5G核心網(wǎng)UPF硬件加速技術分析

周 洋

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

通過使用虛擬化技術及類似X86的COTS通用性硬件承載一些軟件處理，可使得很多功能在運用時能夠多一種選擇，如此可較大程度地實現(xiàn)信息資源靈活共享、功能軟件的完整開發(fā)與極速上線，然后根據(jù)軟件的應用要求進行故障隔離和彈性伸縮等。但是在應用5G核心網(wǎng)時，eMBB高帶寬與uRLLC超低時延對核心網(wǎng)絡提出了更高的要求。

1 UPF相關功能

1.1 UPF網(wǎng)元結(jié)構(gòu)

5G核心網(wǎng)在新時期已經(jīng)實現(xiàn)了在各個行業(yè)的較快發(fā)展，并有著各個階層的廣泛需求。在構(gòu)建過程中實現(xiàn)了顛覆性設計，如圖1所示，UPF主要負責的是用戶的面板功能，如將流量路由數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)網(wǎng)絡，其后由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡完成轉(zhuǎn)發(fā)。在上行鏈路位置的用戶數(shù)據(jù)信息在UE發(fā)出，其后通過無線通道到達基站，基站在GTP-U報文中封裝好用戶信息后，借助N3接口將這部分數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)経PF，其后UPF會在GTP-U位置獲取經(jīng)UE傳輸過來的用戶數(shù)據(jù)信息，依托于路由轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)N6到DN，而下行鏈路的傳輸方式與上行鏈路剛好相反。為進一步加強對用戶數(shù)據(jù)的管理與控制，UPF還支持與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡互連的外部PDU會話點、數(shù)據(jù)包檢查、用戶平面部分的策略規(guī)則實施以及上行鏈路分類器。分支點以此為基礎可實現(xiàn)下行鏈路數(shù)據(jù)通知觸發(fā)、下行鏈路分組緩沖、QoS處理以及多宿主PDU會話等[1]。

圖1 5GC網(wǎng)絡架構(gòu)

1.2 UPF的系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)流程

UPF轉(zhuǎn)發(fā)過程中兩種形式，其中一種為上行傳輸方式，從N3到N6，流程為LINK→IP FWD→Security→GTP→Rule Lookup→DPI→QoS→Charging，另外一種為上行傳輸方式，從N6到N3，流程為LINK→IP FWD→Rule Lookup→QoS→Charging→GTP →Security。

IP FWD與LINK的基本功能包括IP組播、ACL、MPLS、Tunnel、IPv4/v6以及MAC等，這些網(wǎng)絡報文轉(zhuǎn)發(fā)基本功能邏輯結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)形式的網(wǎng)絡報文來說極為簡單，與交換機等裝置功能基本類似。

QoS模塊相關功能的實現(xiàn)，需以分類數(shù)據(jù)信息差異化處理為基礎，實現(xiàn)Shaping和Car等多方面的功能應用。在硬件資源不足的狀況下，QoS模塊應為更高優(yōu)先級的網(wǎng)絡報文供給對應的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)發(fā)服務[2]。

2 加速方案

2.1 硬件加速芯片

目前，硬件中應用較多的加速芯片包括可編程交 換 芯 片、TCAM、SoC、ASIC、NPU、GPU以 及FPGA等。GPU主要是在視頻數(shù)據(jù)和浮點運算系統(tǒng)化處理方面應用較廣，其他芯片都可不同程度地實現(xiàn)網(wǎng)絡報文轉(zhuǎn)發(fā)速度的提升。NPU主要是通過固化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的一系列處理流程，實現(xiàn)其高質(zhì)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，較多用于一些大容量數(shù)據(jù)的協(xié)議處理轉(zhuǎn)發(fā)。ASIC按需定制一些穩(wěn)定、成熟的算法應用，在實現(xiàn)量產(chǎn)后可在開發(fā)、功耗以及成本方面具備較大的優(yōu)勢，但是最好不要重復使用，因會導致其靈活性降低[4]。

可編程交換芯片是一種新型的硬件加速芯片，其以傳統(tǒng)芯片為基礎添加支持編程功能，基本原理為動作處理單元與TCAM合并組成流水線實現(xiàn)對網(wǎng)絡報文的并行處理，然后根據(jù)命中表項的實際狀況進行系列動作，兼顧靈活性與高性能，具備代表性的芯片包括Jericho芯片與P4交換芯片等[5]。

FPGA性價比在ASIC與通用處理器之前，其所具備的靈活加載性能使得FPGA在加速領域有著寬廣的適應性，但是也存在著難度大與開發(fā)門檻高的缺陷[6-9]。現(xiàn)階段，F(xiàn)PGA主要由Xilinx與Intel兩大廠商提供。

UPF在選擇加速硬件芯片時應當根據(jù)實際狀況，從可維護性和性價比等多層面進行選擇評估，也可綜合考慮需卸載業(yè)務的主要特點，挑選多個芯片協(xié)同完成UPF的加速功能。

2.2 硬件加速卡以及業(yè)務卸載

實現(xiàn)UPF業(yè)務功能在硬件加速卡上的卸載，可較大程度地促進UPF轉(zhuǎn)發(fā)加速。智能網(wǎng)卡和硬件加速卡之間的原理相似，區(qū)別在于智能網(wǎng)卡是一種更為標準的加速卡，不僅限于UPF中的使用，而硬件加速卡有著較強的針對性，是根據(jù)成本、芯片特性以及業(yè)務需要等設計的一種專用加速卡。不同廠家設計的加速卡方案有著一定的差異性，但是主流方案為將UPF中的快進程在硬件加速卡上卸載，其他進程由CPU完成，處理流程如圖2所示。硬件加速卡得到上個層級傳輸?shù)目爝M程后，提取并判斷其具體的匹配表項狀況，若是不能完成匹配，則傳到CPU，在DPI和GTP模塊進行處理，然后判斷其能否卸載，若要卸載，則再傳到硬件加速卡。硬件加速卡接收到數(shù)據(jù)包后，流表中表項被命中，再用承載表得到該流的QoS等模塊信息，由此硬件加速卡完成UPF中快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包工作[10]。

圖2 UPF業(yè)務卸載到硬件加速卡后的處理流程

UPF所屬的各項流量轉(zhuǎn)發(fā)中，視頻流占據(jù)主體位置且比例仍處于不斷上升狀態(tài)。視頻流屬于長連接數(shù)據(jù)流，只是在連接構(gòu)建初期存在少量報文輸送至CPU處理，中后期大量數(shù)據(jù)包皆是通過硬件加速卡實現(xiàn)快進程處理轉(zhuǎn)發(fā)。

3 結(jié) 論

首先分析了UPF的兩種轉(zhuǎn)發(fā)流程，并對流程中各個模塊的應用特征與條件等進行了細致地分析，其次介紹了各個硬件的加速方案與加速技術，最后以此為基礎探究了5G核心網(wǎng)UPF硬件加速技術的最優(yōu)實現(xiàn)路徑。文章提出的UPF硬件加速技術仍存在著沒有資源池化與標準化的問題，要實現(xiàn)其廣泛應用，還需技術人員對其進行完善，如此才能實現(xiàn)長遠發(fā)展。