智能網卡的網絡加速技術

網絡加速的起源

傳統數據中心基于馮諾依曼架構，所有的數據都需要送到CPU進行處理。隨著數據中心的𒆙高速發展，摩爾定律逐漸失效，CPU的增長速度無法滿足數據的爆發式增長，CPU的處理速率已經不能滿足數據處理的要求。

以24核計算型服務器為例，網絡功能占用6個core，虛擬化功能占用1個corꦐe，可用于VM的core數量為17個，可用CPU資源比例為70%。當網卡升級到100G時，CPU資源基本都被占用，算力資源基本不可用。

計算架構從以CPU為中心的Onload模式，向以數據為中心的Offload模式轉變。以數據為中心的計算架構成為了趨勢。以數據為中心的模式即數據在哪里，計算就部署在哪里。當數據在存儲資源上，對數據的計算就在存儲上執行。當數據在網絡中流動時，對數據的處理就在網絡上執行。通過架構的演進，典型的通信延時可以從30-40微秒，縮短為3-4微秒。網絡計算和智能網卡/DPU成為數據中心計▨算架構的核心。

智能網卡/DPU通過集成多個面向不同應用的加速引擎，進行數據平面卸載，通過內嵌的ARM處理器或者其他🙈協處理器進行控制平面的卸載。

ꦰ在網絡功能卸載方面，硬件替代CPU完成專業設備NFV后處理邏輯，實現硬件加速。同時，網絡功能卸載將觀察點從硬件交換機延伸到主機側，實現網絡端到端運維可視化。

網絡加速的技術架構

業界主流智能網卡有四種實現方案：SoC、NP、FPGA、ASIC。

SoC方案在終𒅌端市場應用較成熟，硬件需要根據客戶需求定制，部署周期較長，但是計算效率高，適合成熟算法及應用💞，功耗較低。

NP方案生態封閉，主流廠商已不再發布路標，不支持重編程，難以解耦，成本高于FPGA，但是功耗較低。

FPGA方案生態開放，在數據中心場景中得到廣泛應用，可以重復編程實現特定應ဣ用，適合演進中的算法及꧒應用，適用于網絡轉發等并行計算場景，該方案處理時延低，支持虛擬化，功耗適中。

ASIC方案，其硬件根據用戶需求定制，開發成本昂貴，生產周期長，不具備靈活性，但是計算效率高，功耗較低，適💙合大規模成熟算法及應用。

網絡加速技術

智能網卡實現的網絡加速有多種，除基本的網絡功能外，還包括RoCEv2✤、VXLAN、OVS ct功能、TF-vRouter虛擬路由、kTLS/IPSec加速等技術。智能網卡的網絡加速技術可以進一步細分為網絡功能的加ꦇ速以及網絡能力的虛擬化。這里僅列舉常見的幾種技術及其應用。

OVS卸載技術，SmartNIC 負責L2轉發，通過額外的處理邏輯實現部分vSwitch功能，能夠卸載部分網絡流量（例如基于Tc Flo💞wer Offload功能），🌞支持對網絡數據包包頭的處理（如Push/Pop VLAN Tag、VXLAN Encap/Decap)。

Connection Tracking offload可以實現L3/L4 Firewall功能。

Header Re-writ⛄e Offload 能🎀夠對packet header進行set/copy/add操作，可以實現路由、NAT等功能。

VIRTIO-net網絡虛擬化技術。傳統加速方式通過軟件優化比如DPDK實現VM對網絡設備的訪問。大量的資源和時間損耗在軟件層面，當前網絡和PCIe設備的性能優勢沒有徹底發揮出來。智能網卡支持SR-IOV和VIRTIO技術，實現了IO硬件虛擬化，虛擬機可以直接訪問網卡硬件設備的寄存器和DMA內存，同時借助于FPGA和SoC將OVS數據和控制平面完全卸載，大大提升了數據傳輸和處理的性能。SRIOV技術引入了兩種虛擬化設備，PF和VF，在大多數虛擬機場景下，VM里的設備映射到不同的VF上，每增加一個虛機時，需要新增VF與其綁定。VF的配置和管理均由VMM完成。在裸金屬場景，PF通常被用來作為網絡或存儲設備，PF的資源在FPGA加載時生成，當資源不足時，分配新的PF。PF設備的管理通過智能網卡SOC來管理。當增加PF時，SOC上將對應的PF設備使能，然后通知✨Host端添加新的設備。當不再需要PF設備時，通過SoC disable釋放資源。

網絡加速的技術實現

中國移動IT云和網絡云采用混合SDN方案，面向不同業務提供虛擬機或裸機部署能力，面向虛擬化場景，引入智能網卡突破提升vSwitch轉發性能和數據處理能力；面向裸機場景，引入智能網卡構建彈性裸金屬服務。面向虛擬化場景，將vSwitch轉發面卸載至智能網卡中，提升轉發性꧅能及表項規格。軟件vSwitch依靠CPU轉發，通過將轉發面卸載到硬件網卡，實現主機側CPU零消耗，滿足25G、100G網卡及后續更大🌳帶寬線速轉發要求，提升塊表規格到百萬級甚至千萬級，滿足SBC等大規格網元部署需求。

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