【转载】EPS中的PDN连接

bitautumn

这一篇将讲述更多PDN连接的细节，包括：UE有几个PDN连接？如果UE有多个PDN连接，互相是什么关系？UE使用哪个PDN连接发送哪些数据？

先说第一个。

直觉上，1个PDN连接就够了。UE和PGW之间建立PDN连接，业务数据都经PGW转发。如果只是为了实现IP连通性，1个PDN连接完全可以满足，网络也十分简单且易于理解 —— 然而，简单往往会导致灵活性的缺失。

如果UE只有1个PDN连接，意味着UE只连接1个PGW，UE可以访问什么完全取决于这个PGW对接的PDN（外部网络）。如果UE只访问互联网（Internet），PGW对接互联网就好了。如果UE还可能访问其他网络和资源，如IMS系统（VoLTE业务）、IoT平台（物联网业务）或行业应用（如银行专线）等，问题就变得复杂了。

出于安全考虑，EPS不能允许UE访问所有PDN。比如，只签约了互联网业务的用户，对银行专线或证券专线也可能会表现出过度的热情（“好想知道老王发了多少奖金，刚刚又买了哪只股票”），EPS必须把这种热情给浇灭。那么，如何灵活的控制UE访问的PDN呢？

方法是隔离。

PDN通常是互相隔离的。如果知道用户号码和UE IP对应关系，PDN可以通过ACL（Access Control List）控制是否允许UE访问。问题是，EPS架构中网络与业务相对分裂（业务把网络视作管道，网络也不太在意传的是什么业务），PDN（业务侧，相对EPS而言）很难同步获取EPS（网络侧）的内部信息，只能通过IP规划事先控制UE IP，再根据用户签约配置ACL。ACL方式不仅灵活性低，维护工程师还可能想打人。（配置网元分散，数据复杂，更新频繁，容易出错）

如果从EPS内部开始隔离，PDN就省心了 —— 如果有多个PGW，每个PGW对接一个PDN，UE想访问哪个PDN就连接哪个PGW，想访问多个PDN就连接多个PGW，这多灵活。当然，是否允许连接还是网络说了算，参与决策的网元有好些个，包括HSS、MME、DNS、PCRF等（这些网元后续再详细先容），PGW自然也少不了。（大爷一脸傲娇）

3GPP给每个PGW取个名字，表示PGW对接的PDN，这个名字就是Access Point Name（访问接入点，多么的直白），简称APN。以中国移动为例，对接互联网的APN叫cmnet（中国电信叫ctnet或ctlte，中国联通叫3gnet，更准确的说，PGW通过这些运营商的内部网络连接互联网），对接IMS网络的APN叫IMS，对接物联网的APN叫cmiot。

于是，UE想访问多个PDN，就和多个APN（PGW）建立多个PDN连接。反过来说，UE可以有1个或多个PDN连接，分别连接不同APN（PGW）。比如，签约cmnet和IMS的用户，UE和cmnet和IMS两个APN（PGW）分别建立PDN连接，两个PGW相互独立，两个PDN连接也相对独立（部分网元共用，比如eNB和SGW）。

5G系统中和APN对应的概念是DNN（Data Network Name）。4G通过APN选择PGW，而5G通过DNN选择SMF（Session Management Function）或UPF（User Plane Function）。（3GPP TS 23.003：In 5GS, the Data Network Name(DNN) is equivalent to an APN inEPS. The DNN is areference to adata network, it may be used e.g. to select SMF or UPF.）

APN就是PGW，PGW就是APN。

不过，这里说的是逻辑PGW，不是物理PGW。想象一下，如果cmnet用户都接入到同一个物理PGW，PGW肯定受不了。同时，一个待在深圳的用户，要是千里迢迢接入到北京的PGW，基本上也就告别吃鸡了。因而，每个省都应部署对接cmnet的PGW，以解决PGW容量和传送时延的问题。

在业务量较小的省，PGW往往集中部署在省会；在业务量较大的省，PGW则集中部署在业务中心城市。集中部署的优点是便于集中管理和维护，缺点是省内其他地区的传送时延增大，并增加eNB接入EPC（MME和SGW）占用的传输资源。（比如空间跨度很大的西藏、新疆、青海和内蒙等）

每个省1个物理PGW，行不行呢？

不行，把鸡蛋都放在一个篮子里是不安全的。除了容量和时延，还要考虑PGW的容灾。如果全省只有1个物理PGW，意味着这个网元一旦挂了，全省用户都上不了网。因而，每个省都应部署两个或以上的物理PGW，他们都对接互联网，UE和哪个建立连接都可以，条条大路通罗马。

可以把APN（逻辑PGW）对应的一组物理PGW看成PGW POOL，网络从PGW POOL中选择1个物理PGW建立PDN连接，即使这个物理PGW挂了（或拒绝了）还可以选择其他物理PGW。PGW POOL通过DNS配置实现的，DNS将APN映射为一组物理PGW，网络再从中进行选择。 当然，深圳的PGW POOL和北京的PGW POOL成员是不一样的，各地DNS对APN=cmnet也会有不同的数据配置。

注意，UE只能请求连接哪个APN（或不显式的请求，由网络选择默认APN），选择哪个物理PGW是网络的事，过程对UE也是透明的。更具体的说，负责选择的网元是MME（Mobility Management Entity），即移动管理实体，相对于MME背负的重任，这个名字显得太谦虚了。

这里的DNS也不是公网DNS，而是EPS网络的内部DNS，作用是返回网元IP，在这里就是返回PGW的IP。这个IP不是互联网的IP，而是EPS网络内部的IP。这个IP也不是PGW用于转发业务数据的用户面（User Plane）IP，而是用于信令交互的控制面（Control Plane）IP，具体细节后面再补充，这里的重点是理解MME可通过DNS找到PGW。

PGW POOL不是团结的集体，或甚至谈不上是集体，大家都不知道对方的存在。POOL的意义仅体现在PDN连接建立过程中，或更确切的说，POOL的概念仅体现在DNS数据配置中。一旦MME选择了某个物理PGW并完成PDN连接的建立，对UE而言POOL就失去了意义，除非重新建立PDN连接。

从这个角度理解，PGW POOL就像一群妹子，PDN连接就像婚姻关系。在关系没确立前每个妹子（物理PGW）都有嫁给你的可能（现实可能没这么美好），一旦父母（MME）帮你挑好一个妹子并确立了婚姻关系（就像包办婚姻），你就不能对其他妹子抱有幻想了（实际上你从来都不知道有多少妹子）…… 除非感情破裂，某一方（你，妹子，甚至是父母）主动解除婚姻关系（释放PDN连接）。

自由恋爱？不存在的。

当然，如果换一个APN，就是另一个POOL了。不同POOL相互没有关联， UE可以建立多个不同APN的PDN连接。不同APN的POOL就像不同国家的妹子，虽然每个国家只能娶一个，但总的来说还是可以娶好几个的嘛。（同学，你的思想很危险啊）

对于用户规模大，活动范围大的APN（比如cmnet、ctnet或3gnet），有必要在各省部署PGW POOL，对于用户规模小，活动范围小的APN（比如某些企业专线），PGW POOL集中部署在离PDN（没准只是一台服务器）最近的地方就好，如果客户对安全性要求不高（偶尔断个几小时没关系），POOL都可以不要，一个物理PGW就搞定了。

如果APN用户规模小，但用户活动范围广，PGW还是集中部署在归属地（节约成本嘛，没有那么多PGW），UE如果在漫游地建立PDN连接，网络还是得找回归属地的APN。比如说，我找深圳移动开条企业专线，APN叫MDD，我的服务器（PDN）自然也在深圳，即使我漫游到北京，UE也只能和深圳的APN建立连接，因为北京没有叫MDD的APN。换句话说，选择PGW的过程就是…...

各回各家，各找各妈。

如何确保北京（漫游地）MME找到深圳（归属地）APN呢？没准北京也有叫MDD，但和我没有关联的APN呢？实际上，漫游地和归属地有同名的APN并不奇怪（就像网上有很多叫“猫呆呆”的人一样），和全国性的APN（比如cmnet、ctnet、ctlte、3gnet）不同，这些专线APN本来就是各地自行分配的。如何让北京的MME找到深圳的MDD，而不是北京的MDD呢？

为了让MME找到正确的APN，各地应在APN加入“地域标识”，并以“.”分隔，比如“MDD.gd”、“MDD.bj”或“MDD.sh”，实际上就是把相同的APN变成不同的APN。需要注意的是，“地域标识”只是运营商的数据规范，不是协议定义的标识（“地域标识”只是APN-NI的一部分），只适用于运营商内部漫游场景（Intra-PLMN Roaming）。另，漫游地DNS没有各地APN的配置数据，需要通过递归+迭代的方式找到归属地DNS以获得PGW地址。

对于互联网业务，移动（cmnet）和联通（3gnet）处理有些不同。同样的漫游场景，移动选择的是漫游地PGW，而联通选择的是归属地PGW（可以说是十分彻底的实行“各找各妈”准则了）。比如说，同样是深圳用户漫游到北京，移动选择的是北京PGW，而联通选择的是深圳PGW。对于VoLTE业务，UE必须和归属地IMS交互（实际上，IMS也无所谓归属地和漫游地），无论哪个运营商，APN=IMS都必须选择归属地PGW。

同样道理，cmnet（或ctnet、ctlte、3gnet）用户跑到国外去，国外也没有cmnet这个APN（又或者有，但另有他用），MME也要找到国内APN才能建立PDN连接。和国内漫游（Intra-PLMN Roaming）不同，国际漫游（Inter-PLMNRoaming）中DNS不能以APN的“地域标识”来“寻址”。DNS需要新的标识来识别APN属于哪个运营商网络。

这个标识就是APN-OI（APN Operator Identifier，APN运营商标识），前面一直提到的APN更准确的说应该是APN-NI（APN Network Identifier，APN网络标识）。不管是否涉及漫游，UE和PGW（以及HSS和PCRF）都只关心APN-NI，只有MME和DNS才关心APN-OI。APN-OI的意义也只存在于DNS查询过程中，所以平常以APN替代APN-NI问题不是很大。

APN-OI构成是这样的：“mnc<MNC>.mcc<MCC>.gprs”，其中MNC（Mobile Network Code，移动网络码）和MCC（Mobile Country Code，移动国家码）指出PGW所在运营商网络。用户都有默认APN-OI（Default APN-OI），<MNC>和<MCC>从IMSI（International Mobile Subscriber Identification Number，国际移动用户识别码）中提取。比如，用户IMSI为454 12 xxxxxxxxxx（CMHK用户），则默认APN-OI为“mnc012.mcc454.gprs”。（MNC、MCC不足三位则在前面补0）

默认APN-OI用在Home Routed漫游方案。HomeRouted就是用户漫游到其他运营商网络（VPLMN），漫游协议要求用户使用归属网络（HPLMN）的PGW，MME使用APN-NI和默认APN-OI向DNS发起查询，DNS会返回HPLMN（而不是VPLMN）的PGW地址，这样UE就会和HPLMN的PGW建立PDN连接。

Home Routed可以这样理解：扎克伯格（美国用户）漫游到中国（漫游网络），在天安门前装模作样的跑了会儿步，然后迫不及待的自拍一张，发到脸书上…… 为什么小札可以上脸书呢 —— 因为脸书是他家的啊...... 不是，因为Home Routed要求UE和美国（归属网络）PGW建立PDN连接。可见，Home Routed保证了用户的业务一致性。同样道理，如果你（中国用户）在纽约时代广场跑步，也想到脸书上发张自拍，呵呵。（不过不要灰心，大家没有脸书，可是大家有很多时代广场呀）

Home Routed的缺点是路径迂回。如果小札访问的不是脸书，而是“珍爱网”或“世纪佳缘”什么的，UE请求要绕到地球另一侧（美国PGW）再绕回来，服务器响应也要绕地球一圈，用户感知不会太好。如果漫游协议允许的话，可用Local Breakout替代Home Routed，即使用漫游网络PGW建立PDN连接，此时APN-OI的<MNC>和<MCC>应根据漫游网络PLMN ID（而不是用户IMSI）进行替换。

Anyway，UE可以有1个或多个PDN连接，每个PDN连接分别和1个APN关联，对应1个物理PGW。PGW一会儿当大爷（GW概念），一会儿当妹子（POOL概念），一会儿是逻辑的，一会儿是物理的，心也是够累的。可是，我还是想残忍的问一句：还能更复杂一点吗，比如……

1个APN只能有1个PDN连接吗？

这个套路太熟悉了，答案当然是不只1个。1个APN为什么可能有多个PDN连接呢？说起来还是和PDN有关。前面我只笼统的提到IP连通性，但并没说清楚指的是IPv4还是IPv6。UE得确认PDN是什么类型，才知道可以后续发送哪种IP报文，甚至是Non-IP报文。

PDN的类型就是PDN Type，包括IP类型和Non-IP类型。对于IP类型，又分为单栈（Single Address）的IPv4类型和IPv6 类型，以及双栈（Dual Address）的IPv4v6类型。双栈的意思就是同时支撑两种版本，发哪种IP报文都没问题。

PDN Type在PDN连接建立时确定。UE可以表达自己的意愿（据不完全统计，现网超过一半终端会请求建立IPv4v6双栈连接），但网络不一定会允许，UE根据返回决定是否继续请求。最终UE有多少个PDN连接，以及是什么PDN Type，取决于UE请求（UE能力）、HSS签约和PGW配置。

  

1个PDN Type只能有1个PDN连接吗？

3GPP协议没有明确限制。也就是说，UE可以和APN建立多于1个相同PDN Type的PDN连接，比方说，和cmnet建立2个IPv4的PDN连接。据说国外有类似的配置，分别用于互联网业务和VoLTE补充业务。这在国内是共用PDN连接的，我不是很理解其意义所在，只能猜测是为了不同的Qos吧。

1个UE到底可以有多少个PDN连接呢？

幸好，PDN连接的有丝分裂到这里就结束了。综上，1个UE可和多个APN建立PDN连接，每个APN可建立多个不同PDNType的连接，甚至是多个相同PDN Type的连接。规范中是这样定义PDN连接的：PDN连接是PDN和UE之间的关联。PDN由APN表示。对于IP类型的PDN连接，UE由1个IPv4地址、或1个IPv6前缀、或1个IPv4地址+1个IPv6前缀表示；对于Non-IP类型的PDN连接，UE由UE ID表示。

  

上述定义隐含的信息是：UE IP（PDN Address）是定义在PDN连接上的。也就是说，如果UE有多个PDN连接，APN相同则UE IP必然不同，APN不同则UE IP可以不同，也可以相同。从名字也能看出来，PDN Address显然是一个PDN级别的概念。因而，同一PDN连接的所有承载（包含默认承载和专有承载）使用同一个UE IP。

这么多PDN连接，用哪个连接发哪些数据呢？

UE既有业务侧的协议栈（以WEB浏览为例，包含HTTP层、TCP层和IP层），又有网络侧的协议栈（暂时简化为EPS层）。UE根据业务侧需求主动请求建立PDN连接，因而也只有UE知道业务和PDN连接的关联。相对而言，PGW就要被动许多，PGW几乎没有业务侧信息（只有SGi接口的IP层），主要依靠网络侧信息处理报文。（好好做好网关这个有前途的工作）

如果UE有多个PDN连接，UE应根据应用层决定往哪个APN发送IP报文。以中国移动为例，互联网数据往cmnet发送，VoLTE数据往IMS发送。如果同一APN有多个不同PDN Type的PDN连接，UE应根据网络层决定在哪个PDN连接发送，如果（公网）DNS返回IPv4地址，则UE应构造IPv4报文，在IPv4类型连接上发送，如果（公网）DNS返回IPv6地址，则UE应构造IPv6报文，在IPv6类型连接上发送。

对于UE发给PDN的数据，PGW解封EPS层，根据目标IP网络和IP路由发给下一跳；对于PDN发给UE的数据，PGW根据目标IP（UE IP）找到对应的PDN连接并发送…… PGW为什么不需要APN来区分PDN连接呢 —— 因为APN就是PGW嘛！当APN和物理PGW一一对应时，PDN发送到物理PGW的数据，自然属于对应的APN了。

一个APN对应一个物理PGW，太豪侈了吧？

对于用户规模大的APN（如cmnet和IMS）还可以接受，对于用户规模小的APN就不现实了，开一条企业专线就投入一个物理PGW，成本也太高了点。因而，一个物理PGW往往是被多个APN共用的，为实现APN（PDN）的相互隔离，物理PGW会划分为多个虚拟PGW，这是通过虚拟路由器（Routing Instance或VRF）实现的。