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N4 — SMF ⇔ UPF（PFCP 参照点）

難易度: 中級 ／ 想定学習時間: 20分 ／ 接続点: SMF ⇔ UPF ／ Protocol: PFCP over UDP ／ 関連Interface: N3

学習目標

このページを読み終えると、次のことができるようになります。

  • N4が制御側SMFと転送側UPFを結ぶインターフェースであることを説明できる。
  • N4のProtocolスタック（PFCP / UDP / IP）とポート(8805)を言える。
  • N4の2層の手続き（Node手続き / Session手続き）を区別できる。
  • SMFがUPFへ配布する PDR / FAR / QER / URR ルールが何をするものかを説明できる。
  • N4がCUPS（制御と転送の分離）の要である理由を説明できる。
  • 4G(EPC)のSx（Sxa/Sxb/Sxc）との対応関係を説明できる。

前提知識

先に以下を理解しておくとスムーズです。

Why — なぜ必要なのか

5Gでは「セッションをどう張り、どう転送させるか」を決める制御(頭脳＝SMF)と、実際にパケットを流す転送(土管＝UPF)を明確に分けました。これが CUPS（Control and User Plane Separation、制御と転送の分離） です。ところが分離しただけでは、頭脳(SMF)が下した判断が土管(UPF)に伝わりません。UPFはただの空の管のままで、「どのパケットを・どこへ・どの品質で流すか」を知りません。

そこで、制御側SMFが転送側UPFに指示を送り込む専用の道が必要になります。これがN4です。SMFはN4を通じてUPFに「このパケットはこう検出し、こう転送し、この品質で、量はこう計測せよ」というルールを配布します。N4が無ければ、SMFはUPFを操作できず、CUPSは成立せず、ユーザデータは1バイトも流れません。

例え話: N4は管制塔(SMF)と現場の作業員(UPF)をつなぐ無線回線です。管制塔は自分で荷物を運びませんが、無線で「あの荷物はこのレーンへ、優先度は高で」と指示を飛ばします。現場はその指示どおりに動きます。この指示を運ぶ回線がN4です。

Overview — 概要

N4は SMF ⇔ UPF を結ぶ制御インターフェースです。上を流れるProtocolは PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）、その下は UDP over IP です。

N4の手続きは大きく2層に分かれます。

種別 説明 例
Node手続き (Node related) 特定セッションに紐づかない、SMFとUPFのノード間の基盤手続き PFCP Association Setup, Heartbeat
Session手続き (Session related) 個々のPDUセッション（N4セッション）に紐づく手続き PFCP Session Establishment / Modification / Deletion

N4の中核は、SMFがUPFへ配布する4種類の転送ルール PDR / FAR / QER / URR です。これらをUPFに設定することで、SMFはUPFの転送挙動を細かく制御します。

Basic Concept — 初心者向け説明

N4を本部(SMF)から配送センター(UPF)へ渡す指示書のやり取りに例えます。

  • まず、本部と配送センターが業務を始める前に「これから連携します」という開設手続き(PFCP Association Setup)を行います。これは特定の荷物とは無関係な、ノード同士の準備です。
  • その後、荷物(PDUセッション)ごとに本部が指示書(N4セッション)を作り、配送センターへ渡します(PFCP Session Establishment)。内容が変わればその都度更新し(Modification)、不要になれば破棄します(Deletion)。
  • さらに、相手がちゃんと生きているか定期的に声かけ(Heartbeat)をして、応答が無ければ障害と判断します。

指示書の中身は4種類のルールに分かれます。難しい略語ですが、やっていることは単純です。

  • PDR（検出） … 入ってきたパケットが「どのルールに該当するか」を見分ける。
  • FAR（転送） … 見分けたパケットをどう扱うか（転送/破棄/バッファ、どこへ出すか）を決める。
  • QER（QoS） … パケットに品質（帯域制限・優先度）を適用する。
  • URR（計測） … パケットの使用量を計測し、SMFへ報告する（課金や上限管理の材料）。

つまりN4は「本部が現場に渡す指示書の配送路」であり、その指示書の中身が PDR/FAR/QER/URR です。

Protocol / Transport

項目 内容
Protocol PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）— TS 29.244
下位Transport UDP over IP
ポート UDP 8805
特徴 Node手続き（Association/Heartbeat）とSession手続き（Establishment/Modification/Deletion）の2層。PDR/FAR/QER/URRのルールを搬送。信頼性はPFCPアプリ層の再送で担保

なぜTCPでなくUDP＋アプリ再送か

PFCPは下位にUDPを用い、メッセージの信頼性（欠落時の再送）はPFCPアプリケーション層自身が担います。TCPのようなコネクション・順序制御のオーバーヘッドを避け、多数のセッションを軽量に扱うための設計です。制御メッセージごとにRequest/Responseを対応づけ、応答が来なければ再送します（具体的な再送回数・タイマ値は実装/構成に依存し要確認）。これは4GのCUPS（Sxインターフェース）から引き継いだ設計です。

Architecture

N4がSMFとUPFを結び、制御(N4)とデータ(N3/N6)が分離される様子を示します。

flowchart LR
  gNB["gNB (基地局)"]
  SMF["SMF (制御)"]
  UPF["UPF (転送)"]
  DN[(Data Network)]

  SMF == "N4 (PFCP / UDP:8805)" ==> UPF
  gNB -- "N3 (GTP-U ユーザデータ)" --> UPF
  UPF -- "N6" --> DN

  classDef ctrl fill:#efe,stroke:#3a3,stroke-width:2px;
  classDef uplane fill:#eef,stroke:#66f,stroke-width:2px;
  class SMF ctrl;
  class UPF uplane;

図の読み方: 太い線(==>)がN4の制御シグナリングで、緑のSMF(制御側)がUPFへ PDR/FAR/QER/URR のルールを配布します。SMF自身はユーザデータを扱いません。実データは gNB からN3(GTP-U)で青のUPF(転送側)に入り、UPFがN6でDNへ抜けます。色分けのとおり、制御はN4、ユーザデータはN3/N6という分離がCUPSの要です。N4のポートはUDP 8805 です。

利用Procedure

N4は、まずノード同士を結び、その上に個々のセッションを載せる2段構えで使われます。

  • PFCP Association Setup: N4の初手。SMFとUPFがノード間のアソシエーション（連携関係）を確立する（Node手続き）。以降のSession手続きの土台。
  • PFCP Session Establishment: PDUセッション確立に伴い、SMFがUPFへ PDR/FAR/QER/URR を初期投入し、N4セッションを作る（Session手続き）。
  • PFCP Session Modification: gNB側のN3情報の反映やQoS変更など、確立後のルール更新（Session手続き）。
  • PFCP Session Deletion: PDUセッション解放に伴い、N4セッションを削除（Session手続き）。
  • Heartbeat: ノードの死活監視（Node手続き）。

PDU Session Establishment では、SMFがUPF選択(UPF selection)の後に N4 Session Establishment でルールを投入します。続いてgNB側のN3 TEIDが返ってきたら N4 Session Modification で反映して、ユーザプレーンを疎通させます。この Establishment→Modification の2段構え を含む詳しい流れは PDU Session Establishment を参照してください（本ページでは手順の詳細は繰り返しません）。

主なMessage

N4を流れる代表的なPFCPメッセージです。

メッセージ 種別 用途
PFCP Association Setup Request / Response Node手続き SMF-UPF間のアソシエーション確立
PFCP Session Establishment Request / Response Session手続き N4セッション確立（PDR/FAR/QER/URRの初期投入）
PFCP Session Modification Request / Response Session手続き ルール更新（N3 TEID反映・QoS変更等）
PFCP Session Deletion Request / Response Session手続き N4セッション削除
PFCP Session Report Request / Response Session手続き UPF発の報告（URRの使用量報告やパケット到来通知等）
PFCP Heartbeat Request / Response Node手続き ノードの死活監視

各メッセージの詳細は Message辞典 を参照してください。

Packet Analysis (Wireshark)

N4はPFCP、その下はUDPとして観測されます。

目的 Display Filter
PFCPメッセージを抽出 pfcp
下位UDPを見る udp
N4ポートで絞る udp.port == 8805

Decodeの見どころ:

  • PFCPの Message Type でメッセージ種別（Association Setup, Session Establishment 等）を識別できます。
  • Session Establishment / Modification では、PFCPメッセージ内の IE（Information Element） の中に Create PDR / Create FAR / Create QER / Create URR といったルール本体が入れ子で運ばれます。この「IEの中にルールが詰まっている」構造がN4理解の要です。
  • Association Setup / Heartbeat では、SMFとUPFのノード情報（Node ID）や、Recovery Time Stamp 等が確認できます。障害後の再起動検出に使われます。
  • ルールのIE構成・適用順序の細部は版により異なり、一部は要確認です。

EPCとの比較

  • 4Gでは: 制御/転送分離(CUPS)は後付けのオプションとして導入され、その制御インターフェースが Sxa / Sxb / Sxc でした。上を流れるProtocolは PFCP（TS 29.244）で、SGW-C/U、PGW-C/U、TDF-C/U 間を結びました。
  • 5Gでは: SMF(制御)とUPF(転送)の分離を最初から標準アーキテクチャとし、その制御インターフェースが N4 です。上を流れるProtocolは4Gと同じ PFCP（TS 29.244）です。PFCPは4GのCUPSで生まれ、5Gでそのまま標準採用されました。
4G (EPC) 5G (5GC)
Sxa / Sxb / Sxc（CUPS、後付けオプション） N4（CUPS標準化）
PFCP（TS 29.244） PFCP（TS 29.244、共通）
UDP over IP UDP over IP
PDR/FAR/QER/URR で転送制御 PDR/FAR/QER/URR で転送制御（共通）

PFCPは4G由来で5Gと共通

PFCP（TS 29.244）は4GのCUPS（Sxインターフェース）のために標準化され、5Gでも同じ仕様がN4に採用されました。プロトコル・ルール（PDR/FAR/QER/URR）は4Gと5Gで共通です。違いは「4Gでは後付けオプション、5Gでは標準アーキテクチャ」という位置づけにあります。

3GPP Specification

  • 3GPP TS 29.244 — PFCP（Packet Forwarding Control Protocol）。N4/Sxのセッション制御、PDR/FAR/QER/URR等のルール。個別章番号は要確認
  • 3GPP TS 23.501 §4 — システムアーキテクチャと参照点（N4の定義）
  • 3GPP TS 23.502 — PDU Session Establishment 等、N4手続きを含む手続きフロー（章番号は版により変動、要確認）

Summary

  • N4は SMF ⇔ UPF を結ぶ制御インターフェースで、ProtocolはPFCP。
  • 下位Transportは UDP over IP、ポートは 8805。信頼性はPFCPアプリ層の再送で担保。
  • 手続きはNode手続き（Association Setup, Heartbeat）とSession手続き（Session Establishment/Modification/Deletion）の2層。
  • N4の中核は、SMFがUPFへ配布する PDR（検出）/ FAR（転送）/ QER（QoS）/ URR（計測） のルール。
  • N4はCUPS（制御と転送の分離）の要であり、制御はN4、ユーザデータはN3/N6に分かれる。
  • 4GのSx（Sxa/Sxb/Sxc）に相当し、PFCP（TS 29.244）は4G由来で5Gと共通。

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