基于openEuler構(gòu)建的DPU-OS解決 DPU 廠商及客戶之間的適配問題

在數(shù)據(jù)中心及云場景下，摩爾定律失效，通用處理單元 CPU 算力增長速率放緩，而網(wǎng)絡(luò) IO 類速率及性能不斷攀升，二者增長速率差異形成剪刀差，即當(dāng)前通用處理器的處理能力無法跟上網(wǎng)絡(luò)、磁盤等 IO 處理的需求。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心下越來越多的通用 CPU 算力被 IO 及管理面等處理占用，這部分資源損耗稱之為數(shù)據(jù)中心稅（Datacenter Tax）。據(jù) AWS 和 Google Cloud 統(tǒng)計，數(shù)據(jù)中心稅可能占據(jù)數(shù)據(jù)中心算力的 30% 以上，部分場景下甚至可能更多[1][2]。

DPU (Data Processing Unit) 的出現(xiàn)就是為了將這部分算力資源從主機 CPU上解放出來，通過將管理面、網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全等能力卸載到專有的處理器芯片上進行處理加速，達成降本增效的結(jié)果。目前主流云廠商如 AWS 、阿里云、華為云都通過自研芯片完成管理面及相關(guān)數(shù)據(jù)面的卸載，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心計算資源 100% 售賣給客戶。

DPU 發(fā)展非常火熱。云廠商及大數(shù)據(jù)在相關(guān)場景下對 DPU 存在較強烈的需求，國內(nèi)也有很多 DPU 初創(chuàng)公司推出不同的 DPU 產(chǎn)品。在這一背景下，云和大數(shù)據(jù)等廠商需要考慮如何整合使用不同 DPU 產(chǎn)品，而 DPU 廠商也面臨對不同客戶交付時設(shè)備驅(qū)動適配客戶指定操作系統(tǒng)的問題。

openEuler 作為國內(nèi)領(lǐng)先的開源開放操作系統(tǒng)，通過基于 openEuler 構(gòu)建的 DPU-OS ，解決 DPU 廠商及客戶之間的適配問題。除此之外， DPU 上 OS 用于承載部分業(yè)務(wù)加速的需求，需要對 DPU-OS 進行性能優(yōu)化加速，可以基于 openEuler 構(gòu)建 DPU 相關(guān)加速能力，內(nèi)置在 DPU-OS 中，構(gòu)建 DPU 相關(guān)軟件生態(tài)。

DPU現(xiàn)狀
DPU 普遍具有以下特點及問題：

1. DPU 通用處理能力資源受限

當(dāng)前 DPU 仍處在發(fā)展早期階段，硬件上仍在不斷演進，而且由于 DPU 供電限制，當(dāng)前硬件規(guī)格普遍較低。主流 DPU 中通用處理器 CPU 核數(shù)較少，約 8-24 CPU ，且單核處理能力弱。內(nèi)存大小受限，普遍在 16-32GB 。DPU 本地存儲空間為幾十到幾百 GB 不等。運行于 DPU 之上的操作系統(tǒng)也需要考慮這些限制。

2.DPU-OS 安裝方式多樣

當(dāng)前 DPU 廠商及產(chǎn)品多種多樣，對應(yīng)操作系統(tǒng)的安裝部署方式也不盡相同，包括 PXE 網(wǎng)絡(luò)安裝、U盤安裝或其他自定義安裝方式（由 HOST 下發(fā)安裝鏡像）。

3.DPU 性能需求

DPU 的應(yīng)用場景決定其對性能有強烈需求。相比于通用服務(wù)器操作系統(tǒng)，DPU-OS 可能對內(nèi)核特性或功能組件有特殊要求，比如用于設(shè)備直通熱遷移的 vDPA 特性、廠商特定驅(qū)動適配支持、DPU 進程的無感卸載特性、定制優(yōu)化的用戶態(tài)數(shù)據(jù)面加速工具如 DPDK/SPDK/OVS、DPU 管理監(jiān)控相關(guān)的工具類組件。

DPU-OS 需求
針對以上 DPU 現(xiàn)狀，提出對 DPU-OS 的需求如下：

1.極致輕量的 DPU-OS 安裝包

通過裁剪 openEuler 系統(tǒng)鏡像，減少非必要安裝包的空間占用；通過優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)，減少資源底噪開銷。

2.裁剪配置及工具支持

提供裁剪配置及裁剪工具支持，客戶或 DPU 廠商可根據(jù)各自需求進行定制；openEuler 提供 ISO 參考實現(xiàn)。

3.定制化內(nèi)核及系統(tǒng)，提供極致性能

通過定制內(nèi)核及相關(guān)驅(qū)動，提供 DPU 競爭力內(nèi)核特性；定制化加速類組件，使能 DPU 硬件加速能力；優(yōu)化系統(tǒng)配置提供更優(yōu)性能；通過 DPU 相關(guān)管理控制工具，方便用戶統(tǒng)一管理。

DPU-OS設(shè)計

圖1 DPU-OS 整體設(shè)計

如圖所示，DPU-OS 分為五層設(shè)計：

內(nèi)核層：通過定制內(nèi)核 config ，裁剪非必需內(nèi)核特性及模塊，達成內(nèi)核輕量級效果；使能特定內(nèi)核特性提供高性能 DPU 內(nèi)核能力。

驅(qū)動層：對 openEuler 原生驅(qū)動進行裁剪定制，選擇最小集合；DPU 廠商相關(guān)底層驅(qū)動集成，原生支持部分 DPU 硬件產(chǎn)品。

系統(tǒng)配置層：通過對系統(tǒng) sysctl 、proc 進行配置，為 DPU 相關(guān)業(yè)務(wù)提供最優(yōu)性能。

外圍包層：對 openEuler 外圍包進行裁剪定制，選擇最小集合；提供 DPU 相關(guān)的定制工具集合。

系統(tǒng)服務(wù)層：通過優(yōu)化系統(tǒng)原生服務(wù)啟動項，減少非必要系統(tǒng)服務(wù)運行，保證系統(tǒng)運行時底噪最小化。

通過上述五層設(shè)計達成輕量化、極致性能 DPU-OS 的目標(biāo)。該方案為相對長期設(shè)計，且對 DPU 相關(guān)軟硬件生態(tài)有較強的依賴。

當(dāng)前對 DPU-OS 的實現(xiàn)還處于第一階段，專注于通過 openEuler imageTailor 工具進行進項裁剪，提供最小化的 DPU-OS 實現(xiàn)。后續(xù)規(guī)劃通過對內(nèi)核及 DPU 相關(guān)組件的定制化修改、配置提供專用 DPU-OS 能力，提供高性能 DPU-OS 。

說明：

1. 當(dāng)前階段的 DPU-OS 先基于 openEuler 現(xiàn)有內(nèi)核及外圍包，使用鏡像裁剪工具 imageTailor 進行裁剪，提供輕量化 OS 安裝鏡像。后續(xù)可根據(jù)實際訴求，進行相關(guān)內(nèi)核及外圍包特性的開發(fā)及集成。

2. DPU-OS 的裁剪步驟可參考社區(qū)文檔 DPU-OS 裁剪指導(dǎo)[3]，驗證與部署可參考 DPU-OS 部署驗證[4]。

客戶案例

天翼云

作為 openEuler 的重要合作伙伴，天翼云自身的 CTyunOS 系統(tǒng)脫胎于 openEuler，CTyunOS 目前在 DPU-OS 方面也進行了一些前期的構(gòu)建與試驗工作。包括：

1. 基于 CTyunOS3 系統(tǒng)和 sig-DPU 發(fā)布的 DPU-OS 組件，構(gòu)建 x86_64 和 aarch64 架構(gòu)的 DPU-OS 鏡像。

2. 針對 kernel 包根據(jù) DPU 實際要求進行定制（剔除 builtin 的 virtio-pci、virtio-ring 模塊等）。

3. 鏡像中增加定制外圍包，如 bash 命令補全、自定義工具、DPU 驅(qū)動包等。

4. DPU-OS 配置相關(guān)組件及服務(wù)，聯(lián)網(wǎng)情況下支持 yum 方式進行包更新升級。

天翼云 DPU 團隊在后續(xù)的 DPU 2.0 規(guī)劃里，將全面采用自身的 CTyunOS 系統(tǒng)，主推使用基于 CTyunOS3 構(gòu)建的 DPU-OS 。相關(guān)需求與特性反饋給社區(qū)，與 openEuler 協(xié)作共建 DPU 軟件生態(tài)。

中科馭數(shù)

openEuler 為 DPU 應(yīng)用發(fā)展落地提供良好的土壤，DPU 作為新生事物快速發(fā)展。DPU 往往會包含通用 CPU 架構(gòu)的芯片來處理復(fù)雜的控制面邏輯。例如在虛擬化網(wǎng)絡(luò)體系中，需要 CPU 來運行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)控制面程序；在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，眾多不同的安全框架也依賴 CPU 提供基礎(chǔ)算力。

而在 CPU 的具體選型上，DPU 產(chǎn)品面臨在不同應(yīng)用場景、不同算力需求下的選擇問題。如 x86 可以提供強勁的性能，但是無法和 DPU 芯片做到較好融合；ARM 可以解決上述難題，但是在重應(yīng)用卸載的場景存在性能問題；RISC-V 在成本與靈活性上能提供最優(yōu)方案，但是代價是應(yīng)用場景的適配性不高?？傊?CPU 的選型上目前還沒有最優(yōu)解。在這種背景下，操作系統(tǒng)的選型至關(guān)重要。DPU 廠商在自己的操作系統(tǒng)選型中，往往會優(yōu)先考慮下面幾個問題：

* 穩(wěn)定與安全性

* 對底層不同架構(gòu)的適配性

* 可裁剪與靈活性

經(jīng)過充分的調(diào)研論證與測試，中科馭數(shù)為自己的 DPU 產(chǎn)品選擇 openEuler 作為底層基礎(chǔ)操作系統(tǒng)。首先 openEuler 操作系統(tǒng)已經(jīng)過充分的落地實踐考驗，在系統(tǒng)穩(wěn)定性上具有明顯優(yōu)勢。其次 openEuler 可以提供完善的工具鏈支撐，不管是進行業(yè)務(wù)開發(fā)還是系統(tǒng)裁剪，都可以快速高效地完成。最后 openEuler 系統(tǒng)設(shè)計之初便考慮到對多樣性設(shè)備的支持，能夠與現(xiàn)有硬件生態(tài)緊密融合，極大降低了 DPU 廠家的研發(fā)成本。

得益于 openEuler 系統(tǒng)的出色的工具鏈支持，中科馭數(shù)已經(jīng)完成第一代 DPU-OS 的裁剪定制開發(fā)并在眾多客戶業(yè)務(wù)中落地應(yīng)用。后面中科馭數(shù)也將繼續(xù)深入探索 openEuler 系統(tǒng)，一方面繼續(xù)深化定制，打造最符合 DPU 應(yīng)用場景的操作系統(tǒng)。另一方面也將持續(xù)為 openEuler 社區(qū)貢獻自身的力量，助力整個 openEuler 社區(qū)繁榮發(fā)展。

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sig-DPU 致力于以 openEuler 生態(tài)作為底座，打造輕量化、極致性能的 DPU-OS，助力客戶及 DPU廠商解決不同板卡與服務(wù)之間的兼容性問題。sig-DPU 依托 openEuler 生態(tài)，統(tǒng)一 DPU 與 HOST 操作系統(tǒng)底座，提供 DPU 場景定制化特性及組件，打造 DPU 軟件生態(tài)，更好地發(fā)揮其硬件卸載加速能力，進一步釋放 DPU 的商業(yè)價值。openEuler DPU-OS 已經(jīng)聯(lián)合包括天翼云及中科馭數(shù)在內(nèi)多家企業(yè)進行驗證。

審核編輯：彭菁