業(yè)界最近在云數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中開始使用智能網(wǎng)卡(SmartNIC)，通過執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通路處理來卸載服務(wù)器中的CPU來提高性能，引起了業(yè)界的熱議。在網(wǎng)卡上執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)卸載并不新鮮，很多傳統(tǒng)網(wǎng)卡支持卸載校驗和分段等功能。而隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的發(fā)展，由此驅(qū)動的云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，對Smart NIC提出了需求。

為什么需要Smart NIC

對Smart NIC的需求主要有以下三個方面：

• 隨著VxLan等隧道協(xié)議的引入和虛擬交換的復(fù)雜行為，基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面的復(fù)雜性大大提高
• 增加網(wǎng)絡(luò)接口帶寬意味著在軟件中執(zhí)行這些功能會在CPU資源上產(chǎn)生不能承受的負(fù)載，造成剩余CPU資源過少甚至不能運行應(yīng)用程序
• SDN的關(guān)鍵需求是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面必須互換，固定功能卸載技術(shù)不適用。

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Smart NIC到底是什么?

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)卡(NIC)和智能網(wǎng)卡(Smart NIC)的根本區(qū)別在于Smart NIC從主機(jī)CPU卸載的處理量，Smart NIC是圍繞FPGA平臺設(shè)計的，F(xiàn)PGA被設(shè)計為接受本地化編程，一旦安裝就可以輕松更新。Smart NIC需要滿足以下特征：

• 能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的基于服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面功能，包括多個匹配動作處理，隧道終止和發(fā)起，計量和整形以及流量統(tǒng)計。
• 通過固件加載或客戶編程來支持可替換的數(shù)據(jù)平面，對可執(zhí)行的功能幾乎沒有預(yù)定的限制
• 與現(xiàn)有的開源生態(tài)系統(tǒng)無縫集成，最大限度地提高軟件功能

Smart NIC加速SDN的實踐落地

具有高級編程功能Smart NIC能夠提升應(yīng)用程序和虛擬化性能，實現(xiàn)軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的諸多優(yōu)勢。通過在每臺服務(wù)器上使用Smart NIC，運營商可以確保網(wǎng)絡(luò)虛擬化、負(fù)載均衡和其他低級功能從服務(wù)器CPU中卸載，確保為應(yīng)用提供最大的處理能力。此外，Smart NIC還能夠提供分布式硬件資源，可用于卸載或加速特定應(yīng)用程序。運營商可以使用Smart NIC廠商或合作伙伴提供的軟件，開發(fā)自己的軟件或提供接入服務(wù)，以便用戶使用定制化的軟件。

過去30年來，網(wǎng)卡已經(jīng)從具有單一MAC，PHY和系統(tǒng)接口的簡單網(wǎng)卡發(fā)展到具有一個，兩個或更多網(wǎng)絡(luò)接口和用于TCP/IP的硬件卸載引擎的高性能適配器、虛擬化等功能。最新的NIC基于支持10Gbit/s，25Gbit/s，50Gbit/s或100Gbit/s網(wǎng)絡(luò)接口的輸入/輸出(I/O)控制器。Smart NIC將FPGA、處理器或基于處理器的智能I/O控制器與分組處理和虛擬化加速集成在一起。大多數(shù)Smart NIC可以使用標(biāo)準(zhǔn)的FPGA或處理器開發(fā)工具進(jìn)行編程，越來越多的廠商也開始增加了對可編程語言P4的支持。

Heavy Reading近期發(fā)布的一個針對18家廠商進(jìn)行分析的報告，分析了基于FPGA和處理器的Smart NIC，確定了其關(guān)鍵特性，并指出了為服務(wù)提供商和電信解決方案提供商帶來的優(yōu)勢。

目前業(yè)界提供基于FPGA的Smart NIC的廠商包括Accolade、BittWare、Enyx、Ethernity、Napatech、Netcope、Reflex CES、Silicom和Solarflare。這些適配器集成了來自Intel或Xilinx的FPGA，其中一些采用了最新的Stratix 10和UltraScale + FPGA的FPGA。基本的I/O控制器功能是使用FPGA實現(xiàn)的，或者由單獨的I/O控制器進(jìn)行處理。Broadcom，Cavium，Intel，Kalray，Mellanox，Netronome，Silicom和SolidRun均可提供基于處理器的Smart NIC。Smart NIC使用帶有集成處理器內(nèi)核或可編程交換的處理器或智能I/O處理器，亞馬遜和谷歌已經(jīng)開發(fā)了自己的Smart NIC ASIC。

從虛擬化應(yīng)用程序中遷移到SDN可能會導(dǎo)致性能下降，并延長使用專有系統(tǒng)的延遲時間。Smart NIC為SDN和虛擬化應(yīng)用程序提供硬件加速與網(wǎng)絡(luò)接口緊密結(jié)合，并可分布在大型服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中。Smart NIC正在成為很多大型超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，業(yè)界正在努力覆蓋從基本的Smart NIC到將從服務(wù)器CPU卸載重要應(yīng)用功能并處理多個100 Gbit/s連接的網(wǎng)卡的所有不同的需求，運營商可以使用Smart NIC來加速特定應(yīng)用和虛擬化功能，并且通過正確的語言和工具鏈支持，為用戶提供應(yīng)用加速即服務(wù)的附加價值。