深度解析：5G LAN服务支持机制与组级别N4会话管理

摘要与引言

亲爱的5G通信维护工程师们，随着5G应用场景的不断深化，垂直行业对局域网（LAN）服务的需求日益旺盛。5G系统通过支持5G LAN类型服务（5G LAN-type service），使得企业能够利用5G网络的高带宽、低时延特性，实现虚拟的私有网络（5G VN Group）功能。这种机制的核心在于如何高效地管理用户面转发路径，特别是当涉及到N19转发（N19-based forwarding）时，引入了关键的组级别N4会话（group-level N4 session）管理流程。

本文将深入分析5G系统支持5G VN组管理与通信的关键技术点、涉及的功能实体、信令流程及其参数，重点聚焦在SMF与UPF之间进行的组级别N4会话的操作，旨在为5G维护工程师提供一套系统化的知识总结，以应对日常的维护和故障排查工作。

5G VN 组管理机制

5G VN 组信息与存储

要支持5G LAN类型服务，首先需要对5G VN组的信息进行有效的管理。

应用功能（AF）在整个管理流程中扮演了信息提供者的角色。AF会将5G VN组的相关信息提供给网络开放功能（NEF）。随后，NEF通过NEF服务操作信息流（NEF service operations information flow procedure），将这些信息存储到统一数据存储库（UDR）中。

这种集中存储和管理确保了核心网实体（如SMF）在进行PDU会话管理和组通信配置时，能够获取到必要的5G VN组定义和关联信息。

5G VN 组通信概述

5G VN组通信是指使属于同一虚拟组的用户设备（UE）能够进行互相通信或访问组内资源的过程。

当5G VN组通信被激活时，若采用了N19转发机制，系统就需要特定的流程来管理用户面的转发路径。

5G VN 组通信的核心流程

N19转发机制的引入

在涉及5G VN组的通信中，如果应用了N19转发，则针对与该5G VN组关联的（DNN, S-NSSAI）目标PDU会话，需要特别处理。N19转发机制是实现组内互通和优化数据路径的关键技术。

组级别N4会话的创建是N19转发得以实施的前提。当应用N19转发时，会话管理功能（SMF）需要在用户面功能（UPF）上为特定的5G VN组创建一个组级别N4会话。

组级别 N4 会话管理

组级别N4会话管理程序允许SMF对该会话进行创建（Create）、更新（Update）或删除（Delete）操作。这些操作的核心目的是管理N4规则以及分配或释放N19隧道资源。

N4 会话建立流程（N4 Session Establishment）

当应用N19转发时，如果针对同一5G VN组的PDU会话锚定在不同的UPF上，SMF必须在每个涉及的UPF上通过N4会话建立流程（定义于条款4.4.1.2）来创建组级别N4会话。

此流程的关键目标是：

1. 建立N19隧道： 在服务于该5G VN组的UPF之间建立N19隧道。
2. 安装N4规则： 在UPF中安装必要的N4规则，指导数据包通过N19隧道进行转发。

场景总结：

这个强制性的创建过程保证了跨越不同用户面锚点的组内成员之间能够通过N19隧道实现互联互通。维护工程师需要关注SMF在不同UPF上触发的建立请求是否成功，以及N19隧道资源的分配状态。

N4 会话修改流程（N4 Session Modification）

组级别N4会话的修改通常发生在需要动态调整组内UE地址关联和数据转发规则时。

主要触发条件和操作：

1. UE地址分配/释放： 如果5G VN组内的某个UE的地址被分配或释放，SMF可能会触发N4会话修改流程。
2. 更新N4规则： SMF通过N4会话修改流程（定义于条款4.4.1.3）将与UE地址相关的N4规则进行更新。

涉及更新的N4规则类型：

• PDRs (Packet Detection Rules)： 用于识别和匹配数据包。
• FARs (Forwarding Action Rules)： 用于定义数据包的转发行为。

通过更新PDR和FAR，SMF可以确保UPF正确识别新分配地址的流量，并将其导向正确的N19隧道或内部目标，实现精细化的流量控制和组内地址管理。维护人员应监控N4修改消息中携带的PDR/FAR信息，确保地址变更的准确同步。

N4 会话释放流程（N4 Session Release）

组级别N4会话的释放与PDU会话的释放密切相关。

主要触发条件和操作：

1. 最后一个PDU会话释放： 如果某个UPF上，针对该5G VN组的最后一个PDU会话被释放，SMF可能会触发N4会话释放流程。
2. 删除组级别N4会话： SMF通过N4会话释放流程（定义于条款4.4.1.4）来删除该UPF上的组级别N4会话。
3. 释放N19隧道： 释放与该UPF相连的N19隧道资源。这通过更新相应的N4规则来实现，从而解除该UPF与其他服务于该组的UPF之间的隧道连接。

值得注意的是，SMF可以（may）执行删除操作，而不是强制性的，这表明在某些实现中，为了加速后续会话的建立或基于负载考虑，组级别会话可能会被保留一段时间。

关键接口、功能实体与参数总结

为了系统性地掌握5G LAN服务支持机制，我们对涉及的关键技术和参数进行总结。

关键技术与机制总结

核心参数：N4规则的组成部分

在组级别N4会话中，N4规则是指导UPF如何处理数据包的关键。

信令流程重绘：组级别 N4 会话建立示例

以下流程重绘重点展现了在N19转发应用场景下，SMF如何在两个不同的UPF上建立组级别N4会话以建立N19隧道的过程。

流程解读： 当PDU会话分散锚定在多个UPF时，SMF必须对所有涉及的UPF执行上述组级别N4建立操作，以确保所有锚点之间通过N19隧道互通。这一系列操作是确保5G LAN服务高效运行的基础。

案例分析与场景应用

生活化场景举例：李工的自动化生产线管理

我们设想一个生活化的场景，以李工（某大型工业制造企业的5G维护工程师）的操作为例，来说明组级别N4会话是如何触发和工作的。

背景设定：李工所在的公司部署了基于5G LAN的智能制造系统，系统中的所有AGV小车和工业机器人属于一个名为“生产线A”的5G VN Group。为了实现高可靠性，该5G VN Group的PDU会话被设计为可以锚定在位于不同地理位置（UPF-1和UPF-2）的用户面功能设备上，并使用N19转发机制确保跨UPF的AGV之间能够直接通信。

触发流程——首次接入与组会话建立：

1. 触发事件： 某天上午，一台新启用的AGV小车（UE）首次接入网络，请求建立PDU会话，目标是连接到“生产线A”的5G VN Group（通过特定的DNN和S-NSSAI识别）。
2. SMF决策： 负责处理该PDU会话的SMF发现：该UE属于“生产线A”组，且该组启用了N19转发。同时，SMF判断UPF-1是处理该PDU会话的新锚点，而UPF-1上尚未存在该“生产线A”的组级别N4会话上下文。
3. 消息传递： SMF立刻向UPF-1发送一个N4 Session Establishment Request消息，明确指出这是一个针对“生产线A”的组级别N4会话建立请求,。
4. 资源配置： 在接收到UPF-2（另一个锚点）的N4配置信息后，SMF指导UPF-1：
• 分配N19隧道资源。
• 安装初始的N4规则（包括PDRs和FARs），确保从UPF-1发出的组内流量能够被引导到UPF-2。
5. 组会话建立成功： UPF-1返回确认消息，组级别N4会话建立成功。

触发流程——地址变更与会话修改：

1. 触发事件： 随后，这台AGV小车可能执行了IP地址的更新（例如，动态分配了一个新的IP地址）。
2. SMF行动： SMF检测到5G VN组内UE地址被分配。
3. 消息传递： SMF向UPF-1发送N4 Session Modification Request消息。
4. 规则更新： 消息中包含了更新后的PDRs和FARs。这些更新后的规则确保UPF-1能够使用新的UE地址正确匹配和转发数据包，将其纳入组级别N4会话的转发路径中。

触发流程——最后一个会话释放：

1. 触发事件： 到了下午，AGV小车完成任务，释放了其PDU会话。SMF确认这是UPF-1上最后一个连接到“生产线A”5G VN Group的PDU会话。
2. SMF决策： SMF决定释放资源。
3. 消息传递： SMF向UPF-1发送N4 Session Release Request消息。
4. 资源清理： UPF-1删除组级别N4会话上下文，并释放与UPF-2之间的N19隧道资源。

这个场景清晰地展示了5G LAN服务如何依赖SMF对组级别N4会话的动态管理，以支持N19转发和保障组内通信的连续性,,。

总结与展望

5G LAN-type service的引入，是5G网络服务垂直行业的重要一步。其实现机制，特别是组级别N4会话的管理，精确地反映了控制面（SMF）对用户面（UPF）精细化控制的能力。

从信息管理层面看，AF提供信息，经NEF写入UDR，保障了组配置的统一性。从通信层面看，当采用N19转发时，SMF必须在涉及的UPF上建立、修改或删除组级别N4会话,。这些操作涉及N4 Session Establishment/Modification/Release等标准流程，核心在于N19隧道资源的分配和N4规则（PDRs/FARs）的安装与更新,。特别是当UE地址发生变化或PDU会话跨越多个UPF锚定时，N4修改和建立流程至关重要,。

常见问题解答 (FAQ)

1. 什么是5G VN Group信息？这些信息存储在哪里？5G VN Group信息是支持5G LAN类型服务所需的配置数据。这些信息由AF（应用功能）提供给NEF（网络开放功能），NEF随后使用服务操作信息流将其存储在UDR（统一数据存储库）中。

2. 组级别N4会话（group-level N4 session）的作用是什么？组级别N4会话是SMF在UPF上为特定的5G VN组创建的会话上下文。它的主要作用是管理N19转发所需的N4规则（如PDRs和FARs），以及分配或释放N19隧道资源。

3. 什么时候需要创建组级别N4会话？当应用N19转发机制时，如果针对同一5G VN组的PDU会话锚定在不同的UPF上，SMF必须通过N4 Session Establishment procedure在每个涉及的UPF上创建组级别N4会话。

4. N19转发在5G VN Group通信中扮演了什么角色？N19转发是用于实现跨UPF锚定的同一5G VN组成员之间通信的关键机制。当采用N19转发时，SMF需要管理组级别N4会话来建立UPF之间的N19隧道。

5. 组级别N4会话修改流程主要处理什么事件？N4会话修改流程（N4 Session Modification procedure）主要用于处理5G VN组内UE地址的分配或释放事件。SMF通过此流程来更新组级别N4会话上下文中的N4规则，如PDRs和FARs，以匹配新的UE地址。

6. N4规则中的PDR和FAR具体指什么？PDR（Packet Detection Rules，数据包检测规则）和FAR（Forwarding Action Rules，转发动作规则）都是N4会话中的规则集合。当UE地址被分配或释放时，SMF可能会更新这些规则，确保流量的正确识别和转发路径的定义。

7. N4 Session Release的触发条件是什么？N4 Session Release procedure（N4会话释放流程）通常在某个UPF上，针对该5G VN组的最后一个PDU会话被释放时触发。SMF可能会选择删除该UPF上的组级别N4会话。

8. 如果同一5G VN组的所有PDU会话都锚定在同一个UPF上，是否还需要创建组级别N4会话？虽然来源主要描述了跨UPF锚定的情况（此时SMF必须在每个UPF上创建），但组级别N4会话的创建与N19转发的整体应用相关。如果N19转发被应用，且需要管理N4规则或N19隧道（即使可能只是与外部网络的连接），SMF仍需管理组级别N4会话。

9. 组级别N4会话的创建和普通的PDU会话N4会话建立流程有什么区别？组级别N4会话是为了支持整个5G VN组的通信需求，特别是N19转发，它管理的是UPF之间的隧道和组级别的规则,。而普通的PDU会话N4会话建立则针对单个UE的PDU会话上下文和用户面路径。

10. SMF如何释放N19隧道资源？SMF在执行N4 Session Release procedure删除组级别N4会话时，会通过更新相应的N4规则来释放该UPF与其他服务该组的UPF之间的N19隧道。

11. AF和NEF在5G VN Group管理中的交互是否属于用户面流程？不属于用户面流程。AF向NEF提供信息并存储到UDR的流程，属于5G VN组的信息管理和控制面配置流程。

12. SMF在组级别N4会话更新时，是否可以同时增加和删除N4规则？是的，N4 Session Modification procedure允许SMF更新N4规则，这包括增加、删除或修改N4规则（如PDRs和FARs），以便动态管理组内UE地址的分配和释放情况。