Jak se staví 5G sítě

Mobilní sítě páté generace jsou dnes velkým tématem. Uživatelé si od 5G slibují pochopitelně především rychlejší data, mluví se až o 20 Gbit/s, což je asi dvacetkrát víc než kolik teoreticky nabízí současné 4G sítě. Na druhé straně provozovatelé se děsí nákladů na upgrade svých sítí. Přece jen, zrychlit něco dvacetkrát, to není jen tak. A zatímco se obecně nejvíc mluví o nových frekvencích a o pokrytí území 5G signálem, minimálně stejně náročná technická bitva se bude odehrávat i “za oponou”, tedy při agregaci provozu uživatelů a jeho napojení ze sítě operátora do Internetu.

Jak vypadá jádro mobilní sítě?

Provoz agregovaný ze základnových stanic musí projít celou řadou zpracování, než může být “vypuštěn” do Internetu. Provoz se vybaluje z tunelovacích protokolů, typicky např. GTP nebo MPLS. Překládají se síťové adresy (NAT). Síťové toky jednotlivých uživatelů se omezují na určitou maximální rychlost, aby nedocházelo k přetěžování linek. Pro každého uživatele se počítají statistiky o přenosu, to kvůli účtování služeb. Kontroluje se oprávnění daného uživatele přistupovat k daným službám a nepovolený provoz se blokuje. V opačném směru, tedy z Internetu do mobilní sítě, probíhají analogické operace. Tyto a další úlohy provádí zařízení nazývané obecně Telco Gateway, často ale pod specifickými názvy, jako třeba Evolved Packet Core, User Plane Function apod.

Velkým trendem při stavbě sítí (nejen mobilních) je virtualizace funkcí sítě (Network Function Virtualization, NFV). Myšlenka NFV je založena na předpokladu, že software je flexibilnější než hardware. Proto místo velkých, složitých a drahých zařízení s fixní funkcí provozovatelé sítí nasazují výkonné servery a na nich běžící příslušný software. Od toho si pak slibují následující výhody:

• Omezení závislosti na dodavateli. Výrobců serverů a software je hodně, software je často dokonce open-source.
• Rychlejší inovace. Je jednodušší upravit software a nainstalovat novou verzi než vyměnit zařízení. Zároveň je snížená bariéra pro vstup na tento trh i pro malé a inovativní firmy - stačí když udělají skvělý software, nemusí nic vyrábět.
• Lepší odolnost proti poruchám. Provoz je často rozložený na celou farmu serverů a pokud jeden vypadne, ostatní převezmou jeho práci.
• Lepší škálovatelnost. Je potřeba vyšší výkon? Stačí dokoupit pár serverů, není potřeba nahradit celé zařízení za vyšší řadu (často násobně dražší).
• Nižší náklady. Dedikovaná zařízení jsou často extrémně drahá, naopak servery jsou komodita. Údržba serverů je víceméně standardní záležitost, na rozdíl od blackbox řešení. Náhradní součástky jsou relativně snadno k sehnání.

Má NFV nějaké nevýhody? Tou hlavní je obecně výkon. Serverové procesory mají sice spoustu jader a gigahertzů, ale množství dat v síti je enormní. Vždyť nejrychlejší standard Ethernetu je dnes 400 Gb/s, což odpovídá přenosu až 600 milionů paketů za sekundu v každém směru. Přenos jednoho paketu tedy trvá 1,6 ns.

Světlo ve vakuu za tu dobu uletí zhruba půl metru. Navíc procesor nemusí být jediným úzkým místem serverového systému. Sběrnice PCI Express, přes kterou se připojuje síťová karta, dnes přenese jenom 128 Gb/s, a to ještě jenom teoreticky. Architektura serverů tady platí daň za svou obecnost - server může dělat obrovskou škálu úkolů, ale na konkrétní úlohu lze často najít vhodnější architekturu. Že by tedy přece jenom bylo potřeba používat ta velká a drahá zařízení velkých výrobců, která jsou od základu optimalizovaná pro danou úlohu?

Serverová akcelerace

Možným řešením je doplnění serverů o akcelerátory. Nejznámějším příkladem jsou GPU, jejichž využití je poměrně široké - od původního počítání grafiky se jejich záběr rozšířil na strojové učení, těžbu kryptoměn a další. Pro síťové aplikace jsou k dispozici síťové akcelerátory. Jejich programovací model je velmi odlišný od CPU nebo GPU. Využívají totiž hradlová pole FPGA, která fungují na principu masivního paralelismu. Nemluvíme tady o desítkách složitých jader CPU, ani o tisícovkách jednodušších výpočetních jader GPU, ale o milionech logických buněk (hradel) a propojů mezi nimi. Zní to možná trochu šíleně, ale FPGA se programují na úrovni jedniček a nul, logických funkcí AND, OR apod., a základních paměťových prvků.

K čemu je tohle provozovatelům páteřních sítí? V tom je právě ten háček. Cesta od jedniček a nul k užitečné funkci je tak dlouhá a trnitá, že se FPGA v této oblasti stále používají relativně málo. A to i přes to, že první FPGA akcelerátor s plnou 100 Gb/s propustností byl uveden na trh už v roce 2014. Vyvinutý byl v České republice! Brněnský startup Netcope Technologies za tento výsledek získal ocenění Česká hlava.

Nyní si v Netcope dali za cíl zpřístupnit obrovský výpočetní výkon FPGA odborníkům na stavbu sítí. Prostřednictvím programovacího jazyka P4, který je otevřeným standardem, umožňují uživateli přesně a jednoduše definovat, jak se bude FPGA akcelerátor chovat při zpracování provozu. Jak bude probíhat zpracování hlaviček, jaké kontroly se udělají, jak bude paket modifikován, a kam se dál pošle. P4 jde tak daleko, že pokud se uživatel rozhodne používat z jakéhokoliv důvodu uvnitř svojí sítě nějaký úplně nový a neznámý síťový komunikační protokol, dělí ho od plně funkčního akcelerátoru běžícího na 100 Gb/s jen pár hodin překladového času.

Zde se vrátíme k NFV a 5G sítím. FPGA akcelerátory se díky největším výrobcům FPGA čipů Xilinx a Intel stávají komoditou, kterou si můžete přiobjednat jako volitelnou součást serveru ve webovém konfigurátoru. Máte-li softwarovou aplikaci zpracování paketů, a víte, kterou její část potřebujete urychlit, stačí ji napsat v jazyce P4, přeložit do FPGA a napojit se na jednoduché API. Netcope svoje řešení (tedy překladač z P4 do FPGA a podpůrný software) ve spolupráci s Intelem dodává firmám, které staví nejen 5G sítě po celém světě.

Principy NFV zůstaly zachovány: Jak softwarová aplikace, tak firmware FPGA jsou jenom kusy kódu, lze je změnit, rozšířit, opravit v nich chybu. Otevřenost standardu P4 snižuje závislost na jednom výrobci. Navíc je tu vyšší výkon na jeden server, tedy menší počet serverů, menší zabraná plocha v serverovně, menší spotřeba energie.

5G budoucnost se blíží a je nevyhnutelná. Do sítí přibude spousta nových zařízení, protože éra IoT je již zde. Nikdo v tuto chvíli nedokáže přesně odhadnout, co všechno to pro sítě 5G bude znamenat. Proto bude kromě vysokých požadavků na výkon hrát velmi důležitou roli i flexibilita v konfiguraci u telco gatewayí. Aby bylo možné zajistit flexibilitu a zvládnout velký provoz v sítích 5G, je potřeba odpovídající HW. Při tlaku na snížení nákladů, FPGA síťové karty zapojené do standardních serverů jsou podle nás nejlepší cestou pro budoucnost a Netcope chce v této oblasti hrát hlavní roli.

Viktor Puš, Netcope Technologies | www.netcope.com