51学通信

深度解析 3GPP TS 23.501：5GC的信息中枢 (UDR, UDSF, SMSF, NSSF)

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本文技术原理深度参考了3GPP TS 23.501 V18.9.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“6.2.11 UDR”、“6.2.12 UDSF”、“6.2.13 SMSF”和“6.2.14 NSSF”的核心章节，旨在为读者提供一个5G核心网“信息中枢”——UDR, UDSF, SMSF, NSSF——如何协同工作，实现用户数据统一管理、网络功能无状态化、传统业务继承与网络切片智能选择的全景视图。本文是解读“6 Network Functions”系列的第四部分。

深度解析 3GPP TS 23.501：5GC的信息中枢 (UDR, UDSF, SMSF, NSSF)

欢迎来到“解构5G核心网”的NF深度解析系列。在前面的文章中，我们已经详细解构了5G核心网的“前台”——AMF、SMF和PCF，它们直接面向用户，处理着接入、会话和策略。今天，我们将深入到网络的“后台”，揭秘那些支撑着整个5G服务化架构高效、灵活运转的“无名英雄”，它们是5GC的信息中枢和智能调度中心。

我们将一次性解读四个在功能上紧密关联，共同构成了5GC数据管理与选择核心的网络功能（NF）：

  • UDR (Unified Data Repository): 5GC的“国家档案馆”，负责所有结构化用户数据的统一存储和管理。

  • UDSF (Unstructured Data Storage Function): 5GC的“临时文件柜”，负责非结构化动态上下文数据的存储，是实现网络功能无状态化的关键。

  • SMSF (Short Message Service Function): 5GC中现代化的“数字邮局”，负责处理SMS over NAS这一看似传统但依然重要的业务。

  • NSSF (Network Slice Selection Function): 5GC的“切片总调度”，是网络切片选择的智能决策中心。

为了将这四个功能有机地串联起来，让我们继续**“未来城市”的场景。我们的主角小晴**，决定将她的手机套餐升级为全新的**“5G Geek”套餐**。这个套餐不仅包含了基础的通信服务，还额外提供了一个专为云游戏设计的低延迟网络切片。在套餐升级、生效、使用的整个过程中，我们将看到UDR, UDSF, SMSF, 和 NSSF是如何在幕后默契配合，共同完成这次看似简单的业务变更的。

1. “国家档案馆”：UDR - 统一数据存储库 (6.2.11 UDR)

在5G服务化架构中，为了实现真正的功能解耦和无状态化，数据与逻辑必须分离。UDR就是这一理念的终极体现，它扮演了所有结构化、持久化数据的“中央数据库”角色。

The Unified Data Repository (UDR) supports the following functionality:

  • Storage and retrieval of subscription data by the UDM.
  • Storage and retrieval of policy data by the PCF.
  • Storage and retrieval of structured data for exposure.
  • Application data (including Packet Flow Descriptions (PFDs) for application detection, AF request information for multiple UEs, 5G-VN group information for 5G-VN management).

1.1 UDR的核心职责：数据的统一存储

UDR本身不产生业务逻辑，它的唯一职责就是安全、可靠地存储和检索结构化数据。它服务的“客户”包括：

  • UDM： 将所有用户的签约数据（Subscription Data），如漫游权限、签约的S-NSSAI、默认QoS等，全部存放在UDR中。

  • PCF： 将所有与策略相关的数据（Policy Data），如URSP规则、AF请求的动态策略等，也存放在UDR中。

  • NEF： 将从外部AF获取的应用信息（Application Data），如用于DPI识别的PFD（包流描述），存放在UDR中。

通过将数据集中到UDR，UDM、PCF等NF可以被设计为无状态的，它们在处理请求时，只需从UDR中读写数据即可。这极大地增强了网络的可扩展性和可靠性。

1.2 场景代入：小晴的套餐升级记录

当小晴在运营商APP上点击“确认升级”到“5G Geek”套餐时，运营商的业务支撑系统（OSS/BSS）会触发一系列后台操作：

  1. 数据写入： 运营商的系统会向UDM发起一个签约数据更新请求。

  2. UDM执行： UDM不会在本地存储这些数据，而是将请求转化为一个对UDR的Nudr_DataManagement_Update服务调用。

  3. UDR归档： UDR在数据库中，找到小晴的记录，并为她增加了新的签约信息：

    • Subscribed S-NSSAIs: 新增 {SST=..., SD=GAME}

    • UE Policy Data: 新增一条与云游戏APP相关的URSP规则。

从此，小晴的“数字档案”就在UDR这个“国家档案馆”中被永久更新了，任何后续需要这些信息的NF（如AMF, SMF, PCF）都将从这里获取到最新的版本。

2. “临时文件柜”：UDSF - 非结构化数据存储 (6.2.12 UDSF)

如果说UDR是存放永久档案的档案馆，那么UDSF就是存放临时工作文件、动态上下文的“文件柜”。

The UDSF is an optional function that supports the following functionality:

  • Storage and retrieval of information as unstructured data by any NF. Notify a NF consumer if information validity has expired.

2.1 UDSF的核心职责：支持NF的无状态化

UDSF的核心价值在于支撑NF的无状态化（Stateless），特别是对于像AMF这样需要维护大量动态UE上下文的NF。

  • Unstructured Data: UDSF存储的是“非结构化”数据，通常是指一个NF内部的、动态变化的、格式只有该NF自己理解的“数据块”（blob），最典型的就是UE上下文（UE Context）。

  • 实现AMF planned removal： 当一个AMF实例需要计划性下线（如软件升级）时，它可以将自己当前服务的所有UE的完整上下文（包括安全信息、移动性状态、PDU会话列表等）“打包”并存储到UDSF中。当一个新的AMF实例接替它工作时，可以直接从UDSF中“下载”这些UE的上下文，从而实现对用户的无感知切换。

2.2 场景代入：无感知的AMF升级

在小晴升级套餐后的某个深夜，运营商需要对她所在的AMF-1进行软件升级。

  1. 上下文备份： 在下线前，AMF-1将包括小晴在内的所有在线用户的上下文，作为一个个加密的“数据块”，全部存储到了UDSF中。

  2. AMF-1下线： AMF-1从NRF去注册，并安全下线。

  3. AMF-2接管： 新的AMF-2上线，并向NRF注册。

  4. 上下文恢复： 第二天早上，小晴拿起手机，手机发起了一次Periodic Registration Update。请求被RAN路由到了新的AMF-2。AMF-2通过小晴的GUTI，在UDSF中查询到了她前一天晚上被保存的完整上下文，并将其恢复到自己的内存中。

  5. 无缝体验： 对于小晴来说，她完全没有感觉到后台的AMF已经“换人”了，她的网络服务无缝地延续了下来。这就是UDSF带来的“云原生”弹性。

3. 现代化的“数字邮局”：SMSF (6.2.13 SMSF)

尽管即时通讯APP已经普及，但SMS（短信）在企业应用（A2P）、验证码（2FA）等领域依然不可或缺。SMSF就是5GC中负责处理SMS over NAS业务的现代化“邮局”。

The SMSF supports the following functionality to support SMS over NAS:

  • SMS management subscription data checking and conducting SMS delivery accordingly.
  • Relay the SM from UE toward SMS-GMSC/IWMSC/SMS-Router.

核心职责： SMSF是5G时代SMS业务的信令处理中心。

  • MO-SMS (上行): 当UE发送短信时，AMF会扮演“邮差”，将封装在NAS消息中的短信内容透明地转发给SMSF。SMSF再将其递交给更上层的短信中心（SMS-GMSC）。

  • MT-SMS (下行): 当有短信需要下发给UE时，SMS-GMSC会先将短信发给SMSF。SMSF会向UDM查询UE的当前状态和服务的AMF地址，然后将短信通过AMF下发给UE。

  • 与CHF交互： SMSF会为每次短信收发生成计费事件，并上报给CHF。

场景代入： 小晴升级套餐成功后，运营商给她发送了一条确认短信。

  1. 短信到达： 运营商的短信中心（SMS-GMSC）将确认短信发送给SMSF。

  2. 查询路由： SMSF向UDM发起查询：“用户小晴现在在哪里？” UDM返回了当前为她服务的AMF-2的地址。

  3. 下发短信： SMSF将短信内容通过Nsmsf_SMService_Delivery服务，发送给AMF-2。

  4. AMF寻呼并投递： AMF-2发现小晴处于IDLE状态，于是发起寻呼。小晴的手机响应后，AMF通过NAS信令，将短信内容成功投递到她的手机上。

4. “切片总调度”：NSSF (6.2.14 Network Slice Selection Function)

NSSF是5G网络切片功能的大脑。当网络需要为UE选择一个合适的网络切片实例以及服务于该切片的AMF时，NSSF就是最终的决策者。

The Network Slice Selection Function (NSSF) supports the following functionality:

  • Selecting the set of Network Slice instances serving the UE;
  • Determining the Allowed NSSAI and, if needed, the mapping to the Subscribed S-NSSAIs;
  • Determining the AMF Set to be used to serve the UE…

4.1 NSSF的核心决策流程

当AMF在处理UE的注册请求，并且需要进行切片选择时，它会向NSSF发起Nnssf_NSSelection_Get服务调用。

  1. 输入参数： AMF会向NSSF提供一系列决策输入，包括：

    • Requested NSSAI: UE希望使用的切片列表。

    • UE签约的S-NSSAIs: 从UDM获取的、UE有权使用的切片列表。

    • UE当前位置 (TAI): 不同的切片可能只在特定地理区域可用。

    • 漫游信息等。

  2. NSSF的决策逻辑： NSSF内部包含了运营商的全局切片部署策略。它会根据上述输入，进行复杂的决策：

    • 权限校验： 检查UE请求的切片是否在其签约范围内。

    • 可用性检查： 检查这些切片在UE当前的位置是否可用。

    • AMF选择： 根据切片与AMF Set的映射关系，选择一个最合适的AMF Set来为UE提供服务。

    • 负载均衡： 可能会参考来自NWDAF的切片负载信息，进行动态的AMF选择。

  3. 输出结果： NSSF向AMF返回决策结果，包括：

    • Allowed NSSAI: 最终批准UE在该区域可以使用的切片列表。

    • Target AMF Set: 推荐的、用于服务该UE的AMF Set。

    • NSSAI映射关系等。

4.2 场景代入：小晴的“云游戏”切片初体验

小晴升级套餐后，第一次打开了“星际战甲”云游戏。

  1. UE发起请求： 手机根据新的URSP规则，在Registration Request中携带了Requested NSSAI = [{SST=1, SD=GAME}]。

  2. AMF发起查询： 当前为小晴服务的AMF-2（一个通用AMF），收到了这个请求。它发现自己可能不是服务游戏切片的最佳选择，于是向NSSF发起了查询，并附上了小晴的请求、签约信息和当前位置。

  3. NSSF的智能调度： NSSF分析请求：

    • “用户签约了游戏切片，合法！”

    • “该切片在当前TAI可用！”

    • “根据我的策略，游戏切片由‘Gaming-AMF-Set’提供服务，这个Set里的AMF都经过了低时延优化。”

    • NSSF向AMF-2返回结果：“Allowed NSSAI = [{SST=1, SD=GAME}]，Target AMF Set = Gaming-AMF-Set”。

  4. AMF重定向： AMF-2收到结果后，执行AMF re-allocation（AMF重分配）。它向RAN发送指令，将小晴的注册流程重定向到了“Gaming-AMF-Set”中的一个新AMF（AMF-3）。

  5. 最终注册： 小晴的手机在AMF-3上完成了最终的注册，并成功接入了为她量身定制的云游戏网络切片。

5. FAQ

Q1: UDM和UDR听起来很像，它们可以合并成一个NF吗？

A:

在逻辑上，它们是分离的，但在物理部署上，它们可以被合并。

  • 逻辑分离（规范定义）： UDM负责的是业务逻辑（如鉴权向量生成、SUCI解密、订阅管理），而UDR负责的是纯粹的数据存储（CURD - 创建、读取、更新、删除）。这种分离是“存算分离”思想的体现，使得UDM可以无状态地水平扩展，而UDR可以采用专业的分布式数据库技术来保证数据的高可靠和高性能。

  • 物理合并（部署选择）： 对于小型网络或者特定的部署场景，运营商完全可以选择将UDM和UDR的功能实现在同一个软硬件实体上，甚至与HSS合并部署。规范定义的是逻辑功能，而非物理形态。

Q2: 为什么需要一个独立的UDSF来存储非结构化数据？不能也存在UDR里吗？

A:

将UDSF独立出来，主要是为了应对不同数据的生命周期、格式和访问模式的差异。

  • 数据格式： UDR存储的是结构化数据，其数据模型（Schema）是3GPP标准定义的，所有NF都必须理解和遵守。而UDSF存储的非结构化数据，是NF内部的“私有数据”，其格式只有该NF自己需要理解，这给了NF实现内部上下文管理的极大灵活性。

  • 生命周期和性能： UDR中的签约数据是持久化的，不经常变动。而UDSF中的UE上下文数据是高度动态的，随着UE的移动和状态变迁频繁读写。将两者分开，可以用不同的数据库技术来优化。例如，UDR可以使用关系型数据库保证数据一致性，而UDSF可以使用高速的内存数据库（In-memory DB）或键值存储（Key-Value Store）来满足高吞吐的实时读写需求。

Q3: 既然有了微信，5G为什么还要费力去支持SMS？

A:

虽然个人之间的通信（P2P）越来越多地使用OTT应用，但SMS在以下领域仍然具有不可替代的价值，这也是5GC必须支持它的原因：

  1. 应用到个人（A2P）： 这是SMS目前最大的市场。银行通知、快递提醒、登录验证码、营销推广等，都高度依赖SMS的普遍、可靠送达能力。

  2. 普适性与可靠性： 几乎所有手机都原生支持SMS，无需安装任何APP。在数据网络信号不好或不可用的情况下，SMS可能依然可以通过信令通道送达。

  3. 紧急通信： 紧急警报（如通过PWS）的下发，SMS也是重要的载体之一。

  4. 物联网应用： 对于一些超低功耗的物联网设备，通过SMS（或基于SMS的信令）进行唤醒和下发少量指令，是一种非常高效的方式。

Q4: NSSF是网络切片选择的唯一决策点吗？AMF自己能做决定吗？

A:

AMF可以做初步的、简单的决策，但最终的、复杂的决策权在NSSF。

  • AMF的本地决策： 如果一个网络部署非常简单（例如，只有一个eMBB切片），或者对于某些非常明确的本地策略，AMF可以被配置为直接选择切片和自身，而无需查询NSSF。

  • NSSF的全局决策： 在绝大多数情况下，尤其是在一个包含多个切片、多个AMF Set、涉及漫游和复杂策略的真实网络中，AMF必须求助于NSSF。因为只有NSSF才拥有全局的、实时的网络切片拓扑、负载和策略视图。让NSSF作为集中决策点，可以避免各个AMF基于片面信息做出不一致或次优的决策。

Q5: 如果一个UE在注册时不请求任何特定的S-NSSAI，NSSF还会被调用吗？

A:

会的。即使UE不请求任何特定切片，AMF在选择AMF时依然可能需要NSSF的帮助。

  • 选择默认AMF： 在这种情况下，AMF会从UDM获取用户的默认S-NSSAI。

  • 查询NSSF： AMF会使用这个默认S-NSSAI去查询NSSF。NSSF会根据这个默认S-NSSAI，返回一个最合适的AMF Set（例如，一个通用的eMBB AMF Set）。

  • 为什么需要？ 这样做的好处是，即使是默认业务，也可以实现基于切片的负载均衡和资源隔离。例如，运营商可以为默认的eMBB业务部署多个AMF Set，NSSF可以根据不同区域的负载情况，智能地将用户引导到不同的AMF Set上，避免单点过载。

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