網(wǎng)卡的演進(jìn)和應(yīng)用

隨著云計(jì)算和虛擬化技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)卡在功能和硬件結(jié)構(gòu)方面也經(jīng)歷了四個(gè)階段，即網(wǎng)卡、智能網(wǎng)卡、基于FPGA的DPU和DPU SoC網(wǎng)卡。本文將重點(diǎn)介紹這些不同類型的網(wǎng)絡(luò)適配器和處理器，在硬件、可編程能力、開發(fā)和應(yīng)用方面的特點(diǎn)。

網(wǎng)卡的演進(jìn)和應(yīng)用

傳統(tǒng)的基本網(wǎng)卡，也被稱為NIC或網(wǎng)絡(luò)適配器，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的作用至關(guān)重要。它的主要功能是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間高效傳輸所需的格式。隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)卡的功能不斷擴(kuò)展，除了融合額外功能，還具備基本的硬件卸載功能，例如CRC校驗(yàn)、TSO/UF0、LSO/LR0以及VLAN支持等。它還支持SR-IOV以實(shí)現(xiàn)虛擬化和QoS以提升網(wǎng)絡(luò)性能。在網(wǎng)絡(luò)接口帶寬方面，它已經(jīng)從100M和1000M的速率演進(jìn)到支持更高速率的10G、25G甚至100G。

在云計(jì)算虛擬化網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)的基本網(wǎng)卡提供了三種主要方法來為虛擬機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)訪問。

1. 通過操作系統(tǒng)內(nèi)核協(xié)議棧，網(wǎng)卡將傳入的流量轉(zhuǎn)發(fā)到虛擬機(jī)。

2. DPDK用戶態(tài)驅(qū)動(dòng)程序繞過內(nèi)核協(xié)議棧，直接將數(shù)據(jù)包復(fù)制到虛擬機(jī)的內(nèi)存中，以提高性能。

3. SR-IOV技術(shù)將物理網(wǎng)卡虛擬化為多個(gè)直接分配給虛擬機(jī)的虛擬功能（VF）。

隨著VxLAN等隧道協(xié)議和虛擬交換技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加，對(duì)CPU資源的需求也越來越高。智能網(wǎng)卡通過從CPU中卸載網(wǎng)絡(luò)處理任務(wù)，提升整體網(wǎng)絡(luò)性能，從而應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

智能網(wǎng)卡的演進(jìn)和應(yīng)用

智能網(wǎng)卡不僅提供傳統(tǒng)基本網(wǎng)卡中的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，還融合數(shù)據(jù)平面硬件卸載功能，例如使用FPGA或集成處理器與FPGA和處理器核心的OVS/vRouter硬件卸載。這些智能網(wǎng)卡提升云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)速率，并減輕主機(jī)CPU的計(jì)算資源負(fù)擔(dān)。

與傳統(tǒng)的網(wǎng)卡不同，智能網(wǎng)卡不包含通用的CPU。相反，它們依賴主機(jī)CPU來管理控制平面。智能網(wǎng)卡卸載加速的主要焦點(diǎn)是數(shù)據(jù)平面，涵蓋了諸如0VS/vRouter等虛擬交換機(jī)的快速路徑卸載、RDMA網(wǎng)絡(luò)卸載、NVMe-oF存儲(chǔ)卸載和IPsec/TLS數(shù)據(jù)平面安全卸載等任務(wù)。

然而，隨著云計(jì)算應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)速度的不斷提高，主機(jī)CPU仍然需要大量的資源用于流量分類、跟蹤和控制。實(shí)現(xiàn)主機(jī)CPU的“零消耗”已成為云服務(wù)提供商的下一個(gè)研究方向，旨在盡可能減少主機(jī)CPU參與這些任務(wù)。

基于FPGA的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）的演進(jìn)和應(yīng)用

基于FPGA的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）是一種智能網(wǎng)卡，可以卸載數(shù)據(jù)并具有平面控制功能。它在控制平面和數(shù)據(jù)平面上都是部分可編程的。在硬件方面，它包括一個(gè)基于FPGA的通用CPU處理器，例如英特爾CPU。

與智能網(wǎng)卡相比，基于FPGA的數(shù)據(jù)處理單元（DPU）通過整合通用CPU處理單元來增強(qiáng)硬件架構(gòu)，形成了FPGA+CPU架構(gòu)。這種配置有助于加速和卸載各種基礎(chǔ)設(shè)施組件，包括網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和管理。目前，主流形式的DPU是FPGA+CPU配置，基于這種架構(gòu)的DPU具有出色的軟件和硬件可編程性。

在DPU的早期開發(fā)階段，它提供了更短的開發(fā)時(shí)間和快速迭代，便于快速定制功能。這使得DPU制造商能夠快速推出產(chǎn)品并抓住市場(chǎng)機(jī)遇。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)帶寬從25G過渡到100G，基于FPGA+CPU的DPU架構(gòu)由于芯片工藝和FPGA結(jié)構(gòu)的限制遇到挑戰(zhàn)。這些限制使得在追求更高吞吐量的同時(shí)，有效控制芯片面積和功耗變得困難。因此，這種DPU架構(gòu)的持續(xù)發(fā)展受到了阻礙。

DPU SoC網(wǎng)卡的演進(jìn)和應(yīng)用

與基于FPGA的架構(gòu)不同，基于應(yīng)用專用集成電路（ASIC）的DPU SoC將專用加速器的性能與通用處理器的可編程性相結(jié)合，解決了成本、功耗和功能等方面的問題。尤其是針對(duì)下一代100G服務(wù)器，它們?cè)诔杀?、功耗、高吞吐量和靈活的編程能力方面具有優(yōu)勢(shì)，DPU SoC可支持應(yīng)用管理、虛擬機(jī)、容器和裸金屬應(yīng)用。

DPU技術(shù)正在不斷發(fā)展，通用可編程的DPU SoC現(xiàn)在對(duì)于云服務(wù)提供商的數(shù)據(jù)中心建設(shè)至關(guān)重要。它們能夠高效地管理計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源，支持多樣化的云計(jì)算場(chǎng)景，并優(yōu)化數(shù)據(jù)中心資源利用率。芯片巨頭和領(lǐng)先的云服務(wù)提供商在DPU的研究、開發(fā)和利用方面進(jìn)行了重大投資，通過持續(xù)的探索和實(shí)際實(shí)施取得了顯著的成本效益。

亞馬遜云中的DPU

亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）是一家以Nitro DPU系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)的頂級(jí)云計(jì)算服務(wù)提供商。Nitro DPU系統(tǒng)可以高效地將網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和監(jiān)控功能卸載到專用的硬件和軟件上。這使得服務(wù)實(shí)例可以訪問大部分的服務(wù)器資源，從而大幅降低成本并增加年收入。Nitro DPU系統(tǒng)由多個(gè)組件組成：

1. Nitro卡：用于網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和控制的專用硬件，以提升整體系統(tǒng)性能。

2. Nitro安全芯片：將虛擬化和安全功能轉(zhuǎn)移到專用的硬件和軟件上，減小攻擊面，確保安全的云平臺(tái)。

3. Nitro虛擬化管理程序：一種輕量級(jí)的虛擬化管理程序，高效地管理內(nèi)存和CPU分配，提供與裸金屬相當(dāng)?shù)男阅堋?/p>

通過提供關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)、安全、服務(wù)器和監(jiān)控功能，Nitro DPU系統(tǒng)可以釋放底層服務(wù)資源供客戶虛擬機(jī)使用。它使得AWS可以提供更多的裸金屬實(shí)例類型，甚至能夠?yàn)樘囟▽?shí)例實(shí)現(xiàn)高達(dá)100Gbps的網(wǎng)絡(luò)性能。

英偉達(dá)（NVIDIA）DPU

英偉達(dá)（NVIDIA）是一家知名的半導(dǎo)體公司，以其在高性能計(jì)算領(lǐng)域的圖形處理單元（GPU）而聞名。該公司于2020年4月以69億美元收購(gòu)了網(wǎng)絡(luò)芯片和設(shè)備公司邁絡(luò)思（Mellanox）。在收購(gòu)之后，英偉達(dá)（NVIDIA）推出了BlueField系列的DPU。

NVIDIA BlueField-3 DPU是專為加速計(jì)算而設(shè)計(jì)的，繼承了BlueField-2 DPU的先進(jìn)功能。它提供高達(dá)400G的網(wǎng)絡(luò)連接，并為軟件定義的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和管理功能提供卸載、加速和隔離能力。

英特爾（Intel）IPU

英特爾（Intel）IPU是一種配備了硬化加速器和以太網(wǎng)連接的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它利用緊密耦合的專用可編程核心來加速和管理基礎(chǔ)設(shè)施功能。IPU實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施卸載，并充當(dāng)運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用程序的主機(jī)控制點(diǎn)，提供了額外的安全層。將所有基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)從服務(wù)器卸載到IPU中，釋放服務(wù)器CPU資源，并為云服務(wù)提供商提供了一個(gè)獨(dú)立且安全的控制點(diǎn)。

英特爾的路線圖包括Oak Springs Canyon和Mount Evans IPU產(chǎn)品。Oak Springs Canyon是基于FPGA的IPU產(chǎn)品，而Mount Evans IPU是基于ASIC的IPU產(chǎn)品。Oak Springs Canyon采用了英特爾的Agilex FPGA和Xeon-D CPU，而Mount Evans則由英特爾和谷歌共同設(shè)計(jì)，結(jié)合用于數(shù)據(jù)包處理的ASIC和16個(gè)ARM Neoverse N1核心，具備強(qiáng)大的計(jì)算能力。

阿里云中的DPU

阿里云是DPU技術(shù)探索的前沿。在2022年的阿里云峰會(huì)上，他們發(fā)布了基于神龍架構(gòu)開發(fā)的云基礎(chǔ)架構(gòu)處理器CIPU。CIPU繼承了其前身MoC卡（卡上微服務(wù)器）的功能和定位，與DPU的定義相吻合。MoC卡具有獨(dú)立的I/O、存儲(chǔ)和處理單元，并處理網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和設(shè)備虛擬化任務(wù)。MoC卡經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段：

第一代和第二代MoC卡解決計(jì)算虛擬化的零開銷挑戰(zhàn)，通過軟件實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)虛擬化。

第三代MoC卡引入了增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)功能，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

第四代MoC卡實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)操作的完全硬件卸載，并支持RDMA功能。

阿里云的CIPU專為飛天系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于構(gòu)建新一代綜合軟硬件云計(jì)算架構(gòu)系統(tǒng)至關(guān)重要。

火山引擎DPU

火山引擎致力于推進(jìn)自主開發(fā)的DPU技術(shù)，采用軟硬集成的虛擬化方法，提供彈性和可擴(kuò)展的高性能計(jì)算服務(wù)。他們的第二代彈性裸金屬服務(wù)器和第三代云服務(wù)器都配備了自主研發(fā)DPU。這些DPU經(jīng)過了廣泛的測(cè)試，以確保其在各種應(yīng)用中的功能和適應(yīng)性。 2022年推出的第二代彈性裸金屬實(shí)例將物理機(jī)的穩(wěn)定性和安全性與虛擬機(jī)的靈活性相結(jié)合，代表了高性能云服務(wù)器的新一代。 2023年上半年發(fā)布的第三代云服務(wù)器實(shí)例將火山引擎最新的DPU架構(gòu)與專有的虛擬交換機(jī)和虛擬化技術(shù)集成在一起，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)I/O性能。 通過結(jié)合自主開發(fā)的DPU、虛擬交換機(jī)和虛擬化技術(shù)，Volcano Engine旨在提供可擴(kuò)展和高效的高性能計(jì)算解決方案，以滿足云計(jì)算不斷演變的需求。