【重识云原生】第四章云网络4.9.4.2节——智能网卡实现

时间：2024-10-04 07:09:09

  《重识云原生系列》专题索引：

  1. 第一章——不谋全局不足以谋一域
  2. 第二章计算第1节——计算虚拟化技术总述
  3. 第二章计算第2节——主流虚拟化技术之VMare ESXi
  4. 第二章计算第3节——主流虚拟化技术之Xen
  5. 第二章计算第4节——主流虚拟化技术之KVM
  6. 第二章计算第5节——商用云主机方案
  7. 第二章计算第6节——裸金属方案
  8. 第三章云存储第1节——分布式云存储总述
  9. 第三章云存储第2节——SPDK方案综述
  10. 第三章云存储第3节——Ceph统一存储方案
  11. 第三章云存储第4节——OpenStack Swift 对象存储方案
  12. 第三章云存储第5节——商用分布式云存储方案
  13. 第四章云网络第一节——云网络技术发展简述
  14. 第四章云网络4.2节——相关基础知识准备
  15. 第四章云网络4.3节——重要网络协议
  16. 第四章云网络4.3.1节——路由技术简述
  17. 第四章云网络4.3.2节——VLAN技术
  18. 第四章云网络4.3.3节——RIP协议
  19. 第四章云网络4.3.4节——OSPF协议
  20. 第四章云网络4.3.4.3节——OSPF协议工作原理
  21. 第四章云网络4.3.4.4节——[转载]OSPF域内路由
  22. 第四章云网络4.3.4.5节——[转载]OSPF外部路由
  23. 第四章云网络4.3.4.6节——[转载]OSPF特殊区域之Stub和Totally Stub区域详解及配置
  24. 第四章云网络4.3.4.7节——[转载]OSPF特殊区域之NSSA和Totally NSSA详解及配置
  25. 第四章云网络4.3.5节——EIGRP协议
  26. 第四章云网络4.3.6节——IS-IS协议
  27. 第四章云网络4.3.7节——BGP协议
  28. 第四章云网络4.3.7.2节——BGP协议概述
  29. 第四章云网络4.3.7.3节——BGP协议实现原理
  30. 第四章云网络4.3.7.4节——高级特性
  31. 第四章云网络4.3.7.5节——实操
  32. 第四章云网络4.3.7.6节——MP-BGP协议
  33. 第四章云网络4.3.8节——策略路由
  34. 第四章云网络4.3.9节——Graceful Restart(平滑重启)技术
  35. 第四章云网络4.3.10节——VXLAN技术
  36. 第四章云网络4.3.10.2节——VXLAN Overlay网络方案设计
  37. 第四章云网络4.3.10.3节——VXLAN隧道机制
  38. 第四章云网络4.3.10.4节——VXLAN报文转发过程
  39. 第四章云网络4.3.10.5节——VXlan组网架构
  40. 第四章云网络4.3.10.6节——VXLAN应用部署方案
  41. 第四章云网络4.4节——Spine-Leaf网络架构
  42. 第四章云网络4.5节——大二层网络
  43. 第四章云网络4.6节——Underlay 和 Overlay概念
  44. 第四章云网络4.7.1节——网络虚拟化与卸载加速技术的演进简述
  45. 第四章云网络4.7.2节——virtio网络半虚拟化简介
  46. 第四章云网络4.7.3节——Vhost-net方案
  47. 第四章云网络4.7.4节vhost-user方案——virtio的DPDK卸载方案
  48. 第四章云网络4.7.5节vDPA方案——virtio的半硬件虚拟化实现
  49. 第四章云网络4.7.6节——virtio-blk存储虚拟化方案
  50. 第四章云网络4.7.8节——SR-IOV方案
  51. 第四章云网络4.7.9节——NFV
  52. 第四章云网络4.8.1节——SDN总述
  53. 第四章云网络4.8.2.1节——OpenFlow概述
  54. 第四章云网络4.8.2.2节——OpenFlow协议详解
  55. 第四章云网络4.8.2.3节——OpenFlow运行机制
  56. 第四章云网络4.8.3.1节——Open vSwitch简介
  57. 第四章云网络4.8.3.2节——Open vSwitch工作原理详解
  58. 第四章云网络4.8.4节——OpenStack与SDN的集成
  59. 第四章云网络4.8.5节——OpenDayLight
  60. 第四章云网络4.8.6节——Dragonflow

  61. 第四章云网络4.9.1节——网络卸载加速技术综述

  62. 第四章云网络4.9.2节——传统网络卸载技术

  63. 第四章云网络4.9.3.1节——DPDK技术综述

  64. 第四章云网络4.9.3.2节——DPDK原理详解

  65. 第四章云网络4.9.4.1节——智能网卡SmartNIC方案综述

  66. 第四章云网络4.9.4.2节——智能网卡实现

  67.  《云原生进阶之容器》专题第六章容器6.1.1节——容器综述

  68. 【云原生进阶之PaaS中间件】第一章Redis-1.1简介

  69. 【云原生进阶之PaaS中间件】第二章Zookeeper-1-综述

  70. 【云原生进阶之PaaS中间件】第三章Kafka-1-综述

  71. 【云原生进阶之PaaS中间件】第四章RabbitMQ-1-简介及工作模式

  72. 【云原生进阶之数据库技术】第一章MySQL-1-基础概述

  73. 【云原生进阶之数据库技术】第二章-Oracle-1-简介

  74. 【云原生进阶之数据库技术】第三章-PostgreSQL-1-综述

  《云原生进阶之容器》专题索引：

  1. 第一章Docker核心技术1.1节——Docker综述

  2. 第一章Docker核心技术1.2节——Linux容器LXC

  3. 第一章Docker核心技术1.3节——命名空间Namespace

  4. 第一章Docker核心技术1.4节——chroot技术

  5. 第一章Docker核心技术1.5.1节——cgroup综述

  6. 第一章Docker核心技术1.5.2节——cgroups原理剖析

  7. 第一章Docker核心技术1.5.3节——cgroups数据结构剖析

  8. 第一章Docker核心技术1.5.4节——cgroups使用

  9. 第一章Docker核心技术1.6节——UnionFS

  10. 第一章Docker核心技术1.7节——Docker镜像技术剖析

  11. 第一章Docker核心技术1.8节——DockerFile解析

  12. 第一章Docker核心技术1.9节——docker-compose容器编排

  13. 第一章Docker核心技术1.10节——Docker网络模型设计

  14. 第二章——Kubernetes概述

  15. 第二章Controller Manager原理剖析--2.1节Controller Manager综述

  16. 第二章Controller Manager原理2.2节--client-go剖析

  17. 第二章Controller Manager原理2.3节--Reflector分析

  18. 第二章Controller Manager原理2.4节--Informer机制剖析

  19. 第二章Controller Manager原理2.5节--DeltaFIFO剖析

  20. 第二章Controller Manager原理2.6节--Informer controller

  21. 第二章Controller Manager原理2.7节--Indexer剖析

  22. 第二章Controller Manager原理2.8节--Resync机制

  23. 第三章List-Watch机制3.1节-- List-Watch机制剖析

  《重识云原生系列》专题索引：

  1. 第一章——不谋全局不足以谋一域
  2. 第二章计算第1节——计算虚拟化技术总述
  3. 第二章计算第2节——主流虚拟化技术之VMare ESXi
  4. 第二章计算第3节——主流虚拟化技术之Xen
  5. 第二章计算第4节——主流虚拟化技术之KVM
  6. 第二章计算第5节——商用云主机方案
  7. 第二章计算第6节——裸金属方案
  8. 第三章云存储第1节——分布式云存储总述
  9. 第三章云存储第2节——SPDK方案综述
  10. 第三章云存储第3节——Ceph统一存储方案
  11. 第三章云存储第4节——OpenStack Swift 对象存储方案
  12. 第三章云存储第5节——商用分布式云存储方案
  13. 第四章云网络第一节——云网络技术发展简述
  14. 第四章云网络4.2节——相关基础知识准备
  15. 第四章云网络4.3节——重要网络协议
  16. 第四章云网络4.3.1节——路由技术简述
  17. 第四章云网络4.3.2节——VLAN技术
  18. 第四章云网络4.3.3节——RIP协议
  19. 第四章云网络4.3.4节——OSPF协议
  20. 第四章云网络4.3.5节——EIGRP协议
  21. 第四章云网络4.3.6节——IS-IS协议
  22. 第四章云网络4.3.7节——BGP协议
  23. 第四章云网络4.3.7.2节——BGP协议概述
  24. 第四章云网络4.3.7.3节——BGP协议实现原理
  25. 第四章云网络4.3.7.4节——高级特性
  26. 第四章云网络4.3.7.5节——实操
  27. 第四章云网络4.3.7.6节——MP-BGP协议
  28. 第四章云网络4.3.8节——策略路由
  29. 第四章云网络4.3.9节——Graceful Restart(平滑重启)技术
  30. 第四章云网络4.3.10节——VXLAN技术
  31. 第四章云网络4.3.10.2节——VXLAN Overlay网络方案设计
  32. 第四章云网络4.3.10.3节——VXLAN隧道机制
  33. 第四章云网络4.3.10.4节——VXLAN报文转发过程
  34. 第四章云网络4.3.10.5节——VXlan组网架构
  35. 第四章云网络4.3.10.6节——VXLAN应用部署方案
  36. 第四章云网络4.4节——Spine-Leaf网络架构
  37. 第四章云网络4.5节——大二层网络
  38. 第四章云网络4.6节——Underlay 和 Overlay概念
  39. 第四章云网络4.7.1节——网络虚拟化与卸载加速技术的演进简述
  40. 第四章云网络4.7.2节——virtio网络半虚拟化简介
  41. 第四章云网络4.7.3节——Vhost-net方案
  42. 第四章云网络4.7.4节vhost-user方案——virtio的DPDK卸载方案
  43. 第四章云网络4.7.5节vDPA方案——virtio的半硬件虚拟化实现
  44. 第四章云网络4.7.6节——virtio-blk存储虚拟化方案
  45. 第四章云网络4.7.8节——SR-IOV方案
  46. 第四章云网络4.7.9节——NFV
  47. 第四章云网络4.8.1节——SDN总述
  48. 第四章云网络4.8.2.1节——OpenFlow概述
  49. 第四章云网络4.8.2.2节——OpenFlow协议详解
  50. 第四章云网络4.8.2.3节——OpenFlow运行机制
  51. 第四章云网络4.8.3.1节——Open vSwitch简介
  52. 第四章云网络4.8.3.2节——Open vSwitch工作原理详解
  53. 第四章云网络4.8.4节——OpenStack与SDN的集成
  54. 第四章云网络4.8.5节——OpenDayLight
  55. 第四章云网络4.8.6节——Dragonflow

  56.  第四章云网络4.9.1节——网络卸载加速技术综述

  57. 第四章云网络4.9.2节——传统网络卸载技术

  58. 第四章云网络4.9.3.1节——DPDK技术综述

  59. 第四章云网络4.9.3.2节——DPDK原理详解

  60. 第四章云网络4.9.4.1节——智能网卡SmartNIC方案综述

  61. 第四章云网络4.9.4.2节——智能网卡实现

  62. 第六章容器6.1.1节——容器综述

  63. 第六章容器6.1.2节——容器安装部署

  64. 第六章容器6.1.3节——Docker常用命令

  65. 第六章容器6.1.4节——Docker核心技术LXC

  66. 第六章容器6.1.5节——Docker核心技术Namespace

  67. 第六章容器6.1.6节—— Docker核心技术Chroot

  68. 第六章容器6.1.7.1节——Docker核心技术cgroups综述

  69. 第六章容器6.1.7.2节——cgroups原理剖析

  70. 第六章容器6.1.7.3节——cgroups数据结构剖析

  71. 第六章容器6.1.7.4节——cgroups使用

  72. 第六章容器6.1.8节——Docker核心技术UnionFS

  73. 第六章容器6.1.9节——Docker镜像技术剖析

  74. 第六章容器6.1.10节——DockerFile解析

  75. 第六章容器6.1.11节——docker-compose容器编排

  76. 第六章容器6.1.12节——Docker网络模型设计

  77. 第六章容器6.2.1节——Kubernetes概述

  78. 第六章容器6.2.2节——K8S架构剖析

  79. 第六章容器6.3.1节——K8S核心组件总述

  80. 第六章容器6.3.2节——API Server组件

  81. 第六章容器6.3.3节——Kube-Scheduler使用篇

  82. 第六章容器6.3.4节——etcd组件

  83. 第六章容器6.3.5节——Controller Manager概述

  84. 第六章容器6.3.6节——kubelet组件

  85. 第六章容器6.3.7节——命令行工具kubectl

  86. 第六章容器6.3.8节——kube-proxy

  87. 第六章容器6.4.1节——K8S资源对象总览

  88. 第六章容器6.4.2.1节——pod详解

  89. 第六章容器6.4.2.2节——Pod使用(上)

  90. 第六章容器6.4.2.3节——Pod使用(下)

  91. 第六章容器6.4.3节——ReplicationController

  92. 第六章容器6.4.4节——ReplicaSet组件

  93. 第六章容器基础6.4.5.1节——Deployment概述

  94. 第六章容器基础6.4.5.2节——Deployment配置详细说明

  95. 第六章容器基础6.4.5.3节——Deployment实现原理解析

  96. 第六章容器基础6.4.6节——Daemonset

  97. 第六章容器基础6.4.7节——Job

  98. 第六章容器基础6.4.8节——CronJob

1 智能网卡的实现

        SmartNIC 就是通过从 Host CPU 上 Offload（卸载）工作负载到网卡硬件，以此提高 Host CPU 的处理性能。其中的 “工作负载” 不仅仅是 Networking，还可以是 Storage、Security 等。

1.1 Smart NIC 的实现方式

        根据智能网卡设计采用形式，将它分为：

        1、多核智能网卡，基于包含多个 CPU 内核的 ASIC（特殊应用集成电路）芯片：ASIC 具有价格优势，但灵活性有限，尽管基于 ASIC 的 NIC 相对容易配置，但最终功能将受到基于 ASIC 中定义的功能的限制，这可能会导致某些工作负载无法得到支持。

        2、基于 FPGA（可编程门阵列）的智能网卡：FPGA 是高度可编程的，并且可以相对有效地支持几乎任何功能，不过众所周知的是，FPGA 最大的问题是编程难度大且价格昂贵。

        3、FPGA 增强型智能网卡，将 FPGA 与 ASIC 网络控制器相结合。

        同时，由于不同的供应商的架构不同，因此SmartNIC可以基于ASIC、FPGA和片上系统（SOC）三种技术实现。

        不同实现方式的智能网卡在成本、编程的简易性和灵活性方面存在各种权衡。

    • ASIC非常具有成本效益，可以提供最佳的性价比，但它的灵活性受ASIC中定义的功能的限制。
    • 基于FPGA智能网卡则可以在可用逻辑门约束范围内，花费足够的时间和成本来相对有效地支持几乎任何功能。但FPGA编程简易性较差且价格昂贵。
    • 对于更复杂的、更广泛的用例，基于SoC（如NVIDIA的BlueField DPU）提供了最佳的智能网卡实施选项：良好的性价比、易于编程且高度灵活。

         网卡与智能网卡的性能对比（如表2所示）

         以上内容整理自赛迪顾问《2021中国DPU行业发展白皮书》

1.2 多核智能网卡

        多核智能网卡设计可能包括一个集成了许多 ASIC。这些 ASIC 内核通常是性能更高的 ARM 处理器，它们处理数据包并从主服务器 CPU（昂贵）上卸载任务。多核智能网卡 ASIC 还可以集成固定功能硬件引擎，它们可以卸载定义明确的任务，如标准化的安全和存储协议。

        多核智能网卡至少受到两个制约因素的限制：

  1. 这些智能网卡基于软件可编程处理器，由于缺乏处理器并行性，它们在被用于网络处理时速度较慢。
  2. 这些多核 ASIC 中的固定功能硬件引擎缺乏智能网卡卸载功能越来越需要的数据平面可编程性和灵活性。

        基于处理器的多核智能网卡设计在 10G 这一代网卡中得到了广泛的应用。然而，随着数据中心中的以太网数据速率从 10G 上升到 25G、40G、50G、100G 甚至更高，这些以软件为中心的多核智能网卡就已经难以跟上了。

        这些多核智能网卡在这些较高的数据速率下无法达到所需的峰值带宽。同时，多核智能网卡 ASIC 中的固定功能引擎无法扩展去处理新的加密或安全算法，这是因为它们缺乏足够的可编程性，只能适应算法的细微改变。

1.3 基于 FPGA 的智能网卡

        基于 FPGA 的智能网卡利用 FPGA 更大硬件可编程性来构建卸载到智能网卡上的任务所需的任何数据平面功能。由于 FPGA 是可重编程的，利用 FPGA 实现的数据平面功能可以任意并且实时地去除和重新配置。所有这些卸载功能都以硬件而非软件速度运行。

        与单纯基于软件的实现相比，基于 FPGA 的智能网卡设计可以将网络功能提速几个数量级。在智能网卡设计中使用 FPGA 可提供定制硬件的线速性能和功率效率，并能够创建支持复杂卸载任务和提高单数据流网络性能的深度数据包/网络处理流水线。

        通过利用 FPGA 中固有的大量硬件并行性来复制这些流水线，可以提供巨大数据性能，足以满足基于更快的以太网网络的下一代数据中心架构的高性能、高带宽、高吞吐量需求。

1.4 FPGA 增强型智能网卡

        对向后兼容性的需求催生了 FPGA 增强型智能网卡，它为多核智能网卡增加了 FPGA 功能。基于这种设计，网卡可以是现有的多核智能网卡，也可以只是一个简单的网卡专用集成电路（NIC ASIC）。

        集成到这些设计中的网卡提供了向后兼容性，特别是对于超级管理程序的兼容性。因此，基于现有网卡的 FPGA 增强型智能网卡设计，加上用于扩展功能的 FPGA，可以立即实现其投资收益，因为它自动与现有网络 API 和接口协议兼容，因此可以使用现有的 API 和驱动程序。一个 FPGA 增强型智能网卡设计中的板载 FPGA 能够显著提高性能和扩展功能。

 参考链接

一文读懂SmartNIC - 腾讯云开发者社区-腾讯云

从网络虚拟化，看智能网卡发展史 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

传统智能网卡 vs DPU智能网卡_光通信老兵的博客-****博客_dpdk 智能网卡

从DPDK和eBPF感受一下Smart NIC

智能网卡的网络加速技术 - 腾讯云开发者社区-腾讯云

NVIDIA ASAP² 技术保护并加速现代数据中心应用 - 知乎

FPGA加速器 - 知乎

FPGA智能网卡综述（5）: FPGA inline - 知乎

ASIC智能网卡综述（10）：5层协议卸载L5P - 知乎

FPGA智能网卡综述（6）:HostSDN - 知乎

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  1. 第一章——不谋全局不足以谋一域
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  3. 第三章云存储第1节——分布式云存储总述
  4. 第四章云网络第一节——云网络技术发展简述
  5. 第四章云网络4.2节——相关基础知识准备
  6. 第四章云网络4.3节——重要网络协议
  7. 第四章云网络4.3.1节——路由技术简述
  8. 第四章云网络4.3.2节——VLAN技术
  9. 第四章云网络4.3.3节——RIP协议
  10. 第四章云网络4.3.4节——OSPF协议
  11. 第四章云网络4.3.5节——EIGRP协议
  12. 第四章云网络4.3.6节——IS-IS协议
  13. 第四章云网络4.3.7节——BGP协议
  14. 第四章云网络4.3.7.2节——BGP协议概述
  15. 第四章云网络4.3.7.3节——BGP协议实现原理
  16. 第四章云网络4.3.7.4节——高级特性
  17. 第四章云网络4.3.7.5节——实操
  18. 第四章云网络4.3.7.6节——MP-BGP协议
  19. 第四章云网络4.3.8节——策略路由
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  21. 第四章云网络4.3.10节——VXLAN技术
  22. 第四章云网络4.3.10.2节——VXLAN Overlay网络方案设计
  23. 第四章云网络4.3.10.3节——VXLAN隧道机制
  24. 第四章云网络4.3.10.4节——VXLAN报文转发过程
  25. 第四章云网络4.3.10.5节——VXlan组网架构
  26. 第四章云网络4.3.10.6节——VXLAN应用部署方案
  27. 第四章云网络4.4节——Spine-Leaf网络架构
  28. 第四章云网络4.5节——大二层网络
  29. 第四章云网络4.6节——Underlay 和 Overlay概念
  30. 第四章云网络4.7.1节——网络虚拟化与卸载加速技术的演进简述
  31. 第四章云网络4.7.2节——virtio网络半虚拟化简介
  32. 第四章云网络4.7.3节——Vhost-net方案
  33. 第四章云网络4.7.4节vhost-user方案——virtio的DPDK卸载方案
  34. 第四章云网络4.7.5节vDPA方案——virtio的半硬件虚拟化实现
  35. 第四章云网络4.7.6节——virtio-blk存储虚拟化方案
  36. 第四章云网络4.7.8节——SR-IOV方案
  37. 第四章云网络4.7.9节——NFV
  38. 第四章云网络4.8.1节——SDN总述
  39. 第四章云网络4.8.2.1节——OpenFlow概述
  40. 第四章云网络4.8.2.2节——OpenFlow协议详解
  41. 第四章云网络4.8.2.3节——OpenFlow运行机制
  42. 第四章云网络4.8.3.1节——Open vSwitch简介
  43. 第四章云网络4.8.3.2节——Open vSwitch工作原理详解
  44. 第四章云网络4.8.4节——OpenStack与SDN的集成
  45. 第四章云网络4.8.5节——OpenDayLight
  46. 第四章云网络4.8.6节——Dragonflow

  47. 第四章云网络4.9.1节——网络卸载加速技术综述

  48. 第四章云网络4.9.2节——传统网络卸载技术

  49. 第四章云网络4.9.3.1节——DPDK技术综述

  50. 第四章云网络4.9.3.2节——DPDK原理详解

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  52. 第四章云网络4.9.4.2节——智能网卡实现

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