PDU Session & 5G UE IP Address Allocation Scheme

SMF (Session Management Function)

UE IP位址的分配是5G核心網路中重要的功能之一，其中SMF又在其中扮演重要的管理功能。

SMF主要處理UE的會話 (Session) 相關任務，SMF透過AMF來轉發與會話 (Session) 相關的message來與UE溝通，包括:

1. Setting up connectivity for the UE toward Data Network (DN)
2. PDU session establishment, modification, release
3. Managing User Plane for that connectivity
4. IP address allocation

(Source: 5G system architecture, 3GPP TS 23.501)

PDU Session

“PDU Session: Association between the UE and a Data Network that provides a PDU connectivity service.” (3GPP)

PDU Session是 UE 和特定 DN (Data Network)之間的邏輯連接，它為用戶提供從UE到 DN 的用戶平面 (User Plane) 連接。

一個UE 可以建立多個 PDU Session，每個PDU Session可以連接到各自的DN，也可以多個PDU Session連接到同一個DN。

PDU Session Establishment Request & Accept

(Source: UE-Requested PDU Session Establishment Procedure, 3GPP TS 23.502)

"The PDU (Protocol Data Units) is the basic end-user protocol type carried by the PDU Session.”

UE開機後，完成註冊流程，用戶若欲透過5G傳輸數據 (e.g., 上網，Line聊天)，需要先建立UE到DN之間的連結，也就是，UE需先向網路側請求建立PDU Session (PDU Session Establishment Request)。
在PDU Session Establishment期間，UE和DN之間對應的User Plane連接會被激活 (activated)。 User Plane連接提供 PDU 的傳輸。

(Source: https://medium.com/@jessica.chchuang)

PDU Session有不同的類型:

1. IP-based PDU Session Type (IPv4, IPv6, IPv4v6)
2. Ethernet PDU Session Type
3. Unstructured PDU Session Type

(Source: PDU Session Establishment Request message content, 3GPP TS 24.501)

(Source: PDU Session Establishment Accept message content, 3GPP TS 24.501)

UE在請求建立PDU Session時 (PDU Session Establishment Request)，在其中一個IE (Information Element) — PDU Session Type中會攜帶此UE欲建立的PDU Session Type ，e.g., 若是此UE欲建立IPv4的PDU Session Type，則IE — PDU Session Type則會攜帶IPv4值給網路側 (UE → AN → AMF → SMF)

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SMF會根據DN支持的IP版本來去選擇PDU Session Type，i.e., 若是DN亦支持IPv4，則SMF會在接受PDU Session建立的message中其中一個IE - Selected PDU Session Type帶IPv4 值給UE，並分配一個IPv4位址給該UE。

(Source: PDU Session Type Information Element, 3GPP TS 24.501)

(Source: PDU Address, 3GPP TS 24.501)

5G UE Dynamic & Static IP Address Allocation

(Source: 5G UE IP Address Allocation, 3GPP TS 23.501 & https://medium.com/@jessica.chchuang)

3GPP spec提及到，

1. (a). 若是UE支持Dual Stack IPv4v6 ，且請求建立的PDU Session Type為 IPv4v6，則SMF會視DNN配置、用戶訂閱資料、或是營運商的政策來去決定是要分配IPv4還是IPv6位址給該UE； (b). 當UE 的 IP 版本能力在 UE 中未知時 (IP version capability of the UE is unknown)，UE 應當請求PDU Session Type為”IPv4v6"，而SMF也會根據所說的因素，來決定是要分配IPv4還是IPv6位址。
2. 若是UE支持與請求IPv4 PDU Session Type，且DN亦支持IPv4，則SMF會配發一個IPv4位址給該UE。
3. 若是UE支持與請求IPv6 PDU Session Type，且DN亦支持IPv4，則SMF會配發一個IPv6位址給該UE。

IPv6的出現是因IPv4位址短缺的問題，IPv6可有大量的位址可分配給眾多的UE，目前大多數end-user可訪問的 IP 網路系基於 IPv4，下方介紹3GPP Spec支持之IPv4位址分配的機制。

1. 從網路側IP Pool中為該UE分配一個IPv4 位址，則SMF會在PDU Session建立的其間配發一個IPv4 位址給UE。
2. 從 DHCPv4 Server為 該UE 分配一個IPv4 位址，則IP位址的分配是在PDU Session建立完成之後。

[參考資料]:

• 5G Core Networks: Powering Digitalization (Academic Press)
• 3GPP TS 23.501
• 3GPP TS 23.502
• 3GPP TS 24.501