高性能5G核心網(wǎng),動(dòng)力從何而來(lái)?
核心網(wǎng),是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的大腦,是不可或缺的重要組成部分。
網(wǎng)絡(luò)的管理控制、鑒權(quán)認(rèn)證等關(guān)鍵功能,主要由核心網(wǎng)負(fù)責(zé)。核心網(wǎng)的能力是否強(qiáng)大,直接影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能表現(xiàn)。
5G時(shí)代,整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生了翻天覆地的變化,為了實(shí)現(xiàn)超高速率,超低時(shí)延,超大連接,網(wǎng)絡(luò)的方方面面都進(jìn)行了改造和革新。那么,在苛刻的性能指標(biāo)要求面前,我們的5G核心網(wǎng), 究竟是怎么自我革新,面對(duì)挑戰(zhàn)的呢?
6月19日,在英特爾®數(shù)據(jù)創(chuàng)新峰會(huì)暨新品發(fā)布會(huì)上,中興通訊NFV/SDN首席科學(xué)家屠嘉順先生給我們分享了中興通訊在5G核心網(wǎng)高性能運(yùn)算方面的實(shí)踐成果。
5G核心網(wǎng),相比4G,不管是服務(wù)架構(gòu),還有硬件平臺(tái),都完全不一樣了。
通過引入NFV網(wǎng)元功能虛擬化技術(shù),傳統(tǒng)的專用硬件平臺(tái)被x86通用硬件平臺(tái)所取代。
大量的通用服務(wù)器組成了硬件資源池。在資源池上,通過基于OpenStack的虛擬化軟件平臺(tái),構(gòu)建了大量的虛擬機(jī)甚至容器。而我們5G核心網(wǎng)的網(wǎng)元,就以軟件的形式,部署在這些虛擬機(jī)和容器上,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。
這樣的架構(gòu),被稱為微服務(wù)架構(gòu)。而這個(gè)開放的平臺(tái),也就是我們常說(shuō)的電信云。
整個(gè)5G核心網(wǎng)的虛擬化和云化,使其自身具備很高的靈活性。硬件資源是靈活的,軟件部署是靈活的,業(yè)務(wù)遷移和擴(kuò)容縮容,也是靈活的。
為了進(jìn)一步降低運(yùn)維復(fù)雜度,5G核心網(wǎng)還引入了編排器。
編排器負(fù)責(zé)對(duì)資源調(diào)度進(jìn)行編排。編排器里面還集成了人工智能引擎,甚至包括大數(shù)據(jù)分析,形成一些配置庫(kù)。前期的經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)維的訴求,變成一系列自動(dòng)化運(yùn)維的policy策略,讓整個(gè)系統(tǒng)具有自動(dòng)化部署的能力。
采用微服務(wù)架構(gòu)之后,5G核心網(wǎng)的效率有了大幅的提升,部署效率可以提升30%,運(yùn)維效率提升40%,這是相比4G核心網(wǎng)的一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。
5G核心網(wǎng),離不開高效、強(qiáng)勁的云基礎(chǔ)設(shè)施
除了控制功能之外,5G核心網(wǎng)的一個(gè)最重要指標(biāo)是轉(zhuǎn)發(fā)效率。
5G核心網(wǎng)需要將來(lái)自無(wú)線接入網(wǎng)的用戶數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)。同樣的,它也需要將來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)給接入網(wǎng)。
5G網(wǎng)絡(luò)龐大的流量,全部都要經(jīng)過5G核心網(wǎng)。而具體負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)元,就是UPF。
UPF是5G核心網(wǎng)性能的關(guān)鍵
所以說(shuō),UPF的性能優(yōu)劣,直接決定了整個(gè)5G核心網(wǎng)的性能,甚至整個(gè)5G網(wǎng)絡(luò)的性能。
那么,在目前的架構(gòu)下,UPF的轉(zhuǎn)發(fā)能力,究竟該如何獲得提升?
根據(jù)屠嘉順的介紹,目前5G UPF網(wǎng)元的性能提升,主要有三個(gè)手段:
第一個(gè),是CPU加速。也就是UPF軟件直接部署在更強(qiáng)勁的CPU上,以此提升性能。
第二個(gè),是通用網(wǎng)卡加速。網(wǎng)卡是流量的直接出入口,承載著大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。所以,在網(wǎng)卡上進(jìn)行加速,可以提升UPF的性能。
第三個(gè),是采用智能網(wǎng)卡。智能網(wǎng)卡是一種特殊的網(wǎng)卡,采用了一些智能技術(shù),用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)卡的直接轉(zhuǎn)發(fā),從而實(shí)現(xiàn)性能的提升。
這里就要特別介紹一下英特爾的SST-CP(Speed Select - Core Power)技術(shù)。
SST-CP技術(shù),是第二代英特爾至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器N系列所支持的一項(xiàng)內(nèi)核頻率控制技術(shù)。它可以靈活配置和調(diào)整CPU核的優(yōu)先級(jí),將一個(gè)CPU的部分核,強(qiáng)制運(yùn)行在較高的頻率上。
UPF網(wǎng)元對(duì)性能的要求高,就將UPF定義到高優(yōu)先級(jí)的CPU核上,借此大幅提升UPF的工作性能。
為什么不將所有的核心頻率都提升呢?
當(dāng)然是為了節(jié)能,只讓有性能需求的網(wǎng)元工作在高頻率。5G核心網(wǎng)控制類的網(wǎng)元,例如AMF等,是不需要那么高性能的,如果全部調(diào)高,勢(shì)必增加整個(gè)CPU的能耗,單個(gè)CPU的熱負(fù)荷也超標(biāo)了。
SST-CP技術(shù),既滿足了UPF網(wǎng)元的性能需求,又平衡了5G核心網(wǎng)的整體功耗,是一項(xiàng)非常實(shí)用的技術(shù)。
第二項(xiàng)用于UPF性能提升的技術(shù),就是DDP(Dynamic Device Personalization,動(dòng)態(tài)設(shè)備個(gè)性化)。
DDP是一個(gè)讓網(wǎng)卡更加“聰明”的技術(shù)。
傳統(tǒng)情況下,UPF作為流量通道,需要一部分CPU核心進(jìn)行流量的分發(fā),還有一些CPU核心做流量的轉(zhuǎn)發(fā)。比例大概是1:2。
如果網(wǎng)卡引入了DDP的技術(shù),那么,它可以根據(jù)需求下載一些User Profile(用戶配置文件),然后根據(jù)用戶的IP地址作為索引,進(jìn)行分發(fā)工作。這樣一來(lái),網(wǎng)卡就具備了分發(fā)能力,那么,用于分發(fā)的三分之一的CPU核就被釋放出來(lái)了,可以做其它的工作。
也就是說(shuō),引入DDP,理論上可以提升三分之一的系統(tǒng)性能。
屠嘉順分享的中興通訊5G核心網(wǎng)測(cè)試結(jié)果,也充分驗(yàn)證了兩項(xiàng)技術(shù)的實(shí)踐成效。
SST-CP技術(shù)引入前后的系統(tǒng)性能對(duì)比
從上圖可以看出,引入SST-CP技術(shù)之后,整體性能提升了大約3%。
其實(shí),大家都知道,英特爾CPU本身就有一個(gè)睿頻技術(shù),可以動(dòng)態(tài)調(diào)整CPU的工作頻率,但是這種調(diào)整方式是不停地變化,對(duì)整體的功能和性能來(lái)說(shuō),會(huì)帶來(lái)一些不穩(wěn)定和波動(dòng)。而SST是強(qiáng)制提升,雖然整體數(shù)據(jù)看上去并不明顯,但系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性上要好很多。
DDP的效果就更加明顯了,從96G到128G,差不多有33%,這個(gè)結(jié)果和之前理論的分析是完全一致的。
DDP技術(shù)引入前后的系統(tǒng)性能對(duì)比
綜合來(lái)說(shuō),結(jié)合SST和DDP技術(shù),系統(tǒng)的整體性能可以提升37%。這個(gè)對(duì)整個(gè)5G核心網(wǎng)來(lái)說(shuō),是非常了不起的性能提升,網(wǎng)絡(luò)的功耗、集成度也會(huì)有很大的改善。
DDP技術(shù)還帶來(lái)了一個(gè)好處,就是改善時(shí)延。
大家都知道,5G的一大特點(diǎn)就是超低時(shí)延,這主要是滿足車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)機(jī)器人等時(shí)延敏感型場(chǎng)景。
引入DDP技術(shù)之后,因?yàn)榫W(wǎng)卡直接進(jìn)行了分發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā),減少了上層處理的環(huán)節(jié),所以對(duì)時(shí)延有明顯的改善。從測(cè)試結(jié)果可以看出,時(shí)延從150us降低到74us,差不多降低了一半。
DDP帶來(lái)的時(shí)延改進(jìn)效果
5G時(shí)代,性能就是生產(chǎn)力,高性能就意味著高效率。
網(wǎng)元功能虛擬化(NFV),給5G核心網(wǎng)的性能倍增奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。以SST和DDP為代表的硬件加速技術(shù)和硬件智能技術(shù),進(jìn)一步挖掘了5G核心網(wǎng)的性能潛力。
隨著時(shí)代的發(fā)展,硬件的性能仍將繼續(xù)提升,架構(gòu)的升級(jí)也會(huì)無(wú)窮無(wú)盡。正是這些源源不斷的創(chuàng)新,給人類通信事業(yè)的進(jìn)步帶來(lái)了澎湃的動(dòng)力!