5G核心网技术基础自学系列 | PDU会话类型

Posted 2022-11-23 COCOgsta

书籍来源：《5G核心网 赋能数字化时代》

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6.2.1 概述

针对不同的使用情况， 5G系统支持不同的PDU会话类型：

• 基于IP的PDU会话类型：IPv4、IPv6和双栈IPv4v6

• 以太网PDU会话类型

• 非结构化PDU会话类型

熟悉EPC的读者可以认出基于IP的PDU会话类型， 它们在5GS中的确具有相似的属性， 即便5GS中有IPv6的一些附加功能。非结构化PDU会话类型类似于EPS中的非IP PDN类型， 而以太网PDU会话类型最初不在EPS中(但后来也添加到了EPS中) 。下面列出了有关不同PDU会话类型的更多详细信息。

6.2.2 基于IP的PDU会话类型

6.2.2.1 概述

对于IP， 5GS支持与EPS相同的PDU会话类型集， 即IPv4、IPv6和IPv4v6。但是，特别是对于IPv6， 与EPS相比， 5GS支持更多功能， 例如IPv6多宿主(在下面的6.4.3.3节中有进一步介绍) 。顾名思义， 这些PDU会话类型分别向UE提供IPv4、IPv6或IPv4和IPv6服务。

PDU会话类型为IPv4、IPv6和IPv4v6的PDU会话可以具有SSC模式1、2或3中的任何一种(SSC模式将在6.4.2节中进一步介绍) 。它们还支持所有QoS功能。有关QoS功能的更多详细信息，请参见第9章。

6.2.2.2 基于IP的PDU会话类型的IP寻址

对于基于IP的PDU会话类型， 5GC负责为UE分配IPv4地址和IPv6前缀。分配给UE的IP地址属于UE正在访问的DN。应当注意， 此UE IP地址和DN的IP地址域， 与在5GC内的实体之间或(R)AN与5GC之间提供IP传输的IP网络(或骨干网)不同。提供IP传输的骨干网可以是纯私有IP网络，仅用于用户面流量的传输，非漫游情况下的用户面流量在单个运营商网络内传输，漫游情况下的用户面流量在不同运营商网络之间传输。但是， DN是一个用户接入并获得服务(例如Intenet) 的IP网络。本节仅涉及分配给UE的IP地址。

每个DN可能使用IPv4或IPv6提供服务， 因此， PDU会话必须使用合适的IP版本提供连接。虽然大多数用户(例如使用4G或固定宽带接入) 访问的IP网络仍基于IPv4，但Internet上支持IPv6服务的数量正在不断增加。使用IPv6代替IPv4的主要原因是， 存在大量的、可用于分配给设备和终端的IPv6地址。对于当今的大多数运营商而言， IPv4地址的短缺已迫在眉睫， 使用各种样式的专用IPv4地址和网络地址转换(NAT) 的情况非常普遍。并且， 可用IPv4地址的数量因国家和组织不同而有很大差异。IPv6不存在这个问题， 因为它的地址的长度为128位， 理论上可提供2e128个地址(大于3.4×10e38个IPv6地址) 。相比之下， IPv4是32位， 因此理论上提供2e32个地址(总共将近4.3×10e9， 即43亿个地址) 。显然， IPv6提供的地址要多得多。

但是， 引人IPv6可能是一个巨大的挑战。这是因为IPv4和IPv6不是可互操作的协议。IPv6采用了一种新的数据包报头格式， 旨在减少IP报头所需的处理工作。由于报头的根本区别，因此需要想办法使它们能够在同一网络上运行。一种选择是使用IP版本转换或转换技术， 例如， 确保使用IPv6连接的设备能够与基于IPv4的应用进行通信。不过， 这种转换和过渡技术不是由3GPP规定的， 并且超出了本书的范围。

当UE请求基于IP的PDU会话时， 在PDU会话建立过程中， UE将基于其IP栈的能力如下设置请求的PDU会话类型：

• 支持IPv6和IPv4的UE应根据UE的配置或从运营商处收到的策略(即IPv4、IPv6或IPv4v6) 设置请求的PDU会话类型。

• 仅支持IPv4的UE应将请求的PDU会话类型设置为“IPv4”。

• 仅支持IPv6的UE应将请求的PDU会话类型设置为“IPv6”。

• 当UE不知道UE的IP版本能力时(例如，如果IP栈是在与5G模组不同的设备上实现的) ， UE将请求的PDU会话类型设置为“IPv4v6”。

SMF负责为UE分配IP地址。当从UE接收到PDU会话建立请求时， SMF将根据DN支持的IP版本(例如， 它是仅IPv4 DN或仅IPv6 DN) 以及基于SMF中的配置和运营商策略， 选择PDU会话的PDU会话类型， 这意味着， 如果UE请求“IPv4v6”， 则SMF可以只授权“IPv4”的PDU会话或只授权“IPv6”的PDU会话。

5GS支持多种分配IP地址的方式。分配IP地址的详细过程还取决于部署考虑以及IP版本(v4或v6)。以下各节将对此进行详细说明。

6.2.2.3 IP地址分配

用于分配IPv4地址和IPv6前缀的方法不同。下面我们将描述如何在5GS中分配IPv4地址和IPv6前缀。

用于向UE分配IPv4地址的方法主要有两种：

1. 一种方法是在PDU会话建立过程中将IPv4地址分配给UE。在这种情况下， IPv4地址作为PDU会话建立接受消息的一部分发送给UE。这是3GPP分配IP地址的一种特定的方法， 也是基本上所有现有3G/4G网络所用的方式。终端还将在PDU会话建立期间接收IP栈正常运行所需的其他参数(例如DNS地址) 。这些参数在所谓的协议配置选项(PCO) 字段中传送。

2. 另一种选择是使用DHCPv4(通常简称为DHCP) 。在这种情况下， UE不会在PDU会话建立期间接收IPv4地址， 而是在会话建立完成后， 使用DHCPv4请求IP地址。分配IP地址的这种方法类似于以太网和WLAN网络中的方式， 在这些网络中， 在建立了基本的2层连接之后， 终端使用DHCP获取IP地址。当使用DHCP时， 附加参数(例如DNS地址) 也作为DHCP过程的一部分发送到UE。

网络中使用方案1还是方案2取决于UE请求的内容以及网络支持和允许的内容。应该注意的是，虽然在大多数现有的移动网络中使用的是方案1，但这两种方案在2G/3G/4G核心网标准中都得到了支持。

现在， 我们继续来看IPv6的IP地址分配过程。Release 15中5GS支持的主要方法是无状态IPv6地址自动配置(SLAAC) 。使用SLAAC时， 会为每个PDU会话和UE分配一个/64 IPv6前缀(即64位前缀) 。UE可以使用整个前缀， 并通过向IPv6前缀添加接口标识来构造IPv6地址(即128位地址) 。因为给UE分配的是完整的/64前缀， 并且该前缀不与任何其他终端共享， 因此UE无须执行重复地址检测(DAD) 来验证是否有其他用户正在使用同一IPv 6地址。通过使用无状态IPv6地址自动配置， PDU会话建立首先完成。然后， SMF通过用户面向UE发送IPv6路由器通告(RA) 。RA包含分配给此PDU会话的IPv6前缀。RA通过已建立的PDU会话用户面传送， 因此仅发送到特定终端。这与某些非3GPP接入网不同， 在非3GPP接入网中， 许多终端共享同一个2层链路(例如以太网) 。在这些网络中， RA作为广播消息发送到所有连接的终端。在完成IPv6无状态地址自动配置后， 终端可以使用无状态DHCPv6请求其他必要的参数， 例如DNS地址。此外，如以上针对IPv4地址分配时所描述的， UE也可在PCO中获得这些参数。

Release 16正在讨论IPv6地址分配的其他方法， 这是由固定接入与5GC的融合工作推动的。DHCPv6的IPv6前缀委托(PD) 是Release 16讨论的此类功能之一。此外， 作为Release 16的一部分， 使用有状态的DHCPv6(DHCPv6 NA) 分配单个128位的IPv6地址也是讨论中的选项。

6.2.3 以太网PDU会话类型

6.2.3.1 概述

以太网PDU会话类型是5GS中新添加的， 在EPS中最早没有直接对应的类型。但是， 在本书撰写过程中， 以太网PDN类型也被3GPP添加到了EPS中。这个PDU会话类型的目的是向UE提供以太网服务，即将UE连接到2层以太网数据网络。此类用例包括UE连接到公司网络远程办公， 或者UE连接到工厂的LAN。其他用例比如支持固定(无线)接入，其中住宅网关(RG)向固定(无线)宽带客户提供桥接的2层服务。

对于使用以太网PDU会话类型设置的PDU会话， PDU会话在UE和DN之间承载以太网帧。

PDU会话类型为以太网的PDU会话可以使用SSC模式1或2。此PDU会话类型不支持SSC模式3(有关SSC模式的更多信息， 请参见6.4.3.3节) 。

6.2.3.2 MAC寻址

5GC不为UE分配任何以太网地址(通常称为MAC地址) 。主要原因是MAC地址通常在设备制造时被嵌入设备中，因此在以太网中不使用动态地址分配。5GC也不为UE分配任何IP地址用于以太网PDU会话。如果需要IP地址分配， 则可以通过在DN上部署DHCP服务器来支持， UE可以通过以太网PDU会话访问DHCP服务器。

由于5GC没有分配以太网(或IP地址)，因此提出了一个问题，即5GC(尤其是UPF) 如何将从DN接收的下行以太网帧路由到正确的UE。如果UPF不知道哪个以太网地址属于哪个PDU会话， 则不可能将下行帧映射到正确的PDU会话。5GC通过支持多种解决方案来处理此类情况：

• 一个基本功能是SMF/UP F中的MAC地址学习。通过这种方法， UPF会检查上行流量中的PDU会话上收到的源MAC地址， 并使用此MAC地址配置下行过滤器。然后， UPF将在目标地址字段中包含此MAC地址的所有下行流量发送到该特定PDU会话。SMF指示UPF为某个PDU会话执行此类MAC地址学习。或者， SMF可以指示UPF上报上行流量中所有检测到的源MAC地址， 然后SMF将在UPF中为应转发到此PDU会话的MAC地址提供下行过滤器。

• 作为另一选项， 当DN-AAA服务器授权以太网PDU会话时， 作为授权数据的一部分， DN-AAA服务器可以给SMF提供允许该PDU会话使用的MAC地址列表和VLAN ID列表(最多16个MAC地址和16个VLAN ID) 。这个选项很有用， 例如， 当可以为一个PDU会话签约一组特定的MAC地址或VLAN ID时。此选项还使得5GC能够授权在PDU会话上使用的MAC地址， 即， 仅允许将从DN-AAA接收的MAC地址集通过该PDU会话转发给UE。此外， DN-AAA还可以提供一组允许的VLAN ID。

• 第三个选项是SMF/UPF的MAC地址学习功能的替代选项， 即在UPF和DN的一个实体之间， 有一个特定于PDU会话的点对点N6隧道。UPF将从隧道接收到的所有下行流量都通过PDU会话发送给UE。此选项中， DN有权决定将哪些下行流量发送到哪个UE。

UPF通过学习获得PDU会话可用的MAC地址， 可以是提供所谓的“E-LAN”服务的一种方法， 其中提供多点到多点的连接。第二种是在N6上建立PDU会话特定的点对点隧道， 是为点对点连接提供“E-Line”服务， 比如用于两个企业的站点之间。E-LAN和E-Line是以太网运营商的两种服务类型， 由Metro以太网Forum定义。图6.4描述了这两种情况。

图6.4 使用以太网PDU会话类型提供的以太网服务示例

6.2.3.3 对虚拟LAN的支持

以太网PDU会话需要处理以太网VLAN。VLAN通常用于以太网LAN上， 以提供流量分离并将2层网络划分为逻辑上分离的多个(虚拟) 网络。根据SMF的指示， UPF可以分别在N6接口上针对下行帧和上行帧删除或重新插人VLAN标签。UPF还可以透明地转发由UE发送和从UE接收的VLAN标签。

作为DN-AAA服务器的PDU会话授权的一部分， 网络还可以通过向SMF提供一组VLAN ID， 来授权PDU会话上使用的VLAN ID的集合， 类似于上述的如何授权MAC地址。

6.2.3.4 QoS和计费方面

对于以太网PDU会话， 5GC支持与IP PDU会话类似的QoS和基于流的计费功能。例如， 支持使用GBR和非GBR QoS流， 区别在于用于将流量映射到每个QoS流的包过滤器(SDF过滤器) 还可以包含以太网报头参数， 例如源/目的MAC地址、VLAN ID等。

6.2.3.5 广播的处理

给移动系统带来挑战的一个方面是以太网中广播的频繁使用。例如ARP(地址解析协议) 和IPv6 ND(邻居发现) 协议使用以太网广播帧， 以发现对应于某个IPv4或IPv6地址的MAC地址。通常， 如果UE或DN上的一个对等方发送广播消息， 它将被复制到属于同一DN的所有以太网PDU会话上。UPF中的本地策略可以指示是否允许广播复制。

如果广播是由ARP或ND协议发起的， 则只有一个UE会回复这一广播消息， 其余UE将会丢弃它， 这样会给NG-RAN带来信令泛滥， 而且还会无故唤醒所有处于CM-IDLE状态的UE。因此， SMF/UPF可以代表拥有此ＭAC地址的UE回复ARP/ND消息，

从而避免将ARP/ND消息发送给所有UE。

可以注意到， SMF/UPF能够代表UE应答ARP/ND的前提条件是SMF/UPF知道IP地址和MAC地址之间的映射并且已经保存了该映射， 因此， ARP/ND代理功能要求通过在用户面上运行的某些协议(例如DHCP) 来处理UE和位于UE后的设备的IP地址分配，从而SMF/UPF可以检查该流量以推断出IP地址到MAC地址的映射。

6.2.4 非结构化PDU会话类型

对非结构化类型的PDU会话建立， 5GC不会预先假设PDU(即用户数据) 的任何特定格式。5GC基本上将这些PDU视为非结构化的比特流， 因此对数据包进行分类或对不同业务流进行差异化处理的可能性非常有限。

非结构化PDU会话可用于承载任何协议， 包括IP和以太网， 但是这种类型的PDU会话的主要用例是支持通常用于IoT部署的协议， 例如6LoWPAN、MQTT、CoAP等。

由于5GC并不解释非结构化PDU会话上携带的PDU， 它也不向UE分配任何协议地址或其他协议参数。此外， 由于没有基于包过滤器区分PDU会话中流量的机制， 因此仅支持单个QoS流， 此QoS流将具有默认的QoS。

非结构化PDU会话类型的PDU会话可能具有SSC模式1或2。此PDU会话类型不支持SSC模式3(有关SSC模式的更多信息， 请参见6.4.3.3节) 。