5G核心網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信息資源靈活共享、功能軟件的完整開發與極速上線，然后根據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核心網時，eMBB高帶寬與uRLLC超低時延對核心網絡提出了更高的要求。

1 UPF相關功能

1.1 UPF網元結構

5G核心網在新時期已經實現了在各個行業的較快發展，并有著各個階層的廣泛需求。在構建過程中實現了顛覆性設計，如圖1所示，UPF主要負責的是用戶的面板功能，如將流量路由數據信息傳輸到數據網絡，其后由數據網絡完成轉發。在上行鏈路位置的用戶數據信息在UE發出，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接口將這部分數據信息傳輸到UPF，其后UPF會在GTP-U位置獲取經UE傳輸過來的用戶數據信息，依托于路由轉發，經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據的管理與控制，UPF還支持與數據網絡互連的外部PDU會話點、數據包檢查、用戶平面部分的策略規則實施以及上行鏈路分類器。分支點以此為基礎可實現下行鏈路數據通知觸發、下行鏈路分組緩沖、QoS處理以及多宿主PDU會話等[1]。

圖1 5GC網絡架構

1.2 UPF的系統轉發流程

UPF轉發過程中兩種形式，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，這些網絡報文轉發基本功能邏輯結構對于傳統形式的網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，需以分類數據信息差異化處理為基礎，實現Shaping和Car等多方面的功能應用。在硬件資源不足的狀況下，QoS模塊應為更高優先級的網絡報文供給對應的優質轉發服務[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主要是在視頻數據和浮點運算系統化處理方面應用較廣，其他芯片都可不同程度地實現網絡報文轉發速度的提升。NPU主要是通過固化數據轉發的一系列處理流程，實現其高質量的數據轉發，較多用于一些大容量數據的協議處理轉發。ASIC按需定制一些穩定、成熟的算法應用，在實現量產后可在開發、功耗以及成本方面具備較大的優勢，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對網絡報文的并行處理，然后根據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門檻高的缺陷[6-9]。現階段，FPGA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務的主要特點，挑選多個芯片協同完成UPF的加速功能。

2.2 硬件加速卡以及業務卸載

實現UPF業務功能在硬件加速卡上的卸載，可較大程度地促進UPF轉發加速。智能網卡和硬件加速卡之間的原理相似，區別在于智能網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，是根據成本、芯片特性以及業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的快進程后，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據包后，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中快速轉發數據包工作[10]。

圖2 UPF業務卸載到硬件加速卡后的處理流程

UPF所屬的各項流量轉發中，視頻流占據主體位置且比例仍處于不斷上升狀態。視頻流屬于長連接數據流，只是在連接構建初期存在少量報文輸送至CPU處理，中后期大量數據包皆是通過硬件加速卡實現快進程處理轉發。

3 結 論

首先分析了UPF的兩種轉發流程，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UPF硬件加速技術的最優實現路徑。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，要實現其廣泛應用，還需技術人員對其進行完善，如此才能實現長遠發展。