長(zhǎng)期以來，CPU一直被視為計(jì)算處理設(shè)備的支柱，GPU則用于處理實(shí)時(shí)圖形。然而，近來備受矚目的是數(shù)據(jù)處理單元——DPU。

SmartNIC/ DPU

自 20 世紀(jì) 80 年代末以來，網(wǎng)絡(luò)接口卡 (NIC) 取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。然而，盡管它們?cè)诋?dāng)時(shí)是很先進(jìn)的，但也僅限于兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間或本地網(wǎng)絡(luò)上的簡(jiǎn)單連接。

SmartNIC是可編程網(wǎng)卡，它涵蓋了常規(guī) NIC 之外的額外計(jì)算資源。SmartNIC的可編程資源可以由 Arm 內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)處理單元(NPU)和其他可編程單元組成。

很多人將 DPU 視為 SmartNIC發(fā)展的下一步。

DPU 是可編程設(shè)備，可以通過硬件加速來協(xié)助數(shù)據(jù)處理。SmartNIC 則將服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)有效連接，其可編程組件配置有加速器，能夠高效處理數(shù)據(jù)，從而釋放服務(wù)器空間用于應(yīng)用程序處理，但不適用于多任務(wù)處理。雖然 SmartNIC 在某種程度上可以完成 DPU 的工作，但兩者構(gòu)成和功能并不相同。

SmartNIC提供廣泛的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和可編程性，但它需要DPU提供更多的虛擬化能力。SmartNIC管理的數(shù)據(jù)有一定的上限，但當(dāng)與DPU協(xié)同使用時(shí)，可以突破數(shù)據(jù)限制，從而創(chuàng)造出可靠的可編程技術(shù)，帶來更高的網(wǎng)絡(luò)處理能力。

在很多情況下，SmartNIC和 DPU 的概念經(jīng)常互換使用。

據(jù)研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，2019 年至 2022 年，國(guó)內(nèi)外企業(yè)都申請(qǐng)了眾多涉及DPU和相關(guān)智能網(wǎng)卡的專利，其中英特爾排名第一，華為排名第二，谷歌排名第三。AMD、英偉達(dá)等芯片和處理器制造商已經(jīng)致力于開發(fā)和制造DPU。華碩、戴爾和超威已與使用英偉達(dá)DPU的系統(tǒng)集成。AWS 也是DPU的主要用戶。

為什么現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施需要集成SmartNIC / DPU?

服務(wù)器負(fù)擔(dān)過重

摩爾定律的持續(xù)壓力每?jī)赡昃蜁?huì)推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的小型化。量子隧道效應(yīng)、損耗層尺寸的減小以及寄生電容的發(fā)展導(dǎo)致了服務(wù)器集成電路中的互連瓶頸。硬件尺寸的減小推動(dòng)了服務(wù)器更快地?cái)U(kuò)展，并增加了CPU的總體成本。

儲(chǔ)存及交付

預(yù)測(cè)顯示 2040 年將進(jìn)入千兆字節(jié)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施因存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和按需提供數(shù)據(jù)而不堪重負(fù)。為了減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施為數(shù)據(jù)中心提供了數(shù) GB 的額外存儲(chǔ)，從而釋放足夠的CPU 周期來執(zhí)行高價(jià)值的企業(yè)任務(wù)并存儲(chǔ)關(guān)鍵信息。

電力消耗

不斷增加的服務(wù)器工作負(fù)載與電源管理所需的額外硬件和設(shè)備相關(guān)。這種硬件消耗額外的電力，增加了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施管理的成本。配電單元、備份和冷卻機(jī)制可以一定程度上幫助解決問題，但SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施直接不需要額外硬件的部署，總耗電量隨著核心數(shù)的減少而降低。

防御攻擊

SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施能夠在硬件級(jí)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)安全功能，包括數(shù)據(jù)包包裝、散列、壓縮和解壓、加密和解密、密碼算法、防火墻以及DDoS 攻擊防御。SmartNIC / DPU可以在不干擾服務(wù)器的情況下處理安全操作并消除任何威脅。最新的 SmartNIC / DPU具有防火墻和先進(jìn)的DDoS 攻擊防御機(jī)制，支持分布式安全系統(tǒng)。

集成 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施的要求

SmartNIC / DPU 可以滿足對(duì)高性能、低延遲和安全數(shù)據(jù)傳輸日益增長(zhǎng)的需求。但SmartNIC / DPU的實(shí)施需要可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。以下是集成 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施的一些重要要求。

高連接性

網(wǎng)卡通常用于低帶寬且速度在10 Gbps的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中。SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施更適合支持大帶寬、處理高網(wǎng)絡(luò)流量、網(wǎng)速超過100 Gbps的大型企業(yè)，通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行套接字加速，以卸載和節(jié)省服務(wù)器周期，用于特定于應(yīng)用的高價(jià)值任務(wù)。

超低延遲

SmartNIC / DPU的實(shí)施在有線基礎(chǔ)設(shè)施中表現(xiàn)最佳，需要執(zhí)行高速計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)使用 InfiniBand SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施。在此類網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問 ( RDMA ) 允許直接訪問另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，在不涉及內(nèi)核的情況下提供超低延遲。

傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施更適用于以太網(wǎng)，并且在實(shí)施SmartNIC / DPU時(shí)面臨著復(fù)雜性。基于融合以太網(wǎng)的 RDMA 支持基于以太網(wǎng)的 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施，提供低延遲和更高的吞吐量。

復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SmartNIC / DPU適用于企業(yè)和大型云提供商的client-server模型的服務(wù)器端。軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 (NVF)、高速計(jì)算和復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為 SmartNIC / DPU實(shí)現(xiàn)硬件加速提供了條件。

來自電信、SaaS、電子商務(wù)和流媒體平臺(tái)等行業(yè)的分布式云計(jì)算公司部署了成百上千個(gè)智能網(wǎng)卡進(jìn)行加速。這些大型組織擁有提供微服務(wù)和處理大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)兼容性

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以使用多種類型的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。SmartNIC / DPU與網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)有硬件(如交換機(jī)、操作系統(tǒng))的兼容性和可配置性至關(guān)重要。

某些 SmartNIC / DPU可能與網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不兼容，需要為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)選擇兼容的 SmartNIC / DPU，包括接口、協(xié)議、可編程性、配置和用例。

SDN集成

大型企業(yè)往往使用 SDN 在全球多個(gè)工作場(chǎng)所連接、管理和加速其工作流程。在此類網(wǎng)絡(luò)中集成 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施可以減輕 SDN 集中控制器任務(wù)，從而有效管理網(wǎng)絡(luò)。

由于 SmartNIC / DPU是可編程的，因此它們可以加速 SDN 中路由器和交換機(jī)的數(shù)據(jù)平面和特定應(yīng)用的任務(wù)，包括流量轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)包過濾、加密和解密、防火墻等。

NFV功能

SmartNIC / DPU還用于采用 NFV 的網(wǎng)絡(luò)中。由于多個(gè)虛擬機(jī)運(yùn)行在共享物理基礎(chǔ)設(shè)施中，從而消除了對(duì)專用硬件的需求，因此NFV 網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)施 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施。

這類似于在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中部署虛擬微服務(wù)器，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有自己的資源。NVF 加速的例子包括虛擬可擴(kuò)展 LAN、微分段和負(fù)載平衡。

在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中實(shí)施 SmartNIC / DPU后，網(wǎng)絡(luò)團(tuán)隊(duì)可以將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向管理 SmartNIC / DPU。SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施部署后的定期質(zhì)量檢查是智能持續(xù)加速的關(guān)鍵。SmartNIC / DPU可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和安全功能本身進(jìn)行定期審查。有效的網(wǎng)絡(luò)管理可通過監(jiān)控軟件和關(guān)鍵指標(biāo)確保 SmartNIC / DPU的無縫性能。

監(jiān)控工具不斷收集和分析數(shù)據(jù)，例如延遲、速度、吞吐量和丟包。一旦工具或 SmartNIC / DPU檢測(cè)到錯(cuò)誤，就必須自動(dòng)排除故障以獲得解決方案。除了故障排除，網(wǎng)絡(luò)管理還確保 SmartNIC / DPU基礎(chǔ)設(shè)施的定期更新，以滿足最新的技術(shù)需求。此外，網(wǎng)絡(luò)編排平臺(tái)還可以自動(dòng)配置 SmartNIC / DPU以符合當(dāng)前的安全操作法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

小結(jié)

將SmartNIC / DPU與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)施集成，是確保其成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境的關(guān)鍵。這種無縫融合可以提高整體性能和效率，降低主機(jī)處理器負(fù)載，并支持網(wǎng)絡(luò)虛擬化，為企業(yè)帶來更大的靈活性和可管理性。同時(shí)，SmartNIC / DPU的高級(jí)網(wǎng)絡(luò)功能也能夠增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，保護(hù)企業(yè)的數(shù)據(jù)和資產(chǎn)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和需求的不斷變化，SmartNIC / DPU將繼續(xù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為網(wǎng)絡(luò)性能的持續(xù)優(yōu)化和應(yīng)用程序處理的提升做出貢獻(xiàn)。我們可以預(yù)見，未來網(wǎng)絡(luò)將更加智能、高效，并為企業(yè)帶來更多創(chuàng)新的可能性。