5Gコアとネットワークスライシング

5Gコアがなぜ作り直されたか

4G（EPC）のコアは、MMEやSGW/PGWといった専用機能ブロックが固定的に連なる構成でした。機能追加のたびに各ノードへ改修が波及し、トラフィックの増減に合わせて特定機能だけをスケールさせることも困難でした。5Gコア（5GC）は、この構造を通信キャリア網の内部にまでSDN的な発想を持ち込むことで刷新しています。コントロールプレーンの機能を細粒度のサービス群に分解し、汎用の仮想化基盤の上でソフトウェアとして展開する——これが5GCの設計思想です。

サービスベースアーキテクチャ（SBA）

5GCの中核は**SBA（Service-Based Architecture）です。従来のように機能ブロックを点対点のインターフェースで固定的につなぐのではなく、各機能を独立したNF（Network Function）**として実装し、共通のAPI経由で疎結合に呼び出し合います。代表的なNFは次のとおりです。

NF同士は**SBI（Service-Based Interface）**と呼ばれる共通APIで通信します。これはHTTP/2上にJSONペイロードを載せたRESTライクな設計で、各NFはNFサービスをNRFへ登録し、他のNFはNRFに問い合わせて必要なサービスを発見します。マイクロサービス的なサービスディスカバリの仕組みそのものであり、通信の実体はHTTP/2フレームなので、輻輳制御やヘッダ圧縮といった基盤技術は一般的なHTTPの進化と地続きです。

NF間の呼び出しは、あるNFが必要とするサービスを要求する側と提供する側に分かれ、提供側（NF Service Producer）が要求側（NF Service Consumer）へレスポンスを返す構造です。この認証には相互に身元を確認する仕組みが要り、実運用ではNF間通信をmTLSで相互認証し、トークンベースの認可（OAuth2.0）と組み合わせるのが標準的です。

CUPS：コントロールプレーンとユーザプレーンの分離

5GCの転送を担うNFであるSMFとUPFの関係は、**CUPS（Control and User Plane Separation）**という原則で規定されています。CUPSはもともと4G EPCのSGW/PGWにも導入された考え方で、5GCではSMFとUPFという形でアーキテクチャの前提そのものに組み込まれています。

• SMF（コントロールプレーン）はPDUセッションの確立・変更・解放を判断し、UPFに対してどのパケットをどう転送するかのルール（PFCPのPDR/FAR等）を配布します。
• UPF（ユーザプレーン）は実際のパケットをSMFから受け取ったルールどおりに転送するだけで、経路や課金ポリシーを自分では判断しません。

両者はN4インターフェース（PFCP: Packet Forwarding Control Protocol）で結ばれます。SMFがUPFへ配るルールは、PDR（Packet Detection Rule、どのパケットか）、FAR（Forwarding Action Rule、どう転送するか）、QER（QoS Enforcement Rule）、URR（Usage Reporting Rule）の組で表現され、これはSDNのフローテーブルのmatch/actionと同じ発想です。

CUPSの構造（N4=PFCP）:

  [SMF] ──N4(PFCP: PDR/FAR/QER/URR)──▶ [UPF]
   コントロールプレーン                 ユーザプレーン
   セッション制御・ポリシー判断          パケット転送・QoS適用・課金計測

  UE ──PDUセッション─▶ [UPF] ──N6──▶ データネットワーク
                        （SMFの指示どおり転送するのみ）

CUPSが分離をもたらす最大の利点は、UPFを端末に地理的・論理的に近い場所へ自由に配置できることです。コントロールプレーンのシグナリングは中央のSMFに集約したまま、実データの転送だけをエッジ側のUPFで完結させれば、往復の伝搬遅延を大きく削減できます。これはモバイルエッジコンピューティング（MEC）が低遅延を実現する土台であり、SMFは複数のUPFを状況に応じて選択・切替できます。

ネットワークスライシング：論理分割とQoS保証

ネットワークスライスは、同一の物理インフラの上に、用途ごとに独立したふるまいをする論理的な網を複数重ねる仕組みです。代表的な想定用途は次の3系統に整理されます。

各スライスは**S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information）**という識別子で区別されます。S-NSSAIはSST（Slice/Service Type、eMBB/URLLC/mMTC等の種別）とオプションのSD（Slice Differentiator、同一SST内でテナントなどをさらに区別する値）の組で構成されます。端末が登録要求時に希望するS-NSSAIの集合（NSSAI）を提示すると、NSSFが加入者情報やポリシーと突き合わせて実際に割り当てるスライスを選定し、そのスライス専用（または共用）のAMF/SMF/UPFの組へルーティングします。

スライスごとの分離は、単なるVLANのようなタグ付けにとどまりません。各スライスは専用のNFインスタンス（あるいは共用NFの中でスライスごとに分けられたリソースプール）を持てるため、あるスライスの過負荷が別スライスのAMF処理やUPF転送性能に波及しないリソース面の隔離を実現できます。物理網をまたいだ論理分離という点では、データセンター内でVXLANが1つの物理ファブリック上に複数の論理L2網を重ねるのと同じ抽象化の発想です。

QoSの保証は、5QI（5G QoS Identifier）という標準化されたQoSクラス識別子を軸に行われます。5QIには許容遅延・許容パケット損失率・優先度などが対応づけられており、QERを通じてUPFがこれをスケジューリング・帯域制御として実装します。スライス単位でのQoS保証は、あるスライスに割り当てたリソース（無線リソース、UPFの処理能力、トランスポート網の帯域）を他スライスから隔離しつつ、QoSの優先制御・帯域制御の仕組みをスライス内のフローにも適用する、という二層構造で実現されます。

まとめ

5Gコアは、4Gまでの固定的な機能ブロック構成をSBAへ刷新し、NF同士をHTTP/2ベースのSBIとNRFによる発見機構で疎結合につなぐことで、個々の機能を独立にスケール・更新できるようにしました。CUPSはSMFとUPFをPFCPで分離し、コントロールプレーンを中央に集約したままユーザプレーンだけを端末近くへ分散配置することで低遅延を実現します。ネットワークスライシングはS-NSSAIで識別される論理網を同一物理基盤上に重ね、NFリソースの隔離と5QI/QERによるQoS適用の二層構造で、eMBB・URLLC・mMTCという相反する要求を1つの網で同時に満たします。これらはいずれもNFVI上の仮想化基盤があって初めて成立する設計であり、5Gコアはネットワーク機能そのものをソフトウェアとして扱うという発想の到達点だと言えます。