特開 2024-88580 ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層を備えたコンピューティングデバイスおよびＵＰＦパケット処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024088580

(43)【公開日】2024-07-02

(54)【発明の名称】ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層を備えたコンピューティングデバイスおよびＵＰＦパケット処理方法

(51)【国際特許分類】

   H04L 45/76 20220101AFI20240625BHJP

   H04L 49/60 20220101ALI20240625BHJP

【ＦＩ】

H04L45/76

H04L49/60

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023147715

(22)【出願日】2023-09-12

(31)【優先権主張番号】111148884

(32)【優先日】2022-12-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(71)【出願人】

【識別番号】504025778

【氏名又は名称】明泰科技股▲分▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(72)【発明者】

【氏名】チャン コアン イー

(72)【発明者】

【氏名】チエン シュイ トン

【テーマコード（参考）】

5K030

【Ｆターム（参考）】

5K030GA02

5K030HA08

5K030HC09

5K030HC14

5K030HD06

5K030KA01

5K030KA03

5K030LB05

(57)【要約】

【課題】パケット処理速度の高速化。
【解決手段】コンピューティングデバイスは、処理ユニットと記憶ユニットとパケットを受信するＮＩＣと複数の仮想ネットワークアプリケーションを収容するネットワーク仮想化プラットフォームとを含む。ＮＩＣと処理ユニットと記憶ユニットはネットワーク仮想化プラットフォームが動作するハードウェア層としてまとめて定義される。ネットワーク仮想化プラットフォームはＵＰＦプラグインがインストールされた仮想ネットワーク層を含む。ＵＰＦプラグインは、パケットのパケットヘッダに従ってルールマッチングを行い、且つ、仮想ネットワークアプリケーションがサービスを提供するためにパケットを仮想ネットワークアプリケーションの１つにオフロードするステップとパケットを再パッケージングして他のコンピューティングデバイスに転送するステップとのいずれを実行するかを決定する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザー機器からパケットを受信すると共に、他のコンピューティングデバイスと通信するコンピューティングデバイスであって、
処理ユニットと、
前記処理ユニットに接続された記憶ユニットと、
前記処理ユニットと前記記憶ユニットとに接続され、パケットを受信し、且つ、前記処理ユニットと前記記憶ユニットと共にハードウェア層としてまとめて定義される、ネットワークインターフェースカードと、
前記ハードウェア層において動作し、複数の仮想ネットワークアプリケーションを収容するために前記処理ユニットによって実行されるように構成されるネットワーク仮想化プラットフォームと、を備え、
前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、
前記仮想ネットワークアプリケーションが配置されたアプリケーション層と、
ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層と、を含み、前記ＵＰＦプラグインは、前記パケットのパケットヘッダに従ってルールマッチングを実行し、且つ、
前記仮想ネットワークアプリケーションがサービスを提供するために、前記パケットを前記アプリケーション層内の１つの前記仮想ネットワークアプリケーションにオフロードするステップと、
前記パケットを再パッケージし、前記パケットを前記他のコンピューティングデバイスに転送するステップと、のいずれのステップを実行するかを決定するように構成される、
コンピューティングデバイス。

【請求項2】

前記ＵＰＦプラグインは、前記オフロードのステップと前記再パッケージのステップとのいずれのステップを実行するかを、プロトコルデータユニット（ＰＤＵ）セッションアンカーに基づいて決定するように構成され、前記ＰＤＵセッションアンカーは前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って決定されるものであり、
前記ＵＰＦプラグインが、それ自身が前記パケットの前記ＰＤＵセッションアンカーであると判定した場合、前記オフロードのステップが実行され、
前記ＵＰＦプラグインが、それ自身が前記ＰＤＵセッションアンカーではないと判定した場合、前記再パッケージのステップが実行される、
請求項１に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項3】

前記ＵＰＦプラグインは、前記パケットをデキャップし、前記パケットのパケットヘッダを解析し、前記パケットヘッダに従ってルールマッチングを実行し、前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って前記ＰＤＵセッションアンカーを決定するように構成される、
請求項２に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項4】

前記ネットワークインターフェースカードは、ハードウェアオフロード機能をサポートするスマートネットワークカードであり、前記スマートネットワークカードは、受信された前記パケットを直接デキャップし、前記パケットヘッダを解析し、デキャップされた前記パケットを前記ＵＰＦプラグインに送信し、前記ＵＰＦプラグインは、前記パケットの前記パケットヘッダに従って前記パケットに対してルールマッチングを実行し、前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って前記ＰＤＵセッションアンカーを決定するように構成される、
請求項２に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項5】

前記パケットは、ゼロコピー技術を使用して、デバイスドライバによって前記ネットワークインターフェースカードから前記記憶ユニットに移動される、
請求項１に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項6】

前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、前記コンピューティングデバイスのオペレーティングシステムの権限レベルに応じて、カーネル空間とユーザ空間とに分割され、前記デバイスドライバは前記カーネル空間で動作し、前記アプリケーション層と前記仮想ネットワーク層は前記ユーザ空間で動作する、
請求項５に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項7】

前記デバイスドライバは、データプレーン開発キットによりサポートされ、ポーリングによって前記パケットを前記ユーザ空間に直接送信することができる、
請求項６に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項8】

前記仮想ネットワークアプリケーションは、共有メモリパケットインタフェースによって前記記憶ユニットを共有する、
請求項１に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項9】

前記ネットワーク仮想化プラットフォームの前記仮想ネットワーク層は、ベクトルパケット処理によって実施され、前記ＵＰＦプラグインは、ベクトルパケット処理グラフアーキテクチャの下で、モジュラープラグインとしてプログラムされたものである、
請求項１に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項10】

前記ＵＰＦプラグインは、３ＧＰＰ（登録商標）で規定された５Ｇ標準のインターフェースを介して前記他のコンピューティングデバイスと通信する、
請求項１に記載のコンピューティングデバイス。

【請求項11】

コンピューティングデバイスによって実行されるユーザープレーン機能（ＵＰＦ）パケットを処理するための方法であって、前記コンピューティングデバイスは、互いに接続されていて且つハードウェア層としてまとめて定義される、処理ユニットと、記憶ユニットと、ネットワークインターフェースカードとを備え、また、前記コンピューティングデバイスは、前記ハードウェア層において動作し、複数の仮想ネットワークアプリケーションを収容するために前記処理ユニットによって実行されるように構成されるネットワーク仮想化プラットフォームを更に備え、前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、前記仮想ネットワークアプリケーションが配置されたアプリケーション層と、ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層と、を含み、前記ＵＰＦプラグインは他のコンピューティングデバイスと通信し、該方法は、
前記ネットワークインターフェースカードによりパケットをユーザー機器から受信するステップと、
前記ＵＰＦプラグインが、前記パケットのパケットヘッダに従ってルールマッチングを実行し、且つ、
前記仮想ネットワークアプリケーションがサービスを提供するために、前記パケットを前記アプリケーション層内の１つの前記仮想ネットワークアプリケーションにオフロードするステップと、
前記パケットを再パッケージし、前記パケットを前記他のコンピューティングデバイスに転送するステップと、のいずれのステップを実行するかを決定するステップと、を含む、方法。

【請求項12】

前記ＵＰＦプラグインは、前記オフロードのステップと前記再パッケージのステップとのいずれのステップを実行するかを、プロトコルデータユニット（ＰＤＵ）セッションアンカーに基づいて決定し、前記ＰＤＵセッションアンカーは前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って決定されるものであり、
前記ＵＰＦプラグインが、それ自身が前記パケットの前記ＰＤＵセッションアンカーであると判定した場合、前記オフロードのステップが実行され、
前記ＵＰＦプラグインが、それ自身が前記ＰＤＵセッションアンカーではないと判定した場合、前記再パッケージのステップが実行される、
請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記パケットを受信した後に、前記ＵＰＦプラグインにより実行される各ステップであって、
前記パケットをデキャップするステップと、
前記パケットのパケットヘッダを解析するステップと、
前記パケットヘッダに従ってルールマッチングを実行するステップと、
前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って前記ＰＤＵセッションアンカーを決定するステップと、を更に含む、
請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記ネットワークインターフェースカードは、ハードウェアオフロード機能をサポートするスマートネットワークカードであり、該方法は、前記パケットを受信した後に、
前記スマートネットワークカードにより、受信された前記パケットをデキャップするステップと、
前記スマートネットワークカードにより、前記パケットヘッダを解析するステップと、
前記スマートネットワークカードにより、デキャップされた前記パケットを前記ＵＰＦプラグインに前記仮想ネットワーク層を介して送信するステップと、
前記ＵＰＦプラグインにより、前記パケットの前記パケットヘッダに従って前記パケットに対してルールマッチングを実行し、前記パケットに記録された前記ユーザー機器の要求に従って前記ＰＤＵセッションアンカーを決定するステップと、を更に含む、
請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記パケットを受信した後に、デバイスドライバによって、前記パケットを前記ネットワークインターフェースカードから前記記憶ユニットにゼロコピー技術を使用して移動させるステップを更に含む、
請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ユーザープレーン機能（user plane function、ＵＰＦ）パケット（以下、「ＵＰＦパケット」と略称）を処理するための方法およびその方法を実施するためのコンピューティングデバイスに関し、より詳細には、ＵＰＦパケットを処理するための方法であって、仮想ネットワーク層に適合する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

モバイルネットワークの発展は、従来のネットワークインフラに画期的な変化をもたらしている。例えば、第５世代（５Ｇ）の技術標準は、ネットワーク機能をデカップリングして仮想化するオープンネットワーキングの概念を導入し、クラウドネイティブ技術と組み合わせることで、ネットワーク機能をマイクロサービスの形でエッジノードに分散し、エッジコンピューティングを実現している。このアプローチは、さまざまな用途や利用ケースにより柔軟に対応でき、ネットワーク機能をエンドユーザーにより近づけることで、遅延を減らし、全体的なユーザー体験を向上させることができる。

【0003】

ネットワーク機能のデカップリングと仮想化には、具体的には、図１に示すように、コアネットワークをユーザープレーンと制御層に分割することと、クラウドネイティブアーキテクチャの仮想化技術に基づいて、ユーザープレーン機能（user plane function、ＵＰＦ）９１をマルチアクセスエッジコンピューティング（multi-access edge computing、ＭＥＣ）サーバ９０のアプリケーション層９２に展開することが含まれ、これにより、ユーザ端末に近接した計算とサービスが提供される。例えば、Blue Arcusの紹介ウェブページにおいて、インテル(Intel)社はアプリケーション層に展開されたＵＰＦの紹介を行っている。（以下のURLを参照： https://networkbuilders.intel.com/commercial-applications/bluearcus-upf ）

【0004】

図１に示すこのアーキテクチャでは、パケットがユーザー機器（user equipment、ＵＥ）８１によって送信されると、パケットは無線アクセスネットワーク（Radio Access Network、ＲＡＮ）８２を介してＧＰＲＳトンネリングプロトコルユーザープレーン（ＧＴＰ－Ｕ）トンネルを通じてＭＥＣサーバ９０に送信され、ＭＥＣサーバ９０の仮想ネットワーク層９０１はさらに、パケットをアプリケーション層９２のＵＰＦ９１に転送する。ＵＰＦ９１はパケットをデキャップし、すなわちＧＴＰ－Ｕヘッダを解凍し、マッチルールを実行する。ＵＰＦ９１がＰＤＵ（Protocol Data Unit）セッションアンカーである場合、パケットは仮想ネットワーク層９０１に戻され、仮想ネットワーク層９０１は再びパケットをアプリケーション層９２のアプリケーション（ＡＰＰ）の１つにオフロードしてサービスを提供する（図１の矢印Ａで示すデータフロー）。ＵＰＦ９１がセッションアンカーでない場合、ＵＰＦ９１はＧＴＰ－Ｕヘッダを再パッケージ化し、ＭＥＣサーバ９０を介して別のＭＥＣサーバ９０’にパッケージを転送する（図１の矢印Ｂで示すデータフロー）。詳細については、欧州電気通信標準化機構（ＥＴＳＩ）が２０２０年７月に発行した「5G; Procedures for the 5G System (5GS)(3GPP TS 23.502 version 16.5.0 release 16)」と題されたETSI TS 123 502 v16.5.0を参照されたい。

【0005】

しかしながら、このような処理では、パケットは、仮想ネットワーク層９０１とＭＥＣサーバ９０のアプリケーション層９２との間で何度も伝送されることになり、その結果、相当な遅延の問題が生じる。詳しく言うと、仮想ネットワーク層９０１は、ブリッジやｉｐｔａｂｌｅ等のソフトウェアによって実施され、ＡＰＰと協働して特定のサービスを提供する。このアーキテクチャでは、処理中に仮想ネットワーク層９０１とアプリケーション層９２との間でパケットが伝送されるため、ルーティングポリシーに関する処理が追加される。演算処理はＭＥＣサーバ９０の中央処理装置（ＣＰＵ）によって実行されるため、パケット処理においてはかなりの待ち時間の問題が生じるだけでなく、ＣＰＵの通常の基本演算リソースを占有する。結果として、サービス動作が遅延し、高速伝送と低遅延の要求を満たすことが困難となる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の欠点の少なくとも１つを軽減することができる、ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層を備えるコンピューティングデバイスを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

そこで、本発明によれば、コンピューティングデバイスは、ユーザー機器（ＵＥ）からパケットを受信すると共に、他のコンピューティングデバイスと通信する。前記コンピューティングデバイスは、処理ユニットと、前記処理ユニットに接続された記憶ユニットと、前記処理ユニットと前記記憶ユニットとに接続され、パケットを受信するネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）と、ネットワーク仮想化プラットフォームと、を備える。

【0008】

前記ネットワークインターフェースカードと、前記処理ユニットと、前記記憶ユニットとはハードウェア層としてまとめて定義される。前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、前記ハードウェア層において動作し、複数の仮想ネットワークアプリケーションを収容するために前記処理ユニットによって実行されるように構成される。前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、前記仮想ネットワークアプリケーションが配置されたアプリケーション層と、ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層と、を含む。

【0009】

前記ＵＰＦプラグインは、前記パケットのパケットヘッダに従ってルールマッチングを実行し、且つ、前記仮想ネットワークアプリケーションがサービスを提供するために、前記パケットを前記アプリケーション層内の１つの前記仮想ネットワークアプリケーションにオフロードするステップと、前記パケットを再パッケージし、前記パケットを前記他のコンピューティングデバイスに転送するステップと、のいずれのステップを実行するかを決定するように構成される。

【0010】

本発明の他の目的は、従来技術の欠点の少なくとも１つを軽減することができる、ＵＰＦパケットを処理するための方法を提供することにある。

【0011】

本発明によれば、該方法は、コンピューティングデバイスによって実行される。前記コンピューティングデバイスは、互いに接続されていて且つハードウェア層としてまとめて定義される、処理ユニットと、記憶ユニットと、ネットワークインターフェースカード（ＮＩＣ）とを備える。また、前記コンピューティングデバイスは、前記ハードウェア層において動作し、複数の仮想ネットワークアプリケーションを収容するために前記処理ユニットによって実行されるように構成されるネットワーク仮想化プラットフォームを更に備える。前記ネットワーク仮想化プラットフォームは、前記仮想ネットワークアプリケーションが配置されたアプリケーション層と、ユーザープレーン機能（ＵＰＦ）プラグインがインストールされた仮想ネットワーク層と、を含む。前記ＵＰＦプラグインは他のコンピューティングデバイスと通信する。該方法は、以下のステップを含む。

【0012】

一つのステップにおいては、前記ネットワークインターフェースカードがパケットをユーザー機器から受信する。

【0013】

別のステップにおいては、前記ＵＰＦプラグインが、前記パケットのパケットヘッダに従ってルールマッチングを実行し、且つ、前記仮想ネットワークアプリケーションがサービスを提供するために、前記パケットを前記アプリケーション層内の１つの前記仮想ネットワークアプリケーションにオフロードするステップと、前記パケットを再パッケージし、前記パケットを前記他のコンピューティングデバイスに転送するステップと、のいずれのステップを実行するかを決定する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】ＭＥＣサーバのアプリケーション層に展開されたＵＰＦの従来のアーキテクチャを示すブロック図である。

【図2】本発明の実施形態によるＵＰＦプラグインを有する仮想ネットワーク層を備えたコンピューティングデバイスのアーキテクチャを示すブロック図である。

【図3】本発明の実施形態によるＵＰＦパケットを処理する方法を示すフローチャートである。

【図4】本発明の別の実施形態によるＵＰＦプラグインを有する仮想ネットワーク層を備えたコンピューティングデバイスの別のアーキテクチャを示すブロック図である。

【図5】本発明の別の実施形態によるＵＰＦパケットを処理するための方法を示すフローチャートである。

【図6】本発明の別の実施形態によるＵＰＦプラグインを有する仮想ネットワーク層を備えたコンピューティングデバイスの別のアーキテクチャを示すブロック図である。

【図7】パケットが処理されるソフトウェア／ハードウェアを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明をより詳細に説明する前に、適切と考えられる場合において、符号又は符号の末端部は、同様の特性を有し得る対応の又は類似の要素を示すために各図面間で繰り返し用いられることに留意されたい。

【0016】

図２を参照すると、本発明のコンピューティングデバイス１００の一実施形態は、５Ｇネットワークのエッジコンピューティングノードとして展開されるように構成されている。コンピューティングデバイス１００は、ユーザープレーン機能（user plane function、ＵＰＦ）プラグイン３とともにインストールされた仮想ネットワーク層１２を有する。コンピューティングデバイス１００は、例えば、第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ（登録商標））標準および／または欧州電気通信標準化機構（ＥＴＳＩ）によって策定された標準に準拠するマルチアクセスエッジコンピューティング（multi-access edge computing、ＭＥＣ）サーバであるが、これに限定されず、仮想ネットワーク技術をサポートする任意のコンピュータであり得る。

【0017】

本実施形態において、コンピューティング装置１００は、互いに接続された複数の物理的ハードウェア構成要素を有する。物理的ハードウェア構成要素には、処理ユニット２０１、プログラム命令を記憶する記憶ユニット２０２、およびネットワークインターフェースカード（network interface card、ＮＩＣ）が含まれ、これらは、コンピューティングデバイス１００のハードウェア層２としてまとめて定義される。ハードウェア層２は、コンピューティングデバイス１００のネットワーク仮想化プラットフォーム１の動作環境を提供する。処理ユニット２０１は、中央処理装置（ＣＰＵ）であってもよいし、ファームウェアや、マイクロプロセッサやシステムオンチップなどのハードウェアによって実施されてもよく、単一のデバイスまたは分散デバイスを利用して機能を実行してもよい。記憶ユニット２０２は、１つまたは複数のコンピュータ読み取り可能な媒体であってよく、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ、フラッシュメモリ、固定またはリムーバブル記憶媒体などの様々な形態のメモリであってよく、処理ユニット２０１によりアクセスされる命令またはデータ構造の形態でコードおよびデータを記憶するために使用されることができる。

【0018】

本実施形態において、ＮＩＣは、一般的なネットワークインタフェースカード（以下、ＮＩＣ２１という）である。ＮＩＣ２１は、パケットをやり取りするための１つ以上の仮想入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２１０を備えるように構成されている。図２では、パケット受信用及びパケット送信用として、２つの仮想Ｉ／Ｏインタフェース２１０を例示している。本実施形態において、ＮＩＣ２１は、ユーザ機器（user equipment、ＵＥ）４１から出力され、無線アクセスネットワーク（例えば、無線アクセスネットワーク（ＲＡＮ））４２を介してＧＰＲＳトンネリングプロトコルユーザープレーン（ＧＴＰ－Ｕ）トンネルを通じて送信されるパケットを受信する。パケットを処理すると、コンピューティングデバイス１００はパケットをオフロードしてサービスを提供するか、あるいはパケットを次のノードに転送する（詳細は後述する）。なお、ＮＩＣ２１の種類は、本説明で言及したものに限定されず、フィールドプログラマブルゲートアレイ（field-programmable gate array、ＦＰＧＡ）であってもよく、あるいは図４に示すような他の実施形態ではスマートネットワークインターフェースカード（以下、スマートＮＩＣと呼ぶ）であってもよい。

【0019】

ネットワーク仮想化プラットフォーム１は、複数の独立した仮想ネットワークアプリケーション１１０を収容するために、処理ユニット２０１によって実行されるように構成される。仮想ネットワークアプリケーション１１０の例としては、各種マイクロサービスアプリケーション、セッション管理機能（Session Management Functions、ＳＭＦ）、およびハードウェアデバイスに類似した機能を提供するアプリケーション（ＡＰＰ）、例えば仮想ルータ、ファイアウォール、侵入防止システムなどのハードウェアデバイスに類似した機能を提供するアプリケーション（ＡＰＰ）が挙げられる。ＳＭＦは、Ｎ４インタフェースを介して、ＵＰＦのために新しいプロトコルデータユニット（Protocol Data Unit、ＰＤＵ）セッションを確立したり、確立されたＰＤＵセッションを変更したりするために使用される。

【0020】

具体的には、ネットワーク仮想化プラットフォーム１は、仮想ネットワークアプリケーション１１０が配置されたアプリケーション層１１と、ＵＰＦプラグイン３がインストールされた仮想ネットワーク層１２とを含む。本実施形態において、仮想ネットワーク層１２は、クラウドネイティブアーキテクチャの仮想化技術に基づいて展開されるネットワーク層を指す。本実施形態では、ネットワーク仮想化プラットフォーム１の仮想ネットワーク層１２は、ＶＰＰ（ベクトルパケット処理（Vector Packet Processing））によって実施されるが、これに限定されず、６ＷＩＮＤが提供する６ＷＩＮＤＧａｔｅなどの他のＳＤＫ（ソフトウェア開発キット（Software Development Kit））であってもよい。

【0021】

ＵＰＦは、３ＧＰＰ（登録商標） ５Ｇコアネットワークにおけるインフラストラクチャ・アーキテクチャの基本コンポーネントの１つであり、エッジ計算ノードに分離（デカップル）されて展開される。本実施形態において、ＵＰＦは、ＶＰＰグラフアーキテクチャの下で、モジュラープラグイン（すなわち、ＵＰＦプラグイン３）としてプログラムされ、プラグインの形で仮想ネットワーク層１２にインストールされる。ＵＰＦプラグイン３は、仮想ネットワーク層１２の本来の機能のパケット処理フローに挿入して実行することで、仮想ネットワーク層１２の本来の機能に影響を与えることなく、機能の拡張や運用の柔軟化を実現することができる。例えば、パケット処理のフローを図２における破線の矢印で示す。仮想ネットワーク層１２の本来の機能は、リンク層１２１、インターネット層１２２、トランスポート層１２３などのＯＳＩモデル（Open System Interconnection Model）における各層の機能である。ＵＰＦプラグイン３は、Ｎ３、Ｎ４、Ｎ６、Ｎ９、Ｎ１１、Ｎ１９、Ｓ５－Ｕ、Ｓ２Ｂ－Ｕインタフェースなどの３ＧＰＰ（登録商標）インタフェースのパケットを処理する機能を備えている。ＵＰＦプラグイン３は、３ＧＰＰ（登録商標）で規定された５Ｇ標準のＮ９インターフェースを介して他のコンピューティングデバイス１００’と通信する。３ＧＰＰ（登録商標）で規定された５Ｇ標準の通り、Ｎ９インターフェースは２つのＵＰＦ間のインターフェースである。前述の３ＧＰＰ（登録商標）の仕様および規格は、本発明の特徴ではなく、本明細書では説明を省く。以下では、ＵＰＦプラグイン３の具体的な機能を詳述する。

【0022】

ネットワーク仮想化プラットフォーム１は、コンピューティングデバイス１００のオペレーティングシステムの権限レベルに応じて、カーネル空間１０１とユーザ空間１０２とに分割され得る。特権命令（例えば、デバイスドライバ１３からの命令等）に関するカーネルプロセスは、カーネル空間１０１で実行される。ユーザ空間１０２は、非特権処理に使用される。アプリケーション層１１と仮想ネットワーク層１２はいずれもユーザ空間１０２で動作する。本実施形態では、デバイスドライバ１３は、データプレーン開発キット（Data Plane Development Kit、ＤＰＤＫ）がサポートするuio_generic_pci、virtio、またはigb_uioを使用するが、これに限定されない。

【0023】

図３をさらに参照すると、ＵＰＦパケットを処理するための方法は、本実施形態のコンピューティングデバイス１００によって実行され、以下のステップを含む。

【0024】

ＵＥ４１がパケットを送信すると、パケットは、ＲＡＮ４２を介して、ＧＴＰ－ＵのＮ３インタフェースを通じてＮＩＣ２１によって受信される（ステップＳ１）。３ＧＰＰ（登録商標）によって規定された５Ｇ標準の通り、Ｎ３インタフェースは、ＲＡＮ４２とＵＰＦとの間のインタフェースを指す。

【0025】

ステップＳ２において、仮想ネットワーク層１２が記憶ユニット２０２からパケットを直接読み出すために、パケットは、ゼロコピー技術を使用して、デバイスドライバ１３によってＮＩＣ２１から記憶ユニット２０２に移動される。具体的な実施形態では、デバイスドライバ１３はデータプレーン開発キット（ＤＰＤＫ）によってサポートされ、ポーリングによってパケットをユーザ空間１０２に直接送信することができる。他の具体的な実施形態では、デバイスドライバ１３は、eXpress Data Path（ＸＤＰ）のようなソフトウェア開発キット（ＳＤＫ）であり、パケットを複製するために処理ユニット２０１を中断することなくパケットの伝送を可能にし、パケットは、ユーザ空間１０２とカーネル空間１０１との間で交換される必要がなく、ＮＩＣ２１からユーザ空間１０２に直接伝送される。このようにして、カーネルバイパスが実現され、物理ネットワークから仮想ネットワークへのデータの流れが比較的速くなり、パケット処理速度が高速化される。

【0026】

ステップＳ３において、ＵＰＦプラグイン３は、パケットをデキャップし、パケットのパケットヘッダを解析し、パケットヘッダに従ってルールマッチングを実行する。ルールマッチングに関して、ＵＰＦプラグイン３は、ステップＳ４ａおよびステップＳ４ｂのいずれを実行するかを決定するために、パケットに記録されたＵＥ４１の要求に従ってＰＤＵセッションアンカーを決定する。具体的には、パケットには、ＵＰＦプラグイン３がＰＤＵセッションアンカーを決定するための基礎となる、ＵＥ４１が必要とするターゲット・マイクロサービス・アプリケーションまたはローカル・エリア・データ・ネットワーク（ＬＡＤＮ）が記録されている。ＵＰＦプラグイン３が、それ自身がパケットのＰＤＵセッションアンカーであると判定した場合（ステップＳ４ａ）、方法のフローはステップＳ５ａに進み、仮想ネットワークアプリケーション１１０がサービスを提供するために、Ｎ６インタフェースを介してパケットをアプリケーション層１１内の指定された仮想ネットワークアプリケーション１１０にオフロードする。ＵＰＦプラグイン３が、それ自身がＰＤＵセッションアンカーではなく分岐点であると判定した場合（ステップＳ４ｂ）、方法のフローはステップＳ５ｂに進み、パケットを再パッケージし、Ｎ９インタフェース（２つのＵＰＦ間のインタフェース）を介してパケットを他のコンピューティングデバイス１００’に転送する。

【0027】

以上により、ＵＰＦを仮想ネットワーク層１２にプラグインとしてインストールすることおよびカーネルバイパスすることにより、アプリケーション層１１と仮想ネットワーク層１２間のパケット転送を回避し、パケット処理を高速化することができる。

【0028】

さらに、ＵＰＦをプラグインにモジュール化することによって、異なるハードウェアリソースまたは異なる仮想ネットワーク層を使用する様々なコンピューティングデバイスに対して、より高い互換性および動作の柔軟性が達成される。図４を参照すると、本発明の別の実施形態では、コンピューティングデバイス１００のＮＩＣは、ハードウェアオフロード機能をサポートするスマートネットワークカード２２である。スマートネットワークカード２２は、仮想ネットワーク層１２およびＵＰＦプラグイン３で本来行われるパケット処理の一部をサポートする。スマートネットワークカード２２は、パケットを交換するための１つまたは複数の仮想入出力（Ｉ／Ｏ）インタフェース２２０を提供するように構成される。

【0029】

図５をさらに参照すると、この実施形態では、ＵＰＦパケットを処理する方法は図４に示すコンピューティングデバイス１００によって実行され、ステップＳ２’およびＳ３’を除いて、図３に示す方法と同様である。ステップＳ２’では、スマートネットワークカード２２が受信されたパケットを直接デキャップし、パケットヘッダを解析し、デキャップされたパケットを仮想ネットワーク層１２を介してＵＰＦプラグイン３に送信する。ステップＳ３’では、すでにパケットがデキャップされ且つヘッダが解析されているので、ＵＰＦプラグイン３はパケットに対して直接ルールマッチングを実行する。その後、ＵＰＦプラグイン３は、マッチング結果に応じてステップＳ４ａ、Ｓ５ａまたはステップＳ４ｂ、Ｓ５ｂに進む。スマートネットワークカード２２のサポートにより、コンピューティングデバイス１００の処理ユニット２０１および記憶ユニット２０２のコンピューティングリソースをさらに節約することができ、パケット処理の待ち時間を短縮することができる。

【0030】

結論として、本発明のＵＰＦプラグイン３のアーキテクチャは、異なるコンピューティングデバイス１００の様々なソフトウェアおよびハードウェア構成に適合させることができる。図６および図７を参照すると、コンピューティングデバイス１００がユニバーサルＮＩＣ（すなわち、図２のＮＩＣ２１）を採用する場合、パケット処理のフローは、図６の矢印（ａ）のように示され、すなわち、ＮＩＣ２１から、デバイスドライバ１３を経由して、ユーザ空間１０２の仮想ネットワーク層１２に入り、その後、ＵＰＦプラグイン３に至る。最後に、ルールマッチングの結果に応じて、パケットはアプリケーション層１１にオフロードされ得る。コンピューティングデバイス１００のＮＩＣがスマートネットワークカード２２である場合（図４参照）、パケット処理のフローは、図６の矢印（ｂ）に示すように、スマートネットワークカード２２からデバイスドライバ１３を経て直接ＵＰＦプラグイン３に至り、その後、ルールマッチングの結果に応じてパケットがアプリケーション層１１にオフロードされ得る。

【0031】

ネットワーク仮想化プラットフォーム１は、OpenStack NFV（OPNFV）やKubernetesといったインフラストラクチャーソリューションをサポートしながら、仮想マシンおよびコンテナアプリケーションサービスのための統一された管理インターフェースを提供することができる。仮想ネットワークアプリケーション１１０は、コンテナ、仮想マシンであってもよく、その結果、様々な仮想ネットワークアプリケーション１１０を迅速に展開することが容易になる。より詳しく言うと、各仮想ネットワークアプリケーション１１０は、KubernetesやDockerなどのツールを使用して仮想ネットワーク層１２によって管理されるコンテナであってもよい。また、各仮想ネットワークアプリケーション１１０は、VMware vSphere Hypervisor（ESXi）、OpenStackまたはHyper-Vなどのツールを用いて仮想ネットワーク層１２によって管理される仮想マシンであってもよい。

【0032】

さらに、仮想ネットワークアプリケーション１１０は、共有メモリパケットインタフェース（ｍｅｍｉｆ）１４によって記憶ユニット２０２を共有する。ｍｅｍｉｆ１４は、仮想ネットワークアプリケーション１１０と仮想ネットワーク層１２との間のインターフェースとして機能し、仮想ネットワーク層１２においてパケットを直接伝送することを可能にする。このようにして、仮想ネットワーク層１２とローカルデータネットワークとの間のデータの流れが、カーネル空間１０１を通過することなく高速化され、これにより、ＵＥ登録、ＰＤＵセッション確立等の時間が大幅に短縮され、パケット処理の高速化の目的が達成される。

【0033】

要約すると、アプリケーション層１１とは対照的に、仮想ネットワーク層１２に展開させたＵＰＦにより、パケットが往復して伝送される頻度が少なくなる。ＵＰＦはプラグイン方式で仮想ネットワーク層１２に配備されるため、仮想ネットワーク層１２の元々のアーキテクチャに影響を与えず、配備をより柔軟かつ拡張可能にする。さらに、本発明では、ＤＰＤＫやＸＤＰなどの高速化ツールを使用して、パケット処理の効率を向上させ、カーネルをバイパスして物理ネットワークと仮想ネットワーク間のデータの流れを高速化する。さらに、仮想ネットワークアプリケーション１１０と仮想ネットワーク層１２との間のデータの流れは、ｍｅｍｉｆインタフェースによって高速化される。以上の特徴により、本発明の目的は確実に達成される。

【0034】

上記においては、本発明の全体的な理解を促すべく、多くの具体的な詳細が示された。しかしながら、当業者であれば、一またはそれ以上の他の実施形態が具体的な詳細を示さなくとも実施され得ることが明らかである。また、本明細書における「一つの実施形態」「一実施形態」を示す説明において、序数などの表示を伴う説明は全て、特定の態様、構造、特徴を有する本発明の具体的な実施に含まれ得るものであることと理解されたい。さらに、本説明において、時には複数の変化例が一つの実施形態、図面、またはこれらの説明に組み込まれているが、これは本説明を合理化させるためのもので、また、本発明の多面性が理解されることを目的としたものであり、また、一実施形態における一またはそれ以上の特徴あるいは特定の具体例は、適切な場合には、本発明の実施において、他の実施形態における一またはそれ以上の特徴あるいは特定の具体例と共に実施され得る。

【0035】

以上、本発明の実施形態の例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、最も広い解釈の精神および範囲内に含まれる様々な構成として、全ての修飾および均等な構成を包含するものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】