中興軟硬件加速技術優化5G用戶面

褚兆象 杜鵬

3GPP R15中定義了5G應用有三大場景：eMBB（enhanced Mobile Broadband 增強移動寬帶）、URLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications 極可靠低延遲通信）和mMTC（Massive Machine Type Communications 海量機器通信），其中eMBB場景提供大流量移動寬帶業務，主要面向人網業務，如高速下載、高清視頻、VR/AR等，峰值速率超過10Gbps;URLLC場景提供超高可靠超低時延通信，如自動駕駛和工業自動化要求端到端99.999%高可靠和端到端小于1ms超低時延。

當前虛擬化用戶面針對5G商用場景的不足

為滿足以上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。但是5G核心網的設計都是基于NFV虛擬化架構，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。因此需要對虛擬化用戶面的I/O性能進行優化和加速，降低業務時延，提高系統帶寬，從而取得更好的業務適應性。為了提供虛擬化用戶面的I/O性能，中興通訊在兩個方面進行了優化加速研究和應用：一種是軟件加速，一種是硬件加速（主要是智能網卡加速），下面將分別進行介紹。

虛擬化用戶面軟件加速技術研究與應用

目前用戶面最常用的I/O虛擬化加速技術是SR-IOV（Single Root I/O Virtualization），但是采用SR-IOV技術只能使虛擬化用戶面的I/O性能接近基于裸金屬（Bare metal）的水平，很難再有突破。因此中興通訊在SR-IOV基礎之上對上層業務流的轉發流程進行了改進，引入了智能自學習功能，可以對業務流的規則進行智能學習。對于絕大多數業務流，均可匹配到業務規則，且該規則可以根據后續業務流的改變而自動修改適配，以應對業務的變化。匹配到業務規則后，對業務流進行矢量轉發，并將原先的單路流進行擴充，形成多路并發流，從而提升轉發效率和降低系統轉發瓶頸。

中興通訊虛擬化用戶面產品采用改進的軟件加速技術與SR-IOV相結合，使得I/O性能有了很大提高，經實驗室測試單服務器的整體吞吐量比單純使用SR-IOV提升了一倍，達到60Gbps，幾乎達到了單服務器的性能極限。除了實驗室測試，還在外場進行了5G AR/VR業務的實景測試，在未開啟軟件加速之前，服務器在接近系統能力門限時，畫面開始有卡頓和馬賽克，15分鐘內有三次卡頓。在開啟軟件加速后，速率大幅度提升，30分鐘內無卡頓無馬賽克，同時畫面流暢度明顯提升，用戶的業務體驗明顯提升。

用戶面硬件加速技術研究與應用

目前單靠軟件加速技術還不足以滿足5G場景的商用要求，還需要引入硬件加速技術。對于5G用戶面的硬件加速，通常采用智能網卡（Smart NIC）進行流量卸載，即把原先由CPU處理的數據報文卸載到智能網卡上進行處理，大多數報文由智能網卡自行處理后直接轉發，只有少數報文（比如流初始報文，流匹配異常報文等）才需要通過CPU處理，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。智能網卡也有多種類型的：基于可編程陣門列FPGA的、基于網絡處理器NP的，以及基于專有器件ASIC的等，中興通訊5G用戶面產品采用的是目前成熟度和性價比最高的FPGA智能網卡方案。

FPGA智能網卡處理數據報文的流程：服務器的中央處理器CPU根據業務動態務流信息創建業務流表下發到智能網卡，智能網卡根據CPU下發的業務流表進行數據流的快速處理，并根據數據流進行智能學習，與CPU協同進行流表的實時同步。對于需要加速的數據流報文，無需上傳CPU，而在智能網卡本地即可處理轉發，實現數據報文硬件級處理和轉發，最大限度降低了業務報文的使用，并節省了大量CPU的處理資源和系統IO（輸入輸出）資源。

中興通訊智能網卡基于FPGA設計，硬件邏輯可以編程，擁有大容量的流表和AI智能算法，可智能識別需要加速的業務，如工業控制業務、車聯網等業務。另外，中興通訊智能網卡基于標準的ePCI（Enhanced Peripheral Component Interconnect）總線的接口設計，并在中興通訊開放性實驗室（Open Lab）通過測試，兼容目前市場上主流通用服務器。在部署場景上，中興通訊智能網卡既可部署在中心數據機房（核心網），也可部署在邊緣計算節點MEC上，部署在邊緣節點上可以進一步減少業務的轉發路徑，降低數據報文的時延。

由于在智能網卡上創建本地轉發流表，對時延敏感性的數據流量不通過CPU而直接在網卡上處理并轉出，從而大大降低了轉發時延，提升了轉發效率，并大幅度降低了CPU的負荷，平均報文時延從100us降低為10us，單服務器吞吐量從60Gbps提升至180Gbps。相比較軟加速方案，FPGA智能網卡加速方案的轉發時延降低了90%，吞吐量可以提高了200%，同時功耗可以減少55%，更好地滿足5G URLLC和eMBB對邊緣數據中心轉發能力的特殊要求。

實際混合業務場景測試：在服務器接近滿負荷的情況下，大量視頻背景流量中混合工業傳感控制業務流量，不啟用智能網卡加速時，由于流量轉發已經到達服務器處理能力，數據包平均轉發時延高達260us，部分數據包轉發時延超過500us，工業控制也與視頻業務無區別對待，二者報文時延一致;當開啟智能網卡加速后，工業控制流量時延瞬時下降，轉發時延低于80us，降低了70%。

在2019年巴塞羅那世界通信展上，中興通訊推出了基于智能網卡加速的5G UPF（User Plane Function，5G用戶面網元）產品，并在現場進行業務演示，采用第三方的儀表對5G UPF進行實時測試，其高吞吐量、低時延等指標數據獲得了業界的廣泛關注與認可。

結論

中興通訊對兩種軟硬件加速技術的研究應用，在5G用戶面優化方面取得了良好的效果，大幅度提升了虛擬化用戶面的吞吐量和時延等I/O性能，使得虛擬化用戶面可以滿足5G的高帶寬低時延的要求，比如車聯網，AR/VR等業務場景，從而使5G網絡可以采用統一的虛擬化平臺，助力運營商打造高帶寬低時延的綠色節能網絡。