前文已經研究過SMF的概念和
Nsmf_PDUSession的建立和釋放，本文繼續研究其更新，以及SMF的其他服務。
SMF實現
Nsmf_PDUSession
SMContext的更新是SMF中的一個核心功能，負責處理PDU會話的各種狀態更新和轉換。它需要處理多種不同型別的更新請求，並確保會話狀態的正確轉換。理解與之相關的HandlePDUSessionSMContextUpdate函式也需要一些前置知識，比如AMF與SMF之間的N1介面和N2介面，各種狀態機的狀態轉移等。
N1、N2介面
回顧5G系統的架構設計，可以發現使用者裝置UE與核心網控制面的的連線只有一個，那就是N1介面，而接入網RAN與核心網控制面的連線也只有一個，那就是N2，且N1與N2介面在控制面的一端都是AMF。也就是說，UE與RAN任何與控制面的交流都智慧透過AMF，如果希望與SMF或其他NF互動，就只能委託AMF將訊息轉發出去，而其他NF的回覆也需要靠AMF中繼。
UE會透過N1介面把對PDU Session的管理請求發給SMF，RAN也會透過N2介面把對PDU session資源的管理、無線資源的管理、移動性管理、UE上下文管理等命令傳送給SMF。
為什麼不直接讓UE和RAN與SMF直接通訊，非要讓AMF中繼？我認為這是出於兩個考慮
- 安全性：AMF負責使用者認證，透過AMF中繼可以確保所有訊息都經過安全檢查，防止未經授權的訪問和攻擊
- 移動性：當UE移動時，可能需要切換到不同的SMF，當然也需要切換不同AMF，但AMF本身就負責追蹤UE的位置和移動性管理。讓AMF代為轉發訊息就可以利用AMF本身的移動性管理功能，而無需讓SMF和其他NF也一同追蹤UE的位置，避免不必要的夫複雜性。
PDU Session狀態機
根據TS24.501，一個PDU Session的全生命週期可以有四個狀態：Inactive、Active、InactivePending、和ModificationPending，他們之間相互轉換的關係和過程由下面的狀態機圖表示：
在free5gc中對於PDU Session的狀態定義與標準文件有所不同
// https://github.com/free5gc/smf/blob/v1.2.5/internal/context/sm_context.go#L69
type SMContextState uint32
const (
InActive SMContextState = iota
ActivePending
Active
InActivePending
ModificationPending
PFCPModification
)
ActivePending不是在TS24.501中定義的標準PDU Session狀態之一。在UE側倒是有這麼一個狀態，但由於PDU Session的建立雖由UE發起，卻由核心網主導，所以網路端不需要ActivePending這個狀態。我認為這是free5gc實現中的一個內部狀態，用來方便程式編寫。
同理，PFCPModification這個狀態也不是標準狀態，而是free5gc實現中的一個內部狀態，用於處理PFCP Session修改的中間態。在free5gc的實現中，當SMF需要修改UPF中的PFCP Session（例如更新PDR、FAR規則）時，會將PDU Session狀態設定為``PFCPModification`。這個狀態表明SMF正在等待UPF對PFCP Session Modification請求的響應。根據UPF的響應結果，會話狀態會轉移到：
- 如果修改成功（SessionUpdateSuccess）->
Active - 如果修改失敗（SessionUpdateFailed）->
Active（同時返回錯誤） - 如果是釋放操作且成功（SessionReleaseSuccess）->
InActivePending - 如果是釋放操作但失敗（SessionReleaseFailed）->
Active（同時返回錯誤）
這個狀態的引入主要是為了處理PFCP協議互動的非同步特性。雖然不是標準定義的狀態，但它幫助SMF更好地管理與UPF之間的PFCP會話修改過程。
Handover狀態機
Handover指的是UE因為位置移動觸發的接入網的切換，以及PDU Session從一個RAN移交（Handover）到另一個RAN過程中的狀態變化
- NONE：初始狀態，表示PDU會話當前沒有進行任何切換操作。每個新建立的PDU會話都處於這個狀態。
- PREPARING: 舊的RAN發現需要進行切換，SMF準備建立到目標RAN的資源
- PREPARED: 目標RAN的資源已經準備好，SMF處理切換請求確認資訊，如果配置了間接轉發(Indirect Forwarding)，會建立資料轉發通道
- COMPLETED: UE已經成功切換到目標接入網，清理原有路徑，如果有間接轉發通道，這時也會被釋放
- CANCELLED: 切換由於各種原因被取消，此時PDU session回退到原來的RAN繼續服務，清理為切換預留的資源
我沒有在標準文件中找到一張描述Handover的狀態機圖示，所以自己畫了一個：
stateDiagram-v2
direction LR
[*] --> NONE
NONE --> PREPARING: 開始切換準備
PREPARING --> PREPARED: 準備完成
PREPARED --> COMPLETED: 切換成功
PREPARING --> CANCELLED: 切換取消
PREPARED --> CANCELLED: 切換取消
COMPLETED --> [*]
CANCELLED --> [*]
UP Connection 狀態機
SMF在管理PDU Session的同時，也還要維護相應的與使用者面的資料連線。UpCnxState（User Plane Connection State）就是用於表示使用者面連線狀態的型別
// 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"
)
可以看到這只是一個僅包含3個狀態的簡單模型，不過新版的TS29.502@v18.08引入一個新的狀態SUSPENDED
所以最新的UP連線狀態機狀態轉移圖變成了這個樣子（忽略掉SISPENDED相關的路徑，就是程式碼中實現的狀態轉移邏輯）：
stateDiagram-v2
direction LR
[*] --> DEACTIVATED
DEACTIVATED --> ACTIVATING: 開始啟用
ACTIVATING --> ACTIVATED: 啟用成功
ACTIVATED --> DEACTIVATED: 停用
ACTIVATED --> SUSPENDED: 掛起
SUSPENDED --> ACTIVATING: 恢復
掌握以上資訊，基本就能理解下面（簡化版）的HandlePDUSessionSMContextUpdate原始碼了
// 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 bool
var pfcpResponseStatus smf_context.PFCPSessionResponseStatus
var response models.UpdateSmContextResponse
response.JsonData = new(models.SmContextUpdatedData)
smContextUpdateData := body.JsonData
// 處理N1介面的訊息（AMF轉發）
if body.BinaryDataN1SmMessage != nil {
m := nas.NewMessage()
switch m.GsmHeader.GetMessageType() {
case nas.MsgTypePDUSessionReleaseRequest:
// release PDU Session
smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)
pfcpResponseStatus = releaseSession(smContext)
case nas.MsgTypePDUSessionReleaseComplete:
// PDU Session released, wrap up things
smContext.SetState(smf_context.InActive)
response.JsonData.UpCnxState = models.UpCnxState_DEACTIVATED
smContext.StopT3592()
// If CN tunnel resource is released, should
if smContext.Tunnel.ANInformation.IPAddress == nil {
p.RemoveSMContextFromAllNF(smContext, true)
}
case nas.MsgTypePDUSessionModificationRequest:
// modify PDU session
p.HandlePDUSessionModificationRequest(smContext, m.PDUSessionModificationRequest)
p.sendGSMPDUSessionModificationCommand(smContext, buf)
smf_context.BuildPDUSessionResourceModifyRequestTransfer(smContext)
c.Render(http.StatusOK, openapi.MultipartRelatedRender{Data: response})
return
case nas.MsgTypePDUSessionModificationComplete:
smContext.StopT3591()
case nas.MsgTypePDUSessionModificationReject:
smContext.StopT3591()
}
}
/* ================================================================ */
// 變更與使用者面連線的狀態（UE與UPF之間的資料傳輸通道）
switch smContextUpdateData.UpCnxState {
case models.UpCnxState_ACTIVATING:
smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)
n2Buf, err = smf_context.BuildPDUSessionResourceSetupRequestTransfer(smContext)
smContext.UpCnxState = models.UpCnxState_ACTIVATING
case models.UpCnxState_DEACTIVATED:
smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)
smContext.UpCnxState = body.JsonData.UpCnxState
// Set FAR and AN, N3 Release Info
// 修改FAR規則,停止轉發,開啟快取
farList = []*smf_context.FAR{}
for _, dataPath := range smContext.Tunnel.DataPathPool {
ANUPF := dataPath.FirstDPNode
DLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDR
if DLPDR == nil {
smContext.Log.Warnf("Access network resource is released")
} else {
DLPDR.FAR.State = smf_context.RULE_UPDATE
DLPDR.FAR.ApplyAction.Forw = false
DLPDR.FAR.ApplyAction.Buff = true
DLPDR.FAR.ApplyAction.Nocp = true
farList = append(farList, DLPDR.FAR)
sendPFCPModification = true
smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)
}
}
}
/* ================================================================ */
// 處理N2介面的訊息（AMF轉發）
switch smContextUpdateData.N2SmInfoType {
// setup PDU session resource
case 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.FirstDPNode
DLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDR
DLPDR.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_UPDATE
DLPDR.FAR.State = smf_context.RULE_UPDATE
pdrList = append(pdrList, DLPDR)
farList = append(farList, DLPDR.FAR)
}
}
smf_context.HandlePDUSessionResourceSetupResponseTransfer(
body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)
sendPFCPModification = true
smContext.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 resource
case models.N2SmInfoType_PDU_RES_REL_RSP:
// remove an tunnel info
smContext.Tunnel.ANInformation = struct {
IPAddress net.IP
TEID 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.FirstDPNode
DLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDR
pdrList = 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"}
}
/* ================================================================ */
// 處理HoState（Handover State，指UE在不同基站/接入網之間遷移過程中的狀態）
switch smContextUpdateData.HoState {
case models.HoState_PREPARING:
smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)
smContext.HoState = models.HoState_PREPARING
smf_context.HandleHandoverRequiredTransfer(
body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)
smf_context.BuildPDUSessionResourceSetupRequestTransfer(smContext)
response.JsonData.HoState = models.HoState_PREPARING
case models.HoState_PREPARED:
smContext.SetState(smf_context.ModificationPending)
smContext.HoState = models.HoState_PREPARED
response.JsonData.HoState = models.HoState_PREPARED
smf_context.HandleHandoverRequestAcknowledgeTransfer(
body.BinaryDataN2SmInformation, smContext)
// request UPF establish indirect forwarding path for DL
if smContext.DLForwardingType == smf_context.IndirectForwarding {
ANUPF := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNode
IndirectForwardingPDR := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNode.UpLinkTunnel.PDR
pdrList = append(pdrList, IndirectForwardingPDR)
farList = append(farList, IndirectForwardingPDR.FAR)
// release indirect forwading path
if err = ANUPF.UPF.RemovePDR(IndirectForwardingPDR); err != nil {
logger.PduSessLog.Errorln("release indirect path: ", err)
}
sendPFCPModification = true
smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)
}
smf_context.BuildHandoverCommandTransfer(smContext)
response.JsonData.HoState = models.HoState_PREPARING
case models.HoState_COMPLETED:
for _, dataPath := range tunnel.DataPathPool {
if dataPath.Activated {
ANUPF := dataPath.FirstDPNode
DLPDR := ANUPF.DownLinkTunnel.PDR
pdrList = append(pdrList, DLPDR)
farList = append(farList, DLPDR.FAR)
}
}
// remove indirect forwarding path
if smContext.DLForwardingType == smf_context.IndirectForwarding {
indirectForwardingPDR := smContext.IndirectForwardingTunnel.FirstDPNode.GetUpLinkPDR()
indirectForwardingPDR.State = smf_context.RULE_REMOVE
indirectForwardingPDR.FAR.State = smf_context.RULE_REMOVE
pdrList = append(pdrList, indirectForwardingPDR)
farList = append(farList, indirectForwardingPDR.FAR)
}
smContext.SetState(smf_context.PFCPModification)
smContext.HoState = models.HoState_COMPLETED
response.JsonData.HoState = models.HoState_COMPLETED
}
/* ================================================================ */
// 最後，根據PDU Session狀態機的轉移採取行動
switch smContext.State() {
case smf_context.PFCPModification:
pfcpResponseStatus = p.updateAnUpfPfcpSession(
smContext, pdrList, farList, barList, qerList, urrList)
// 處理PFCP更新的結果
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 fail
c.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 Reject
smContext.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})
}
}