5G核心網(wǎng)向云原生演進

目前，5G核心網(wǎng)的設計都是基于NFV虛擬化架構，由VNF（虛擬網(wǎng)絡功能）組成。VNF是構建在通用硬件上的軟件包，是在虛擬環(huán)境中運行的網(wǎng)絡功能。

NFV概念最早由ETSI 組織提出，是指通過IT虛擬化技術，利用標準化的通用IT設備來實現(xiàn)各種網(wǎng)絡設備功能。其本質(zhì)是實現(xiàn)硬件資源與軟件功能的解耦，目標是通過標準的x86服務器、存儲和交換設備來取代通信網(wǎng)絡中私有的、專用的網(wǎng)元設備，在為運營商節(jié)省投資的同時實現(xiàn)新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務需求實現(xiàn)自動部署、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PNF，需要使用兩臺虛擬機來運行此 VNF。此外，虛擬機的管理程序（Hypervisor）將物理服務器分割成了多個邏輯服務器（VM）。同時，虛擬機還需要在宿主機之上為每臺虛擬機運行Guest OS操作系統(tǒng)，這對服務器來說是一個額外的負擔。

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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、復雜，動輒涉及數(shù)百萬行軟件代碼，這意味著從軟件開發(fā)到發(fā)布、測試，整個過程工作量巨大，估計要耗費一年的時間。

為滿足5G應用場景大帶寬和低時延的特性要求，5G核心網(wǎng)的用戶面在部署時不僅要下沉到邊緣或區(qū)域數(shù)據(jù)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(fā)時延，VNF（虛擬網(wǎng)絡功能）已經(jīng)無法快速需求。

那怎么辦？基于云原生的設計原則，將大顆粒的VNF進一步分解為多個小顆粒的微服務。微服務不僅顆粒小，且具有獨立的生命周期管理，可以實現(xiàn)更細粒度的軟件開發(fā)、發(fā)布、測試和升級，這就提升了運營敏捷性。

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

應用程序被“分割”成更小的單元，稱為微服務。一組更小的、相互連接的微服務取代了單個應用程序。

容器容納微服務并提供運行時環(huán)境。容器無需虛擬機開銷，而是打包應用程序代碼、二進制文件和依賴項。容器之間共享同一個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/停止/重新啟動和可見性。

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

CNF還具有其他突出優(yōu)勢，包括：

提高靈活性和敏捷性，推出新服務或升級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。

改進的可擴展性，因為容器化的微服務可以根據(jù)需要橫向或者縱向擴展。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，基本上可以認為擁有無限可擴展性。

提高容錯性和可靠性。如果一個容器因任何原因而離線，運維人員可以立即啟動另一個容器。

提高網(wǎng)絡性能：軟件Or硬件？

長期以來，業(yè)界一直在爭論最初為計算任務而設計的基礎設施，如何有效地處理 5G 用戶面和低延遲邊緣用例？

關鍵討論之一是：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器資源，還是尋求優(yōu)化性能的軟件？

有觀點認為，軟件仍然有可能是主要的效率提升方式，即通過精心設計的云原生網(wǎng)絡功能 (CNF)，并且這是近期更好的方法，因為它保留了敏捷性和工作負載可移植性，可以使云變得更加強大。

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荷，利用適合的加速硬件具有的處理優(yōu)勢可實現(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(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文處理能力。

對于需要加速的數(shù)據(jù)流報文，無需上傳CPU，在DPU/SmartNIC本地即可處理轉發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文硬件級處理和轉發(fā)，最大限度的降低了業(yè)務報文的使用。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。

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

目前運營商正在推動開放的UPF，但當前大量UPF與設備廠商綁定。采用DPU/SmartNIC可以實現(xiàn)UPF的GTP、QoS、Forward等功能卸載，提高UPF轉發(fā)效率，提高單服務器吞吐量，降低處理時延、抖動和丟包率等，并可以減少各站址用戶面服務器部署數(shù)量，從而降低對機房空間、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”。固定接入服務每次連接產(chǎn)生的吞吐量比移動服務要大得多（根據(jù)經(jīng)驗來說，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間，但如果有線和無線開始融合，并且為固定和移動接入部署同一個用戶平面，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”，他們預計硬件加速對于有效處理 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，其中最顯著的優(yōu)勢是可以極大地提高網(wǎng)絡性能，可以提供比傳統(tǒng)技術更高的速度、更低的延遲和更強的網(wǎng)絡性能。這樣可以使5G網(wǎng)絡能夠更快、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，但業(yè)界一度對核心網(wǎng) NFV 的用戶面是否需要使用硬件加速持懷疑態(tài)度。

通用硬件平臺虛擬化是大勢所趨，運營商剛從專用設備中轉型脫身，DPU/SmartNIC似乎又回到了熟悉的專用硬件

硬件加速效能比達不到預期：專用設備被詬病的主要原因在于設備商壟斷造成了高昂成本。當前，核心網(wǎng)硬件加速性能提升和成本下降有限，同時引入加速硬件可能帶來的硬件綁定問題，使運營商難以下定決心

還有傳聞稱，當前的 5G 流量負載并不真正需要部署 DPU/SmartNIC加速技術。通過良好的軟件設計和明智的部署選擇，就可以在標準服務器硬件上輕松處理 5G 移動用戶平面流量。

當然，也有觀點認為，軟硬件協(xié)同加速才是大勢所趨。

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





審核編輯：劉清