クラウドネイティブ 5G コア ネットワークには DPU が必要ですか?

2022年には、世界の5G接続数は10億を超え、5Gユーザー1人あたりのデータ消費量は非5Gユーザーの2倍になります。モバイルネットワークのトラフィックは急速に増加しています。分析会社オムディアは、2023年までに5Gユーザーの月間平均消費量は14GBとなり、2027年までにこれが2倍の28GBになると予測している。

事業者は、この急速に増加するトラフィックをどのように処理するかを検討する必要があります。

5Gコアネットワークはクラウドネイティブへと進化

現在、5Gコアネットワークの設計はNFV仮想化アーキテクチャに基づいており、VNF（仮想ネットワーク機能）で構成されています。 VNF は、汎用ハードウェア上に構築されたソフトウェア パッケージであり、仮想環境で実行されるネットワーク機能です。

NFV コンセプトは、ETSI 組織によって最初に提案されました。 IT仮想化技術と標準化された汎用IT機器を活用して、さまざまなネットワーク機器の機能を実現することを指します。その本質は、ハードウェア リソースとソフトウェア機能の分離を実現することです。目標は、通信ネットワーク内のプライベートな専用ネットワーク要素機器を標準の x86 サーバー、ストレージ、スイッチング機器に置き換え、オペレータの投資を節約しながら、新しいサービスの迅速な開発と展開を実現し、実際のビジネス ニーズに基づいて自動展開、容量の柔軟なスケーリング、障害の分離、自己修復を実現することです。

図に示すように、ファイアウォールと VPN ゲートウェイの 2 つの PNF では、この VNF を実行するために 2 つの仮想マシンが必要です。さらに、仮想マシン管理プログラム (ハイパーバイザー) は、物理サーバーを複数の論理サーバー (VM) に分割します。同時に、仮想マシンはホストマシン上の各仮想マシンのゲスト OS オペレーティング システムも実行する必要があり、サーバーに追加の負担がかかります。

ただし、専用ハードウェアから分離された VNF は、大規模な通信ソフトウェア パッケージであり、非常に大きく複雑で、数百万行のソフトウェア コードが含まれることもよくあります。つまり、ソフトウェアの開発からリリース、テストまでのプロセス全体は非常に労働集約的であり、1 年かかると見積もられています。

5G アプリケーション シナリオにおける大帯域幅と低遅延の要件を満たすには、5G コア ネットワークのユーザー プレーンをエッジまたは地域データ センターに展開して伝送遅延を削減するだけでなく、ユーザー プレーン メッセージの転送遅延を大幅に削減する必要があります。 VNF（仮想ネットワーク機能）では、需要に迅速に対応できなくなりました。

ではどうすればいいでしょうか？クラウド ネイティブの設計原則に基づいて、大規模な VNF はさらに複数の小規模なマイクロサービスに分解されます。マイクロサービスはサイズが小さいだけでなく、独立したライフサイクル管理も備えているため、よりきめ細かいソフトウェア開発、リリース、テスト、アップグレードを実現でき、運用の俊敏性が向上します。

Cloud Native は、仮想クラウド環境でアプリケーションを開発および実行する新しい方法を定義します。クラウド ネイティブの原則は次のとおりです。

• アプリケーションは、マイクロサービスと呼ばれる小さな単位に「分割」されます。相互接続された小さなマイクロサービスのセットが単一のアプリケーションを置き換えます
• コンテナはマイクロサービスを格納し、ランタイム環境を提供します。コンテナは仮想マシンのオーバーヘッドを排除し、代わりにアプリケーション コード、バイナリ、依存関係をパッケージ化します。コンテナは同じゲスト OS またはホスト OS システム/カーネルを共有します。
• Kubernetes オーケストレーションは、完全なコンテナ ライフサイクル管理を提供します。スケジュール、開始/停止/再起動、可視性が含まれます。

CNF には、次のような他の優れた利点もあります。

• 新しいサービスの開始やアップグレードにハードウェアの交換が不要になるため、柔軟性と俊敏性が向上します。
• プログラムの展開には VNF のサポートに必要なハードウェアよりも少ないハードウェアしか必要ないため、コストが低くなります。
• コンテナ化されたマイクロサービスは必要に応じて水平方向または垂直方向に拡張できるため、スケーラビリティが向上します。クラウドの特性により、大量のトラフィックや並行したユーザー流入に対応するために、より多くのハードウェア リソースを展開することが容易であり、基本的に無制限のスケーラビリティを備えていると考えられます。
• フォールトトレランスと信頼性を向上します。何らかの理由でコンテナがオフラインになった場合、オペレーターはすぐに別のコンテナを起動できます。

ネットワーク パフォーマンスの向上: ソフトウェアかハードウェアか?

業界では長い間、コンピューティング タスク用に設計されたインフラストラクチャが、5G ユーザー プレーンと低遅延エッジのユース ケースを効果的に処理できるかどうかについて議論されてきました。

重要な議論の 1 つは、ハードウェア アクセラレータ (別名 SmartNIC またはデータ処理ユニット (DPU)) を使用してパケット処理をオフロードし、サーバー リソースをより効率的に活用するか、ソフトウェアを使用してパフォーマンスを最適化するかということです。

ソフトウェアは、特に慎重に設計されたクラウドネイティブ ネットワーク機能 (CNF) を通じて効率性を高める主な方法であり続ける可能性が高いという見方があり、クラウドをより強力にする俊敏性とワークロードの移植性を維持するため、短期的にはこれがより優れたアプローチであると考えられています。

ハードウェア ソリューションとは、処理作業をアクセラレーション ハードウェア (コプロセッサ) に分散し、適切なアクセラレーション ハードウェアの処理上の利点を活用して CPU 負荷を軽減し、パフォーマンスの向上とコストの最適化を実現することを指します。

NFV のハードウェアでは、一般的に x86 汎用サーバーが使用されます。しかし、x86 汎用サーバーのスループットやレイテンシなどの I/O パフォーマンスは、従来の専用ハードウェアに比べて大幅に劣っており、5G シナリオの商用展開要件を満たすことができません。表面的には、5G コアにおけるハードウェア アクセラレーションは魅力的に見えます。

DPU/SmartNIC などの外部ハードウェアを使用してパケット処理をオフロードすると、フロー テーブルの検索とメッセージ処理機能が向上します。高速化が必要なデータ フロー メッセージについては、CPU にアップロードする必要はありません。これらは DPU/SmartNIC 上でローカルに処理および転送できるため、データ メッセージのハードウェア レベルの処理と転送が実現され、ビジネス メッセージの使用が最小限に抑えられます。これにより、CPU リソースの使用量が大幅に削減され、パフォーマンスが大幅に向上し、レイテンシが短縮されます。

また、仮想化層では、既存のNFVアーキテクチャのビジネス層、仮想化層、ハードウェア層の分離がゆっくりと進んでいます。 NFV アーキテクチャをよりオープンにするために、仮想化レイヤーを DPU に統合することを検討できます。

現在、事業者はオープンUPFを推進していますが、多くのUPFは機器メーカーに縛られているのが現状です。 DPU/SmartNIC を使用すると、UPF の GTP、QoS、Forward などの機能のオフロードが実現され、UPF 転送効率が向上し、単一サーバーのスループットが向上し、処理遅延、ジッター、パケット損失率などが削減され、各サイトに展開されるユーザープレーン サーバーの数が削減されるため、コンピューター ルームのスペース、電力消費、放熱の要件が軽減され、コストが削減されます。

5G コア ネットワーク向け DPU/SmartNIC

次の図は、「組織は 5G コア ユーザー プレーンでハードウェア アクセラレーション (DPU/SmartNIC) を広範に使用することを想定していますか?」に関するユーザー調査の結果を示しています。

回答者の 40% が「特定のシナリオ (固定無線アクセスなど) で DPU/SmartNIC を使用する」を選択しました。固定アクセス サービスは、モバイル サービスよりも接続あたりのスループットがはるかに高くなります (一般的に、経験則として約 10 倍高くなります)。したがって、ハードウェア アクセラレーションを使用する理由はさらに増えます。数年かかるでしょうが、有線と無線が統合され、固定アクセスとモバイル アクセスに同じユーザー プレーンが展開されれば、ハードウェア アクセラレーションを選択する人が増えるでしょう。

回答者の38%が「DPU/SmartNICの広範な使用、ユーザープレーンアクセラレーションはほとんどの場合必須」を選択し、5Gコアユーザープレーントラフィックの効率的な処理にはハードウェアアクセラレーションが重要になると予測しました。

スイング

DPU ハードウェア アクセラレーションには多くの利点がありますが、最も重要なのは、ネットワーク パフォーマンスを大幅に向上させ、従来のテクノロジーよりも高速、低レイテンシ、強力なネットワーク パフォーマンスを提供できることです。これにより、5G ネットワークはより高速かつ確実にデータを送信できるようになります。

DPU/SmartNIC ハードウェア アクセラレーションは 5G コア ネットワークで一定の利点がありますが、業界ではかつて、コア ネットワーク NFV のユーザー プレーンでハードウェア アクセラレーションを使用する必要があるかどうかについて懐疑的でした。

一般的なハードウェア プラットフォームの仮想化は避けられないトレンドです。オペレータは専用機器から移行したばかりで、DPU/SmartNIC は使い慣れた専用ハードウェアに戻ったようです。

ハードウェアアクセラレーションの性能比が期待に応えていない：専用機器が批判される主な理由は、機器メーカーの独占によりコストが高騰していることです。現在、コア ネットワーク ハードウェア アクセラレーションのパフォーマンス向上とコスト削減には限界があります。同時に、アクセラレーション ハードウェアの導入によって発生する可能性のあるハードウェア バインディングの問題により、オペレーターの判断が難しくなります。

現在の 5G トラフィック負荷では、DPU/SmartNIC アクセラレーション テクノロジの導入は実際には必要ないという噂もあります。優れたソフトウェア設計とスマートな展開の選択により、5G モバイル ユーザー プレーン トラフィックを標準のサーバー ハードウェアで簡単に処理できます。

もちろん、ソフトウェアとハ​​ードウェアの協調的な高速化が一般的な傾向であるという見方もあります。

現在、ハードウェア アクセラレーションが必要な場所やサービスが少数である場合、事業者は、今すぐにこのテクノロジに投資する必要があるかどうかを慎重に検討する必要があります。そのため、一般的に通信事業者は5Gコアネットワークのユーザープレーンのハードウェアアクセラレーションに関心を持っていますが、現状はまだ不明です。