2020年中国移动NFV硬件加速技术白皮书_37页_1mb

中国移动NFV硬件加速技术白皮书总结

核心内容概述

本白皮书由中国移动通信集团有限公司研究院发布，旨在阐述NFV硬件加速技术的整体架构、关键技术及发展方向，重点聚焦于边缘计算场景下的应用需求。随着5G和边缘业务的快速发展，传统通用COTS硬件在满足大带宽、低时延、高可靠性等性能需求方面存在局限，因此引入硬件加速技术成为提升NFV性能的关键手段。

主要观点

• 硬件加速技术通过将计算任务卸载至专用硬件（如FPGA、GPU、ASIC等），提高性能、降低成本。
• NFV架构经历了从专用硬件到通用COTS硬件，再到通用COTS硬件+加速硬件的演变，未来将向“通用硬件+加速硬件”的异构计算模式发展。
• 边缘计算场景对时延、带宽、可靠性要求更高，传统CPU无法满足，因此需要引入硬件加速来提升边缘业务性能。
• **UPF（用户面功能）**作为5G核心网的关键组件，其在边缘部署后面临资源受限问题，硬件加速是实现其高性能的关键。
• AI与图像处理类业务对并行计算能力有较高要求，引入GPU加速能够有效提升性能并降低计算门槛。
• 硬件加速管理编排是实现NFV加速资源高效利用的重要环节，需标准化接口、统一管理流程、优化资源调度。

关键信息

1. 硬件加速产生的背景

• X86 CPU在通用性上的优势使其成为NFV的首选，但其在并行计算、大带宽、低时延方面存在局限。
• 5G UPF在边缘部署后面临性能瓶颈，需要通过硬件加速实现高效转发和处理。
• 边缘业务（如AI、AR/VR、云游戏等）对算力、带宽和时延要求极高，传统软件方案无法满足。

2. 硬件加速技术在产业的应用

• 微软Azure通过FPGA实现网络和存储虚拟化加速，提升性能并减少资源消耗。
• 亚马逊AWS推出FPGA计算实例F1，提供可编程硬件加速能力。
• 阿里云提供多种异构计算实例，覆盖GPU、FPGA等硬件加速类型。
• Ucloud和京东云通过智能网卡实现网络性能提升，降低时延与资源消耗。

3. 硬件加速标准和开源进展

• ETSI在NFV架构中引入了硬件加速模块，定义了Pass-through和抽象模型两种实现方案。
• OpenStack Cyborg项目支持FPGA、GPU等加速硬件的管理与调度，但仍需进一步优化以实现商用部署。

4. NFV硬件加速需求分析

• 数据通路加速：OvS+DPDK和SR-IOV是两种主要方式，各有优劣，OvS卸载智能网卡是当前较优选择。
• UPF加速：需支持高并发、大带宽和低时延，FPGA是当前更优选择，因其灵活性、低功耗和高性能。
• 边缘应用加速：主要依赖GPU，支持AI、图像处理等业务，需支持多种使用方式（如裸机、虚机、容器等）及统一调度策略。

5. 中国移动NFV硬件加速整体架构

• 架构分为异构计算硬件层、虚拟层和应用层，并包含加速硬件管理编排域。
• 通用硬件加速平台需支持UPF厂家和第三方应用的接入，实现**Accelerator-as-a-Service（AaaS）**模式。
• FPGA智能网卡是当前重点推广的硬件加速方式，支持shell-role架构，实现硬件与软件的解耦。

6. 硬件加速关键技术

• 数据通路加速：通过OvS卸载智能网卡实现网络性能提升，支持多种协议处理和流控制。
• UPF加速：引入FPGA智能网卡，实现负载均衡、协议解析、安全校验、DPI、QoS、Charging等功能的硬件卸载。
• 边缘应用加速：引入GPU，支持AI、图像处理、AR/VR等业务，需支持多种调度策略（Best Effort、Equal Share、Fixed Share）。
• 硬件加速管理编排：通过Cyborg等组件实现对加速硬件的统一管理，包括发现、挂载、卸载、监控、调度、释放等。

7. 展望与呼吁

• 标准制定：中国移动将积极参与ETSI NFV工作组，推动硬件加速参考架构的制定。
• 开源推动：积极参与OpenStack Cyborg项目，推动硬件加速通用API和平台建设。
• 产业合作：联合业界企业推动硬件加速技术的成熟，包括技术攻关、试验验证和商用部署。
• 试验验证：依托NovoNet试验网，验证OvS、UPF、AI等硬件加速技术的可行性。

关键技术对比与建议

推荐技术方案

• OvS卸载智能网卡：适合边缘场景，提供灵活组网、支持热迁移，提升转发性能。
• FPGA智能网卡：适合UPF加速，具备高灵活性、低时延和高吞吐能力，支持shell-role架构。
• GPU加速：适合AI、图像处理等边缘业务，支持多种调度策略，提升计算性能。

附录：术语与缩略语

总结

中国移动在NFV硬件加速技术方面已开展系统性研究，重点推进OvS、UPF和边缘应用加速方案。随着5G和边缘计算的快速发展，硬件加速成为提升网络性能、降低时延和提高资源利用率的重要手段。通过引入FPGA、GPU等硬件加速技术，结合异构计算架构与管理编排技术，中国移动致力于构建通用硬件加速平台，推动加速技术在运营商网络中的成熟与商用。同时，呼吁业界合作，共同推动标准制定、开源项目发展和产业协同，以实现NFV在边缘场景下的高效部署。