智能網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)
發(fā)布時(shí)間:2022-12-10作者:小編閱讀:0
網(wǎng)絡(luò)加速的起源
傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心基于馮諾依曼架構(gòu),所有的數(shù)據(jù)都需要送到CPU進(jìn)行處理。隨著數(shù)據(jù)中心的高速發(fā)展,摩爾定律逐漸失效,CPU的增長(zhǎng)速度無(wú)法滿足數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長(zhǎng),CPU的處理速率已經(jīng)不能滿足數(shù)據(jù)處理的要求。
以24核計(jì)算型服務(wù)器為例,網(wǎng)絡(luò)功能占用6個(gè)core,虛擬化功能占用1個(gè)core,可用于VM的core數(shù)量為17個(gè),可用CPU資源比例為70%。當(dāng)網(wǎng)卡升級(jí)到100G時(shí),CPU資源基本都被占用,算力資源基本不可用。
計(jì)算架構(gòu)從以CPU為中心的Onload模式,向以數(shù)據(jù)為中心的Offload模式轉(zhuǎn)變。以數(shù)據(jù)為中心的計(jì)算架構(gòu)成為了趨勢(shì)。以數(shù)據(jù)為中心的模式即數(shù)據(jù)在哪里,計(jì)算就部署在哪里。當(dāng)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)資源上,對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算就在存儲(chǔ)上執(zhí)行。當(dāng)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)時(shí),對(duì)數(shù)據(jù)的處理就在網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行。通過(guò)架構(gòu)的演進(jìn),典型的通信延時(shí)可以從30-40微秒,縮短為3-4微秒。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和智能網(wǎng)卡/DPU成為數(shù)據(jù)中心計(jì)算架構(gòu)的核心。
智能網(wǎng)卡/DPU通過(guò)集成多個(gè)面向不同應(yīng)用的加速引擎,進(jìn)行數(shù)據(jù)平面卸載,通過(guò)內(nèi)嵌的ARM處理器或者其他協(xié)處理器進(jìn)行控制平面的卸載。
在網(wǎng)絡(luò)功能卸載方面,硬件替代CPU完成專(zhuān)業(yè)設(shè)備N(xiāo)FV后處理邏輯,實(shí)現(xiàn)硬件加速。同時(shí),網(wǎng)絡(luò)功能卸載將觀察點(diǎn)從硬件交換機(jī)延伸到主機(jī)側(cè),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端運(yùn)維可視化。
網(wǎng)絡(luò)加速的技術(shù)架構(gòu)
業(yè)界主流智能網(wǎng)卡有四種實(shí)現(xiàn)方案:SoC、NP、FPGA、ASIC。
SoC方案在終端市場(chǎng)應(yīng)用較成熟,硬件需要根據(jù)客戶需求定制,部署周期較長(zhǎng),但是計(jì)算效率高,適合成熟算法及應(yīng)用,功耗較低。
NP方案生態(tài)封閉,主流廠商已不再發(fā)布路標(biāo),不支持重編程,難以解耦,成本高于FPGA,但是功耗較低。
FPGA方案生態(tài)開(kāi)放,在數(shù)據(jù)中心場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用,可以重復(fù)編程實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用,適合演進(jìn)中的算法及應(yīng)用,適用于網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)等并行計(jì)算場(chǎng)景,該方案處理時(shí)延低,支持虛擬化,功耗適中。
ASIC方案,其硬件根據(jù)用戶需求定制,開(kāi)發(fā)成本昂貴,生產(chǎn)周期長(zhǎng),不具備靈活性,但是計(jì)算效率高,功耗較低,適合大規(guī)模成熟算法及應(yīng)用。
網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)
智能網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加速有多種,除基本的網(wǎng)絡(luò)功能外,還包括RoCEv2、VXLAN、OVS ct功能、TF-vRouter虛擬路由、kTLS/IPSec加速等技術(shù)。智能網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)可以進(jìn)一步細(xì)分為網(wǎng)絡(luò)功能的加速以及網(wǎng)絡(luò)能力的虛擬化。這里僅列舉常見(jiàn)的幾種技術(shù)及其應(yīng)用。
OVS卸載技術(shù),SmartNIC 負(fù)責(zé)L2轉(zhuǎn)發(fā),通過(guò)額外的處理邏輯實(shí)現(xiàn)部分vSwitch功能,能夠卸載部分網(wǎng)絡(luò)流量(例如基于Tc Flower Offload功能),支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包包頭的處理(如Push/Pop VLAN Tag、VXLAN Encap/Decap)。
Connection Tracking offload可以實(shí)現(xiàn)L3/L4 Firewall功能。
Header Re-write Offload 能夠?qū)acket header進(jìn)行set/copy/add操作,可以實(shí)現(xiàn)路由、NAT等功能。
VIRTIO-net網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。傳統(tǒng)加速方式通過(guò)軟件優(yōu)化比如DPDK實(shí)現(xiàn)VM對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的訪問(wèn)。大量的資源和時(shí)間損耗在軟件層面,當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和PCIe設(shè)備的性能優(yōu)勢(shì)沒(méi)有徹底發(fā)揮出來(lái)。智能網(wǎng)卡支持SR-IOV和VIRTIO技術(shù),實(shí)現(xiàn)了IO硬件虛擬化,虛擬機(jī)可以直接訪問(wèn)網(wǎng)卡硬件設(shè)備的寄存器和DMA內(nèi)存,同時(shí)借助于FPGA和SoC將OVS數(shù)據(jù)和控制平面完全卸載,大大提升了數(shù)據(jù)傳輸和處理的性能。SRIOV技術(shù)引入了兩種虛擬化設(shè)備,PF和VF,在大多數(shù)虛擬機(jī)場(chǎng)景下,VM里的設(shè)備映射到不同的VF上,每增加一個(gè)虛機(jī)時(shí),需要新增VF與其綁定。VF的配置和管理均由VMM完成。在裸金屬場(chǎng)景,PF通常被用來(lái)作為網(wǎng)絡(luò)或存儲(chǔ)設(shè)備,PF的資源在FPGA加載時(shí)生成,當(dāng)資源不足時(shí),分配新的PF。PF設(shè)備的管理通過(guò)智能網(wǎng)卡SOC來(lái)管理。當(dāng)增加PF時(shí),SOC上將對(duì)應(yīng)的PF設(shè)備使能,然后通知Host端添加新的設(shè)備。當(dāng)不再需要PF設(shè)備時(shí),通過(guò)SoC disable釋放資源。
網(wǎng)絡(luò)加速的技術(shù)實(shí)現(xiàn)
中國(guó)移動(dòng)IT云和網(wǎng)絡(luò)云采用混合SDN方案,面向不同業(yè)務(wù)提供虛擬機(jī)或裸機(jī)部署能力,面向虛擬化場(chǎng)景,引入智能網(wǎng)卡突破提升vSwitch轉(zhuǎn)發(fā)性能和數(shù)據(jù)處理能力;面向裸機(jī)場(chǎng)景,引入智能網(wǎng)卡構(gòu)建彈性裸金屬服務(wù)。面向虛擬化場(chǎng)景,將vSwitch轉(zhuǎn)發(fā)面卸載至智能網(wǎng)卡中,提升轉(zhuǎn)發(fā)性能及表項(xiàng)規(guī)格。軟件vSwitch依靠CPU轉(zhuǎn)發(fā),通過(guò)將轉(zhuǎn)發(fā)面卸載到硬件網(wǎng)卡,實(shí)現(xiàn)主機(jī)側(cè)CPU零消耗,滿足25G、100G網(wǎng)卡及后續(xù)更大帶寬線速轉(zhuǎn)發(fā)要求,提升塊表規(guī)格到百萬(wàn)級(jí)甚至千萬(wàn)級(jí),滿足SBC等大規(guī)格網(wǎng)元部署需求。
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