UP传输。
在5G之前，没有考虑过IP网以外的情况，而实际上在5G时代，UE-UPF的连接是5GC内网，而UPF-外部网络的连接属于外部网。外部网不一定是全部基于IP地址的传统互联网络。

如：事业单位，具有大规模的高保密性内网。内网内不需要具备IP地址，只需要完成数据链路层的数据传输服务即可满足大多数数据通信需求。此时可能内网内的设备并不需要拥有IP地址，传输基于第二阶层的数据链路层协议。此时的S也不是基于IP地址的S，而是基于MAC地址的S，我们称之为以太网EPDUs（Ethernet PDU Session)。

此外，还有5G提供最核心服务的物联网。物联网设备性能实在太弱，传输的数据量体量很小，如果使用IP网传输，意味着IP头部帧格式过于冗余，比起数据本身控制信息更多的情况导致传输效率低下，因此物联网设备使用一些对应其特性的网络格式传输会更好。这类我们称为IoTPDUs或Unstructured PDUs。

下图是基本的PDUs建立过程图，并没有包含一些特殊情况。
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  1. UE向SMF发起建立S的请求：UE需要先连接到基站，通过RAN（Access Network）–AN，然后AMF会查找对应的UE，UE会通过AMF进入5GC并将请求送给SMF。注意，这个连接并不代表数据连接，UE与BS在这个阶段的连接并不代表着UE可以通过5G NR进行用户数据上的交互（包括D2D连接），这属于允许用户正式使用RAN服务的认证步骤之一。UE与SMF的通信过程是NAS通信。
  2. 用户认证：UE携带用户信息以及请求到达SMF，SMF将通过UPF转发给PCF，然后PCF再转发个UDM（小数据库）。根据数据库内存储的用户信息进行身份认证，确认身份无误后，PCF将对应的传输策略告诉SMF，然后SMF会命令UPF和AN进行开放对应服务的数据连接。传输政策一般基于用户的付费情况，即给他提供多高质量的服务，而SMF收到后会先通知UPF准备开放UP，然后通知基站，开放对应的接入网。直到SMF收到二者的应答（表示自己已经准备好了），数据通信的准备阶段才算完成。
  3. 建立PDUs，进行数据通信。

隧道与传输连接

隧道：（tunnel）：之前提到的，5G网络中可能会转发到不同种类的外部网络，它们并非全都是基于IP的，这就导致各种数据的封装格式不同，对于传输方而言是困难的。因此我们使用隧道技术，在应用层，传输层，网络层头部之外再加一个IP头部，这个头部是用于隧道内高效传输的。
举个例子来理解这个构造。当我们去邮寄贺卡时，贺卡的设计千奇百怪，对于邮局而言，如果要转发贺卡，对着各种各样设计的贺卡，他们需要去找收发地址，邮编等信息，而这些信息由于不同的设计而使这个过程变的困难。而如果我们要求每个发信者为它们的贺卡加入一个信封，这个信封的格式是我们统一规定的，则此时邮局再去转发这些包着同样格式的但不同内容的信封就很容易了，因为它们需要的信息总可以在同一个位置找到。
额外增加的头部就是起到信封的功能，用于更好的去传输这些非同设计的贺卡。
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如上图所示，实际通信过程中，需要CS系统的客户端和服务器先建立应用层的连接，然后开始准备传输数据，此时应该建立传输层的连接。最后使用IP网进行数据传输。传输过程中，当数据包到达CN后，CN的每一个NF会在对应的本地处理中增加自己的IP头部，以方便CN内部信息交互。当CN的数据包到达基站，基站会把这些CN内追加的头部全部去掉，然后再转发给用户。这就是隧道的整体过程。
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PDUI：PDU的唯一标识符
S-NSSAI：表示建立PDU Session的网络片（具体到哪一个切片的网络），也可以表示一个AMF连接多个S 的情况。
DDN: 和怎么样的外部网络连接，是互联网还是内网，描述这种属性的标签。
PDUs Type：具体的S类型，IP/Ethernet/unstructured…
SSC：后面会详解
UPSEi： 用户平面指示安全信息。指示是否为PDU会话激活用户平面加密和/或使用平面完整性保护的信息

PDUs Type

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IP: v4 & v6两个版本。
以太网： 这里指的以太网不是家用局域网而是企业私网。终端接入二层以太网数据网络。使用VLAN实现远程办公接入企业网络，工业设备接入工厂局域网等设置。
4G不支持以太网PDUs，因为4G网是完全基于IP网的核心网络。
UPDUs： 主要考虑IoT，使用6LoWPAN等协议。
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PSA：PDU Session Anchor： PDUs附着。 这是通过N6接口构成UPF-DN的的一对一连接。
I-UPF：这是一个在AN和PSA之间的UP路径上插入的UPF，它在AN和PSA之间转发流量。一般是因为第一个UPF与设备物理距离特别远。对于用户而言，感知不到中间UPF的中转
UL-CL/BP：这是一个控制用的UPF，在上行链路中为PDU Session“分叉”流量，在下行链路中“合并”UP路径。起到一个分支与合并的作用。这也是边缘计算实现的一个基本原理。

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上图是一个设备与多个UPF连接的概念图。

SSC (Service and Session Continuity) Modes

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有以上三种SSC mode：

  1. 设备在移动，但是移动范围不算特别大，即便从一个基站走到另一个基站，也可以通过原来的UPF连接，即仍然使用与之前的IP地址访问对应的服务。
  2. 设备移动范围很大，新的基站不得不使用新的UPF去支援连接相同的服务。这种情况是break before make。即在建立新的连接之前需要断掉之前的连接。连接会暂时中断，此间设备无服务
  3. make before break，在切换新的UPF之前，先由之前 的UPF维持连接。在新的UPF准备妥当之后，在用切断原有的连接。

上述三种也是基于PDU类型的，其中Make-before-break仅可适用于IP-PDU；而其余两种可以适用于所有PDU，包括以太网、物联网

支持边缘计算的5G设计

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使服务更靠近交付地点，是与云服务完全相反的一种服务方式。3GPP没有为边缘计算指定任何特殊的解决方案或架构，但是3GPP定义了几个通用工具，可以用来提供一个有效的用户平面路径，可以在边缘计算的部署中用作启用器

切换基站时的UPF重选择
选择流量路由到DN（UL-CL/BP + two PSAs）
SSC (Session and Service Continuity)模式

标签：Management,5GC,IP,PDU,网络,UPF,Session,SMF,连接
来源： https://blog.csdn.net/Chahot/article/details/121520156