コンテンツにスキップ

SMF — Session Management Function

難易度: 中級 ／ 想定学習時間: 20分 ／ 関連NF: AMF, UPF, PCF, UDM, CHF ／ 関連Interface: N4, N7, N10, N11相当（Namf/Nsmf）, N40

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。

  • SMFが5GCで果たす役割（PDUセッション管理・UPF制御）を一言で説明できる。
  • SMFがどのInterface（N4/N7/N10/N11相当 ほか）を終端し、どのNFと連携するかを図示できる。
  • CUPS（制御プレーンSMFと転送プレーンUPFの分離）における「制御側」としてのSMFの位置づけを説明できる。
  • SMFがUPFをN4(PFCP)でどう制御し、IPアドレス割当やQoSをどう扱うかを説明できる。
  • PDU Session Establishment手続きの中でSMFがどう動くかの概要を説明できる（詳細はPDU Session章へ）。
  • 4G(EPC)のPGW-C/SGW-C（＋MMEの一部）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。

この章で学べること

まずWhy（SMFが無いと何が困るか）から入り、What（SMFの役割・保持情報・API）を表とMermaid図で整理し、最後にHow（PDUセッション確立での登場、EPC比較、参照Spec）へと進みます。

本ページはSMFのNFとしての役割・SBIサービス・アーキ位置に焦点を当てます。PDU Session Establishment の手順の詳細（Call Flow、QoS Flow、N4/N3の2段確立など）は PDU Session Establishment に集約しているため、そちらへ誘導します。

「N11相当」という表記について

本サイトでは AMF⇔SMF 間を「N11相当（Namf/Nsmf）」と表記します。3GPPのアーキテクチャ図では参照点として N11 が示されますが、SBA（サービス化）ではこれが実体として Namf/Nsmf のSBIサービスとして実装されるためです（詳細は Interface節）。

Why — なぜ必要なのか

UEが登録(Registration)し認証(Authentication)を済ませても、それだけではユーザデータは流れません。実際にデータを通すには、UEからUPF(User Plane Function)を経由してDN(Data Network)へ抜ける論理的なパイプ(PDUセッション)を張り、維持し、いずれ解放する必要があります。このセッションのライフサイクルを一手に管理する専任のNFが必要です。これがSMFです。

もう一つの鍵がCUPS（Control and User Plane Separation、制御と転送の分離）です。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)と、実際にパケットを流す転送(土管)を明確に分けました。SMFが制御側（頭脳）、UPFが転送側（土管）です。SMFが無いと、UPFに「このパケットをこう転送しろ」と指示する主体がおらず、土管はただの空の管のままです。

例え話: SMFは工場の生産ライン管理者（ラインマネージャ）です。マネージャ自身がベルトコンベア（UPF）で物を運ぶわけではありませんが、「どのラインを立ち上げ、どの速度・優先度で流し、どこへ出荷するか」を決め、現場（UPF）に指示書（N4/PFCPのルール）を渡します。運ぶのは現場、決めるのはマネージャ、という指揮と実行の分業がCUPSです。

Overview — 概要

SMF（Session Management Function）は、PDUセッションのライフサイクル管理を担う制御プレーンのNFです。UEからのセッション管理NAS（SM NAS / 5GSM）をAMF経由で受け取って終端し、UPFの選択とN4(PFCP)によるUPF制御、UEへのIPアドレス割当、PCFと連携したQoS/課金ポリシー（PCC: Policy and Charging Control）の適用を行います。CUPSにおける制御側であり、転送はUPFに委ねて「こう転送しろ」と指示することに徹します。

Basic Concept — 初心者向け説明

SMFを、旅行の手配担当（コーディネータ）に例えます。あなた（UE）が「目的地（DN）まで行きたい」と申し込む（PDUセッション要求）と、手配担当（SMF）が動き出します。まず契約内容（加入者データ）を人事窓口（UDM）に確認し、必要ならサービス品質のルール（QoS/課金ポリシー）を規約部門（PCF）に問い合わせます。そのうえでどの交通手段（どのUPF）を使うかを選び、あなたの座席番号（IPアドレス）を割り当て、運行会社（UPF）へ運行指示書（N4/PFCPのルール）を渡します。

ここで押さえるべきは、手配担当（SMF）は自分で運転はしないという点です。実際にパケットを運ぶのはUPF。SMFは「誰を・どこへ・どの品質で運ぶか」を決めて指示するだけ、という分業（CUPS）になっています。

SMFが管理する主なものは次の4つです。

  • PDUセッション … データを運ぶ論理パイプ。確立・変更・解放の全ライフサイクルを管理。
  • UPFの制御 … どのUPFを使うか選び、N4(PFCP)で転送ルールを設定。
  • IPアドレス … UEに割り当てるIP（PDUセッションごと）の管理。
  • QoS/課金ポリシー … PCFから受けたルール（PCC rule）をUPFへ落とし込む。

Network Function 詳細

項目 内容
役割 PDUセッションのライフサイクル管理（確立/変更/解放）。SM NAS(5GSM)の終端。UPF選択とN4(PFCP)によるUPF制御。UEへのIPアドレス割当。PCF連携によるQoS/課金ポリシー(PCC)適用。CUPSの制御側。
保持情報 SMコンテキスト（PDU Session ID, UE IPアドレス, (DNN, S-NSSAI), 選択UPF情報, QoS Flow(QFI/5QI), PCC rule, セッション状態 等）
利用する主なAPI（他NFへ呼ぶ） Nudm（SDM: セッション管理加入データ取得, UECM: 登録）, Npcf（SMPolicyControl）, Nnrf（Discovery: UPF/PCF選択支援）, Nchf（課金 ※実装/構成依存）
提供するAPI（自分が公開） Nsmf（PDUSession, EventExposure 等）— 3GPP TS 29.502
制御するプロトコル N4上の PFCP（UPFへ PDR/FAR/QER 等の転送規則を設定）— 3GPP TS 29.244
関連Interface N4（UPF）, N7（PCF）, N10（UDM）, N11相当（AMFとのNamf/Nsmf）, N40（CHF ※任意/実装依存）
障害時の影響 PDUセッションの確立・変更・解放が不可となり、配下UEはデータ通信できない（重大）

SM NAS（5GSM）の終端について: UEのセッション管理メッセージ（PDU Session Establishment Request 等）は SM NAS(5GSM) で、MM NAS(5GMM)の中にネストされてN1を通ります。AMFはこのSM NASの中身を解釈せず、SMF選択(SMF selection)を行ってSMFへ中継します。SM NASを実際に終端・処理する主体はSMFです（根拠 TS 24.501 §6.4 / TS 23.502 §4.3.2.2。章番号は版により変動、要確認）。

Architecture

SMFは5GC制御プレーンでPDUセッション管理の司令塔として位置し、AMFから要求を受け、UPFを制御し、UDM/PCF/CHFと連携します。

flowchart LR
  AMF["AMF"]
  SMF["SMF"]
  UPF["UPF (転送)"]
  UDM["UDM"]
  PCF["PCF"]
  CHF["CHF (課金)"]
  DN[(Data Network)]

  AMF -- "N11相当 (Namf/Nsmf)" --> SMF
  SMF -- "N10 (Nudm)" --> UDM
  SMF -- "N7 (Npcf)" --> PCF
  SMF -- "N40 (Nchf) ※任意" -.-> CHF
  SMF == "N4 (PFCP)" ==> UPF
  UPF == "N6" ==> DN

図の読み方: SMFはAMFから（N11相当のNamf/Nsmf経由で）SM NASとセッション要求を受け取ります。UDM(N10)で加入データを、PCF(N7)でQoS/課金ポリシーを取得し、必要に応じてCHF(N40)へ課金連携します。そのうえでN4(PFCP)でUPFを制御（太線）し、UPFがN6でDNへパケットを転送します。SMFは制御に徹し、実データはUPF側（太線区間）を流れる点がCUPSの要です。

Interface

SMFが終端する主なInterfaceと役割です。

Interface 両端 Protocol 役割
N4 SMF ⇔ UPF PFCP（UDP） UPFへの転送規則設定(PDR/FAR/QER)。CUPSの制御↔転送インターフェース
N7 SMF ⇔ PCF SBI（Npcf） SMポリシー(PCC rule)・認可QoS・課金方針の取得
N10 SMF ⇔ UDM SBI（Nudm） セッション管理加入データ(許可DNN/S-NSSAI 等)取得・UECM登録
N11相当 AMF ⇔ SMF SBI（Namf/Nsmf） AMFからのSM NAS/セッション要求の受け渡し（Nsmf_PDUSession 等）
N40 SMF ⇔ CHF SBI（Nchf） 課金（オンライン/オフライン）連携 ※任意/実装・構成依存

N11の扱いについて: AMF⇔SMF間は、3GPPのアーキテクチャ図では参照点として N11 と示されますが、SBA(サービス化)では実体として Namf/Nsmf のSBIサービスでやり取りされます。本サイトではこれを「N11相当（Namf/Nsmf）」と表記します。詳細は Interface辞典 を参照してください。

個別Interfaceページ（N4 / N7 / N40）も参照できます。用語は Interface辞典、PFCP等のプロトコルは Protocol辞典 を参照してください。

Procedure での登場

PDU Session Establishment（PDUセッション確立） では、SMFが手続きの主体になります。おおまかには次のように動きます。

  1. AMFから Nsmf_PDUSession_CreateSMContext でSM NASとセッション要求を受け取る。
  2. UDM(N10) からセッション管理加入データ（許可DNN/S-NSSAI、既定QoS 等）を取得する。
  3. （任意/条件付きで）PCF(N7) から SM Policy（PCC rule / 認可QoS）を取得する。
  4. UEのIPアドレスを割り当て、UPFを選択(UPF selection)する。
  5. N4(PFCP)でUPFに転送規則(PDR/FAR/QER)を設定する。
  6. AMF経由でUEへ PDU Session Establishment Accept を返し、gNB側のU-Planeリソース設定を促す。
  7. gNB側のN3情報が返ってきたら N4 Modification でUPFへ反映し、ユーザプレーンを疎通させる。

これらの詳細なCall Flow・メッセージIE・QoS Flow・N4/N3の2段確立は PDU Session Establishment に集約しています。手順の詳細はそちらを参照してください。

EPCとの比較

  • 4Gでは: セッション管理（ベアラ制御）は主に PGW-C / SGW-C が担い、その一部の制御は MME も担っていました。転送は PGW-U / SGW-U が担当し、両者の分離（CUPS）は後付けのオプション（Sxインターフェース）として導入されました。
  • 5Gでは: セッション管理の制御機能を SMF に集約し、アクセス/モビリティ管理のAMFとは明確に分離しました。さらに転送は UPF に分離し、その間を N4(PFCP) で結ぶ CUPSを最初から標準アーキテクチャとしています。これにより制御と転送を独立にスケールできます。
4G (EPC) 5G (5GC)
PGW-C / SGW-C（セッション管理・制御部） SMF
MME（セッション管理の一部） SMF（一部）／ AMF（モビリティ側）
PGW-U / SGW-U（転送部） UPF
Sx（PGW-C/U 分離、後付けオプション） N4（PFCP、標準化）

CUPSは5Gで標準化された

4Gでも後期にCUPS（PGW-C/PGW-U + Sxインターフェース）が導入されましたが、5Gでは最初から SMF/UPF 分離が標準アーキテクチャであり、その制御インターフェースが N4(PFCP) です。SMFはこの「制御側」を専任するNFとして設計されています。

Release差分

  • Rel-15: SMFの基本機能（PDUセッション管理、SM NAS終端、UPF選択・N4(PFCP)制御、IPアドレス割当、PCF連携）を規定。
  • Rel-16: 機能拡張（例: TSC(時間高精度通信)・Ethernet PDU・I-SMF(Intermediate SMF)導入 等）。具体的な章番号・織り込み範囲は要確認。
  • Rel-17: さらなる拡張。具体項目・章番号は要確認。

Release差分は要確認

各Releaseで「SMFの機能」にどの拡張がどこまで織り込まれたかは、対象TSの版差分を個別に確認する必要があります。上記は概観であり、具体項目は要確認です。

3GPP Specification

Spec 章 内容
TS 23.501 §6.2.2 SMFの機能定義（Network Function の役割）
TS 23.502 §4.3.2.2 PDU Session Establishment 等の手続きでのSMFの動作（章番号は版により変動、要確認）
TS 29.502 — Nsmf サービス（PDUSession のAPI）。個別章番号は要確認
TS 29.244 — PFCP（N4のセッション制御、PDR/FAR/QER 等）。個別章番号は要確認
TS 32.290 系 — 課金アーキテクチャ（Nchf/N40 連携）。SMFの課金関連の扱いは実装/構成依存であり要確認

章番号・課金(N40)の扱い

TS 23.501 §6.2.2（SMFの機能定義）は ETSI 公開版（Rel-17）で確定した節番号です。TS 29.502 / TS 29.244 の個別章番号は版により異なる場合があり要確認とします。SMFのオンライン/オフライン課金連携（Nchf/N40）は構成により有無・経路が変わる実装/構成依存の要素です。

Summary

  • SMFはPDUセッションのライフサイクル（確立・変更・解放）を管理する制御プレーンのNF。
  • SM NAS(5GSM)を終端し、UPFを選択して N4(PFCP) で制御する CUPSの制御側（頭脳）。転送はUPF（土管）に委ねる。
  • 役割の要は、UPF制御・IPアドレス割当・QoS/課金ポリシー(PCC)適用（PCF連携）。
  • 終端Interfaceは N4（UPF）・N7（PCF）・N10（UDM）・N11相当（AMF）。課金(N40/CHF)は任意/実装依存。
  • 4GのPGW-C/SGW-C（＋MMEの一部）に相当し、転送をUPFへ分離してCUPSを標準化した。
  • PDUセッション確立手順でSMFが主役。詳細な手順は PDU Session Establishment を参照。

Next Step