Attach / Registration & Session (LTE và NR)

Sau Initial Access, UE đã có kết nối RRC và SRB1, nhưng mạng lõi chưa biết UE là ai, chưa có khóa bảo mật và chưa có đường dữ liệu. Trang này đi qua phần còn lại: LTE Attach (đăng ký và tạo default bearer trong cùng một thủ tục), NR Registration cộng PDU Session Establishment (hai thủ tục tách rời), và phần bảo mật đi kèm.

Trang chỉ đi vào core ở mức cần để hiểu trạm gốc nhận gì và gửi gì. Các bản tin giữa các node core (Diameter, GTPv2-C, SBI, PFCP) được ghi tên để tra cứu, không đi sâu.

Cấu trúc chung

Cả hai hệ đi theo cùng một khung, chỉ khác tên bản tin:

Bước	LTE	NR
1. UE gửi yêu cầu NAS đầu tiên	Attach Request + PDN Connectivity Request	Registration Request
2. Trạm gốc chuyển lên core	S1AP Initial UE Message	NGAP Initial UE Message
3. Xác thực	EPS-AKA	5G-AKA hoặc EAP-AKA'
4. Bảo mật NAS	NAS Security Mode Command	NAS Security Mode Command
5. Core tạo UE context ở trạm gốc	S1AP Initial Context Setup	NGAP Initial Context Setup
6. Năng lực UE	UE Capability Enquiry	UE Capability Enquiry
7. Bảo mật AS	RRC SecurityModeCommand	RRC SecurityModeCommand
8. Cấu hình bearer	RRCConnectionReconfiguration	RRCReconfiguration
9. Phiên dữ liệu	Default EPS bearer, tạo trong Attach	PDU session, thủ tục riêng sau Registration

LTE Attach

Thủ tục đầy đủ ở TS 23.401 mục 5.3.2. Sơ đồ dưới bỏ các nhánh tùy chọn (Identity Request, ESM Information, cập nhật PCRF).

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant eNB
    participant MME
    participant HSS
    participant GW as S-GW / P-GW
    UE->>eNB: RRCConnectionSetupComplete<br/>NAS Attach Request + PDN Connectivity Request
    eNB->>MME: S1AP Initial UE Message<br/>NAS-PDU, TAI, ECGI, establishment cause
    MME->>HSS: S6a Authentication Information Request
    HSS->>MME: Authentication Information Answer<br/>RAND, AUTN, XRES, KASME
    MME->>UE: NAS Authentication Request - RAND, AUTN
    Note over UE: USIM kiểm tra AUTN, tính RES và KASME
    UE->>MME: NAS Authentication Response - RES
    MME->>UE: NAS Security Mode Command
    UE->>MME: NAS Security Mode Complete
    MME->>HSS: S6a Update Location Request / Answer
    MME->>GW: GTPv2-C Create Session Request
    GW->>MME: Create Session Response<br/>IP của UE, S-GW S1-U TEID
    MME->>eNB: S1AP Initial Context Setup Request<br/>E-RAB, KeNB, UE security capabilities<br/>NAS Attach Accept + Activate Default EPS Bearer Context Request
    eNB->>UE: UECapabilityEnquiry
    UE->>eNB: UECapabilityInformation
    eNB->>MME: S1AP UE Capability Info Indication
    eNB->>UE: SecurityModeCommand
    UE->>eNB: SecurityModeComplete
    eNB->>UE: RRCConnectionReconfiguration<br/>SRB2, DRB, NAS Attach Accept
    UE->>eNB: RRCConnectionReconfigurationComplete
    eNB->>MME: S1AP Initial Context Setup Response<br/>eNB S1-U TEID
    UE->>MME: NAS Attach Complete + Activate Default EPS Bearer Context Accept<br/>qua ULInformationTransfer và S1AP Uplink NAS Transport
    MME->>GW: Modify Bearer Request - eNB S1-U TEID
    GW->>MME: Modify Bearer Response
    Note over UE,GW: Có dữ liệu uplink và downlink trên default bearer

Những điểm đáng chú ý:

• NAS đi xuyên qua eNB. Từ bước 4 đến bước 9, eNB chỉ chuyển tiếp NAS bằng S1AP Downlink/Uplink NAS Transport và RRC DLInformationTransfer/ULInformationTransfer. eNB chỉ "vào cuộc" khi nhận Initial Context Setup Request.
• KeNB đến từ MME. MME suy ra KeNB từ KASME và gửi xuống trong Initial Context Setup Request. eNB không bao giờ thấy KASME.
• Thứ tự bảo mật AS và reconfiguration. eNB phải kích hoạt bảo mật AS (SecurityModeCommand) trước khi lập SRB2 và DRB. Hai bản tin có thể gửi liền nhau mà không chờ SecurityModeComplete.
• Attach Accept đi trong RRCConnectionReconfiguration. NAS PDU nằm trong dedicatedInfoNASList của bản tin cấu hình DRB, nên UE nhận địa chỉ IP và cấu hình bearer cùng lúc.
• Default bearer luôn có. Attach LTE luôn tạo ít nhất một PDN connection, nên UE đã attach thì luôn có IP ("always-on"). Rel-13 thêm tùy chọn attach không có PDN cho IoT.
• IMSI có thể đi dạng rõ. Nếu MME không nhận ra GUTI, nó gửi Identity Request và UE trả IMSI chưa mã hóa, đây là điểm yếu mà IMSI catcher khai thác.

NR Registration

Thủ tục ở TS 23.502 mục 4.2.2.2. Trong 5GS, Registration chỉ đăng ký UE với mạng, không tạo phiên dữ liệu.

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant gNB
    participant AMF
    participant AUSF
    participant UDM
    UE->>gNB: RRCSetupComplete<br/>NAS Registration Request - SUCI hoặc 5G-GUTI, requested NSSAI
    Note over gNB: Chọn AMF theo GUAMI hoặc NSSAI
    gNB->>AMF: NGAP Initial UE Message<br/>NAS-PDU, TAI, NR CGI, establishment cause
    AMF->>AUSF: Nausf_UEAuthentication_Authenticate - SUCI, tên mạng phục vụ
    AUSF->>UDM: Nudm_UEAuthentication_Get
    Note over UDM: SIDF giải SUCI thành SUPI, tạo vector xác thực
    UDM->>AUSF: RAND, AUTN, XRES*, KAUSF, SUPI
    AUSF->>AMF: RAND, AUTN, HXRES*
    AMF->>UE: NAS Authentication Request - RAND, AUTN, ngKSI, ABBA
    UE->>AMF: NAS Authentication Response - RES*
    AMF->>AUSF: RES*
    AUSF->>AMF: Kết quả xác thực, KSEAF, SUPI
    AMF->>UE: NAS Security Mode Command
    UE->>AMF: NAS Security Mode Complete
    AMF->>UDM: Nudm_UECM_Registration và Nudm_SDM_Get
    AMF->>gNB: NGAP Initial Context Setup Request<br/>KgNB, UE security capabilities, allowed NSSAI<br/>NAS Registration Accept - 5G-GUTI, TAI list
    gNB->>UE: UECapabilityEnquiry
    UE->>gNB: UECapabilityInformation
    gNB->>AMF: NGAP UE Radio Capability Info Indication
    gNB->>UE: SecurityModeCommand
    UE->>gNB: SecurityModeComplete
    gNB->>UE: RRCReconfiguration<br/>SRB2, NAS Registration Accept
    UE->>gNB: RRCReconfigurationComplete
    gNB->>AMF: NGAP Initial Context Setup Response
    UE->>AMF: NAS Registration Complete

So với LTE:

• SUCI thay IMSI. UE mã hóa phần MSIN của SUPI bằng khóa công khai của mạng nhà (ECIES), chỉ SIDF trong UDM giải được. Định danh vĩnh viễn không bao giờ đi rõ trên vô tuyến (trừ khi dùng null scheme).
• Mạng nhà xác nhận kết quả. Ở 5G-AKA, AMF chỉ so HRES* với HXRES, còn AUSF ở mạng nhà so RES với XRES* rồi mới trả SUPI. Mạng khách không thể "giả" là UE đã xác thực.
• Network slicing. UE gửi requested NSSAI, AMF trả allowed NSSAI. gNB dùng NSSAI để chọn AMF và về sau để lập lịch theo slice.
• Initial Context Setup không bắt buộc có phiên. Với UE chỉ đăng ký mà chưa có PDU session, Initial Context Setup Request chỉ mang khóa và Registration Accept. Tùy hiện thực, AMF cũng có thể gửi Registration Accept bằng Downlink NAS Transport mà không lập UE context ở gNB, sau đó kết nối được nhả.

NR PDU Session Establishment

PDU session tương đương PDN connection của LTE. UE khởi tạo sau Registration, hoặc nhiều lần cho nhiều DNN hoặc slice. Thủ tục ở TS 23.502 mục 4.3.2.

sequenceDiagram
    autonumber
    participant UE
    participant gNB
    participant AMF
    participant SMF
    participant UPF
    UE->>AMF: NAS UL NAS Transport<br/>PDU Session Establishment Request - PDU session ID, S-NSSAI, DNN
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_CreateSMContext
    Note over SMF: Lấy subscription từ UDM, policy từ PCF, chọn UPF
    SMF->>UPF: PFCP Session Establishment Request
    UPF->>SMF: PFCP Session Establishment Response - UPF N3 TEID
    SMF->>AMF: Namf_Communication_N1N2MessageTransfer<br/>N2 SM info: QoS flow, UPF N3 tunnel<br/>N1: PDU Session Establishment Accept
    AMF->>gNB: NGAP PDU Session Resource Setup Request
    Note over gNB: Ánh xạ QoS flow vào DRB, cấu hình SDAP
    gNB->>UE: RRCReconfiguration<br/>DRB, SDAP config, NAS PDU Session Establishment Accept
    UE->>gNB: RRCReconfigurationComplete
    gNB->>AMF: NGAP PDU Session Resource Setup Response - gNB N3 TEID
    AMF->>SMF: Nsmf_PDUSession_UpdateSMContext
    SMF->>UPF: PFCP Session Modification Request - gNB N3 TEID
    UPF->>SMF: PFCP Session Modification Response
    Note over UE,UPF: Có dữ liệu uplink và downlink trên PDU session

Phía gNB, phần quan trọng nằm ở PDU Session Resource Setup Request: danh sách QoS flow với 5QI, ARP, GBR/MBR, cộng thông tin tunnel N3 phía UPF. gNB tự quyết định tạo bao nhiêu DRB và ánh xạ QoS flow nào vào DRB nào, rồi báo cho UE trong cấu hình SDAP. Nếu không đủ tài nguyên, gNB có thể từ chối từng QoS flow.

Khi gNB tách CU/DU, thủ tục này kéo theo hai thủ tục nội bộ:

1. E1AP Bearer Context Setup từ CU-CP sang CU-UP: lập thực thể SDAP, PDCP-U, tunnel N3 và F1-U.
2. F1AP UE Context Setup (lần đầu) hoặc UE Context Modification từ CU-CP sang DU: lập RLC, logical channel cho DRB mới, DU trả về CellGroupConfig để CU chèn vào RRCReconfiguration.

So sánh LTE và NR

Khía cạnh	LTE	NR (5GS)
Đăng ký và phiên	Gộp trong Attach	Tách: Registration, rồi PDU Session Establishment
Đơn vị QoS	EPS bearer (QCI), 1 bearer = 1 DRB	QoS flow (5QI, QFI), nhiều flow ghép vào 1 DRB do gNB quyết định
Định danh khi lần đầu	IMSI có thể đi rõ	SUCI, đã che giấu
Xác thực	EPS-AKA, MME quyết định	5G-AKA hoặc EAP-AKA', mạng nhà xác nhận
Bảo vệ toàn vẹn user plane	Không	Có, tùy chọn theo chính sách từng PDU session
Slicing	Không	NSSAI, S-NSSAI
Giao thức core	Diameter (S6a), GTPv2-C	SBI trên HTTP/2, PFCP (N4)
Dạng phiên	IPv4, IPv6, IPv4v6, non-IP (Rel-13)	Như LTE, thêm Ethernet và Unstructured

Phân cấp khóa

Khóa dùng trên giao diện vô tuyến được suy ra dần từ khóa gốc K lưu trong USIM và trong HSS/UDM. Trạm gốc chỉ nhận khóa ở tầng của nó.

 LTE                                   NR
 K (USIM, HSS)                         K (USIM, UDM)
  └─ CK, IK                             └─ CK, IK
      └─ KASME (MME)                        └─ KAUSF (AUSF)
          ├─ KNASenc, KNASint                   └─ KSEAF (SEAF)
          └─ KeNB (eNB)                             └─ KAMF (AMF)
              ├─ KRRCenc, KRRCint                       ├─ KNASenc, KNASint
              └─ KUPenc                                 └─ KgNB (gNB)
                                                            ├─ KRRCenc, KRRCint
                                                            └─ KUPenc, KUPint

Thuật toán đánh số giống nhau ở hai hệ: 0 là không mã hóa (null), 1 dựa trên SNOW 3G, 2 dựa trên AES, 3 dựa trên ZUC. LTE gọi là EEA/EIA, NR gọi là NEA/NIA. Khi handover, trạm gốc nguồn suy ra khóa cho trạm đích (KeNB, KgNB) từ khóa hiện tại và PCI, tần số của cell đích, xem Connected Mode & Mobility.

Đọc thêm

• 3GPP TS 23.401 mục 5.3.2: E-UTRAN Initial Attach.
• 3GPP TS 23.502 mục 4.2.2 (Registration) và 4.3.2 (PDU Session Establishment).
• 3GPP TS 24.301 (NAS của EPS) và TS 24.501 (NAS của 5GS).
• 3GPP TS 33.401 (bảo mật EPS) và TS 33.501 (bảo mật 5GS).
• 3GPP TS 36.413 (S1AP), TS 38.413 (NGAP), TS 38.463 (E1AP).
• TLS: so sánh cách suy khóa phiên ở một giao thức bảo mật khác.