5G/IoT

高性能5G核心网,动力从何而来?

核心网,是整个通信网络的大脑,是不可或缺的重要组成部分。

网络的管理控制、鉴权认证等关键功能,主要由核心网负责。核心网的能力是否强大,直接影响了整个网络的性能表现。

5G时代,整个移动通信网络架构发生了翻天覆地的变化,为了实现超高速率,超低时延,超大连接,网络的方方面面都进行了改造和革新。那么,在苛刻的性能指标要求面前,我们的5G核心网, 究竟是怎么自我革新,面对挑战的呢?

6月19日,在英特尔®数据创新峰会暨新品发布会上,中兴通讯NFV/SDN首席科学家屠嘉顺先生给我们分享了中兴通讯在5G核心网高性能运算方面的实践成果。

5G核心网,相比4G,不管是服务架构,还有硬件平台,都完全不一样了。

通过引入NFV网元功能虚拟化技术,传统的专用硬件平台被x86通用硬件平台所取代。

大量的通用服务器组成了硬件资源池。在资源池上,通过基于OpenStack的虚拟化软件平台,构建了大量的虚拟机甚至容器。而我们5G核心网的网元,就以软件的形式,部署在这些虚拟机和容器上,实现相应的功能。

这样的架构,被称为微服务架构。而这个开放的平台,也就是我们常说的电信云。

整个5G核心网的虚拟化和云化,使其自身具备很高的灵活性。硬件资源是灵活的,软件部署是灵活的,业务迁移和扩容缩容,也是灵活的。

为了进一步降低运维复杂度,5G核心网还引入了编排器。

编排器负责对资源调度进行编排。编排器里面还集成了人工智能引擎,甚至包括大数据分析,形成一些配置库。前期的经验和运维的诉求,变成一系列自动化运维的policy策略,让整个系统具有自动化部署的能力。

采用微服务架构之后,5G核心网的效率有了大幅的提升,部署效率可以提升30%,运维效率提升40%,这是相比4G核心网的一个巨大的优势。

5G核心网,离不开高效、强劲的云基础设施

除了控制功能之外,5G核心网的一个最重要指标是转发效率。

5G核心网需要将来自无线接入网的用户数据,转发到互联网。同样的,它也需要将来自互联网的数据,转发给接入网。

5G网络庞大的流量,全部都要经过5G核心网。而具体负责转发的网元,就是UPF。

UPF是5G核心网性能的关键

所以说,UPF的性能优劣,直接决定了整个5G核心网的性能,甚至整个5G网络的性能。

那么,在目前的架构下,UPF的转发能力,究竟该如何获得提升?

根据屠嘉顺的介绍,目前5G UPF网元的性能提升,主要有三个手段:

第一个,是CPU加速。也就是UPF软件直接部署在更强劲的CPU上,以此提升性能。

第二个,是通用网卡加速。网卡是流量的直接出入口,承载着大量的数据转发。所以,在网卡上进行加速,可以提升UPF的性能。

第三个,是采用智能网卡。智能网卡是一种特殊的网卡,采用了一些智能技术,用于实现数据在网卡的直接转发,从而实现性能的提升。

这里就要特别介绍一下英特尔的SST-CP(Speed  Select - Core Power)技术。

SST-CP技术,是第二代英特尔至强可扩展处理器N系列所支持的一项内核频率控制技术。它可以灵活配置和调整CPU核的优先级,将一个CPU的部分核,强制运行在较高的频率上。

UPF网元对性能的要求高,就将UPF定义到高优先级的CPU核上,借此大幅提升UPF的工作性能。

为什么不将所有的核心频率都提升呢?

当然是为了节能,只让有性能需求的网元工作在高频率。5G核心网控制类的网元,例如AMF等,是不需要那么高性能的,如果全部调高,势必增加整个CPU的能耗,单个CPU的热负荷也超标了。

SST-CP技术,既满足了UPF网元的性能需求,又平衡了5G核心网的整体功耗,是一项非常实用的技术。

第二项用于UPF性能提升的技术,就是DDP(Dynamic Device Personalization,动态设备个性化)。

DDP是一个让网卡更加“聪明”的技术。

传统情况下,UPF作为流量通道,需要一部分CPU核心进行流量的分发,还有一些CPU核心做流量的转发。比例大概是1:2。

如果网卡引入了DDP的技术,那么,它可以根据需求下载一些User Profile(用户配置文件),然后根据用户的IP地址作为索引,进行分发工作。这样一来,网卡就具备了分发能力,那么,用于分发的三分之一的CPU核就被释放出来了,可以做其它的工作。

也就是说,引入DDP,理论上可以提升三分之一的系统性能。

屠嘉顺分享的中兴通讯5G核心网测试结果,也充分验证了两项技术的实践成效。

SST-CP技术引入前后的系统性能对比

从上图可以看出,引入SST-CP技术之后,整体性能提升了大约3%。

其实,大家都知道,英特尔CPU本身就有一个睿频技术,可以动态调整CPU的工作频率,但是这种调整方式是不停地变化,对整体的功能和性能来说,会带来一些不稳定和波动。而SST是强制提升,虽然整体数据看上去并不明显,但系统的稳定性和可靠性上要好很多。

DDP的效果就更加明显了,从96G到128G,差不多有33%,这个结果和之前理论的分析是完全一致的。

DDP技术引入前后的系统性能对比

综合来说,结合SST和DDP技术,系统的整体性能可以提升37%。这个对整个5G核心网来说,是非常了不起的性能提升,网络的功耗、集成度也会有很大的改善。

DDP技术还带来了一个好处,就是改善时延。

大家都知道,5G的一大特点就是超低时延,这主要是满足车联网、工业机器人等时延敏感型场景。

引入DDP技术之后,因为网卡直接进行了分发和转发,减少了上层处理的环节,所以对时延有明显的改善。从测试结果可以看出,时延从150us降低到74us,差不多降低了一半。

DDP带来的时延改进效果

5G时代,性能就是生产力,高性能就意味着高效率。

网元功能虚拟化(NFV),给5G核心网的性能倍增奠定了坚实的基础。以SST和DDP为代表的硬件加速技术和硬件智能技术,进一步挖掘了5G核心网的性能潜力。

随着时代的发展,硬件的性能仍将继续提升,架构的升级也会无穷无尽。正是这些源源不断的创新,给人类通信事业的进步带来了澎湃的动力!

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