点面结合,5G用户面加速之路

发布时间:2019-08-26

随着5G的商用推进,4K/8K高清视频、云游戏、远程驾驶、工业控制等eMBB/URLLC应用需求也日趋紧迫,它们对网络提出了超低时延、超大带宽的要求。而这些性能需求与网络用户面紧密相关,需要用户面提供高效的数据处理和转发。

图1:5G典型场景对网络的性能要求

但是随着软硬件解耦、COTS硬件的采用,以及网络功能虚拟化在电信领域的逐步普及,一方面降低了成本、提升了资源利用率,另一方面相对传统专用硬件专用网络而言性能有所下降。因此,基于虚拟化的纯软件用户面无法胜任5G URLLC和部分eMBB的要求。

点面结合,加速5G用户面

5G用户面端到端性能的提升,涉及到方方面面。

首先,需要从网络整体架构设计、部署层面分析和优化,尽量缩短用户面传输路径。

其次,需要对网络中每个转发处理用户面数据的网元/网络功能进行优化,提高单个节点的处理性能。

这是一个由“面”及“点”的性能提升过程。

“面”:基于CUPS的用户面下沉,缩短转发路径

移动终端通过无线基站接入核心网后,如果核心网不是分布式的,那么终端访问的业务数据,就需要统一经过集中的DC来转发处理,当用户处于较偏远的乡镇时,时延势必很大。

提升用户面转发性能,从组网架构层面看,首先要求核心网是分布式。如下图所示,核心网按需部署多级DC,相对中心DC而言,边缘DC和接入DC更靠近终端用户,控制面的信令仍然会上传到中心DC处理,而用户面数据则在边缘或接入DC直接处理和分发,极大地减少了端到端的网络传输路径,节省传输成本,降低传输时延。

图2:分布式DC

核心网分布式部署后,从边缘轻量化部署和管理的角度来看,需要将核心网的用户面和控制面分离(即CUPS),只将用户面按需下沉到边缘或接入DC。CUPS的好处多多,一方面控制和转发功能解耦,软件管理/更新简单、独立;另一方面,控制面集中最大化资源利用率,解耦后的用户面下沉减少了对边缘资源的需求。

图3:5G 天然CUPS架构

因此,基于CUPS的分布式组网和用户面的按需下沉,通过减少转发路径长度,一定程度上提升了数据转发效率。用户面端到端性能的提升,需要“点”与“面”的结合,面做到了提升,核心网中各个转发处理“点”的性能是否有提升的空间呢?虚拟化的大趋势下,用户面网元(GW-U/UPF)基于X86架构服务器部署,性能无法媲美专用硬件,电信运营商和厂商们迫切需要提升“点”的性能。

“点”:软件架构和逻辑优化,提升转发性能

对单个用户面网元vGW-U或UPF而言,其数据处理和转发的性能影响因子主要包括:业务逻辑的复杂度(DPI深度、计费和流量统计策略等)、数据流包含的包个数、包大小、CPU的性能等等。

DPDK、NUMA绑定、OS优化、巨页等技术用于vGW-U/UPF的性能优化在业界已基本普遍应用。除此之外,一些厂商对用户面网元的软件架构和逻辑也着手优化。中兴的vGW-U/UPF基于VPP(Vector Packet Processing)原理,采用消息多队列无锁处理、业务首包DPI、流表等技术,实现热点报文的批量处理和转发,有效地降低了业务逻辑对CPU的消耗。当然,用户面流量卸载的性能与实际的业务模型有着极大的关系,单条流的包个数越多,卸载转发的效率越高。比如,基于此方案,视频数据的转发效率就非常高。

图4:纯软件加速vGW-U/UPF流量卸载

中兴纯软件加速的vGW-U/UPF/GW-U,基于X86通用服务器(CPU不低于Intel 6138,双路),单服务器能提供60Gbps处理能力,时延小于100us,在业界同等条件下的性能水准优异,可满足4G和5G初期eMBB需求。

“点”:智能网卡加速虚拟化用户面,URLLC致胜法宝

对于工业控制、自动驾驶等超低时延应用,基于X86服务器的纯软件用户面不能胜任其性能需求。业界对此有多种不同的方案。目前部分GW-U/UPF设备商在5G解决方案中仍然主推基于专用硬件的用户面。在通用化、虚拟化的大趋势下,中兴主推基于X86服务器的FPGA智能网卡加速虚拟化用户面,性能媲美专用硬件。

中兴基于FPGA智能网卡加速的vGW-U /UPF,在软件VNF层面进行业务首包学习、生成转发流表,并将流表下发到智能网卡中,同一条流的后续数据报文将由智能网卡接收、解包、处理后直接转发,降低节点内转发处理层次,大幅减轻CPU计算、内存读取、PCIe总线的瓶颈,提升单服务器性能密度。

图5:FPGA智能网卡加速虚拟化用户面

相对纯软件加速的vGW-U /UPF而言,智能网卡加速的vGW-U /UPF,突破了当前虚拟化转发的性能和时延瓶颈,实现虚拟化超高性能超低时延,单服务器吞吐量提升至3倍(180Gbps),时延降低90%(低于10us),每Gbit功耗降低55%,性能业界领先。

由于FPGA智能网卡中的逻辑与软件层面的vGW-U /UPF加速逻辑强相关,因此,智能网卡与VNF的解耦是当前所面临的问题。在虚拟化的大形势下,这是必须要迈出的脚步,不破不立。目前,中兴正积极联合中移动研究院持续推进该标准化进展。在2019年的上海通信展中,中移、中兴、联想三方合作,开展了智能网卡与VNF的解耦测试。

千里之行,始于足下

用户面只是通信网络中的一部分,却承载了业务的车水马龙。
中兴通讯基于多年的技术沉淀,将携手更多的合作伙伴,共同探索和推动新技术新方案的成熟,推动5G以及未来网络的能力提升,共筑美好未来。