9. SMF

이전 시간에 AMF는 단말의 5G 연결 및 이동 관리를 담당한다고 배웠다.

5G로 넘어오면서 LTE의 MME 기능을 AMF, SMF, UDM으로 나눴다고 했는데 저 SMF가 오늘 포스팅 할 녀석인 것이다.

AMF가 Access and Mobility Management Function이였다면, SMF도 비슷한 느낌일 텐데.. S~~ Mangement Function일거란 말이지?

우리는 그 S를 한번 알아볼 것이다.

 

SMF 어딧게~

1. SMF란?

SMF의 S는 바로 Session이다. 즉 세션을 관리하는 기능을 하는 녀석인건데... 세션이라고만 하면 너무 추상적이여서 무슨 일을 하는지 확 와닿지 않는다. 그래서 총 4가지 역할로 나누어서 설명해보려고 한다.

 

    (1) PDU 세션 관리 절차

PDU는 Protocoal Data Unit의 약자로 사용자 단말이 기지국과 연결되어 데이터를 주고받을 때 생기는 하나의 패킷인 것이다. SMF는 이 패킷이 오가는 과정, 즉 PDU 세션을 생성, 수정, 해제하는 전체 과정 (LifeCycle)을 총괄하는 것이다.

    (2) IP 주소 할당 및 관리

UE가 네트워크에 접속할 때 필요한 IP (IPv4, IPv6) 를 할당하고 관리한다. 정적으로 IP를 할당하게 되면 단말 하나 당 하나의 IP를 줘야하므로.. 당연히 동적으로 IP를 관리하겠지? 이 말인 즉슨, SMF는 DHCP 서버가 하는 일을 수행한다는 것이다.

    (3) UPF 제어

UPF(User Plane Function)을 제어하면서 패킷이 어느 경로로 가야할지 정해주는 역할을 한다. 고급지게 말하면 패킷이 올바른 경로로 라우팅 될 수 있도록 경로를 설정해준다. SMF는 CP(Control Plane)에 있기 때문에 N4를 통해 UPF에게 내용을 전달한다.

    (4) QoS 및 정책 제어 연동

세션을 관리하기 때문에 그 세션이 연결될 동안의 품질도 당연히 중요하다. 따라서 QoS 관리도 SMF가 하며 이때 PCF(Policy Control Function)과 연동하여 품질 및 과금 정책을 결정한다. 이렇게 정해진 정책은 UPF에 적용된다.

 

2. SMF가 사용되는 곳

1번에서 SMF의 기능을 4가지로 쪼개어 살펴보았다. 이번엔 이 SMF가 어떻게 어디서 사용되는지를 알아보자. SMF는 세션 담당이기 때문에 PDU 등록과 밀접한 관련이 있다. PDU 등록은 사용자와 코어가 데이터를 주고 받기 위해 세션을 수립하는 과정이기 때문!!

따라서 PDU 등록 과정을 살펴보면서 SMF가 어떻게 일을 하는지 한번 알아보자.

아래 사진은 3GPP TS 23.502의 공식 문서에서 발췌해온 PDU Session Establishment 과정이다.

 

 

총 21개의 과정이 있는데.. 굉장히 굉장히 복잡하다. 20개의 과정을 다 설명할 것인가? 라고 하면 자신있게 NO! 라고 답할 것이다.

너무 길기때문에 5단계로 컴팩트하게 정리를 해보겠다. 이 부분은 AI의 도움을 받았다. 너무 좋아 너무 편해..

 

    (1) 단말의 세션 수립 요청 및 SMF 컨텍스트 초기화 (1~6번)

단말(UE)이 AMF로 세션 수립을 요청하면, AMF가 담당 SMF를 선택한다. (AMF가 단말이 5G 사용을 위한 첫번째 관문이라는 점은 기억하시죠?) 

이 후, SMF는 AMF와 연결하기 위한 세션 컨텍스트를 생성하는 동시에, UDM으로부터 사용자 가입 정보를 조회·구독하고 필요한 경우 외부 네트워크 인증까지 수행하여 세션 수립 준비를 마친다. (쉽게 말해서 UDM으로 부터 사용자 정보 불러오고 외부 네트워크 연결 준비하기 + AMF 연결 준비 인 것이다.)

    (2) 세션 정책 수립 및 UPF 데이터 경로 준비 (7~10번)

SMF는 세션에 맞는 QoS/과금 규칙을 적용하기 위해 PCF(정책 담당하는 애)를 선택해 정책 결합을 맺는다.

이 정책을 기반으로 데이터 트래픽을 처리할 UPF를 선택하고, UPF에게 N4 인터페이스를 통해 초기 세션 수립/수정(상향링크 경로 준비 등)을 명령하여 응답을 받는다. (PCF랑 협업하고, UPF랑 연결)

    (3) 무선 및 코어 제어 메시지 전달과 기지국 자원 설정 (11~13번)

SMF는 무선 자원 설정 정보(N2)와 단말 수락 메시지(N1)를 AMF에 전달한다.

AMF는 이를 기지국에 전달하고, 기지국은 단말과 무선 자원을 설정하여 단말이 최종적으로 세션 수락 메시지를 받게 만든다.

그 후 단말의 첫 상향링크 데이터 전송이 가능해진다

(SMF가 AMF한테 무선 연결 정보 전달 -> AMF가 기지국(gNB)한테 정보 전달 -> 기지국과 단말의 무선 설정 -> Uplink 데이터 전송 가능) 

    (4) 기지국 응답 반영 및 하향링크 데이터 경로 완성 (14~17번)

3번 과정 이후 기지국이 무선 설정 결과를 AMF에 전달하면, AMF는 SMF에게 컨텍스트 업데이트를 요청한다.
SMF는 기지국의 다운링크 정보를 받아 UPF에게 다시 N4 세션 수정을 요청함으로써 하향링크 경로를 최종 완성하고 UDM에 담당 SMF로 등록한다. 이로써 첫 하향링크 데이터 전송까지 만들어지게 된다.

    (5) 주소 설정 및 최종 세션 정책 관리 (18~21번)

데이터 패스가 완전히 뚫린 후, 단말을 위한 IPv6 주소 구성 등 잔여 설정을 처리한다.

최종적으로 SMF는 세션 상태를 통지하고 PCF와 최종 정책을 수정·동기화한 뒤, 절차 중 발생했던 임시 가입 정보 구독 등을 해지하며 전체 세션 수립 절차를 마무리지어 안정적인 데이터 통신 상태를 유지한다.

 

검토해보니 정말 컴팩트하게 정리가 된 것 같은데.. 좀 더 자세한 설명이 필요하면 TS 23.502 문서를 참고하면 좋을 것 같다.

 

마무리하기 전에  3번 4번 과정에서 다운링크와 업링크의 순서가 반대가 되어야 하는거 아닌가? 라는 생각을 잠깐 했다. 왜냐하면 기지국 - UE 간의 무선 설정이 완료되면 코어에서 바로 단말에게 신호를 뿌려줄 수 있지 않을까하는 생각이었다.

 

하지만 실제로는 UE가 먼저 신호를 쏴서 "저 여기 있으니 데이터 연결해주세염"이라고 보내야 코어 쪽에서는 이 UE가 어디있는지를 알 수 있다고 한다. 즉, UE가 어디에 있는지도 모르는데 냅다 downlink 설정이 완료되는 건 말이 안된다는 뜻이다.

 

따라서 Uplink 통로를 먼저 만들어 UE -> gNB -> Core 순으로 이야기를 하고 그 이후에 Core에서 UE의 위치를 파악한 후 Core -> gNB -> UE가 되도록 Downlink를 만드는 것이 올바른 방식인 것이다.

 

이렇게 해서 SMF에 대한 포스팅을 마치겠다. 생각보다 하는 일이 많은 친구라는 것에서 깜짝 놀랐고 5G에서의 Session이 무엇을 의미하는지 이해할 수 있었다.