SmartNIC是混合云架構(gòu)和服務(wù)網(wǎng)格的必然嗎

過去十年來，計(jì)算成本一直在趨于平緩，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)負(fù)載同時(shí)在增加。最重要的是，網(wǎng)絡(luò)性能和計(jì)算性能之間的差距正在擴(kuò)大。面對(duì)摩爾定律關(guān)于CPU的增長(zhǎng)放緩，將網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)和其他功能從服務(wù)器處理器卸載到支持計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)接口的SmartNIC有望產(chǎn)生一定的作用。

關(guān)于所謂的SmartNIC的討論越來越多，其實(shí)原因很簡(jiǎn)單。在過去的幾年中，該行業(yè)正在從單個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的復(fù)雜配置轉(zhuǎn)向集中管理的控制器中的更簡(jiǎn)單配置。在擴(kuò)展規(guī)模時(shí)，抽象出復(fù)雜性是關(guān)鍵。通過將網(wǎng)絡(luò)配置轉(zhuǎn)移到服務(wù)器NIC而不是機(jī)架（ToR）頂部交換機(jī)，物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以變得更加簡(jiǎn)單，實(shí)際上可以充當(dāng)傳輸層。SmartNIC將能夠使用常規(guī)的靜態(tài)路由或使用BGP或MPLS的動(dòng)態(tài)路由連接到網(wǎng)絡(luò)。

SmartNIC架構(gòu)

微軟擁有一百萬基于FPGA SmartNIC的“Catapult”，而Amazon Web Services具有基于其自己的Arm處理器的“Nitro”，Google和Facebook尚未部署SmartNIC，國(guó)內(nèi)的阿里巴巴正在使用其X-Dragon處理器進(jìn)行概念驗(yàn)證，但百度或騰訊都尚未部署任何數(shù)量的SmartNIC。

SmartNIC到底是什么，為什么它如此重要？開發(fā)最初是從AWS作為其云的內(nèi)部項(xiàng)目開始的，從而簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)操作，并使物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更簡(jiǎn)單，更省力且更易于管理。

簡(jiǎn)而言之，SmartNIC是具有通用CPU，帶外管理和虛擬設(shè)備功能的NIC。

通用CPU：擁有一個(gè)通用CPU可以使一個(gè)人直接在NIC上運(yùn)行任意代碼和應(yīng)用程序，例如網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)，這既可以提高性能（由于可以快速訪問網(wǎng)絡(luò)I/O路徑），又可以節(jié)省成本和核心CPU周期。

帶外管理：SmartNIC上的CPU復(fù)合體可以獨(dú)立于服務(wù)器的CPU進(jìn)行管理，這意味著LCM可以獨(dú)立，并可以為云層面提供操作和管理的新控制點(diǎn)。

虛擬設(shè)備功能：SmartNIC可以將PCI總線上的“虛擬”設(shè)備公開給核心CPU OS和應(yīng)用程序，就好像它們是實(shí)際的硬件設(shè)備一樣。這提供了以前沒有的軟件驅(qū)動(dòng)的硬件靈活性。

本質(zhì)上，NIC上面有一個(gè)計(jì)算層，從而可以在NIC本身上運(yùn)行自定義軟件。計(jì)算層可以控制為網(wǎng)絡(luò)流量提供服務(wù)并可以執(zhí)行特定網(wǎng)絡(luò)功能的可編程ASIC。ASIC還為物理網(wǎng)絡(luò)電纜和常規(guī)服務(wù)器OS之間提供了額外的安全層，因?yàn)镹IC內(nèi)置了一個(gè)可編程的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（而不是在ToR交換機(jī)中安裝該設(shè)備）。所以我相信SmartNIC確實(shí)是一種轉(zhuǎn)型技術(shù)，它將推動(dòng)硬件架構(gòu)和設(shè)計(jì)的拐點(diǎn)。

重新定義混合云架構(gòu)

VMware最近宣布了Monterey項(xiàng)目，他們正在與NVIDIA，Pensando和Intel合作。蒙特雷計(jì)劃（Project Monterey）提供了一種更為簡(jiǎn)單的解決方案：因?yàn)镾martNIC不僅可以將虛擬設(shè)備公開到其本地主機(jī)，還可以將這些虛擬設(shè)備公開到遠(yuǎn)程主機(jī)。

想象一下有一個(gè)四節(jié)點(diǎn)主機(jī)的集群，其中在其兩個(gè)沒有加速器的主機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序，而另外兩個(gè)主機(jī)具有加速器（在這種情況下為FPGA）。通常，這兩個(gè)應(yīng)用程序?qū)o法訪問FPGA，因?yàn)楸镜刂鳈C(jī)上沒有。目前實(shí)際上只需將硬件加速器公開給群集中的所有主機(jī)，即可使群集中的所有應(yīng)用程序都能利用這些加速器。

越來越多的客戶正在尋求在其混合云（數(shù)據(jù)中心，電信云和邊緣）中降低TCO，Vmware正在與眾多SmartNIC供應(yīng)商和服務(wù)器OEM合作，以為客戶提供集成解決方案。眾所周知這種混合云的方案有以下好處：

網(wǎng)絡(luò)性能和安全性：有一個(gè)并行層運(yùn)行虛擬設(shè)備功能，通過將網(wǎng)絡(luò)和安全功能轉(zhuǎn)移到SmartNIC，而不是將流量轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器OS，這樣可以保證在沒有核心CPU開銷的情況下實(shí)現(xiàn)線速性能，并提供具有L4-7安全性的分布式防火墻，而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能！

云規(guī)模的存儲(chǔ)和分布式：由于NIC通常與服務(wù)器內(nèi)部的存儲(chǔ)是同一總線的一部分，因此SmartNIC也可以直接與服務(wù)器中的存儲(chǔ)通信。這樣就可以實(shí)現(xiàn)在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)諸如壓縮，加密和擦除編碼等存儲(chǔ)功能的加速。它還可以提供提供動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)配置文件（用于iops和容量）和按需遠(yuǎn)程存儲(chǔ)訪問。

裸機(jī)和可組合性：核心CPU組件上運(yùn)行的功能是可以轉(zhuǎn)移到SmartNIC組件上的，那我們就可以為該裸機(jī)OS提供存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這樣就能滿足企業(yè)和CSP客戶對(duì)裸機(jī)和機(jī)架級(jí)功能特殊架構(gòu)的需求。

重新定義可觀察性

良好的可見性和監(jiān)控是分布式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。當(dāng)不能僅登錄到單個(gè)設(shè)備并進(jìn)行數(shù)據(jù)包捕獲時(shí)，很難確切地知道發(fā)生了什么。幸運(yùn)的是，SmartNIC具有內(nèi)置的可觀察性和令人印象深刻的功能。諸如NetFlow（添加了有關(guān)段大小，應(yīng)用程序信息，防火墻規(guī)則操作的字段），獲取L4到L7信息的數(shù)據(jù)包檢查，流日志記錄，往返時(shí)間延遲跟蹤之類的東西都已存在。大多數(shù)數(shù)據(jù)也可以通過SmartNIC API獲得，因此其他兼容性的產(chǎn)品都可以可以使用它。

參考鏈接:https://pensando.io/wp-content/uploads/2020/03/Deep-Observability-with-the-Pensando-Distributed-Services-Platform.pdf

重新定義服務(wù)網(wǎng)格

從目前產(chǎn)業(yè)應(yīng)用范圍看，各個(gè)主流云廠商都提供了自己的網(wǎng)格服務(wù)，并且越來越多的用戶也在一起探索網(wǎng)格技術(shù)對(duì)已有系統(tǒng)的遷移和可替換性。新興互聯(lián)網(wǎng)公司規(guī)模相較于一些大型互聯(lián)網(wǎng)公司體量都不是很大，服務(wù)網(wǎng)格中的資源占用與性能降低的問題變成了網(wǎng)格技術(shù)能否大規(guī)模使用推廣的關(guān)鍵。SmartNIC是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的性能，加密操作以及接近資源利用的方式。

原圖來源于容器魔方：華為云原生團(tuán)隊(duì)

節(jié)點(diǎn)主機(jī)與SmartNIC內(nèi)通過RDMA等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信，并通過主機(jī)側(cè)出流量攔截層的EBPF模塊結(jié)合硬件卡內(nèi)的自研用戶態(tài)協(xié)議棧對(duì)傳輸層數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，這樣對(duì)于數(shù)據(jù)面代理本身可以做到網(wǎng)絡(luò)處理代碼部分最大的兼容性，同時(shí)對(duì)于外發(fā)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求可以將現(xiàn)有租戶隔離等功能與用戶態(tài)協(xié)議棧進(jìn)行進(jìn)一步融合，減少網(wǎng)絡(luò)處理消耗。

Tetrate首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人Varun Talwar說:“SmartNIC具有三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。按順序分別是性能，安全性和可以卸載的數(shù)據(jù)負(fù)載。這將導(dǎo)致諸如服務(wù)網(wǎng)格之類的技術(shù)得到更多采用。預(yù)計(jì)自己兩年之內(nèi)對(duì)SmartNIC會(huì)有更深的需求和興趣?！?/p>

總結(jié)

這些SmartNIC的性能，安全性和可擴(kuò)展性將使其成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的下一步。將網(wǎng)絡(luò)功能從中央網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接移動(dòng)到分布式服務(wù)器上。將網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)功能從主CPU和OS轉(zhuǎn)移到NIC硬件，將獲得驚人的性能提升并減少主CPU的負(fù)載。傳統(tǒng)的混合云架構(gòu)、固有的可觀察性、以及不被大規(guī)模使用的服務(wù)網(wǎng)格技術(shù)，這些都將因SmartNIC的出現(xiàn)，使CPU更加專注于核心計(jì)算，而不是網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)繁忙的工作。

回歸到SmartNIC本身，實(shí)際上其他服務(wù)提供商對(duì)制造自己的SmartNIC的需求為零，這就是為什么業(yè)界像Solarflare/Xilinx，Broadcom擁有Stingray，Mellanox Technologies擁有Bluefield（CPU）和Innova（FPGA），Marvell擁有LiquidIO，Silicom擁有FB系列（FPGA）都在追尋SmartNIC的機(jī)會(huì)，而Vmware正在與NVIDIA，Pensando和Intel合作，將完整的解決方案推向市場(chǎng)。

參考鏈接：

1.https://lostdomain.org/2020/11/16/smartnic-the-next-step-in-networking/

2.https://www.nextplatform.com/2020/03/03/a-flare-for-smartnics/

3.https://thenewstack.io/where-service-mesh-and-smartnics-meet/

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：SmartNIC是混合云架構(gòu)和服務(wù)網(wǎng)格的必然?

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