5G核心网UPF硬件加速技术分析

周 洋

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

0 引 言

通过使用虚拟化技术及类似X86的COTS通用性硬件承载一些软件处理，可使得很多功能在运用时能够多一种选择，如此可较大程度地实现信息资源灵活共享、功能软件的完整开发与极速上线，然后根据软件的应用要求进行故障隔离和弹性伸缩等。但是在应用5G核心网时，eMBB高带宽与uRLLC超低时延对核心网络提出了更高的要求。

1 UPF相关功能

1.1 UPF网元结构

5G核心网在新时期已经实现了在各个行业的较快发展，并有着各个阶层的广泛需求。在构建过程中实现了颠覆性设计，如图1所示，UPF主要负责的是用户的面板功能，如将流量路由数据信息传输到数据网络，其后由数据网络完成转发。在上行链路位置的用户数据信息在UE发出，其后通过无线通道到达基站，基站在GTP-U报文中封装好用户信息后，借助N3接口将这部分数据信息传输到UPF，其后UPF会在GTP-U位置获取经UE传输过来的用户数据信息，依托于路由转发，经N6到DN，而下行链路的传输方式与上行链路刚好相反。为进一步加强对用户数据的管理与控制，UPF还支持与数据网络互连的外部PDU会话点、数据包检查、用户平面部分的策略规则实施以及上行链路分类器。分支点以此为基础可实现下行链路数据通知触发、下行链路分组缓冲、QoS处理以及多宿主PDU会话等[1]。

图1 5GC网络架构

1.2 UPF的系统转发流程

UPF转发过程中两种形式，其中一种为上行传输方式，从N3到N6，流程为LINK→IP FWD→Security→GTP→Rule Lookup→DPI→QoS→Charging，另外一种为上行传输方式，从N6到N3，流程为LINK→IP FWD→Rule Lookup→QoS→Charging→GTP →Security。

IP FWD与LINK的基本功能包括IP组播、ACL、MPLS、Tunnel、IPv4/v6以及MAC等，这些网络报文转发基本功能逻辑结构对于传统形式的网络报文来说极为简单，与交换机等装置功能基本类似。

QoS模块相关功能的实现，需以分类数据信息差异化处理为基础，实现Shaping和Car等多方面的功能应用。在硬件资源不足的状况下，QoS模块应为更高优先级的网络报文供给对应的优质转发服务[2]。

2 加速方案

2.1 硬件加速芯片

目前，硬件中应用较多的加速芯片包括可编程交 换 芯 片、TCAM、SoC、ASIC、NPU、GPU以 及FPGA等。GPU主要是在视频数据和浮点运算系统化处理方面应用较广，其他芯片都可不同程度地实现网络报文转发速度的提升。NPU主要是通过固化数据转发的一系列处理流程，实现其高质量的数据转发，较多用于一些大容量数据的协议处理转发。ASIC按需定制一些稳定、成熟的算法应用，在实现量产后可在开发、功耗以及成本方面具备较大的优势，但是最好不要重复使用，因会导致其灵活性降低[4]。

可编程交换芯片是一种新型的硬件加速芯片，其以传统芯片为基础添加支持编程功能，基本原理为动作处理单元与TCAM合并组成流水线实现对网络报文的并行处理，然后根据命中表项的实际状况进行系列动作，兼顾灵活性与高性能，具备代表性的芯片包括Jericho芯片与P4交换芯片等[5]。

FPGA性价比在ASIC与通用处理器之前，其所具备的灵活加载性能使得FPGA在加速领域有着宽广的适应性，但是也存在着难度大与开发门槛高的缺陷[6-9]。现阶段，FPGA主要由Xilinx与Intel两大厂商提供。

UPF在选择加速硬件芯片时应当根据实际状况，从可维护性和性价比等多层面进行选择评估，也可综合考虑需卸载业务的主要特点，挑选多个芯片协同完成UPF的加速功能。

2.2 硬件加速卡以及业务卸载

实现UPF业务功能在硬件加速卡上的卸载，可较大程度地促进UPF转发加速。智能网卡和硬件加速卡之间的原理相似，区别在于智能网卡是一种更为标准的加速卡，不仅限于UPF中的使用，而硬件加速卡有着较强的针对性，是根据成本、芯片特性以及业务需要等设计的一种专用加速卡。不同厂家设计的加速卡方案有着一定的差异性，但是主流方案为将UPF中的快进程在硬件加速卡上卸载，其他进程由CPU完成，处理流程如图2所示。硬件加速卡得到上个层级传输的快进程后，提取并判断其具体的匹配表项状况，若是不能完成匹配，则传到CPU，在DPI和GTP模块进行处理，然后判断其能否卸载，若要卸载，则再传到硬件加速卡。硬件加速卡接收到数据包后，流表中表项被命中，再用承载表得到该流的QoS等模块信息，由此硬件加速卡完成UPF中快速转发数据包工作[10]。

图2 UPF业务卸载到硬件加速卡后的处理流程

UPF所属的各项流量转发中，视频流占据主体位置且比例仍处于不断上升状态。视频流属于长连接数据流，只是在连接构建初期存在少量报文输送至CPU处理，中后期大量数据包皆是通过硬件加速卡实现快进程处理转发。

3 结 论

首先分析了UPF的两种转发流程，并对流程中各个模块的应用特征与条件等进行了细致地分析，其次介绍了各个硬件的加速方案与加速技术，最后以此为基础探究了5G核心网UPF硬件加速技术的最优实现路径。文章提出的UPF硬件加速技术仍存在着没有资源池化与标准化的问题，要实现其广泛应用，还需技术人员对其进行完善，如此才能实现长远发展。