コンテンツにスキップ

UPF — User Plane Function

難易度: 中級 ／ 想定学習時間: 20分 ／ 関連NF: SMF, gNB, PCF ／ 関連Interface: N3, N4, N6, N9

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。

  • UPFが5GCで果たす役割（ユーザプレーンの転送実体）を一言で説明できる。
  • UPFがSMFからN4(PFCP)で受けるルール（PDR/FAR/QER/URR）が何をするものかを説明できる。
  • UPFが終端するInterface（N3/N4/N6/N9）とその相手・用途を図示できる。
  • CUPS（制御SMFと転送UPFの分離）における「転送側」としてのUPFの位置づけを説明できる。
  • 4G(EPC)のSGW-U/PGW-Uとの対応関係（GTP-U共通、PFCP制御でCUPS標準化）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

Why（UPFが無いと何が困るか）から入り、What（UPFの役割・N4ルール・API）を表とMermaid図で整理し、最後にHow（PDUセッションでの登場、EPC比較、参照Spec）へ進みます。

本章はUPFというNFそのもの（役割・データプレーン処理・N4ルールの適用）に焦点を絞ります。UPFが登場する手続きの詳細（PDU Session Establishment のCall Flowや、N4のEstablishment→Modificationの2段構え）は PDU Session Establishment で扱います（本ページ後半の「Procedure での登場」から誘導）。

Why — なぜUPFが必要なのか

5GCの制御シグナリング（登録・認証・セッション管理）が全て済んでも、実際のユーザデータ（Webページ、動画、通話の中身）を運ぶ担当がいなければ、通信は成立しません。制御プレーンのNF（AMF/SMF/AUSF/UDM）は「段取り」を決めるだけで、パケットそのものは扱いません。このユーザデータのパケットを実際に転送する専任の担当がUPFです。

なぜ転送を専任のNFに分けるのでしょうか。これが CUPS（Control and User Plane Separation、制御プレーンとユーザプレーンの分離） の考え方です。制御（頭脳＝SMF）と転送（土管＝UPF）を分けると、次の利点があります。

  • 独立してスケールできる: 大量のトラフィックが流れても、転送側（UPF）だけを増強すればよい。制御側（SMF）は増やさなくてよい。
  • エッジ配置で低遅延にできる: UPFをユーザに近い場所（基地局の近く＝エッジ）に置けば、データがコア中央まで往復せず短い経路で抜けられる。どこにUPFを置くか（エッジか中央か）は実装/構成依存です。

例え話: UPFは郵便の仕分け・配送センターです。制御側（SMF）が「この荷物はこの宛先へ、この優先度で運べ」という配送指示書（N4ルール）を出し、配送センター（UPF）はその指示書どおりに荷物（パケット）を仕分け・転送します。配送センターは自分で宛先を決めず、指示書に従って淡々と大量の荷物を捌く実働部隊です。指示を出す本部（SMF）と、実際に荷物を運ぶセンター（UPF）を分けることで、荷物が増えたらセンターだけ増設でき、また利用者に近い場所にセンターを置けば配送が速くなります。

Overview — 概要

UPF（User Plane Function）は、5GCのユーザプレーン（データ転送）の実体です。SMFから N4(PFCP)（PFCP＝N4上でSMFがUPFを制御するプロトコル）で受け取ったルールに従って、ユーザデータのパケットを検出・転送・QoS適用・使用量計測します。無線側（gNB）とは N3(GTP-U)（GTP-U＝ユーザデータを運ぶトンネルプロトコル）で、データネットワーク側（DN: Data Network、インターネット等の外部網）とは N6 で、他のUPFとは N9(GTP-U) で接続します。

UPFは自分で判断せず、SMFの指示（N4ルール）に従って動く転送専任NFです。SBI（Service Based Interface）でサービスを公開する制御プレーンNFとは異なり、UPFはSBIを持たず、N4という専用インターフェースでSMFに制御されます。

Basic Concept — 初心者向け説明

UPFがやっていることは、突き詰めると「入ってきたパケットを見て、ルールに従って外に出す」だけです。この「ルール」がSMFからN4で渡される4種類の指示で、それぞれ役割が分かれています。荷物の配送に例えると分かりやすくなります。

ルール 正式名 何をするか 配送センターの例え
PDR Packet Detection Rule 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 荷物の宛名ラベルを見て「これはどの処理ラインの荷物か」を仕分ける
FAR Forwarding Action Rule 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 「この荷物はこのトラックで、この宛先へ運ぶ／保留する／破棄する」
QER QoS Enforcement Rule パケットにQoS（品質・帯域制限・優先度）を適用する 「この荷物は最優先便、こちらは通常便。1日あたりの量は上限まで」
URR Usage Reporting Rule パケットの使用量を計測し、SMFへ報告（課金や上限管理の材料） 「この宛先向けに何個運んだかをカウントし、本部へ報告する」

（根拠: PDR/FAR/QER/URR は TS 29.244（PFCP）で規定されるルール。各ルールのIE・詳細な適用順序は要確認。）

流れを一言でまとめると、UPFはおおむね 「パケットを見分ける（PDR）→ 品質を適用する（QER）→ 使用量を計測する（URR）→ 転送先へ送る（FAR）」 という処理を全パケットに対して高速に繰り返します。これがユーザプレーンの「土管」の中身です。ただし各ルールの厳密な適用順序はspecを要確認（TS 29.244）とし、ここでは概念的な流れとして示します。

Network Function 詳細

UPFの主な機能を整理します。

機能 内容
GTP-U終端（N3/N9） 無線側(gNB)との N3、UPF間の N9 で GTP-U トンネルを終端。TEID（トンネル識別子）でトンネルを識別する
N4ルール適用 SMFから N4(PFCP) で受けた PDR/FAR/QER/URR を適用し、パケットを検出・転送・QoS適用・計測する
パケットのルーティング/転送 ルール（FAR）に従いパケットを転送・破棄・バッファリング。上り（DN方向）・下り（UE方向）双方の転送を担う
QoS適用 QER に基づき、QoS Flow単位（QFI/5QI）でのレート制限・優先度制御・マーキング等を実施
使用量計測（課金） URR に基づきトラフィック量を計測し、SMFへ使用量報告（Usage Report）。課金・使用量上限管理の基礎となる
DN接続（N6） N6 でデータネットワーク（インターネット、IMS、社内網等）へ抜ける出口。ルーティング/NAT等の具体はネットワーク構成に依存（実装依存）
上り方向のルーティング 上り(UE→DN)パケットの分類・転送。宛先やトラフィック種別に応じたルーティング
パケット検査 パケットヘッダの検出(PDRのマッチング)を行う。より深い検査(DPI等、アプリ識別)の可否・範囲は実装依存
UL CL / Branching Point 複数のUPF/DNへの分岐（Uplink Classifier / Branching Point）を担う構成もある。採用有無・配置は実装/構成依存
PDU Session アンカー セッションのIPアンカー（PSA: PDU Session Anchor＝セッション中UEのIPを保持する固定出口）となるUPFとしての役割。SSC mode（Session and Service Continuity mode: セッション継続性のモード、詳細は上級）により維持/変更（構成依存）
項目 内容
制御方法 SBIを持たず、N4(PFCP) でSMFに制御される（他NFのようにサービスAPIを公開しない）
保持情報 N4セッション（PDR/FAR/QER/URR等の転送規則）、TEID、UE IP、使用量カウンタ
関連Interface N3（gNB, GTP-U）, N4（SMF, PFCP）, N6（DN）, N9（他UPF, GTP-U）
障害時の影響 配下のユーザデータが流れなくなる（土管の断。制御は生きていてもデータ通信不可）

UL CL / Branching Point / エッジ配置について: 上りトラフィックを複数のUPFやローカルDN（エッジ）へ振り分ける UL CL（Uplink Classifier） や Branching Point、およびUPFをエッジに置くローカルブレイクアウト構成は、採用有無・配置ともに実装/構成依存です。3GPPは仕組み（TS 23.501）を規定しますが、実際に使うかどうかはオペレータ設計に委ねられます。本ページでは架空の配置例は示しません。

Architecture

UPFは5GCのユーザプレーンに位置し、制御プレーンのSMFにN4で制御される「転送実体」です。CUPSにより、制御（SMF）と転送（UPF）が分離されている点がこの章の主役です。

flowchart LR
  gNB["gNB (基地局)"]
  SMF["SMF (制御)"]
  UPF["UPF (転送)"]
  UPF2["他UPF"]
  DN[(Data Network)]

  SMF -- "N4 (PFCP) 制御" --> UPF
  gNB == "N3 (GTP-U)" ==> UPF
  UPF == "N9 (GTP-U)" ==> UPF2
  UPF == "N6" ==> DN

図の読み方: SMFはN4(PFCP)でUPFに転送ルール（PDR/FAR/QER/URR）を指示しますが、SMF自身はユーザデータを扱いません（細い制御線）。実データ（太線）は gNB からN3(GTP-U)でUPFへ入り、UPFがN6でDNへ抜けます。複数UPFを経由する場合はUPF間をN9(GTP-U)で結びます。制御（N4）と転送（N3/N6/N9）が分かれているのがCUPSです。

なお、UPFをエッジ（基地局近傍）に置くか中央に置くか、UL CL/Branching Point で分岐させるかは実装/構成依存であり、上図は基本形です。

Interface

UPFが終端する主なInterfaceと役割です。

Interface 両端 Protocol 役割
N3 gNB ⇔ UPF GTP-U 無線アクセス側のユーザプレーントンネル。UEのデータパケットをTEIDで識別して運ぶ
N4 SMF ⇔ UPF PFCP SMFがUPFへ転送規則(PDR/FAR/QER/URR)を設定・制御する（CUPSの制御線）
N6 UPF ⇔ DN （IP等） データネットワーク（インターネット/IMS/社内網等）への接続口
N9 UPF ⇔ UPF GTP-U UPF間のユーザプレーントンネル（複数UPF構成やホームルーテッドローミング等）

各Interfaceの個別ページ（N3 / N4 / N6 / N9）も参照できます。一覧は Interface辞典、GTP-U / PFCP の詳細は 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） において、UPFは転送実体として登場します。SMFがUPF選択(UPF selection)を行い、N4 Session Establishment(PFCP) で PDR/FAR/QER 等のルールをUPFに設定します。このときUPF側のN3 TEIDが割り当てられ、その後 N4 Session Modification でgNB側のN3 TEIDが反映されて、上下のGTP-Uトンネルが揃い、ユーザプレーンが疎通します。

つまりUPFは、SMFから「こう転送しろ」というルールを受け取って準備し、TEID交換が完了した時点でデータが流れ始めます。

この N4のEstablishment→Modificationの2段構え を含む詳しいCall Flow（メッセージ順序・IE・状態遷移）は、重複を避けるため 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。

EPCとの比較

  • 4Gでは: ユーザプレーンの転送は SGW-U / PGW-U（S-GW/P-GWのユーザプレーン部分）が担っていました。当初は制御と転送が一体でしたが、4G後期に CUPS（PGW-C/PGW-U 等への分離、Sxインターフェース） がオプションとして導入されました。
  • 5Gでは: 転送機能を UPF に集約し、最初からSMF(制御)とUPF(転送)が分離した標準アーキテクチャになっています。その制御インターフェースが N4(PFCP) です。ユーザプレーンのトンネルは4Gと同じ GTP-U を N3/N9 で使います。
4G (EPC) 5G (5GC)
SGW-U / PGW-U（ユーザプレーン転送部） UPF
PGW-C / PGW-U 分離（CUPS, 後付けオプション） SMF / UPF 分離（CUPS標準化）
Sx（CUPSの制御IF） N4（PFCP）
GTP-U（S1-U / S5-U 等） GTP-U（N3 / N9）
APN（接続先指定） DNN（＋S-NSSAI〈スライス識別子〉でスライス指定）

CUPSは5Gで標準化された

4Gでも後期に制御/転送分離(CUPS)が導入されましたが、5Gでは最初からSMF/UPF分離が標準で、制御IFが N4(PFCP) です。転送プロトコルがGTP-Uである点は4Gから引き継がれています。

Release差分

不確かなものは要確認とし、断定しません。

  • Rel-15: UPFの基本機能（N3/N4/N6/N9終端、N4ルール適用、QoS適用、使用量計測、CUPS標準化）を規定。
  • Rel-16: Ethernet PDU / TSC（時間高精度通信）等の拡張に伴うユーザプレーン機能の拡充。具体的な章番号・織り込み範囲は要確認。
  • Rel-17以降: さらなる拡張が継続。具体項目・章番号は要確認。

UP完全性保護の実施主体について

ユーザプレーンの完全性保護・暗号化は、無線区間（UE⇔gNB, PDCP層）で行われるのが基本です。UPF（N3/N9のGTP-U区間）における保護の実施主体・範囲については仕様(TS 33.501)を個別確認する必要があり、本ページでは断定せず要確認とします。

3GPP Specification

Spec 章 内容
TS 23.501 §6.2.3 UPFの機能定義（Network Function の役割）
TS 23.501 §5.6 / §5.8 PDU Session・ユーザプレーン管理（UL CL/Branching Point等）。細目章番号は要確認
TS 23.502 §4.3.2.2 手続き（PDU Session Establishment 等）でのUPFの動作
TS 29.244 — PFCP（N4のセッション制御。PDR/FAR/QER/URR 等の規則）。個別章番号は要確認
TS 29.281 — GTP-U（N3/N9のユーザプレーントンネル）。個別章番号は要確認

章番号の扱い

TS 23.501 §6.2.3 はUPFの機能定義として参照しています。UL CL/Branching Point等の細目章番号、および TS 29.244（PFCP）/ TS 29.281（GTP-U）の個別章番号は版により異なる場合があり、一部は要確認としています。PDR/FAR/QER/URR の各IE・適用順序の細部も要確認です。

Summary

  • UPFは5GCのユーザプレーン（データ転送）の実体であり、SMFの指示どおりにパケットを転送する転送専任NF。
  • SMFから N4(PFCP) で PDR（検出）/FAR（転送）/QER（QoS）/URR（使用量計測） を受け取り、全パケットに適用する。
  • 終端Interfaceは N3（gNB, GTP-U）・N4（SMF, PFCP）・N6（DN）・N9（他UPF, GTP-U）。SBIは持たない。
  • CUPS により制御(SMF)と転送(UPF)が分離され、UPFだけを独立にスケール・エッジ配置できる（配置は実装/構成依存）。
  • 4GのSGW-U/PGW-Uに相当し、GTP-Uは共通、制御はN4(PFCP)でCUPSが標準化された。
  • UL CL/Branching Point・エッジ配置・DPI等の深い検査は実装/構成依存。

Next Step