5G用戶面加速之路該如何走

隨著5G的商用推進，4K/8K高清視頻、云游戲、遠程駕駛、工業(yè)控制等eMBB/URLLC應(yīng)用需求也日趨緊迫，它們對網(wǎng)絡(luò)提出了超低時延、超大帶寬的要求。而這些性能需求與網(wǎng)絡(luò)用戶面緊密相關(guān)，需要用戶面提供高效的數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1：5G典型場景對網(wǎng)絡(luò)的性能要求

但是隨著軟硬件解耦、COTS硬件的采用，以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化在電信領(lǐng)域的逐步普及，一方面降低了成本、提升了資源利用率，另一方面相對傳統(tǒng)專用硬件專用網(wǎng)絡(luò)而言性能有所下降。因此，基于虛擬化的純軟件用戶面無法勝任5G URLLC和部分eMBB的要求。

點面結(jié)合，加速5G用戶面

5G用戶面端到端性能的提升，涉及到方方面面。

首先，需要從網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)設(shè)計、部署層面分析和優(yōu)化，盡量縮短用戶面?zhèn)鬏斅窂健?/p>

其次，需要對網(wǎng)絡(luò)中每個轉(zhuǎn)發(fā)處理用戶面數(shù)據(jù)的網(wǎng)元/網(wǎng)絡(luò)功能進行優(yōu)化，提高單個節(jié)點的處理性能。

這是一個由“面”及“點”的性能提升過程。

“面”：基于CUPS的用戶面下沉，縮短轉(zhuǎn)發(fā)路徑

移動終端通過無線基站接入核心網(wǎng)后，如果核心網(wǎng)不是分布式的，那么終端訪問的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，就需要統(tǒng)一經(jīng)過集中的DC來轉(zhuǎn)發(fā)處理，當用戶處于較偏遠的鄉(xiāng)鎮(zhèn)時，時延勢必很大。

提升用戶面轉(zhuǎn)發(fā)性能，從組網(wǎng)架構(gòu)層面看，首先要求核心網(wǎng)是分布式。如下圖所示，核心網(wǎng)按需部署多級DC，相對中心DC而言，邊緣DC和接入DC更靠近終端用戶，控制面的信令仍然會上傳到中心DC處理，而用戶面數(shù)據(jù)則在邊緣或接入DC直接處理和分發(fā)，極大地減少了端到端的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，節(jié)省傳輸成本，降低傳輸時延。

圖2：分布式DC

核心網(wǎng)分布式部署后，從邊緣輕量化部署和管理的角度來看，需要將核心網(wǎng)的用戶面和控制面分離（即CUPS），只將用戶面按需下沉到邊緣或接入DC。CUPS的好處多多，一方面控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦，軟件管理/更新簡單、獨立；另一方面，控制面集中最大化資源利用率，解耦后的用戶面下沉減少了對邊緣資源的需求。

圖3：5G 天然CUPS架構(gòu)

因此，基于CUPS的分布式組網(wǎng)和用戶面的按需下沉，通過減少轉(zhuǎn)發(fā)路徑長度，一定程度上提升了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。用戶面端到端性能的提升，需要“點”與“面”的結(jié)合，面做到了提升，核心網(wǎng)中各個轉(zhuǎn)發(fā)處理“點”的性能是否有提升的空間呢？虛擬化的大趨勢下，用戶面網(wǎng)元（GW-U/UPF）基于X86架構(gòu)服務(wù)器部署，性能無法媲美專用硬件，電信運營商和廠商們迫切需要提升“點”的性能。

“點”：軟件架構(gòu)和邏輯優(yōu)化，提升轉(zhuǎn)發(fā)性能

對單個用戶面網(wǎng)元vGW-U或UPF而言，其數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)發(fā)的性能影響因子主要包括：業(yè)務(wù)邏輯的復(fù)雜度（DPI深度、計費和流量統(tǒng)計策略等）、數(shù)據(jù)流包含的包個數(shù)、包大小、CPU的性能等等。

DPDK、NUMA綁定、OS優(yōu)化、巨頁等技術(shù)用于vGW-U/UPF的性能優(yōu)化在業(yè)界已基本普遍應(yīng)用。除此之外，一些廠商對用戶面網(wǎng)元的軟件架構(gòu)和邏輯也著手優(yōu)化。中興通訊的vGW-U/UPF基于VPP（Vector？Packet Processing）原理，采用消息多隊列無鎖處理、業(yè)務(wù)首包DPI、流表等技術(shù)，實現(xiàn)熱點報文的批量處理和轉(zhuǎn)發(fā)，有效地降低了業(yè)務(wù)邏輯對CPU的消耗。當然，用戶面流量卸載的性能與實際的業(yè)務(wù)模型有著極大的關(guān)系，單條流的包個數(shù)越多，卸載轉(zhuǎn)發(fā)的效率越高。比如，基于此方案，視頻數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)效率就非常高。

圖4：純軟件加速vGW-U/UPF流量卸載

中興通訊純軟件加速的vGW-U/UPF/GW-U，基于X86通用服務(wù)器（CPU不低于Intel6138，雙路），單服務(wù)器能提供60Gbps處理能力，時延小于100us，在業(yè)界同等條件下的性能水準優(yōu)異，可滿足4G和5G初期eMBB需求。

“點”：智能網(wǎng)卡加速虛擬化用戶面，URLLC致勝法寶

對于工業(yè)控制、自動駕駛等超低時延應(yīng)用，基于X86服務(wù)器的純軟件用戶面不能勝任其性能需求。業(yè)界對此有多種不同的方案。目前部分GW-U/UPF設(shè)備商在5G解決方案中仍然主推基于專用硬件的用戶面。在通用化、虛擬化的大趨勢下，中興主推基于X86服務(wù)器的FPGA智能網(wǎng)卡加速虛擬化用戶面，性能媲美專用硬件。

中興基于FPGA智能網(wǎng)卡加速的vGW-U /UPF，在軟件VNF層面進行業(yè)務(wù)首包學(xué)習(xí)、生成轉(zhuǎn)發(fā)流表，并將流表下發(fā)到智能網(wǎng)卡中，同一條流的后續(xù)數(shù)據(jù)報文將由智能網(wǎng)卡接收、解包、處理后直接轉(zhuǎn)發(fā)，降低節(jié)點內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)處理層次，大幅減輕CPU計算、內(nèi)存讀取、PCIe總線的瓶頸，提升單服務(wù)器性能密度。

圖5：FPGA智能網(wǎng)卡加速虛擬化用戶面

相對純軟件加速的vGW-U /UPF而言，智能網(wǎng)卡加速的vGW-U /UPF，突破了當前虛擬化轉(zhuǎn)發(fā)的性能和時延瓶頸，實現(xiàn)虛擬化超高性能超低時延，單服務(wù)器吞吐量提升至3倍（180Gbps），時延降低90%（低于10us），每Gbit功耗降低55%，性能業(yè)界領(lǐng)先。

由于FPGA智能網(wǎng)卡中的邏輯與軟件層面的vGW-U /UPF加速邏輯強相關(guān)，因此，智能網(wǎng)卡與VNF的解耦是當前所面臨的問題。在虛擬化的大形勢下，這是必須要邁出的腳步，不破不立。目前，中興正積極聯(lián)合中移動研究院持續(xù)推進該標準化進展。在2019年的MWC上海通信展中，中移、中興、聯(lián)想三方合作，開展了智能網(wǎng)卡與VNF的解耦測試。

用戶面只是通信網(wǎng)絡(luò)中的一部分，卻承載了業(yè)務(wù)的車水馬龍。

中興通訊基于多年的技術(shù)沉淀，將攜手更多的合作伙伴，共同探索和推動新技術(shù)新方案的成熟，推動5G以及未來網(wǎng)絡(luò)的能力提升，共筑美好未來。

來源：C114通信網(wǎng)