Smart NIC是什么？FPGA智能網(wǎng)卡簡析

  一、智能網(wǎng)卡是時代技術(shù)發(fā)展的需求

  5G的到來，對軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）提出了更加迫切的需求。

  現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可支撐千萬人溝通，但不能支持實時溝通的數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這就需要運營商對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬化，構(gòu)建更加靈活的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

  但是，軟件解決方案并不能提供足夠的網(wǎng)絡(luò)可靠性和服務(wù)質(zhì)量，而具有高級可編程功能SmartNIC，將在虛擬化網(wǎng)絡(luò)中扮演非常重要的角色。

  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）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的諸多優(yōu)勢，將網(wǎng)絡(luò)虛擬化、負(fù)載均衡和其他低級功能從服務(wù)器CPU中移除，確保為應(yīng)用提供最大的處理能力。與此同時，智能網(wǎng)卡還能夠提供分布式計算資源，使得用戶可以開發(fā)自己的軟件或提供接入服務(wù)，從而加速特定應(yīng)用程序。

  二、智能網(wǎng)卡的技術(shù)性特征

  Smart NIC即智能網(wǎng)卡，其核心是通過FPGA協(xié)助CPU處理網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，編程網(wǎng)絡(luò)接口功能。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

  智能網(wǎng)卡的研發(fā)意圖有兩個：

  1.解放server上昂貴的CPU計算資源；

  2.幫助提供barematel server。

  智能網(wǎng)卡具有三個重要特征：

  1.通過FPGA本地化編程支持?jǐn)?shù)據(jù)面和控制面功能定制，協(xié)助CPU處理網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；

  2.通常包含多個端口和內(nèi)部交換機，快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包、應(yīng)用程序套接字等智能映射到到相關(guān)應(yīng)用程序；

  3.檢測和管理網(wǎng)絡(luò)流量。

  Smart NIC的應(yīng)用場景包括：

  1.Smart NIC可以將代碼從CPU引入網(wǎng)卡，顯著加速用于安全應(yīng)用的加密/解密或用于深度包檢測（DPI）應(yīng)用程序，降低CPU負(fù)載，并且支持靈活的網(wǎng)絡(luò)可編程性；

  2.超融合架構(gòu)數(shù)據(jù)中心中，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，減小CPU負(fù)載，提供額外的邊緣計算能力，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。

  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，通常集成自Intel或Xilinx的FPGA來實現(xiàn)。

  三、深圳聯(lián)瑞品牌的FPGA智能

  LREG1001PF-2QSFP28 是深圳市聯(lián)瑞電子有限公司在基于 Xilinx Ultrascale+16nm VU3P芯片方案基礎(chǔ)上研發(fā)的一款雙口100G FPGA光纖以太網(wǎng) PCI-Express v3.0 x16智能網(wǎng)卡，該智能網(wǎng)卡擁有高吞吐量、低延時的網(wǎng)絡(luò)處理能力以及輔助CPU進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能卸載的能力，達(dá)到最大化節(jié)約CPU算力，降低CPU占用同時也降低功耗。

  該智能網(wǎng)卡直接安裝在服務(wù)器或者其他設(shè)備的PCIe插槽上即可使用，極具有便利性，所涉及的IP核具有自主知識產(chǎn)權(quán)，通過與具體應(yīng)用及業(yè)務(wù)結(jié)合的方式，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化，可編程化，從而節(jié)約CPU占用。

  該智能網(wǎng)卡具有芯片級級別的加密功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全處理、傳輸，同時還兼具有過溫、 過流、過功率等的保護(hù)，以免受到電源沖擊的受損。在直接在服務(wù)器上使用時，單CPU核即可支持收發(fā)雙向可達(dá)80Gbps的吞吐量速度，在通過Firefly進(jìn)行多卡的單板鏈接通信時，可達(dá)到300Gbps的全雙工收發(fā)以及報文處理的能力。

  該智能網(wǎng)卡提供了支持P4編程的二次功能開發(fā)，能實現(xiàn)網(wǎng)卡處理功能的實時可配置性，支持用戶對網(wǎng)卡實現(xiàn)自定義安全策略配置及檢測，同時支持OvS 卸載?？蓪崟r監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)卡內(nèi)數(shù)據(jù)包的流量及延遲，通過P4的遙測技術(shù)，可與支持 P4 的交換機形成端對端的遙測技術(shù)解決方案實時觀測整個鏈路的流量、擁塞和延遲，為實時網(wǎng)絡(luò)部署提供參考條件。

  聯(lián)瑞品牌的LREG1001PF-2QSFP28智能網(wǎng)卡由于優(yōu)異的性能，適合于人工智能，深度學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)加速、基因測序、視頻處理、金融分析等對網(wǎng)絡(luò)延時、數(shù)據(jù)處理量要求都有特殊需求的領(lǐng)域使用。

  最后引用《中國電信CTNet2025網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)白皮書》的話：

  “從更好的適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的角度出發(fā)，未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須要求網(wǎng)絡(luò)能力接口的開放和標(biāo)準(zhǔn)化，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)面向業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源和能力的調(diào)度和定制化，同時為進(jìn)一步加速網(wǎng)絡(luò)能力的平臺化，還需要提供網(wǎng)絡(luò)可編程的能力，真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的深度開放?！?

  關(guān)于聯(lián)瑞

  深圳市聯(lián)瑞電子有限公司（簡稱：深圳聯(lián)瑞）是一家成立于2006年的專業(yè)以太網(wǎng)卡解決方案提供商，是集各種接口以太網(wǎng)網(wǎng)卡研發(fā)、生產(chǎn)、銷售及服務(wù)于一體的科技型企業(yè)，旗下?lián)碛蠰R-LINK品牌商標(biāo)。公司通過ISO9001:2015質(zhì)量管理體系認(rèn)證，先后加入PCI-SIG行業(yè)協(xié)會、中國機器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、訊石光通訊網(wǎng)。公司堅持做專、做精、做強的戰(zhàn)略方針，弘揚務(wù)實創(chuàng)新、追求卓越的企業(yè)精神，始終把推動科技創(chuàng)新、振興民族品牌作為聯(lián)瑞人的責(zé)任和義務(wù)。公司自主研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品均通過FCC、CE、ROHS等國際權(quán)威認(rèn)證以及國家行業(yè)認(rèn)證，并已廣泛運用于政府機關(guān)、軍工企業(yè)、電信運營商、銀行、證券、高等院校等企事業(yè)單位，以及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、云計算、工業(yè)自動化、機器視覺等專業(yè)領(lǐng)域。

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