SMF

SMF의 핵심 역할은 PDU 세션의 생성, 수정, 해제를 포함한 전 주기의 생명주기를 관리하는 것이다. 이는 사용자 장비(UE)가 데이터 네트워크(DN)에 연결되어 데이터를 주고받을 수 있는 논리적 경로를 설정하고 유지하는 것을 의미한다.

세션 관리 과정은 AMF로부터 세션 설정 요청을 받는 것으로 시작한다. SMF는 PCF로부터 세션 관련 정책(예: QoS 규칙)을 수신하고, UDM으로부터 가입자 정보를 조회한 후, 적절한 UPF를 선택하여 N4 인터페이스를 통해 제어한다. 이 과정에서 SMF는 UE에 IP 주소를 할당하고, 필요한 QoS 흐름을 설정하며, 데이터 전송을 위한 터널(예: GTP-U 터널) 정보를 UPF와 RAN에 제공한다.

세션이 활성화된 후에도 SMF는 지속적인 관리 업무를 수행한다. 여기에는 UE의 이동에 따른 UPF 재선택(예: 중간 UPF(I-UPF) 삽입), 네트워크 조건 변화에 따른 QoS 규칙 업데이트, 그리고 세션 비활성화 타이머 관리 등이 포함된다. 또한, PCF의 결정에 따라 트래픽 감지 및 리포팅을 수행하여 동적 정책 제어를 가능하게 한다.

이러한 세션 관리는 4G EPC의 PGW-C 기능에 비해 더욱 유연하고 소프트웨어화되었다. 특히 서비스 기반 아키텍처(SBA) 하에서 다른 NF와의 상호작용이 표준화된 API를 통해 이루어지며, 클라우드 네이티브 환경에서 탄력적으로 확장 및 배포될 수 있다.

SMF는 PDU 세션이 설정될 때 사용자 장비(UE)에 IP 주소를 할당하는 핵심 역할을 담당한다. 이는 데이터 네트워크(DN)와의 통신을 가능하게 하는 기본적인 단계이다. SMF는 동적 호스트 구성 프로토콜(DHCP) 서버의 기능을 내장하거나 외부 DHCP 서버와 연동하여 IP 주소를 할당할 수 있으며, 정적 IP 주소 할당도 지원한다. 할당된 IP 주소는 해당 PDU 세션의 수명 동안 유지되거나, 네트워크 정책에 따라 변경될 수 있다.

IP 주소 할당 방식은 크게 IPv4, IPv6 또는 이중 스택(IPv4v6)을 지원한다. SMF는 PCF로부터 전달된 정책 정보를 바탕으로 적절한 주소 풀에서 주소를 선택한다. 또한, 네트워크 슬라이싱 환경에서는 각 슬라이스별로 격리된 IP 주소 풀이 구성될 수 있으며, SMF는 특정 슬라이스에 맞는 주소를 할당한다.

할당 과정은 다음과 같은 절차를 따른다.

1. UE가 AMF를 통해 PDU 세션 설정 요청을 보낸다.

2. SMF는 세션 설정 절차 중에 IP 주소 할당을 수행한다.

3. SMF는 선택된 UPF에게 N4 인터페이스를 통해 할당된 IP 주소 정보를 포함한 패킷 처리 규칙을 설치한다.

4. 최종적으로 IP 주소 정보는 AMF를 거쳐 UE에게 전달된다.

이 외에도 SMF는 DNS 서버 주소와 같은 추가적인 PCO 정보를 UE에게 제공할 수 있다.

SMF는 PDU 세션이 설정될 때 적절한 UPF를 선택하는 역할을 맡는다. 선택 기준에는 사용자의 위치, 요청된 DNN, 구독 정보, 네트워크 부하 상태, 필요한 서비스 품질 등이 포함된다. SMF는 이러한 정보를 바탕으로 여러 UPF 인스턴스 중에서 최적의 하나를 선택하여 세션의 사용자 평면 경로를 결정한다.

선택된 UPF에 대한 제어는 N4 인터페이스를 통해 이루어진다. SMF는 이 인터페이스를 이용해 UPF에게 패킷 처리 규칙을 설치, 수정, 삭제한다. 이 규칙에는 패킷 검사, 라우팅, QoS 적용, 트래픽 측정 등의 정책이 포함된다. 예를 들어, 특정 애플리케이션 트래픽에 다른 QoS 등급을 부여하거나, 트래픽을 특정 데이터 네트워크로 전달하도록 지시할 수 있다.

SMF는 세션의 전체 수명 주기 동안 UPF를 지속적으로 제어하고 모니터링한다. 사용자가 이동하여 새로운 UPF로 앵커 포인트를 변경해야 할 때는 새로운 UPF를 선택하고 이전 UPF와의 연결을 정리하는 절차를 관리한다. 또한, 네트워크 상태 변화나 PCF로부터의 정책 업데이트에 따라 실시간으로 UPF의 패킷 처리 규칙을 조정할 수 있다.

N4 인터페이스는 SMF와 UPF(User Plane Function) 사이의 논리적 연결을 정의한다. 이 인터페이스는 3GPP 표준에 의해 규정되며, 제어 평면(Control Plane)과 사용자 평면(User Plane)의 분리(CUPS) 원칙을 구현하는 핵심 요소이다. SMF는 N4 인터페이스를 통해 UPF에 대한 모든 제어 신호를 전송하여 데이터 전송 경로를 설정, 수정, 해제한다.

N4 인터페이스의 주요 프로토콜은 PFCP(Packet Forwarding Control Protocol)이다. SMF는 PFCP 세션 설정, 수정, 삭제 요청을 UPF에 보내어 다음과 같은 제어를 수행한다.

• 패킷 처리 규칙 관리: UPF에 적용할 패킷 검사(PDR), 포워딩 액션(FAR), 버퍼링 액션(BAR), QoS 적용 규칙(QER) 등을 설치하거나 제거한다.

• 트래픽 리포팅 제어: UPF로부터 특정 트래픽 이벤트(예: 사용량 임계치 도달, 패킷 도착)에 대한 보고를 요청하거나 중단한다.

• UE의 IP 주소 및 DNS 서버 정보를 UPF에 제공한다.

N4 인터페이스의 상호작용은 PDU 세션의 생명주기 전반에 걸쳐 이루어진다. 예를 들어, PDU 세션 설정 절차에서 SMF는 UPF를 선택한 후 N4 인터페이스를 통해 세션을 생성하고 필요한 패킷 처리 규칙을 구성한다. UE가 이동하거나 서비스 품질 요구사항이 변경될 때는 SMF가 N4 세션 수정 절차를 통해 UPF의 규칙을 실시간으로 갱신한다. 이 인터페이스는 네트워크 슬라이싱 구현에서도 중요한데, SMF는 서로 다른 슬라이스에 속하는 UPF 인스턴스들과 각각 독립적인 N4 연결을 유지하며 제어한다.

N11 인터페이스는 SMF와 AMF(Access and Mobility Management Function) 사이의 표준화된 참조점이다. 이 인터페이스는 3GPP 표준에서 정의되며, 주로 제어 평면에서 세션 관리 관련 신호 메시지를 교환하는 데 사용된다. N11은 서비스 기반 인터페이스(Service-Based Interface, SBI)로 구현되어, HTTP/2 기반의 JSON 또는 Protobuf 형식 메시지를 통해 통신한다.

N11 인터페이스를 통해 처리되는 주요 절차와 메시지는 다음과 같다.

이 인터페이스는 5G 코어 네트워크의 분리된 아키텍처에서 세션 관리 기능과 접속/이동성 관리 기능 간의 효율적인 협업을 가능하게 한다. 이를 통해 네트워크 슬라이싱 환경에서 각 슬라이스에 맞는 세션을 유연하게 제어할 수 있다. N11의 서비스 기반 설계는 클라우드 네이티브 환경에서의 탄력적인 배포와 확장을 용이하게 한다.

N7 인터페이스는 SMF와 PCF 사이의 표준화된 참조점이다. 이 인터페이스는 3GPP 표준에 의해 정의되며, 서비스 기반 아키텍처 내에서 HTTP/2 기반의 서비스 기반 인터페이스로 구현된다. N7을 통해 SMF는 세션 관리와 관련된 정책 결정을 PCF에 요청하고, 해당 정책 규칙을 수신하여 UPF에 적용한다.

N7 인터페이스의 주요 기능은 PDU 세션에 대한 정책 및 과금 제어를 제공하는 것이다. 구체적으로 세션 관리 정책 제어, 흐름 기반 과금, 서비스 품질 정책 규칙의 전달 등을 포함한다. SMF는 PDU 세션 설정, 수정, 해제 시나리오에서 PCF와 N7 인터페이스를 통해 통신하여 적절한 정책을 확보한다.

이 인터페이스를 통해 5G 코어 네트워크는 4G의 Gx 인터페이스보다 더 유연하고 세분화된 정책 제어를 실현한다. 특히 서비스 기반 아키텍처의 일부로, NF 간의 직접 통신을 가능하게 하여 네트워크 기능의 분리와 독립적인 진화를 지원한다.

PDU 세션 설정 절차는 사용자 장비(UE)가 데이터 네트워크에 연결하기 위해 SMF와 다른 네트워크 기능들이 협력하는 과정이다. 이 절차는 주로 무선 접속망(RAN)과 AMF를 통해 시작된 UE의 요청에 의해 트리거된다.

기본적인 설정 절차는 다음과 같은 단계를 따른다. 먼저, UE는 AMF를 통해 PDU 세션 설정 요청을 전송한다. AMF는 세션 관리 관련 정보를 확인하고 적절한 SMF를 선택하여 요청을 전달한다. SMF는 UDM/UDR로부터 사용자 구독 정보를 조회하고, PCF와 연동하여 해당 세션에 적용할 품질 서비스(QoS) 규칙 및 정책을 결정한다. 이후 SMF는 UPF를 선택하고 N4 인터페이스를 통해 세션을 구성하며, 필요한 트래픽 감시 및 과금 규칙을 설치한다. 마지막으로 SMF는 AMF와 RAN을 경유하여 UE에게 최종 세션 설정 완료 메시지를 전달한다.

절차 중 SMF는 세션에 대한 고유한 PDU 세션 ID를 할당하고, UE에 IP 주소를 제공하는 역할을 담당한다. 제공되는 IP 주소의 유형(IPv4, IPv6, 이중 스택 등)은 UE의 요청과 네트워크 정책에 따라 결정된다. 또한, 네트워크 슬라이싱이 사용되는 경우, 설정 절차는 특정 네트워크 슬라이스 인스턴스를 식별하고 그에 맞는 UPF 및 정책을 선택하는 과정을 포함한다.

이 절차는 서비스 기반 아키텍처(SBA) 원칙에 따라, 네트워크 기능 간의 표준화된 HTTP 기반 API 호출을 통해 이루어진다. 이를 통해 4G EPC의 시그널링에 비해 유연성과 확장성이 향상되었다.

UE가 이동하거나 무선 접속 기술을 변경할 때 PDU 세션의 연속성을 보장하는 절차를 관리한다. 주요 시나리오로는 핸드오버, N2 핸드오버, Xn 핸드오버 등이 포함된다. 이동성 관리 절차는 AMF와의 긴밀한 협력을 통해 이루어지며, UPF에 적절한 트래픽 라우팅 규칙을 설정하거나 변경하는 것이 핵심이다.

UE의 이동성 이벤트가 발생하면 AMF는 새로운 접속 정보를 SMF에 통보한다. SMF는 이 정보를 바탕으로 세션의 QoS 흐름과 UPF의 AN 채널 정보를 업데이트한다. 특히 로밍 상황이나 로컬 브레이크아웃 구성에서는 적절한 UPF를 재선택하거나 트래픽 경로를 재구성하는 결정을 내릴 수 있다.

절차는 일반적으로 다음 단계를 따른다.

1. AMF로부터 이동성 관련 알림 수신

2. 세션 컨텍스트 내 UE 위치 정보 업데이트

3. 필요 시 PCF에 정책 업데이트 요청

4. 관련된 모든 UPF에 새로운 패킷 검사 및 전달 규칙 전달

5. 데이터 네트워크로의 연결성 유지 확인

이 과정에서 세션 및 서비스 연속성 모드에 따라 UPF의 변경 여부가 결정된다. 예를 들어, SSC 모드 1에서는 UE가 이동해도 PDU 세션의 UPF가 변경되지 않지만, SSC 모드 3에서는 네트워크가 새 UPF로의 세션 재설정을 트리거할 수 있다[2].

SMF는 PDU 세션 수명 주기 동안 정책 제어 기능(PCF) 및 과금 기능(CHF)과 연동하여 서비스 품질 보장, 트래픽 제어, 과금 데이터 수집 등을 수행한다. 이 절차는 주로 N7 인터페이스를 통해 PCF와, Nchf 인터페이스를 통해 CHF와의 상호작용을 통해 이루어진다.

정책 연동 절차에서는 PCF로부터 정책 및 과금 제어(PCC) 규칙을 수신한다. SMF는 세션 설정 요청을 받으면 PCF에 정책 결정을 요청하고, PCF는 서비스 식별자, 서비스 품질(QoS) 파라미터, 트래픽 제어 정책 등을 포함한 PCC 규칙을 제공한다. SMF는 이 규칙을 해석하여 사용자 평면 기능(UPF)에 적절한 패킷 검사 및 전달 규칙을 설치한다. 예를 들어, 특정 애플리케이션 트래픽에 대해 보장된 비트율을 설정하거나 트래픽 차단 정책을 적용할 수 있다.

과금 연동 절차는 실시간 과금 데이터를 생성하고 보고하는 것을 포함한다. SMF는 PDU 세션의 시작, 수정, 종료 시점과 트래픽 사용량, 서비스 유형, QoS 등급 등의 이벤트를 감지한다. 이 정보는 과금 데이터 기능(CHF)에 과금 데이터 레코드(CDR) 또는 실시간 이벤트로 전송된다. 주요 절차는 아래 표와 같다.

이러한 연동을 통해 SMF는 네트워크 자원의 효율적 사용을 보장하고, 다양한 서비스 및 요금제에 따른 차등화된 과금이 가능해진다. 정책과 과금은 긴밀하게 연계되어 있어, PCF의 결정이 과금 정책에 직접 영향을 미칠 수 있다[3].

PGW-C는 4G EPC의 핵심망 요소 중 하나로, 패킷 데이터 네트워크 게이트웨이의 제어 평면 기능을 담당했다. 반면 SMF는 5G 코어망의 구성 요소로, 서비스 기반 아키텍처 원칙에 따라 설계되었다. 이 구조적 변화는 두 요소 간의 근본적인 차이를 만들어냈다.

기능적 측면에서 PGW-C는 주로 PDN 연결의 설정 및 관리, UE에 IP 주소 할당, 정책 및 과금 제어와의 연동에 집중했다. SMF는 이러한 기본 기능을 계승하면서도 훨씬 더 유연하고 세분화된 PDU 세션 관리, UPF 선택 및 제어, 이동성 관리 정책 적용 등의 향상된 역할을 수행한다. 특히 네트워크 슬라이싱 지원은 SMF의 핵심 차별점으로, 단일 물리적 인프라 위에 여러 개의 논리적 네트워크를 생성하고 각 슬라이스에 맞는 세션 관리를 가능하게 한다.

아키텍처와 인터페이스에서도 큰 차이가 존재한다. PGW-C는 사전 정의된 지점 간 참조점 인터페이스(예: S5/S8, Gx)를 통해 다른 네트워크 기능과 연결되었다. SMF는 SBA 내부의 하나의 네트워크 기능으로, 표준화된 API를 통해 다른 NF(예: AMF, PCF, UDM)와 직접 통신한다. 이는 더 빠른 서비스 배포와 유연한 네트워크 구성 변경을 가능하게 한다.

다음 표는 주요 차이점을 요약한다.

결론적으로, SMF는 PGW-C의 기능적 후계자이지만, 5G의 새로운 요구사항을 수용하기 위해 보다 유연하고 소프트웨어 중심적인 설계로 재탄생했다. 이 변화는 네트워크의 가상화와 자동화 수준을 크게 높이는 기반이 되었다.

5G 코어 네트워크에서 SMF는 4G EPC의 PGW-C와 달리 근본적으로 서비스 기반 아키텍처(SBA)를 기반으로 설계되었다. 이는 모놀리식 구조에서 벗어나, 네트워크 기능을 독립적인 마이크로서비스 형태로 분해하고, 이들 간의 통신을 HTTP/2 기반의 표준화된 API를 통해 수행하는 방식을 의미한다.

SBA 환경에서 SMF는 NRF(Network Repository Function)에 자신을 등록하여 서비스 제공 가능 상태를 알린다. AMF나 PCF 같은 다른 네트워크 기능은 NRF를 조회하여 필요한 SMF의 서비스 접근 정보를 얻는다. 이후 이들 기능은 서비스 기반 인터페이스인 N11(AMF-SMF), N7(PCF-SMF) 등을 통해 직접적으로 SMF와 통신하여 세션 관리 서비스를 요청하고 제공받는다. 이는 전통적인 점대점(point-to-point) 인터페이스 방식보다 유연성과 확장성이 크게 향상된 구조이다.

SBA의 적용은 SMF의 배포와 운영 방식에도 변화를 가져왔다. SMF는 클라우드 네이티브 원칙에 따라 컨테이너화되어, 필요에 따라 탄력적으로 확장(scale-out)하거나 축소(scale-in)할 수 있다. 또한, 특정 지리적 영역이나 네트워크 슬라이스에 특화된 SMF 인스턴스를 독립적으로 배치하고 관리하는 것이 용이해졌다. 이는 네트워크 슬라이싱 구현의 핵심 기반이 된다.

SMF는 5G 코어 네트워크의 서비스 기반 아키텍처 원칙에 따라 설계되었으며, 클라우드 네이티브 방식으로 구현되고 배포되는 것을 전제로 한다. 이는 가상화 및 컨테이너 기술을 기반으로 하여, 마이크로서비스 형태로 분해된 독립적인 기능 단위로 구성됨을 의미한다. 각 마이크로서비스는 자체적인 생명주기를 가지며, API를 통해 다른 네트워크 기능과 통신한다. 이러한 설계는 기존의 단일화된 모놀리식 네트워크 요소와는 근본적으로 다른 접근 방식이다.

클라우드 네이티브 설계의 핵심 이점은 탄력적인 확장성과 높은 가용성이다. SMF의 세션 관리나 UPF 제어와 같은 특정 기능에 대한 부하가 증가하면, 해당 마이크로서비스 인스턴스를 동적으로 추가하여 수평적으로 확장할 수 있다. 반대로 부하가 감소하면 불필요한 인스턴스를 제거하여 자원을 효율적으로 관리한다. 이는 쿠버네티스와 같은 오케스트레이션 플랫폼을 통해 자동화된다. 또한, 무상태(stateless) 설계 원칙을 부분적으로 적용하여, 사용자 세션 상태 정보를 외부의 공유 데이터 저장소에 보관함으로써 개별 SMF 인스턴스 장애 시에도 서비스 연속성을 보장한다.

배포 측면에서 SMF는 퍼블릭, 프라이빗 또는 하이브리드 클라우드 환경에 유연하게 배치될 수 있다. 네트워크 운영자는 네트워크 슬라이싱 요구사항에 따라 서로 다른 성능과 위치를 가진 클라우드 인프라에 별도의 SMF 인스턴스를 배포할 수 있다. 예를 들어, 초저지연 서비스를 위한 네트워크 슬라이스의 SMF는 엣지 컴퓨팅 환경에 가깝게 배치될 수 있다. 이는 물리적 위치에 종속된 전통적인 네트워크 장비 배포 방식에서 벗어나, 소프트웨어 정의 네트워킹 원리에 기반한 유연한 서비스 배치를 가능하게 한다.

SMF는 클라우드 네이티브 원칙에 따라 설계되어 탄력적인 확장성을 제공한다. 트래픽 부하나 가입자 수의 변동에 따라 필요한 컴퓨팅 리소스를 동적으로 할당하거나 회수할 수 있다. 이는 마이크로서비스 아키텍처와 컨테이너 오케스트레이션 플랫폼(예: 쿠버네티스)을 기반으로 구현되며, 특정 지리적 영역이나 네트워크 슬라이스의 요구에 맞춰 SMF 인스턴스를 신속하게 스케일 업/아웃하거나 스케일 다운/인할 수 있다.

가용성은 서비스 중단 시간을 최소화하는 데 필수적이다. SMF는 상태 비저장 설계를 지향하여, 세션 상태 정보를 외부의 UDSF와 같은 데이터 저장소에 보관한다. 이로 인해 특정 SMF 인스턴스에 장애가 발생하더라도 다른 정상 인스턴스가 상태 정보를 복원하고 세션을 계속 처리할 수 있다. 고가용성을 위한 일반적인 배포 방식은 다음과 같다.

이러한 확장성과 가용성 메커니즘은 네트워크 슬라이싱 환경에서 특히 중요하다. 각 슬라이스는 서로 다른 성능과 신뢰성 요구사항을 가지므로, SMF는 슬라이스별로 독립적인 확장 및 장애 격리 정책을 적용할 수 있어야 한다. 또한, 서비스 메시와 같은 기술을 활용하여 인스턴스 간의 통신 부하 분산, 회로 차단, 건강 상태 검사를 자동화함으로써 시스템의 전반적인 복원력을 높인다.