5G UPF 硬件加速白皮书 2020 年 7 月 5G UPF硬件加速白皮书 I 目 录 1 前 言 ................................ ................................ ................................ ................................... 1 2 UPF硬件加速背景概述 ................................ ................................ .................................. 2 2.1 业务硬件加速需求 ................................ ................................................................ .............. 2 2.2 硬件加速技术背景 ................................ ................................................................ .............. 3 2.3 NFV标准和开源情况 ................................ ................................ ........................................... 5 2.4 UPF硬件加速应用现状 ................................ ................................ ....................................... 8 3 UPF硬件加速技术要求 ................................ ................................ .................................. 9 3.1 智能网卡关键技术要求 ................................ ................................ .................................... 10 3.1.1 加速芯片选型 -移动 ................................ ................................ ........................................ 11 3.1.2 智能网卡设计要求 ................................ ................................ ......................................... 14 3.2 智能网卡管理和编排要求 ................................ ................................ ................................ 19 4 扩展应用场景 ................................................................ ................................ ................. 20 4.1 固移融合场景 ................................ ................................................................ ................... 20 4.2 多业务融合场景 ................................ ................................................................ ............... 21 4.2.1 UPF 全卸载方案 ................................ ................................................................ ............... 22 5 展望与呼吁 ................................................................ ................................ ..................... 23 1 1 前 言 UPF（user plane function ）作为 5G核心网的网络功能网元 ，承担了数据流量 处 理、路由转发等核心 网络处理 功能，是 5G用户数据流量接入运营商 网络的桥梁。 伴随着5G技术发展和边缘业务的兴起， UPF承载的用户 数和业务种类日益增 加，新业务、新场景对 UPF的处理性能提出 了更高要求。在智能制造、智慧城市、 车联网、云游戏、 AR/VR等各个垂直领域，时延与带宽成为此类边缘业务的核心 关注点。以工业控制领域为例，对端到端转发时延要求不超过 1ms，UPF转发作为 其中一环， 处理时延 要求更低。 AR/VR类应用对带宽要求在 28Gbps以上，而承载 人网流量的UPF ，在承载百万级用户量的前提下，带宽要求甚至要达到 300Gbps以 上。 随着运营商网络功能虚拟化（ Network Function Virtualization, NFV ）的推进 ， 控制面网元已经 逐步完成 了云化部署 。下沉到 边缘机房的 UPF需要具备 灵活切片 能力，同时与 边缘计算业务共站点部署， 云化是必然要求 ，实现业务的灵活部署 和资源最大程度的共享。然而，边缘云节点在空间、供电、承重等方面存在着很 强物理约束， 这个特点使得 边缘无法 复制核心云端的无限资源、 大规模部署 模式， 在边缘云具体部署实现时，必须需要考虑在有限空间、供电资源、承重能力这些 前提下，如何满足业务 对UPF的性能需求。因此， UPF硬件加速技术 应运而生。 本白皮书以边缘计算发展理念为基础，以网络转型需求和业务发展趋势为指 引，向业界系统阐释中国运营商 面向 UPF进行硬件加速的整体架构、关键技术及 该加速方案的 扩展应用场景 。倡议业界联合对 UPF硬件加速技术的 架构、方案及 扩展应用 等进行深入研究和实践，共同推进 UPF硬件加速技术的成熟，更好的支 持边缘场景的业务发展和网络转型。 5G UPF硬件加速白皮书 2 2 UPF硬件加速背景概述 2.1 业务硬件加速需求 虚拟化技术 的引入使包括 UPF在内的 5G核心网网元可以部署在通用服务器 资源池内，不再依赖于专用硬件， 从而获得对资源的 充分灵活共享 、新业务的快 速开发和上线 等优点，并基于实际业务需求 实现自动部署、弹性伸缩、故障隔离 和自愈等功能。通用服务器资源池的建设方式降低了 5G核心网的建设难度，但通 用服务器的CPU 丧失了专用性， 不擅长处理 UPF中的核心业务“ 报文转发 ”这种 高并行处理任务， 并且电信业务特性对计算性能的要求超过了 “后摩尔定律时代” CPU的性能增长速度。 5G uRLLC 超低时延和 eMBB高带宽特性对核心网转发面网元 UPF的处理时延、 带宽、抖动和丢包率等性能提出了更高要求。 在5G uRLLC 场景下，例如车联网对 端到端处理时延要求为 5ms，目前转发面网元 U面转发处理时延在 0.5ms~0.8ms 左 右， 存在下降空间 ，但 是 仅通过软件优化降低处理时延无法从根本解决时延问题。 另外，随着提速降费以及无限量套餐的普及，核心网数据转发量迅猛上升， 同时 伴随5G发展， AR/VR、4K/8K高清视频、 3D游戏等大带宽应用将进一步提升用户 上网数据总流量。 而摩尔定律失效，单位面积 CPU处理能力提升速度难以满足转 发处理需求， 单纯通过 CPU堆叠提升带宽能力将带来单 bit转发功耗和成本的上升。 边缘计算融合网络、计算、存储等业务在网络的边缘侧提供计算服务，而 UPF 下沉到边缘场景为边缘计算的落地和发展提供了良好的网络基础。随着边缘计算 技术的应用和发展， 边缘计算情景下，业务种类不断丰富。 在支持固移融合（ Fix Mobile Convegent ）的 MEC中，可实现 4G、IoT、WiFi等各种固网与移 动网的综合 接入，提供无缝的 FMC业务，部署在在工业园区场景中，有视频监控、 AGV （Automated Guided Vehicle ）等应用且要在边缘完成视频的分析和识别，会占用 大量带宽和计算资源。而 5G作为最主要的接入方式之一，低时延、高带宽的业务 需求使UPF 不得不面对的严峻考验， 而UPF加速卡可以在空间上分离处理逻辑， 从