自上世紀(jì)80 年代中期首批 PC 機(jī)面市后不久，網(wǎng)絡(luò)接口卡 （NIC） 就已經(jīng)進(jìn)入了市場(chǎng)。然而，在過去的幾年里，我們看到了 SmartNIC 的興起。什么是 SmartNIC？按照最基本的定義，SmartNIC 就是可編程NIC。很多廠商只是順應(yīng) SmartNIC 這一概念在自身實(shí)現(xiàn)中堆砌冗繁的芯片與固件。

一個(gè)比較準(zhǔn)確的定義是SmartNIC 是包含客戶可用的額外計(jì)算資源和使用這些資源所需的開源工具的NIC。這些額外的計(jì)算資源用來處理進(jìn)出服務(wù)器時(shí)的網(wǎng)絡(luò)流量，以及在應(yīng)用層面卸載主機(jī)CPU。

計(jì)算單元

SmartNIC在同一張卡上融合有線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源。這些計(jì)算資源的構(gòu)成可包含下列一種或數(shù)種類型的資源：傳統(tǒng)x86 CPU，如 Arm 核；數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP） 專用核；人工智能 （AI）；網(wǎng)絡(luò)處理單元 （NPU）；或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 （FPGA）。一個(gè)SmartNIC 上含有多個(gè)上述計(jì)算單元的情況并不罕見。

服務(wù)器與NIC 連接

每個(gè)服務(wù)器使用NIC 連接到網(wǎng)絡(luò)。有時(shí)也使用通常用來支持?jǐn)z像頭和恒溫器等物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)備的嵌入式無線連接，但大多數(shù)服務(wù)器還是以有線方式連接到網(wǎng)絡(luò)。采用有線聯(lián)網(wǎng)的原因較多，不過兩個(gè)最重要的原因是性能和可用性。

在可用性方面，有線網(wǎng)絡(luò)只有在電纜受損或拆除的情況下才中斷。至于網(wǎng)絡(luò)性能方面，我們重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是帶寬，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；另一個(gè)是時(shí)延，即傳輸數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。

提升算力

雖然今天的數(shù)據(jù)中心聯(lián)網(wǎng)采用的是25 GbE，并且正在迅速升級(jí)到 50 GbE 和 100 GbE，但仍需要認(rèn)真地考慮為 SmartNIC 添加額外的計(jì)算資源。對(duì)于傳統(tǒng)的 CPU 核（比如 Arm 的 CPU 核），最高效的使用方式是將它們預(yù)留給控制平面管理。例如，一個(gè)雙核或四核Arm 核組常被用于控制平面管理任務(wù)，如將軟件卸載到其他計(jì)算單元和記錄日志。

今天的數(shù)據(jù)中心NIC 每秒要處理數(shù)百萬乃至超過一億個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。即便主頻在3GHz 的 Arm 核，也不能勝任每秒檢查和處理數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)包的工作，更別說數(shù)千萬個(gè)數(shù)據(jù)包了。每秒的指令數(shù)根本不夠應(yīng)付這樣大數(shù)量的數(shù)據(jù)包。處理這樣大數(shù)量的數(shù)據(jù)包，需要使用專用計(jì)算資源，如專用網(wǎng)絡(luò)處理器、FPGA或 GPU 核。

FPGA 的并行處理和可編程邏輯特性，常常使其成為這種任務(wù)的最佳選擇。FPGA 可以通過重配置快速解析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包報(bào)頭，甚至是數(shù)據(jù)包本體。然后采取必要的處理，如丟棄數(shù)據(jù)表、包裝數(shù)據(jù)包或以線速率修改數(shù)據(jù)包內(nèi)容。賽靈思 Alveo SN1000 SmartNIC 就是包含一個(gè) Arm 核組和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器的基于 FPGA 的 SmartNIC 的典型示例。

卸載

CPU卸載是 SmartNIC的一個(gè)關(guān)鍵用途。區(qū)塊鏈散列和視頻轉(zhuǎn)碼等計(jì)算密集型任務(wù)交由SmartNIC 單獨(dú)處理即可，從而釋放了寶貴的服務(wù)器 CPU 資源。

區(qū)塊鏈依賴的是求解工作量證明。網(wǎng)絡(luò)上完成求解的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)得到獎(jiǎng)勵(lì)，并允許在鏈上捆綁并發(fā)布下一個(gè)區(qū)塊。SmartNIC能在計(jì)算下一個(gè)解時(shí)，將區(qū)塊鏈和待完成事項(xiàng)保存在存儲(chǔ)器中。如果求解成功，SmartNIC就公布這個(gè)區(qū)塊并開始處理下一個(gè)區(qū)塊。

視頻轉(zhuǎn)碼是另一種非常適合SmartNIC 從主機(jī) CPU卸載的任務(wù)。使用自適應(yīng)比特率 （ABR） 壓縮支持移動(dòng)設(shè)備的視頻轉(zhuǎn)碼，是另一種 CPU 密集型任務(wù)（特別是對(duì)于實(shí)時(shí)視頻應(yīng)用而言）。這些壓縮任務(wù)極度線性，在移植到基于 FPGA 的加速器上后，被證明效率較通用 CPU 提高 10 倍到 20 倍。

此外，SmartNIC 還內(nèi)置基本的 Netfilter 防火墻，從主機(jī) CPU 卸載過濾出入站數(shù)據(jù)包的任務(wù)。Netfilter 是一種新版本的 IP 信息包過濾系統(tǒng)，為過濾網(wǎng)絡(luò)流量提供了非?？煽康募軜?gòu)。將這個(gè)防火墻卸載到 SmartNIC，每秒可為主機(jī) CPU節(jié)省數(shù)百萬條指令，以支持于在服務(wù)器上運(yùn)行的其它應(yīng)用。

我們也提供數(shù)據(jù)包封裝，也就是封包功能。一旦我們對(duì)虛擬化或容器化系統(tǒng)使用疊加網(wǎng)絡(luò)，我們就需要封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)表，讓它們?cè)谶@些疊加網(wǎng)絡(luò)間正確路由。疊加網(wǎng)絡(luò)處理的例子如 Open vSwitch （OvS）。它有非常高的 CPU 占用率，因此將這個(gè)任務(wù)卸載到 SmartNIC 可釋放大量主機(jī) CPU 周期。

最后，我們還可以卸載通常運(yùn)行在 DNS 等服務(wù)器上或內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)上的主要網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。完全在 SmartNIC 內(nèi)處理 DNS 查詢是一種典型的 SmartNIC 應(yīng)用，因?yàn)槭聞?wù)較小而且查找表處理速度較快。

采用 SmartNIC 進(jìn)行存儲(chǔ)控制

SmartNIC 也能兼用作存儲(chǔ)控制器。像賽靈思 Alveo U25 這樣的一些 SmartNIC，自己的本地存儲(chǔ)擁有千兆字節(jié)片上和板載存儲(chǔ)器（比如 U25 有 6GB）。這種存儲(chǔ)可兼用作服務(wù)器自己的 NVMe 磁盤的緩存。這種做法很有意義，因?yàn)?Compute Express Link （CXL） 等協(xié)議能讓未來的 SmartNIC 直接管理與 NVMe 驅(qū)動(dòng)器的關(guān)系。

此外，SmartNIC 也能在硬件中進(jìn)行抹除編碼，還可以為存儲(chǔ)加密。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器加密，SmartNIC 提供了一種獨(dú)特的安全機(jī)制。如果使用 SmartMIC 為存放到NVMe存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密或解密，要破解這種加密，就需要同時(shí)擁有這兩個(gè)設(shè)備。如果管理員拆下 NVMe 驅(qū)動(dòng)器到其他地方去解密，他們只能使用暴力破解法，猜測(cè)被留在 SmartNIC 上的缺失的加密密鑰。

SmartNIC 可以方便地采用密碼術(shù)保障上電周期間密鑰的安全性，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。例如，被賽靈思收購(gòu)的Solarflare在 NIC 上保持著一個(gè)硬件安全隔離區(qū)，過去幾年一直在其 X2 芯片上存儲(chǔ) NIC 密鑰。未來的 SmartNIC 安全隔離區(qū)將有望為 SSL/TLS 端點(diǎn)加密保存數(shù)十萬個(gè)安全密鑰并保障它們的安全。

電子交易

最后，SmartNIC 還在另外一個(gè)領(lǐng)域里大有前途。那就是超低時(shí)延電子交易。我們?cè)谏衔睦镎務(wù)撨^在幾百億分之一秒內(nèi)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。今天，高性能25-GbE NIC的時(shí)延在1，000ns左右。采用正確架構(gòu)的系統(tǒng)、正確的軟件和調(diào)試到位的 SmartNIC，能在收到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的同時(shí)完成分析，一次四個(gè)字節(jié)。響應(yīng)數(shù)據(jù)包則能以令人驚奇的 22ns 內(nèi)注入到網(wǎng)絡(luò)中。這比傳統(tǒng)的高性能 NIC 速度提高了 40 多倍。當(dāng)用于電子交易時(shí)，這些 SmartNIC 的投資回報(bào) （ROI） 有時(shí)可以不到一秒就能測(cè)得。

市場(chǎng)采用日益攀升

隨著云服務(wù)提供商不斷擴(kuò)大容量，他們也在增加 SmartNIC 的部署，以將寶貴的 CPU 核心釋放給業(yè)務(wù)應(yīng)用，優(yōu)化服務(wù)器利用率。今天的服務(wù)器往往把 30% 的 CPU 周期用在管理網(wǎng)絡(luò)上。即相當(dāng)于每三部生產(chǎn)服務(wù)器中就有一部用于組網(wǎng)。SmartNIC 支持系統(tǒng)架構(gòu)師將高性能計(jì)算資源部署在服務(wù)器的邊緣，也就是網(wǎng)絡(luò)上。然后 SmartNIC就能用于保護(hù)服務(wù)器，進(jìn)而保護(hù)企業(yè)，同時(shí)有力地從成本高昂得多的服務(wù)器 CPU 上卸載任務(wù)。

根據(jù)市場(chǎng)研究公司 Dell’Oro Group，到 2024 年，SmartNIC 的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將超過 6 億美元，占全球以太網(wǎng)適配器市場(chǎng)的23%。我們已經(jīng)看到博通、英特爾、邁絡(luò)思和賽靈思等公司紛紛推出新一代 SmartNIC。因此，當(dāng)您設(shè)計(jì)您的新一代數(shù)據(jù)中心部署的時(shí)候，也許可以考慮將 SmartNIC 納入到您的計(jì)劃中， 而不是單純將標(biāo)準(zhǔn) NIC當(dāng)作服務(wù)器的默認(rèn)配置。

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