5G核心網(wǎng)向云原生演進(jìn)

目前，5G核心網(wǎng)的設(shè)計(jì)都是基于NFV虛擬化架構(gòu)，由VNF（虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）組成。VNF是構(gòu)建在通用硬件上的軟件包，是在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)功能。

NFV概念最早由ETSI 組織提出，是指通過IT虛擬化技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化的通用IT設(shè)備來實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能。其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)硬件資源與軟件功能的解耦，目標(biāo)是通過標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲(chǔ)和交換設(shè)備來取代通信網(wǎng)絡(luò)中私有的、專用的網(wǎng)元設(shè)備，在為運(yùn)營商節(jié)省投資的同時(shí)實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(tái)PNF，需要使用兩臺(tái)虛擬機(jī)來運(yùn)行此 VNF。此外，虛擬機(jī)的管理程序（Hypervisor）將物理服務(wù)器分割成了多個(gè)邏輯服務(wù)器（VM）。同時(shí)，虛擬機(jī)還需要在宿主機(jī)之上為每臺(tái)虛擬機(jī)運(yùn)行Guest OS操作系統(tǒng)，這對(duì)服務(wù)器來說是一個(gè)額外的負(fù)擔(dān)。

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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(fù)雜，動(dòng)輒涉及數(shù)百萬行軟件代碼，這意味著從軟件開發(fā)到發(fā)布、測試，整個(gè)過程工作量巨大，估計(jì)要耗費(fèi)一年的時(shí)間。

為滿足5G應(yīng)用場景大帶寬和低時(shí)延的特性要求，5G核心網(wǎng)的用戶面在部署時(shí)不僅要下沉到邊緣或區(qū)域數(shù)據(jù)中心以減少傳輸時(shí)延，而且還要大幅減少用戶面報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，VNF（虛擬網(wǎng)絡(luò)功能）已經(jīng)無法快速需求。

那怎么辦？基于云原生的設(shè)計(jì)原則，將大顆粒的VNF進(jìn)一步分解為多個(gè)小顆粒的微服務(wù)。微服務(wù)不僅顆粒小，且具有獨(dú)立的生命周期管理，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的軟件開發(fā)、發(fā)布、測試和升級(jí)，這就提升了運(yùn)營敏捷性。

云原生（Cloud Native）定義了一種在虛擬云環(huán)境中開發(fā)和運(yùn)行應(yīng)用程序的新方法。云原生原則包括以下內(nèi)容：

應(yīng)用程序被“分割”成更小的單元，稱為微服務(wù)。一組更小的、相互連接的微服務(wù)取代了單個(gè)應(yīng)用程序。

容器容納微服務(wù)并提供運(yùn)行時(shí)環(huán)境。容器無需虛擬機(jī)開銷，而是打包應(yīng)用程序代碼、二進(jìn)制文件和依賴項(xiàng)。容器之間共享同一個(gè)Guest OS或Host OS系統(tǒng)/內(nèi)核。

Kubernetes 編排提供完整的容器生命周期管理。包括調(diào)度、啟動(dòng)/停止/重新啟動(dòng)和可見性。

| 網(wǎng)絡(luò)功能的演變：從傳統(tǒng)的垂直整合方式，到由通用虛擬機(jī)編排平臺(tái)管理的 VNF，再到由通用容器編排平臺(tái)管理的 CNF

CNF還具有其他突出優(yōu)勢(shì)，包括：

提高靈活性和敏捷性，推出新服務(wù)或升級(jí)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(jìn)的可擴(kuò)展性，因?yàn)槿萜骰奈⒎?wù)可以根據(jù)需要橫向或者縱向擴(kuò)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(rèn)為擁有無限可擴(kuò)展性。

提高容錯(cuò)性和可靠性。如果一個(gè)容器因任何原因而離線，運(yùn)維人員可以立即啟動(dòng)另一個(gè)容器。

提高網(wǎng)絡(luò)性能：軟件Or硬件？

長期以來，業(yè)界一直在爭論最初為計(jì)算任務(wù)而設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施，如何有效地處理 5G 用戶面和低延遲邊緣用例？

關(guān)鍵討論之一是：使用硬件加速器（又名 SmartNIC 或數(shù)據(jù)處理單元 (DPU)）來卸載數(shù)據(jù)包處理以此更有效地利用服務(wù)器資源，還是尋求優(yōu)化性能的軟件？

有觀點(diǎn)認(rèn)為，軟件仍然有可能是主要的效率提升方式，即通過精心設(shè)計(jì)的云原生網(wǎng)絡(luò)功能 (CNF)，并且這是近期更好的方法，因?yàn)樗Ａ袅嗣艚菪院凸ぷ髫?fù)載可移植性，可以使云變得更加強(qiáng)大。

硬件方案指通過將處理工作分配給加速硬件（協(xié)處理器）以降低中央處理器負(fù)荷，利用適合的加速硬件具有的處理優(yōu)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)性能提升、成本優(yōu)化的目的。

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NFV下的硬件普遍采用x86通用服務(wù)器，而x86通用服務(wù)器的I/O性能如吞吐量、時(shí)延等遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)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(shù)據(jù)包處理，可提高流表查表和報(bào)文處理能力。

對(duì)于需要加速的數(shù)據(jù)流報(bào)文，無需上傳CPU，在DPU/SmartNIC本地即可處理轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文硬件級(jí)處理和轉(zhuǎn)發(fā)，最大限度的降低了業(yè)務(wù)報(bào)文的使用。這樣可以極大減少對(duì)CPU資源的占用，大幅提升性能并減少時(shí)延。

此外在虛擬化層，現(xiàn)有NFV架構(gòu)的業(yè)務(wù)層、虛擬化層和硬件層解耦推進(jìn)緩慢，可探索虛擬化層下沉到DPU，使NFV架構(gòu)更加開放。

目前運(yùn)營商正在推動(dòng)開放的UPF，但當(dāng)前大量UPF與設(shè)備廠商綁定。采用DPU/SmartNIC可以實(shí)現(xiàn)UPF的GTP、QoS、Forward等功能卸載，提高UPF轉(zhuǎn)發(fā)效率，提高單服務(wù)器吞吐量，降低處理時(shí)延、抖動(dòng)和丟包率等，并可以減少各站址用戶面服務(wù)器部署數(shù)量，從而降低對(duì)機(jī)房空間、功耗、散熱要求，降低成本。

用于 5G 核心網(wǎng)的 DPU/SmartNIC

下圖是關(guān)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(diào)查結(jié)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(wù)每次連接產(chǎn)生的吞吐量比移動(dòng)服務(wù)要大得多（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(shí)間，但如果有線和無線開始融合，并且為固定和移動(dòng)接入部署同一個(gè)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(shù)情況下必不可少”，他們預(yù)計(jì)硬件加速對(duì)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(yōu)勢(shì)，其中最顯著的優(yōu)勢(shì)是可以極大地提高網(wǎng)絡(luò)性能，可以提供比傳統(tǒng)技術(shù)更高的速度、更低的延遲和更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能。這樣可以使5G網(wǎng)絡(luò)能夠更快、更可靠地傳輸數(shù)據(jù)。

雖然DPU/SmartNIC硬件加速在 5G 核心網(wǎng)中具有一定優(yōu)勢(shì)，但業(yè)界一度對(duì)核心網(wǎng) NFV 的用戶面是否需要使用硬件加速持懷疑態(tài)度。

通用硬件平臺(tái)虛擬化是大勢(shì)所趨，運(yùn)營商剛從專用設(shè)備中轉(zhuǎn)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(dá)不到預(yù)期：專用設(shè)備被詬病的主要原因在于設(shè)備商壟斷造成了高昂成本。當(dāng)前，核心網(wǎng)硬件加速性能提升和成本下降有限，同時(shí)引入加速硬件可能帶來的硬件綁定問題，使運(yùn)營商難以下定決心

還有傳聞稱，當(dāng)前的 5G 流量負(fù)載并不真正需要部署 DPU/SmartNIC加速技術(shù)。通過良好的軟件設(shè)計(jì)和明智的部署選擇，就可以在標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器硬件上輕松處理 5G 移動(dòng)用戶平面流量。

當(dāng)然，也有觀點(diǎn)認(rèn)為，軟硬件協(xié)同加速才是大勢(shì)所趨。

如果目前只有少數(shù)地方/服務(wù)需要硬件加速，運(yùn)營商須綜合考慮現(xiàn)在是否需要投資這項(xiàng)技術(shù)。因此，總體來看，運(yùn)營商對(duì)5G核心網(wǎng)用戶面的硬件加速存在興趣，但目前形勢(shì)尚不明確。





審核編輯：劉清