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UE IP地址分配技术白皮书
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4G网络是一个全IP网络，可为UE（User Equipment，用户设备）提供“永久在线的IP连接”。这就意味着，UE附着网络后，与PDN（Packet Data Network，分组数据网络）之间的所有流量均通过IP报文转发。为实现UE与PDN之间的IP报文转发，4G网络在UE附着过程中会为UE分配IP地址。
UE和PDN之间的IP连接称为PDN连接。PDN连接也称为EPS（Evolved Packer System，演进的分组系统）会话。
APN（Access Point Name，接入点名称）标识UE访问PDN的接入点，可以用APN ID表示。
如图1所示，EPS承载为UE与PDN之间的流量转发通道，负责转发UE与PDN之间的IP数据流，EPS承载，分为：
· 默认承载：UE附着网络后，4G网络为UE建立的最基本的EPS承载，是UE签约信息内PDN连接的转发通道，仅提供最大带宽的QoS（Quality of Service，服务质量）。
· 专有承载：4G网络为UE建立的额外承载，是UE签约信息以外的PDN连接的转发通道，提供保证带宽的QoS。
UE IP地址也称为PDN地址，分为IPv4和IPv6两种类型。4G网络可根据UE请求的PDN Type字段决定分配哪种类型的IP地址。
4G网络分配IP地址的方式包括动态IP地址分配和静态IP地址分配。
如图2所示，运营商首先在PGW（PDN Gateway，PDN网关）中配置IP地址池和DNS Server IP地址。当UE附着网络时，PGW在IP地址池中选取一个未使用的IP地址分配给UE，最后MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）通过附着接受消息将UE的IP地址和DNS Server IP地址发送给UE，完成动态IP地址分配。
图2 动态IP地址分配
如图3所示，运营商首先在PGW中配置DNS Server IP地址。用户签约网络时，运营商将待分配给UE的IP地址写入签约信息，并保存在HSS中。当UE附着网络时，MME会向HSS（Home Subscriber Server，签约用户服务器）请求UE的签约信息，签约信息中包含分配给UE的IP地址。最后MME通过附着接受消息将签约信息中的IP地址以及PGW分配的DNS Server IP地址发送给UE，完成静态IP地址分配。
图3 静态IP地址分配
在动态IP地址分配流程中，UE每次附着网络时，PGW均会从IP地址池中选取一个未使用的IP地址分配给UE，该IP地址通常情况下是不同的。而在静态IP地址分配流程中，由于UE使用的IP地址是写入签约信息的，无论UE在何时、何地发起附着，网络均会分配相同的IP地址给UE。
IPv4和IPv6地址分配流程相同，手册以IPv4地址分配流程为例，介绍vEPC的IP地址分配流程。
动态IP地址分配流程如图4所示：
(1) UE请求PDN连接
步骤1～步骤2，[UE >MME]：UE开机后发送EMM消息Attach Request，消息中的ESM Message Container会携带ESM消息PDN Connectivity Request。PDN Connectivity Request消息中包含PDN Type、PCO字段，其中：
¡ PDN Type的值为IPv4，表示UE请求IPv4类型的PDN连接，即UE需要获取一个IPv4类型的地址。
¡ PCO的值为DNS Server IPv4 Address Request，表示UE同时请求DNS Server的IP地址。
(2) 请求建立PDN会话
步骤3～步骤4，[MME >SGW >PGW]：
a. MME首先从HSS处获取UE的签约信息，检查签约信息中是否已存在UE的IP地址。
b. MME向SGW发送Create Session Request消息，该消息中携带IMSI（International Mobile Subscriber Identity，国际移动签约用户标识符）、PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段。由于签约信息中未发现UE的IP地址，此时PDN IPv4地址字段填充的是0.0.0.0。
c. SGW将MME发送的Create Session Request消息转发给PGW。
(3) 为UE分配PDN和DNS Server的IP地址
步骤5～步骤6：PGW收到Create Session Request消息后，检查PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段：
¡ PDN IPv4地址字段为0.0.0.0表明签约信息中不存在UE的IP地址，根据PDN Type的值为IPv4，PGW从自身的IP地址池中分配一个未使用的IPv4地址给UE。
¡ 根据PCO字段的值，PGW将DNS Server IP地址填充到PCO中。
(4) 响应建立PDN会话请求
步骤7～步骤8，[PGW> SGW> MME]：作为步骤3～步骤4的响应消息，PGW将分配好的PDN IPv4地址、DNS Server IP地址连同PDN Type字段经过SGW发送给MME，其中PDN IPv4地址、DNS Server IP Address和PDN Type字段封装在Create Session Response消息中。
(5) 请求激活默认承载上下文
步骤9，[MME> UE]：MME收到SGW发送的Create Session Response消息后，向UE发送EMM消息Attach Accept，消息中的ESM Message Container会携带ESM消息Activate Default EPS Bearer Context Request，Activate Default EPS Bearer Context Request消息中包含PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段，其中：
¡ PDN Type字段的值为IPv4。
¡ PDN IPv4地址字段的值为PGW动态分配给UE的IPv4地址。
¡ PCO字段的值为PGW分配给UE的DNS Server IP地址。
(6) 动态地获取访问PDN的IPv4地址
步骤10，[UE]：UE通过Attach Accept消息中的Activate Default EPS Bearer Context Request消息获取IPv4地址和DNS Server IP地址。待默认EPS承载建立后，UE便可以与PDN建立连接并进行IP报文的交互。
图4 动态IP地址分配流程
静态IP地址分配流程如图5所示：
(1) UE请求PDN连接
步骤1～步骤2，[UE >MME]：UE开机后发送EMM消息Attach Request，消息中的ESM Message Container会携带ESM消息PDN Connectivity Request。PDN Connectivity Request消息中包含PDN Type、PCO字段，其中：
¡ PDN Type的值为IPv4，表示UE请求IPv4类型的PDN连接，即UE需要获取一个IPv4类型的地址。
¡ PCO的值为DNS Server IPv4 Address Request，表示UE同时请求DNS Server的IP地址。
(2) 向HSS通告当前UE的位置信息
步骤3，[MME >HSS]：MME通知HSS当前UE处于自己的控制范围，并通过Update Location Request消息通告UE的位置信息。
(3) 向MME发送UE的签约信息
步骤4，[HSS >MME]：HSS记录UE的位置信息后，通过Update Location Answer消息将UE的签约信息发送给MME，签约信息中包含PDN Type和PDN IPv4地址字段，其中：
¡ PDN Type的值为IPv4，表示缺省情况下UE的PDN连接类型为IPv4。
¡ PDN IPv4地址字段的值为静态分配给UE的IPv4地址，用于UE连接PDN。
(4) 请求建立PDN会话
步骤5～步骤6，[MME >SGW >PGW]：
a. MME从HSS处获取UE的签约信息后，检查签约信息中是否已存在UE的IP地址。
b. MME向SGW发送Create Session Request消息，该消息中携带IMSI、PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段。由于签约信息中已存在UE的IP地址，此时PDN IPv4地址字段填充的是签约信息中保存的IP地址。
c. SGW将MME发送的Create Session Request消息转发给PGW。
(5) 为UE分配DNS Server的IP地址
步骤7：PGW收到Create Session Request消息后，检查PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段：
¡ PDN IPv4地址字段已填充具体的IP地址，表明UE将使用签约信息中的IP地址访问PDN，此时PGW不会为UE动态分配IP地址。
¡ 根据PCO字段的值，PGW将DNS Server IP地址填充到PCO中。
(6) 响应建立PDN会话请求
步骤8～步骤9，[PGW >SGW >MME]：作为步骤5～步骤6的响应消息，PGW将分配好的PDN IPv4地址、DNS Server IP地址连同PDN Type字段经过SGW发送给MME，其中PDN IPv4地址、DNS Server IP Address和PDN Type字段封装在Create Session Response消息中。
(7) 请求激活默认承载上下文
步骤10，[MME>UE]：MME收到SGW发送的Create Session Response消息后，向UE发送EMM消息Attach Accept，消息中的ESM Message Container会携带ESM消息Activate Default EPS Bearer Context Request，Activate Default EPS Bearer Context Request消息中包含PDN Type、PDN IPv4地址和PCO字段，其中：
¡ PDN Type字段的值为IPv4。
¡ PDN IPv4地址字段的值为签约信息中静态分配给UE的IPv4地址。
¡ PCO字段的值为PGW分配给UE的DNS Server IP地址。
(8) 静态地获取访问PDN的IPv4地址
步骤11，[UE]：UE通过Attach Accept消息中的Activate Default EPS Bearer Context Request消息获取IPv4地址和DNS Server IP地址。待默认EPS承载建立后，UE便可以与PDN建立连接并进行IP报文的交互。
图5 静态IP地址分配流程
如果开户时的签约信息中配置了UE的静态IP地址，则UE附着网络时会优先使用签约信息中的静态IP地址访问PDN网络。
当UE开户后，通过附着流程可获取静态或动态IP地址。
图6 UE地址分配典型组网应用示意图
· 3GPP TS 29.061 Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting packet based services and Packet Data Networks (PDN)
· 3GPP TS 24.301 Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3
· 3GPP TS 23.401 General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access
支持
