Free5GC源码研究（11） - SMF研究（下）

news/2024/11/29 12:59:38/文章来源:https://www.cnblogs.com/zrq96/p/18546685

前文已经研究过SMF的概念和Nsmf_PDUSession的创建和释放，本文继续研究其更新，以及SMF的其他服务。

SMF实现

Nsmf_PDUSession

SMContext的更新是SMF中的一个核心功能，负责处理PDU会话的各种状态更新和转换。它需要处理多种不同类型的更新请求，并确保会话状态的正确转换。理解与之相关的HandlePDUSessionSMContextUpdate函数也需要一些前置知识，比如AMF与SMF之间的N1接口和N2接口，各种状态机的状态转移等。

N1、N2接口

回顾5G系统的架构设计，可以发现用户设备UE与核心网控制面的的连接只有一个，那就是N1接口，而接入网RAN与核心网控制面的连接也只有一个，那就是N2，且N1与N2接口在控制面的一端都是AMF。也就是说，UE与RAN任何与控制面的交流都智能通过AMF，如果希望与SMF或其他NF交互，就只能委托AMF将消息转发出去，而其他NF的回复也需要靠AMF中继。

UE会通过N1接口把对PDU Session的管理请求发给SMF，RAN也会通过N2接口把对PDU session资源的管理、无线资源的管理、移动性管理、UE上下文管理等命令发送给SMF。

为什么不直接让UE和RAN与SMF直接通信，非要让AMF中继？我认为这是出于两个考虑

  1. 安全性：AMF负责用户认证，通过AMF中继可以确保所有消息都经过安全检查，防止未经授权的访问和攻击
  2. 移动性：当UE移动时，可能需要切换到不同的SMF，当然也需要切换不同AMF，但AMF本身就负责追踪UE的位置和移动性管理。让AMF代为转发消息就可以利用AMF本身的移动性管理功能，而无需让SMF和其他NF也一同追踪UE的位置，避免不必要的夫复杂性。

PDU Session状态机

根据TS24.501，一个PDU Session的全生命周期可以有四个状态：Inactive、Active、InactivePending、和ModificationPending，他们之间相互转换的关系和过程由下面的状态机图表示：

img

在free5gc中对于PDU Session的状态定义与标准文档有所不同

// https://github.com/free5gc/smf/blob/v1.2.5/internal/context/sm_context.go#L69
type SMContextState uint32
const (InActive SMContextState = iotaActivePendingActiveInActivePendingModificationPendingPFCPModification
)

ActivePending不是在TS24.501中定义的标准PDU Session状态之一。在UE侧倒是有这么一个状态，但由于PDU Session的建立虽由UE发起，却由核心网主导，所以网络端不需要ActivePending这个状态。我认为这是free5gc实现中的一个内部状态，用来方便程序编写。

同理，PFCPModification这个状态也不是标准状态，而是free5gc实现中的一个内部状态，用于处理PFCP Session修改的中间态。在free5gc的实现中，当SMF需要修改UPF中的PFCP Session（例如更新PDR、FAR规则）时，会将PDU Session状态设置为``PFCPModification`。这个状态表明SMF正在等待UPF对PFCP Session Modification请求的响应。根据UPF的响应结果，会话状态会转移到：

  • 如果修改成功（SessionUpdateSuccess）-> Active
  • 如果修改失败（SessionUpdateFailed）-> Active（同时返回错误）
  • 如果是释放操作且成功（SessionReleaseSuccess）-> InActivePending
  • 如果是释放操作但失败（SessionReleaseFailed）-> Active（同时返回错误）
    这个状态的引入主要是为了处理PFCP协议交互的异步特性。虽然不是标准定义的状态，但它帮助SMF更好地管理与UPF之间的PFCP会话修改过程。

Handover状态机

Handover指的是UE因为位置移动触发的接入网的切换，以及PDU Session从一个RAN移交（Handover）到另一个RAN过程中的状态变化

  • NONE：初始状态，表示PDU会话当前没有进行任何切换操作。每个新建立的PDU会话都处于这个状态。
  • PREPARING: 旧的RAN发现需要进行切换，SMF准备建立到目标RAN的资源
  • PREPARED: 目标RAN的资源已经准备好，SMF处理切换请求确认信息，如果配置了间接转发(Indirect Forwarding)，会建立数据转发通道
  • COMPLETED: UE已经成功切换到目标接入网，清理原有路径，如果有间接转发通道，这时也会被释放
  • CANCELLED: 切换由于各种原因被取消，此时PDU session回退到原来的RAN继续服务，清理为切换预留的资源

我没有在标准文档中找到一张描述Handover的状态机图示，所以自己画了一个：

stateDiagram-v2 direction LR[*] --> NONENONE --> PREPARING: 开始切换准备PREPARING --> PREPARED: 准备完成PREPARED --> COMPLETED: 切换成功PREPARING --> CANCELLED: 切换取消PREPARED --> CANCELLED: 切换取消COMPLETED --> [*]CANCELLED --> [*]

UP Connection 状态机

SMF在管理PDU Session的同时，也还要维护相应的与用户面的数据连接。UpCnxState（User Plane Connection State）就是用于表示用户面连接状态的类型

// https://github.com/free5gc/openapi/blob/v1.0.8/models/model_up_cnx_state.go
type UpCnxState string
const (UpCnxState_ACTIVATED   UpCnxState = "ACTIVATED"UpCnxState_DEACTIVATED UpCnxState = "DEACTIVATED"UpCnxState_ACTIVATING  UpCnxState = "ACTIVATING"
)

可以看到这只是一个仅包含3个状态的简单模型，不过新版的TS29.502@v18.08引入一个新的状态SUSPENDED

img

所以最新的UP连接状态机状态转移图变成了这个样子（忽略掉SISPENDED相关的路径，就是代码中实现的状态转移逻辑）：

stateDiagram-v2 direction LR[*] --> DEACTIVATEDDEACTIVATED --> ACTIVATING: 开始激活ACTIVATING --> ACTIVATED: 激活成功ACTIVATED --> DEACTIVATED: 停用ACTIVATED --> SUSPENDED: 挂起SUSPENDED --> ACTIVATING: 恢复

掌握以上信息，基本就能理解下面（简化版）的HandlePDUSessionSMContextUpdate源代码了

// https://github.com/free5gc/smf/blob/v1.2.5/internal/sbi/processor/pdu_session.go#L245
func (p *Processor) HandlePDUSessionSMContextUpdate(c *gin.Context,body models.UpdateSmContextRequest,smContextRef string,
) {smContext := smf_context.GetSMContextByRef(smContextRef)var sendPFCPModification boolvar pfcpResponseStatus smf_context.PFCPSessionResponseStatusvar response models.UpdateSmContextResponseresponse.JsonData = new(models.SmContextUpdatedData)smContextUpdateData := body.JsonData// 处理N1接口的消息（AMF转发）if body.BinaryDataN1SmMessage != nil {m := nas.NewMessage()switch m.GsmHeader.GetMessageType() {case nas.MsgTypePDUSessionReleaseRequest:// release PDU SessionsmContext.SetState(smf_context.PFCPModification)pfcpResponseStatus = releaseSession(smContext)case nas.MsgTypePDUSessionReleaseComplete:// PDU Session released, wrap up thingssmContext.SetState(smf_context.InActive)response.JsonData.UpCnxState = models.UpCnxState_DEACTIVATEDsmContext.StopT3592()// If CN tunnel resource is released, shouldif smContext.Tunnel.ANInformation.IPAddress == nil {p.RemoveSMContextFromAllNF(smContext, true)}case nas.MsgTypePDUSessionModificationRequest:// modify PDU sessionp.HandlePDUSessionModificationRequest(smContext, m.PDUSessionModificationRequest)p.sendGSMPDUSessionModificationCommand(smContext, buf)smf_context.BuildPDUSessionResourceModifyRequestTransfer(smContext)c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})returncase nas.MsgTypePDUSessionModificationComplete:smContext.StopT3591()case nas.MsgTypePDUSessionModificationReject:smContext.StopT3591()}}/* ================================================================ */// 变更与用户面连接的状态（UE与UPF之间的数据传输通道）switch smContextUpdateData.UpCnxState {case models.UpCnxState_ACTIVATING:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)n2Buf, err = smf_context.BuildPDUSessionResourceSetupRequestTransfer(smContext)smContext.UpCnxState = models.UpCnxState_ACTIVATINGcase models.UpCnxState_DEACTIVATED:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)smContext.UpCnxState = body.JsonData.UpCnxState// Set FAR and AN, N3 Release Info// 修改FAR规则,停止转发,开启缓存farList = []*smf_context.FAR{}for _, dataPath := range smContext.Tunnel.DataPathPool {ANUPF := dataPath.FirstDPNodeDLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDRif DLPDR == nil {smContext.Log.Warnf("Access network resource is released")} else {DLPDR.FAR.State = smf_context.RULE_UPDATEDLPDR.FAR.ApplyAction.Forw = falseDLPDR.FAR.ApplyAction.Buff = trueDLPDR.FAR.ApplyAction.Nocp = truefarList = append(farList, DLPDR.FAR)sendPFCPModification = truesmContext.SetState(smf_context.PFCPModification)}}}/* ================================================================ */// 处理N2接口的消息（AMF转发）switch smContextUpdateData.N2SmInfoType {// setup PDU session resourcecase models.N2SmInfoType_PDU_RES_SETUP_RSP:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)pdrList = []*smf_context.PDR{}farList = []*smf_context.FAR{}for _, dataPath := range tunnel.DataPathPool {if dataPath.Activated {ANUPF := dataPath.FirstDPNodeDLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDRDLPDR.FAR.ApplyAction = pfcpType.ApplyAction{Buff: false,Drop: false,Dupl: false,Forw: true,Nocp: false,}DLPDR.FAR.ForwardingParameters = &smf_context.ForwardingParameters{DestinationInterface: pfcpType.DestinationInterface{InterfaceValue: pfcpType.DestinationInterfaceAccess,},NetworkInstance: &pfcpType.NetworkInstance{NetworkInstance: smContext.Dnn,FQDNEncoding:    factory.SmfConfig.Configuration.NwInstFqdnEncoding,},}DLPDR.State = smf_context.RULE_UPDATEDLPDR.FAR.State = smf_context.RULE_UPDATEpdrList = append(pdrList, DLPDR)farList = append(farList, DLPDR.FAR)}}smf_context.HandlePDUSessionResourceSetupResponseTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)sendPFCPModification = truesmContext.SetState(smf_context.PFCPModification)case models.N2SmInfoType_PDU_RES_SETUP_FAIL:smf_context.HandlePDUSessionResourceSetupUnsuccessfulTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)case models.N2SmInfoType_PDU_RES_MOD_RSP:smf_context.HandlePDUSessionResourceModifyResponseTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)// release PDU session resourcecase models.N2SmInfoType_PDU_RES_REL_RSP:// remove an tunnel infosmContext.Tunnel.ANInformation = struct {IPAddress net.IPTEID      uint32}{nil, 0}p.RemoveSMContextFromAllNF(smContext, true)case models.N2SmInfoType_PATH_SWITCH_REQ:smf_context.HandlePathSwitchRequestTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)smf_context.BuildPathSwitchRequestAcknowledgeTransfer(smContext)for _, dataPath := range tunnel.DataPathPool {if dataPath.Activated {ANUPF := dataPath.FirstDPNodeDLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDRpdrList = append(pdrList, DLPDR)farList = append(farList, DLPDR.FAR)}}smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)case models.N2SmInfoType_PATH_SWITCH_SETUP_FAIL:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)smf_context.HandlePathSwitchRequestSetupFailedTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)case models.N2SmInfoType_HANDOVER_REQUIRED:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)response.JsonData.N2SmInfo = &models.RefToBinaryData{ContentId: "Handover"}}/* ================================================================ */// 处理HoState（Handover State，指UE在不同基站/接入网之间迁移过程中的状态）switch smContextUpdateData.HoState {case models.HoState_PREPARING:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)smContext.HoState = models.HoState_PREPARINGsmf_context.HandleHandoverRequiredTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)smf_context.BuildPDUSessionResourceSetupRequestTransfer(smContext)response.JsonData.HoState = models.HoState_PREPARINGcase models.HoState_PREPARED:smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)smContext.HoState = models.HoState_PREPAREDresponse.JsonData.HoState = models.HoState_PREPAREDsmf_context.HandleHandoverRequestAcknowledgeTransfer(body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)// request UPF establish indirect forwarding path for DLif smContext.DLForwardingType == smf_context.IndirectForwarding {ANUPF := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNodeIndirectForwardingPDR := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNode.UpLinkTunnel.PDRpdrList = append(pdrList, IndirectForwardingPDR)farList = append(farList, IndirectForwardingPDR.FAR)// release indirect forwading pathif err = ANUPF.UPF.RemovePDR(IndirectForwardingPDR); err != nil {logger.PduSessLog.Errorln("release indirect path: ", err)}sendPFCPModification = truesmContext.SetState(smf_context.PFCPModification)}smf_context.BuildHandoverCommandTransfer(smContext)response.JsonData.HoState = models.HoState_PREPARINGcase models.HoState_COMPLETED:for _, dataPath := range tunnel.DataPathPool {if dataPath.Activated {ANUPF := dataPath.FirstDPNodeDLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDRpdrList = append(pdrList, DLPDR)farList = append(farList, DLPDR.FAR)}}// remove indirect forwarding pathif smContext.DLForwardingType == smf_context.IndirectForwarding {indirectForwardingPDR := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNode.GetUpLinkPDR()indirectForwardingPDR.State = smf_context.RULE_REMOVEindirectForwardingPDR.FAR.State = smf_context.RULE_REMOVEpdrList = append(pdrList, indirectForwardingPDR)farList = append(farList, indirectForwardingPDR.FAR)}smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)smContext.HoState = models.HoState_COMPLETEDresponse.JsonData.HoState = models.HoState_COMPLETED}/* ================================================================ */// 最后，根据PDU Session状态机的转移采取行动switch smContext.State() {case smf_context.PFCPModification:pfcpResponseStatus = p.updateAnUpfPfcpSession(smContext, pdrList, farList, barList, qerList, urrList)// 处理PFCP更新的结果switch pfcpResponseStatus {case smf_context.SessionUpdateSuccess:smContext.SetState(smf_context.Active)c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})case smf_context.SessionUpdateFailed:smContext.SetState(smf_context.Active)updateSmContextError := models.UpdateSmContextErrorResponse{JsonData: &models.SmContextUpdateError{Error: &Nsmf_PDUSession.N1SmError,},} // Depends on the reason why N4 failc.JSON(http.StatusForbidden, updateSmContextError)case smf_context.SessionReleaseSuccess:p.ReleaseChargingSession(smContext)smContext.SetState(smf_context.InActivePending)c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})case smf_context.SessionReleaseFailed:// Update SmContext Request(N1 PDU Session Release Request)// Send PDU Session Release RejectsmContext.SetState(smf_context.Active)// problemDetail := models.ProblemDetails{// 。。。。。。c.JSON(int(problemDetail.Status), errResponse)}smContext.PostRemoveDataPath()case smf_context.ModificationPending:smContext.SetState(smf_context.Active)c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})case smf_context.InActive, smf_context.InActivePending:c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})default:c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})}
}

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