如何有效地處理5G用戶面和低延遲邊緣用例？

5G核心網向云原生演進

目前，5G核心網的設計都是基于NFV虛擬化架構，由VNF（虛擬網絡功能）組成。VNF是構建在通用硬件上的軟件包，是在虛擬環境中運行的網絡功能。

NFV概念最早由ETSI 組織提出，是指通過IT虛擬化技術，利用標準化的通用IT設備來實現各種網絡設備功能。其本質是實現硬件資源與軟件功能的解耦，目標是通過標準的x86服務器、存儲和交換設備來取代通信網絡中私有的、專用的網元設備，在為運營商節省投資的同時實現新業務的快速開發和部署，并基于實際業務需求實現自動部署、容量的彈性伸縮、故障隔離和自愈等功能。

如圖所示Firewall、VPN Gateway 兩臺PNF，需要使用兩臺虛擬機來運行此 VNF。此外，虛擬機的管理程序（Hypervisor）將物理服務器分割成了多個邏輯服務器（VM）。同時，虛擬機還需要在宿主機之上為每臺虛擬機運行Guest OS操作系統，這對服務器來說是一個額外的負擔。

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然而，脫離了專用硬件的VNF是大顆粒的電信軟件包，非常龐大、復雜，動輒涉及數百萬行軟件代碼，這意味著從軟件開發到發布、測試，整個過程工作量巨大，估計要耗費一年的時間。

為滿足5G應用場景大帶寬和低時延的特性要求，5G核心網的用戶面在部署時不僅要下沉到邊緣或區域數據中心以減少傳輸時延，而且還要大幅減少用戶面報文的轉發時延，VNF（虛擬網絡功能）已經無法快速需求。

那怎么辦？基于云原生的設計原則，將大顆粒的VNF進一步分解為多個小顆粒的微服務。微服務不僅顆粒小，且具有獨立的生命周期管理，可以實現更細粒度的軟件開發、發布、測試和升級，這就提升了運營敏捷性。

云原生（Cloud Native）定義了一種在虛擬云環境中開發和運行應用程序的新方法。云原生原則包括以下內容：

應用程序被“分割”成更小的單元，稱為微服務。一組更小的、相互連接的微服務取代了單個應用程序。

容器容納微服務并提供運行時環境。容器無需虛擬機開銷，而是打包應用程序代碼、二進制文件和依賴項。容器之間共享同一個Guest OS或Host OS系統/內核。

Kubernetes 編排提供完整的容器生命周期管理。包括調度、啟動/停止/重新啟動和可見性。

| 網絡功能的演變：從傳統的垂直整合方式，到由通用虛擬機編排平臺管理的 VNF，再到由通用容器編排平臺管理的 CNF

CNF還具有其他突出優勢，包括：

提高靈活性和敏捷性，推出新服務或升級不再涉及更換任何硬件。

降低成本，程序部署需要的硬件比支持VNF所需的硬件還要少。

改進的可擴展性，因為容器化的微服務可以根據需要橫向或者縱向擴展。由于云的特性，很容易部署更多的硬件資源，支持大量流量或并行用戶涌入，基本上可以認為擁有無限可擴展性。

提高容錯性和可靠性。如果一個容器因任何原因而離線，運維人員可以立即啟動另一個容器。

提高網絡性能：軟件Or硬件？

長期以來，業界一直在爭論最初為計算任務而設計的基礎設施，如何有效地處理 5G 用戶面和低延遲邊緣用例？

關鍵討論之一是：使用硬件加速器（又名 SmartNIC 或數據處理單元 (DPU)）來卸載數據包處理以此更有效地利用服務器資源，還是尋求優化性能的軟件？

有觀點認為，軟件仍然有可能是主要的效率提升方式，即通過精心設計的云原生網絡功能 (CNF)，并且這是近期更好的方法，因為它保留了敏捷性和工作負載可移植性，可以使云變得更加強大。

硬件方案指通過將處理工作分配給加速硬件（協處理器）以降低中央處理器負荷，利用適合的加速硬件具有的處理優勢可實現性能提升、成本優化的目的。

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NFV下的硬件普遍采用x86通用服務器，而x86通用服務器的I/O性能如吞吐量、時延等遠不如傳統的專用硬件，無法滿足5G 場景的商用部署要求。從表面上看，硬件加速在 5G 核心中具有吸引力。

使用DPU/SmartNIC等外置硬件卸載數據包處理，可提高流表查表和報文處理能力。

對于需要加速的數據流報文，無需上傳CPU，在DPU/SmartNIC本地即可處理轉發，實現數據報文硬件級處理和轉發，最大限度的降低了業務報文的使用。這樣可以極大減少對CPU資源的占用，大幅提升性能并減少時延。

此外在虛擬化層，現有NFV架構的業務層、虛擬化層和硬件層解耦推進緩慢，可探索虛擬化層下沉到DPU，使NFV架構更加開放。

目前運營商正在推動開放的UPF，但當前大量UPF與設備廠商綁定。采用DPU/SmartNIC可以實現UPF的GTP、QoS、Forward等功能卸載，提高UPF轉發效率，提高單服務器吞吐量，降低處理時延、抖動和丟包率等，并可以減少各站址用戶面服務器部署數量，從而降低對機房空間、功耗、散熱要求，降低成本。

用于 5G 核心網的 DPU/SmartNIC

下圖是關于“您的組織是否希望在其 5G 核心用戶平面中廣泛使用硬件加速（ DPU/SmartNIC）？”的用戶調查結果。

40% 的受訪者選擇“在特定場景（例如固定無線接入）下使用DPU/SmartNIC”。固定接入服務每次連接產生的吞吐量比移動服務要大得多（根據經驗來說，一般高 10 倍左右）。因此，使用硬件加速的理由更為充分。雖然這還需要幾年的時間，但如果有線和無線開始融合，并且為固定和移動接入部署同一個用戶平面，將有更多人選擇使用硬件加速。

38% 的受訪者選擇了“廣泛使用DPU/SmartNIC，用戶平面加速在大多數情況下必不可少”，他們預計硬件加速對于有效處理 5G 核心用戶平面流量將非常重要。

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左右搖擺

DPU硬件加速具有諸多優勢，其中最顯著的優勢是可以極大地提高網絡性能，可以提供比傳統技術更高的速度、更低的延遲和更強的網絡性能。這樣可以使5G網絡能夠更快、更可靠地傳輸數據。

雖然DPU/SmartNIC硬件加速在 5G 核心網中具有一定優勢，但業界一度對核心網 NFV 的用戶面是否需要使用硬件加速持懷疑態度。

通用硬件平臺虛擬化是大勢所趨，運營商剛從專用設備中轉型脫身，DPU/SmartNIC似乎又回到了熟悉的專用硬件

硬件加速效能比達不到預期：專用設備被詬病的主要原因在于設備商壟斷造成了高昂成本。當前，核心網硬件加速性能提升和成本下降有限，同時引入加速硬件可能帶來的硬件綁定問題，使運營商難以下定決心

還有傳聞稱，當前的 5G 流量負載并不真正需要部署 DPU/SmartNIC加速技術。通過良好的軟件設計和明智的部署選擇，就可以在標準服務器硬件上輕松處理 5G 移動用戶平面流量。

當然，也有觀點認為，軟硬件協同加速才是大勢所趨。

如果目前只有少數地方/服務需要硬件加速，運營商須綜合考慮現在是否需要投資這項技術。因此，總體來看，運營商對5G核心網用戶面的硬件加速存在興趣，但目前形勢尚不明確。





審核編輯：劉清