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NFV，即電信網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，通過使用X86等通用性COTS硬件以及虛擬化技術(shù)來承載網(wǎng)絡(luò)功能的軟件處理，從而降低網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本。NFV可以通過軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動(dòng)部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。NFV架構(gòu)作為ETSI最新定義的通訊網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G新建網(wǎng)絡(luò)必將采用NFV架構(gòu)。同時(shí)，現(xiàn)網(wǎng)的部分存量網(wǎng)絡(luò)做網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改造，比如4G網(wǎng)絡(luò)的CU面分離部署時(shí)，通常也會(huì)采用NFV架構(gòu)。
然而技術(shù)的發(fā)展如同歷史的發(fā)展一樣，總是螺旋式上升的。NFV剛從專業(yè)硬件向通用硬件發(fā)展，面向5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及4G網(wǎng)絡(luò)的CU面分離應(yīng)用時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)以X86服務(wù)器為主的COTS硬件并不能滿足5G及4G C U分離的網(wǎng)絡(luò)性能要求。這主要有兩個(gè)原因：
一是通用X86 CPU保證通用性，而喪失了專用性，即不擅長特定任務(wù)處理。比如處理編解碼轉(zhuǎn)換、報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、加解密等并行處理任務(wù)。
二是X86通用處理器性能再無法按照摩爾定律進(jìn)行增長，而電信業(yè)務(wù)特性對(duì)計(jì)算性能要求，超過了按“摩爾定律”增長的速度。
以5G網(wǎng)絡(luò)而言，為滿足5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和低時(shí)延特性，5G RAN、5G CORE都有非常大的性能提升需求，只靠X86處理器性能難以滿足; 位于邊緣DC的MEC，受制于機(jī)房空間、散熱、成本等因素限制，使用純X86處理器難以滿足高性能計(jì)算的要求。
以4G CU分離而言，用戶面面對(duì)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)吞吐量及時(shí)延有很高的要求，而通用的X86處理器在報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)方面并不專業(yè)。
在4G CU分離及5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景中，因?yàn)镹FV所采用的通用硬件在特定任務(wù)處理上的性能或成本方面具有缺陷性，從而讓X86處理器配備FGPA、GPU等協(xié)處理器（加速卡）的方案重新出現(xiàn)在NFV的架構(gòu)中。電信網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)歷了從專用硬件到通用COTS硬件再到通用COTS硬件+專用加速卡硬件的螺旋式發(fā)展歷程。最新的ETSI NFV架構(gòu)也將硬件加速引入到NFV架構(gòu)之中，如下圖所示：
圖1 NFV參考架構(gòu)
在新的VNF架構(gòu)中，對(duì)NFVI進(jìn)行了增強(qiáng)，增加了加速資源虛擬化能力：將加速器進(jìn)行抽象，以邏輯加速資源的方式呈現(xiàn)，統(tǒng)一提供全面的加速服務(wù)。虛擬化層提供統(tǒng)一的接口，適配不同形態(tài)的加速設(shè)備形態(tài)，如加速器等。
NFV應(yīng)用中的硬件加速方案現(xiàn)狀
硬件加速方案現(xiàn)狀主要是兩部分：標(biāo)準(zhǔn)及開源組織的硬件加速研究現(xiàn)狀和硬件加速方案的應(yīng)用現(xiàn)狀。
首先說標(biāo)準(zhǔn)及開源組織的硬件加速研究現(xiàn)狀，這里介紹兩個(gè)主要的研究（或者開源）組織——ETSI、OpenStack對(duì)硬件加速的研究現(xiàn)狀。
ETSI，它除了在NFV架構(gòu)中定了硬件加速模塊功能外，也定義了硬件加速的兩種實(shí)現(xiàn)方案——pass-through方案以及抽象模型方案。
Pass-through 方案，即PCI/PCIe-pass-through，它將PCI插槽上的硬件加速卡直接pass through給某個(gè)特定的虛擬機(jī)使用。Pass-through方案是目前最通用的方案。其缺點(diǎn)是硬件被虛機(jī)獨(dú)占，上層應(yīng)用或者虛機(jī)需要自我維護(hù)不同加速卡的硬件驅(qū)動(dòng)等。
抽象模型方案：在NFVI中，也就是hypervisor中維護(hù)“Backend/HW Driver”模塊；在VNF層，在VNFC中維護(hù)“Generic Driver”模塊。NFVI負(fù)責(zé)加速卡的掃描和驅(qū)動(dòng)加載，加速卡硬件虛擬化管理，并將虛擬加速卡掛載給虛擬機(jī)上。其優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)加速卡資源可以被多個(gè)虛機(jī)使用，加速資源可以被加載或者釋放。并且VM針對(duì)各種加速卡，只使用一個(gè)通用的加速卡驅(qū)動(dòng)程序，虛機(jī)維護(hù)很簡單。
在ETSI定義硬件加速框架及實(shí)現(xiàn)方案的同時(shí)，開源社區(qū)OpenStack也啟動(dòng)了Cyborg項(xiàng)目，它的主要目標(biāo)是管理各種加速器的安裝驅(qū)動(dòng)程序、依賴關(guān)系、安裝和卸載。它能夠?qū)⒓铀倨骱蚽ova創(chuàng)建的虛機(jī)實(shí)例建立連接，旨在提供通用的硬件加速管理框架。OpenStack主要面向基礎(chǔ)設(shè)施中對(duì)加速硬件的驅(qū)動(dòng)集成和VIM對(duì)加速硬件的感知，不涉及上層MANO。目前Cyborg項(xiàng)目仍然是一個(gè)框架，還沒有有效代碼。中興通訊積極參與OpenStack Cyborg社區(qū)工作，主要致力于開發(fā)Cyborg Driver用于支持未來用于5G、邊緣等高可靠低時(shí)延場景的高精度時(shí)鐘同步卡。同時(shí)，作為Cyborg子團(tuán)隊(duì)sub-team lead，積極參與Cyborg文檔團(tuán)隊(duì)相關(guān)工作。
從上述標(biāo)準(zhǔn)及開源社區(qū)對(duì)加速方案的介紹可以看出，目前硬件加速方案，尤其是硬件加速抽象方案尚不成熟。同時(shí)加速硬件的使用涉及加速卡廠家、云平臺(tái)廠家和網(wǎng)元廠家的配合與聯(lián)動(dòng)。這需要針對(duì)相應(yīng)的加速卡產(chǎn)品，在云平臺(tái)層集成驅(qū)動(dòng)并虛擬化、提供相應(yīng)的加速庫或SDK，網(wǎng)元層進(jìn)行調(diào)用。
而硬件加速方案在NFV中的應(yīng)用現(xiàn)狀，就可以總結(jié)如下：
1、使用方式簡單。當(dāng)前主要使用方式為VM直通使用相應(yīng)加速硬件，硬件加速卡無法彈性或多VM之間進(jìn)行共享使用，導(dǎo)致資源利用率不均衡；
2、通用加速硬件和接口無規(guī)范。每個(gè)硬件廠家的加速芯片都是特定的加速驅(qū)動(dòng)，云平臺(tái)廠家提供的SDK差異較大，網(wǎng)元層需要進(jìn)行適配和定制開發(fā)，規(guī)范化程度低；
3、需要對(duì)MANO進(jìn)行擴(kuò)展。硬件加速的使用可以分為感知、分配、調(diào)度、釋放等四個(gè)階段。感知需要云平臺(tái)對(duì)硬件類型進(jìn)行識(shí)別、分配需要VNFM和NFVO支持網(wǎng)元對(duì)加速硬件資源請(qǐng)求的解析、調(diào)度需要云平臺(tái)進(jìn)行加速資源的監(jiān)控和部署、釋放則需要云平臺(tái)對(duì)加速硬件資源進(jìn)行重新編程。這些都需要對(duì)MANO進(jìn)行擴(kuò)展。
中興通訊NFV硬件加速方案
中興通訊作為全球領(lǐng)先的綜合通信解決方案提供商，在5G領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位。硬件加速是5G網(wǎng)絡(luò)中提升網(wǎng)絡(luò)性能的重要方案，中興通訊積極參與ETSI及OpenStack的硬件加速標(biāo)準(zhǔn)及方案，同時(shí)已經(jīng)推出了自己的硬件加速方案。中興硬件加速方案架構(gòu)如下圖所示：
圖2 硬件加速卡虛擬化管理及應(yīng)用
中興硬件加速方案具有如下優(yōu)勢(shì)：
計(jì)算節(jié)點(diǎn)是加速卡虛擬化管理的最重要節(jié)點(diǎn)，它提供以下能力：
·通過FPGA或者GPU驅(qū)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)硬件加速板卡，記錄本機(jī)硬件加速能力（集），并將驅(qū)動(dòng)集成如通用驅(qū)動(dòng)之列，上報(bào)能力到VIM；
·生成具有特定加速能力的虛機(jī)，加載對(duì)應(yīng)加速硬件，并提供提供通用虛機(jī)前端驅(qū)動(dòng)；
VIM節(jié)點(diǎn)主要管理計(jì)算節(jié)點(diǎn)的加速能力，上報(bào)加速能力到NFVM/NFVO或者其他應(yīng)用編排器如HEAT及完成具有加速能力的虛機(jī)的部署。
中興硬件加速方案目前已經(jīng)支持基于FPGA的GTP業(yè)務(wù)加速，基于GPU的視頻音頻業(yè)務(wù)加速及QAT加解密加速。中興通訊將攜手行業(yè)伙伴，以先進(jìn)技術(shù)助力網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，全面提升5G網(wǎng)絡(luò)能力。 
作者：劉小華 來源：C114通信網(wǎng)
