DPU應(yīng)用場景系列（一）網(wǎng)絡(luò)功能卸載

網(wǎng)絡(luò)功能卸載是伴隨云計算網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的，主要是對云計算主機上的虛擬交換機的能力做硬件卸載，從而減少主機上消耗在網(wǎng)絡(luò)上的CPU算力，提高可售賣計算資源。

圖云計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前除了公有云大廠采用自研云平臺，絕大部分私有云廠商都使用開源的OpenStack云平臺生態(tài)。在OpenStack云平臺中，虛擬交換機通常是OpenvSwitch，承擔著云計算中網(wǎng)絡(luò)虛擬化的主要工作，負責虛擬機（VM）與同主機上虛擬機（VM）、虛擬機（VM）與其它主機上虛擬機（VM）、虛擬機（VM）與外部的網(wǎng)絡(luò)通信。虛擬交換機與網(wǎng)關(guān)路由器（GW）通常由同一SDN控制器來管理控制，為租戶開通VPC網(wǎng)絡(luò)以及和外部通信的網(wǎng)絡(luò)。主機與主機間的網(wǎng)絡(luò)通常是Underlay網(wǎng)絡(luò)，是由TOR/EOR構(gòu)建的Spine-Leaf結(jié)構(gòu)的Fabric Network。虛擬機（VM）與虛擬機（VM）通信的網(wǎng)絡(luò)是Overlay網(wǎng)絡(luò)，是承載在Underlay網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的VxLAN，NVGRE或Geneve隧道之上的。通常VxLAN，NVGRE或Geneve的隧道端點（VTEP）在虛擬交換機和網(wǎng)關(guān)路由器（GW）上。也有部分對網(wǎng)絡(luò)性能要求比較高的場景，采用SR-IOV替代虛擬交換機，VF直通到虛擬機（VM）內(nèi)部，這樣就要求隧道端點（VTEP）部署在TOR上，TOR與網(wǎng)關(guān)路由器（GW）創(chuàng)建隧道，提供Overlay網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。虛擬交換機的場景是最通用的應(yīng)用場景，所以，虛擬交換機的技術(shù)迭代也直接影響著虛擬化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

一、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Function)

行業(yè)內(nèi)主流的Hypervisor主要有Linux系統(tǒng)下的KVM-Qemu，VMWare的ESXi，微軟Azure的Hyper-V，以及亞馬遜早期用的Xen（現(xiàn)在亞馬遜已經(jīng)轉(zhuǎn)向KVM-Qemu）。KVM-Qemu有著以Redhat為首在持續(xù)推動的更好的開源生態(tài)，目前行業(yè)內(nèi)90%以上的云廠商都在用KVM-Qemu作為虛擬化的基礎(chǔ)平臺。

在KVM-Qemu這個Hypervisor的開源生態(tài)里，與網(wǎng)絡(luò)關(guān)系最緊密的標準協(xié)議包括virtio和vhost，以及vhost衍生出來的vhost-vdpa。Virtio在KVM-Qemu中定義了一組虛擬化I/O設(shè)備，和對應(yīng)設(shè)備的共享內(nèi)存的通信方法，配合后端協(xié)議vhost和vhost-vdpa使用，使虛擬化I/O性能得到提升。

（1）內(nèi)核虛擬化網(wǎng)絡(luò)（vhost-net）

在虛擬化網(wǎng)絡(luò)的初期，以打通虛擬機（VM）間和與外部通信能力為主，對功能訴求遠高于性能，虛擬交換機OVS（Open vSwitch）的最初版本也是基于操作系統(tǒng)Linux內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)的。vhost協(xié)議作為控制平面，由Qemu做代理與主機kernel內(nèi)的vhost-net通信，主機內(nèi)核vhost-net作為virtio的backend，與虛擬機（VM）內(nèi)部的virtio NIC通過共享內(nèi)存的方式進行通信。實現(xiàn)了虛擬機（VM）間和虛擬機（VM）與外部的通信能力，但是內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)效率和吞吐量都很低。目前在虛擬化網(wǎng)絡(luò)部署中已經(jīng)很少使用。

（2）用戶空間DPDK虛擬化網(wǎng)絡(luò)（vhost-user）

隨著虛擬化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，虛擬機（VM）業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求越來越高，另外，英特爾和Linux基金會推出了DPDK（Data Plane Development Kit）開源項目，實現(xiàn)了用戶空間直接從網(wǎng)卡收發(fā)數(shù)據(jù)報文并進行多核快速處理的開發(fā)庫，虛擬交換機OVS將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面通過DPDK支持了用戶空間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，進而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)帶寬量級的提升。OVS-DPDK通過將virtio的backend實現(xiàn)在用戶空間，實現(xiàn)了虛擬機（VM）與用戶空間OVS-DPDK的共享內(nèi)存，這樣虛擬機（VM）在收發(fā)報文時，只需要OVS-DPDK將從網(wǎng)卡收到的報文數(shù)據(jù)寫入虛擬機（VM）的內(nèi)存，或從虛擬機（VM）內(nèi)存將要發(fā)送的報文拷貝到網(wǎng)卡DMA的內(nèi)存，由于減少了內(nèi)存拷貝次數(shù)和CPU調(diào)度干擾，提升了轉(zhuǎn)發(fā)通道的整體效率和吞吐量。

圖基于DPDK的虛擬化網(wǎng)

OVS-DPDK相對轉(zhuǎn)發(fā)能力有所提高，但也存在新的問題。首先，目前大多數(shù)服務(wù)器都是NUMA（多CPU）結(jié)構(gòu)，在跨NUMA轉(zhuǎn)發(fā)時性能要比同NUMA轉(zhuǎn)發(fā)弱。而物理網(wǎng)卡只能插在一個PCIe插槽上，這個插槽只會與一個NUMA存在親和性，所以O(shè)VS-DPDK上跨NUMA轉(zhuǎn)發(fā)的流量不可避免。第二，在虛擬機（VM）與OVS-DPDK共享內(nèi)存時，初始化的隊列數(shù)量通常是與虛擬機（VM）的CPU個數(shù)相同，才能保證虛擬機上每一個CPU都可以通過共享內(nèi)存收發(fā)數(shù)據(jù)包，這樣導(dǎo)致不同規(guī)格的虛擬機（VM）在OVS-DPDK上收發(fā)隊列所接入的CPU是非對稱的，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中需要跨CPU轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。最后，OVS-DPDK在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，不同虛擬機（VM）的流量由于CPU瓶頸導(dǎo)致?lián)砣?，會隨機丟包，無法保障租戶帶寬隔離。

（3）高性能SR-IOV網(wǎng)絡(luò)（SR-IOV）

在一些對網(wǎng)絡(luò)有高性能需求的場景，如NFV業(yè)務(wù)部署，OVS-DPDK的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，無法滿足高性能網(wǎng)絡(luò)的需求，這樣就引入的SR-IOV透傳（passthrough）到虛擬機（VM）的部署場景。

在SRIOV passthrough的場景下，虛擬機（VM）可以獲得與裸金屬主機上相比擬的網(wǎng)絡(luò)性能。但是，仍然存在兩個限制：

（1）SRIOV VF passthrough到VM后，VM的遷移性會受限，主要原因在于SRIOV這種passthrough I/O借助了Intel CPU VT-d（Virtualization Technology for Directed I/O）或AMD的IOMMU（I/O Memory Management Unit）技術(shù)，在VM上VF網(wǎng)卡初始化的時候，建立了Guest虛擬地址到Host物理地址的映射表，所以這種“有狀態(tài)”的映射表在熱遷移的過程中會丟失。

（2）由于SRIOV VFpassthrough到VM，而SRIOV PF直接連接到TOR上，在這種部署環(huán)境中虛擬機（VM）對外的網(wǎng)絡(luò)需要自定義，如需要像OVS-DPDK那樣自動開通網(wǎng)絡(luò)，則需要將TOR加入SDN控制器的管理范疇，由SDN控制器統(tǒng)一管控，這樣做通常會使網(wǎng)絡(luò)運營變的非常復(fù)雜。

針對上面第二個問題，Mellanox最早提出在其智能網(wǎng)卡上支持OVS Fastpath硬件卸載，結(jié)合SRIOV VF passthrough到VM一起使用，提供臨近線速轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)能力，解決了虛擬機（VM）租戶網(wǎng)絡(luò)自動化編排開通的問題。

圖OVS Fastpath硬件卸載虛擬化網(wǎng)絡(luò)

在OVS Fastpath卸載后，OVS轉(zhuǎn)發(fā)報文時，數(shù)據(jù)流首包仍然做軟件轉(zhuǎn)發(fā)，在轉(zhuǎn)發(fā)過程中生成Fastpath轉(zhuǎn)發(fā)流表并配置到硬件網(wǎng)卡上，這個數(shù)據(jù)流的后續(xù)報文則通過硬件直接轉(zhuǎn)發(fā)給虛擬機（VM）。由于早期的Mellanox智能網(wǎng)卡還沒有集成通用CPU核，OVS的控制面依然在物理主機上運行。

（4）Virtio硬件加速虛擬化網(wǎng)絡(luò)（vDPA）

為了解決高性能SRIOV網(wǎng)絡(luò)的熱遷移問題，出現(xiàn)了很多做法和嘗試，尚未形成統(tǒng)一的標準。在Redhat提出硬件vDPA架構(gòu)之前，Mellanox實現(xiàn)了軟件vDPA（即VF Relay）。理論上講，Mellanox的軟件vDPA并不能算是vDPA，其實就是將數(shù)據(jù)在用戶空間的virtio隊列和VF的接收隊列做了一次數(shù)據(jù)Relay。Redhat提出的硬件vDPA架構(gòu)，目前在DPDK和內(nèi)核程序中均有實現(xiàn)，基本是未來的標準架構(gòu)。Qemu支持兩種方式的vDPA，一種是vhost-user，配合DPDK中的vDPA運行，DPDK再調(diào)用廠商用戶態(tài)vDPA驅(qū)動；另一種方式是vhost-vdpa，通過ioctl調(diào)用到內(nèi)核通用vDPA模塊，通用vDPA模塊再調(diào)用廠商硬件專有的vDPA驅(qū)動。

1)軟件vDPA:軟件vDPA也叫VF relay，由于需要軟件把VF上接收的數(shù)據(jù)通過virtio轉(zhuǎn)發(fā)給虛擬機（VM），如Mellanox在OVS-DPDK實現(xiàn)了這個relay，OVS流表由硬件卸載加速，性能上與SR-IOV VF直通（passthrough）方式比略有降低，不過實現(xiàn)了虛擬機（VM）的熱遷移特性。

2)硬件vDPA:硬件vDPA實際上是借助virtio硬件加速，以實現(xiàn)更高性能的通信。由于控制面復(fù)雜，所以用硬件難以實現(xiàn)。廠商自己開發(fā)驅(qū)動，對接到用戶空間DPDK的vDPA和內(nèi)核vDPA架構(gòu)上，可以實現(xiàn)硬件vDPA。目前Mellanox mlx5和Intel IFC對應(yīng)的vDPA適配程序都已經(jīng)合入到DPDK和kernel社區(qū)源碼。

圖virtio硬件加速虛擬化網(wǎng)絡(luò)

在硬件vDPA場景下，通過OVS轉(zhuǎn)發(fā)的流量首包依然由主機上的OVS轉(zhuǎn)發(fā)平面處理，對應(yīng)數(shù)據(jù)流的后續(xù)報文由硬件網(wǎng)卡直接轉(zhuǎn)發(fā)。

后來在Bluefield-2上，由于集成了ARM核，所以NVIDIA在與UCloud的合作中，將OVS的控制面也完全卸載到網(wǎng)卡到ARM核上，這樣主機上就可以將OVS完全卸載到網(wǎng)卡上。

二、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization）

伴隨著越來越多的業(yè)務(wù)上云，一些原來運行在專用設(shè)備或者特定主機上的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也開始重視上云后的按需擴縮容能力，所以出現(xiàn)了網(wǎng)路功能虛擬化（NFV）產(chǎn)品。NFV產(chǎn)品主要以虛擬機（VM）或者容器（Container）的形態(tài)部署到云計算平臺上，對外提供對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能，如Load Balance，F(xiàn)irewall，NAT，vRouter，DPI和5G邊緣計算UPF等。這些NFV產(chǎn)品之前全部基于DPDK在X86 CPU上運行，由于CPU算力上限問題，通常難以提供對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬的吞吐能力。DPU智能網(wǎng)卡的出現(xiàn)，為NFV加速提供了資源和可能。

（1）5G邊緣計算UPF（User PlaneFunction)

5G垂直行業(yè)對5G網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，如大帶寬，高可靠，低時延，低抖動等，這對用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的核心5G UPF，提出了更高的實現(xiàn)要求。尤其在邊緣網(wǎng)絡(luò)，交互式VR/AR在大帶寬的要求下，還需要低時延，從而提高業(yè)務(wù)的用戶體驗；而車路協(xié)同系統(tǒng)等，對高可靠和低時延低抖動的要求更高，這是保障車路協(xié)同能夠?qū)崟r做出正確決策的關(guān)鍵；一些工業(yè)控制實時自動化應(yīng)用，也是要求視頻數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒?wù)端，并通過視頻識別等功能實時做出控制指令下發(fā)等等。這些典型的應(yīng)用，都對邊緣計算中5G UPF提出了更嚴苛的要求。

在5G邊緣計算中，未來的主要應(yīng)用場景包括：增強型視頻服務(wù)，監(jiān)測與追蹤類服務(wù)，實時自動化，智能監(jiān)控，自動機器人，危險和維護傳感，增強現(xiàn)實，網(wǎng)聯(lián)車輛和遠程操控等。對應(yīng)的5G技術(shù)指標和特征也比較明顯。首先，超大帶寬（eMBB，Enhanced Mobile Broadband）要求單用戶峰值帶寬可達20Gbps，用戶體驗數(shù)據(jù)速率在100Mbps；其次，超密連接（mMTC，Massive Machine Type Communication）要求每平方公里設(shè)備數(shù)量在10k到1M個終端，流量密度10Mbps每平方米；最后，超低時延（uRLLC, Ultra Reliable Low Latency Communication）要求時延在1～10ms，高可靠性達到99.999%。

圖5G業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)特征

傳統(tǒng)的5G UPF通常由軟件實現(xiàn)，運行在X86 CPU上，雖然在吞吐上可以通過增加CPU來實現(xiàn)更大能力，但是，時延和抖動通常都會比較高，很難穩(wěn)定支撐低時延低抖動業(yè)務(wù)。對于超大帶寬，超低時延的需求，這類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)更適合在硬件中實現(xiàn)，硬件實現(xiàn)更容易做到低時延低抖動和大帶寬。

5GUPF業(yè)務(wù)模型復(fù)雜，需要選擇性卸載轉(zhuǎn)發(fā)，將高可靠低時延低抖動業(yè)務(wù)要求的用戶會話卸載到硬件中。如圖3-5所示，數(shù)據(jù)流首包通過軟件轉(zhuǎn)發(fā)，然后將對應(yīng)的流表卸載到智能網(wǎng)卡，后續(xù)報文通過智能網(wǎng)卡硬件轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以在5G邊緣計算中，提供低時延低抖動和超大帶寬網(wǎng)絡(luò)能力的同時，還能降低邊緣計算的整體功耗。

圖5G邊緣計算UPF硬件卸載方式

（2）智能DPI（Deep Packet Inspection）

DPI不論在運營商網(wǎng)絡(luò)還是互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，都是重要的配套設(shè)備。而且DPI功能是很多網(wǎng)絡(luò)功能產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能，如IPS/IDS，5G UPF，DDoS防攻擊設(shè)備等，具有重要的產(chǎn)品價值。DPI具有高新建、高并發(fā)、高吞吐等特點，使得性能成為虛擬化部署的瓶頸。通過DPU智能網(wǎng)卡實現(xiàn)DPI流量卸載，性能可以提升在30%以上。

圖智能DPI硬件卸載

智能DPI基于智能網(wǎng)卡卸載DPI流量，軟件規(guī)則庫下發(fā)到硬件形成流識別的規(guī)則，再將軟件策略下發(fā)到硬件形成對應(yīng)的動作。這樣數(shù)據(jù)流進入網(wǎng)卡通過打時間戳進行硬件解析，匹配識別規(guī)則庫，根據(jù)匹配的規(guī)則尋找對應(yīng)的策略，根據(jù)策略進行計數(shù)，鏡像，丟棄和轉(zhuǎn)發(fā)等行為。通過硬件卸載DPI流量，不僅可以節(jié)省虛擬化DPI的CPU，還可以提升其吞吐量，同時降低了整體TCO。一些公有云的運維系統(tǒng)也是通過DPI功能做流日志，除了運維使用以外，還對用戶提供對應(yīng)的流日志服務(wù)。

三、云原生網(wǎng)絡(luò)功能

（1）云原生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

云原生，從廣義上來說，是更好的構(gòu)建云平臺與云應(yīng)用的一整套新型的設(shè)計理念與方法論，而狹義上講則是以docker容器和Kubernetes（K8S）為支撐的云原生計算基金會（CNCF）技術(shù)生態(tài)堆棧的新式IT架構(gòu)。對比虛擬機，容器應(yīng)用對磁盤的占用空間更小，啟動速度更快，直接運行在宿主機內(nèi)核上，因而無Hypervisor開銷，并發(fā)支持上百個容器同時在線，接近宿主機上本地進程的性能，資源利用率也更高。以K8S為代表的云原生容器編排系統(tǒng)，提供了統(tǒng)一調(diào)度與彈性擴展的能力，以及標準化組件與服務(wù)，支持快速開發(fā)與部署。

容器平臺包括容器引擎Runtime（如containerd，cri-o等），容器網(wǎng)絡(luò)接口（CNI，如calico，flannel，contiv，cilium等）和容器存儲接口（CSI，如EBS CSI，ceph-csi等）。

云原生平臺可以部署在裸金屬服務(wù)器上，也可以部署在虛擬機（VM）上。通常為了追求更高的性能，云原生平臺會部署在裸金屬上。如果考慮故障后更容易恢復(fù)，通常會部署在虛擬機（VM）上。

圖云原生網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

云原生對于網(wǎng)絡(luò)的需求，既有基礎(chǔ)的二三層網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通，也有四至七層的高級網(wǎng)絡(luò)功能。二三層的網(wǎng)絡(luò)主要是實現(xiàn)K8S中的CNI接口，具體如calico，flannel，weave，contiv，cilium等。主要是支持大規(guī)模實例，快速彈性伸縮，自愈合，多集群多活等。四至七層網(wǎng)絡(luò)功能，主要是服務(wù)網(wǎng)格（Service Mesh）。服務(wù)網(wǎng)格的本質(zhì)是提供安全、可靠、靈活、高效的服務(wù)間通信。服務(wù)網(wǎng)格還提供了一些更加高級的網(wǎng)絡(luò)功能，如有狀態(tài)的通信，路由限流，灰度流量切換，熔斷監(jiān)控等。

（2）eBPF的硬件加速

eBPF是一項革命性的技術(shù)，可以在Linux內(nèi)核中運行沙盒程序，而無需重新編譯內(nèi)核或者加載內(nèi)核模塊。在過去幾年，eBPF已經(jīng)成為解決以前依賴于內(nèi)核更改或者內(nèi)核模塊的問題的標準方法。對比在Kubernetes上Iptables的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，使用eBPF會簡化其中大部分轉(zhuǎn)發(fā)步驟，提高內(nèi)核的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。Cilium是一個基于eBPF實現(xiàn)的開源項目，提供和保護使用Linux容器管理平臺部署的應(yīng)用程序服務(wù)之間的網(wǎng)絡(luò)和API連接，以解決容器工作負載的新可伸縮性，安全性和可見性要求。Cilium超越了傳統(tǒng)的容器網(wǎng)絡(luò)接口（CNI），可提供服務(wù)解析，策略執(zhí)行等功能，實現(xiàn)了組網(wǎng)與安全一體化的云原生網(wǎng)絡(luò)。Cilium數(shù)據(jù)平面采用eBPF加速，能夠以Service/pod/container為對象進行動態(tài)地網(wǎng)絡(luò)和安全策略管理，解耦控制面等策略管理和不斷變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，具有應(yīng)用感知能力（如https，gRPC等應(yīng)用），從而實現(xiàn)對流量的精確化控制。同時它的狀態(tài)通過K-V數(shù)據(jù)庫來維護實現(xiàn)可擴展設(shè)計。

基于eBPF的Cilium已經(jīng)被證明是Kubernetes云原生網(wǎng)絡(luò)的最佳實踐，國內(nèi)阿里云和騰訊云勻已在自己的公有云中引用了Cilium構(gòu)建自己的云原生平臺。

為進一步提升性能，Netronome將eBPF路徑上的部分功能卸載到硬件網(wǎng)卡，如XDP和Traffic Classifier cls-bpf，實現(xiàn)了對于用戶無感知的eBPF卸載加速。硬件卸載的eBPF程序可以直接將報文送到任意內(nèi)核eBPF程序，eBPF中map的維護對于用戶程序和內(nèi)核程序是透明的。

eBPF程序的編譯需要在生成內(nèi)核微碼的基礎(chǔ)上，加入編譯硬件可識別的微碼程序，并將對應(yīng)的硬件微碼程序裝載到網(wǎng)卡中。從而實現(xiàn)eBPF硬件卸載。

（3）云原生Istio服務(wù)網(wǎng)格

Istio是CNCF主推的微服務(wù)框架，實現(xiàn)了云原生四至七層網(wǎng)絡(luò)能力。Istio在數(shù)據(jù)平面通過Sidecar對流量進行劫持，實現(xiàn)了無代碼侵入的服務(wù)網(wǎng)格?？刂破矫娼M件中，pilot負責下發(fā)控制，mixer收集運行的狀態(tài)，citadel則負責安全證書方面的處理。

圖服務(wù)網(wǎng)格Istio架構(gòu)

在Istio中，原生的七層代理使用的是Envoy，Envoy提供了動態(tài)服務(wù)發(fā)現(xiàn)，負載均衡的能力，同時支持TLS連接，可以代理HTTP/1.1 & HTTP/2 & gRPC等協(xié)議。同時支持熔斷器，流量拆分，故障注入等能力和豐富的度量指標。另外，阿里還提出了MOSN作為Istio的七層代理，這里不再介紹細節(jié)。由于引入七層代理后，增加數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延。Broadcom嘗試在StingrayDPU智能網(wǎng)卡將Enovy以網(wǎng)關(guān)模式卸載到智能網(wǎng)卡的ARM核上，用了八個ARM核中的六個來做Enovy卸載支持100G網(wǎng)卡上的流量。這種方式是否能夠適用于當前Sidecar上代理模式的Enovy，還有待探索，另外，編排和管理方式也需要進一步調(diào)研。

圖Envoy卸載實例

OVS硬件卸載的加速方式主要由OVN-Kubernetes和AntreaCNI做控制面。由于OVS的數(shù)據(jù)面在OpenStack云平臺上已經(jīng)有了硬件卸載的先例，所以，在云原生網(wǎng)絡(luò)再做硬件卸載，基本上沒有技術(shù)障礙，只需要增加NAT處理能力即可。但是，這種硬件卸載方式，由于沒有涉及到七層代理，所以不可避免的還是會將報文上送到內(nèi)核轉(zhuǎn)發(fā)，進而在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能上的提升相對有限。

圖OVS硬件加速

總體而言，在云原生網(wǎng)絡(luò)中智能網(wǎng)卡的應(yīng)用場景還需要進一步探索，目前尚無一個相對完美的能夠解決服務(wù)網(wǎng)格性能和時延問題的方案。

四、RDMA網(wǎng)絡(luò)功能

（1）RDMA網(wǎng)絡(luò)功能介紹

面對高性能計算、大數(shù)據(jù)分析和浪涌型IO高并發(fā)、低時延應(yīng)用，現(xiàn)有TCP/IP軟硬件架構(gòu)和應(yīng)用高CPU消耗的技術(shù)特征根本不能滿足應(yīng)用的需求。這主要體現(xiàn)在處理時延過大——數(shù)十微秒，多次內(nèi)存拷貝、中斷處理，上下文切換，復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議處理，以及存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式和丟包導(dǎo)致額外的時延。而RDMA通過網(wǎng)絡(luò)在兩個端點的應(yīng)用軟件之間實現(xiàn)Buffer的直接傳遞，相比TCP/IP，RDMA無需操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的介入，能夠?qū)崿F(xiàn)端點間的超低時延、超高吞吐量傳輸，不需要網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理和搬移耗費過多的資源，無需OS和CPU的介入。RDMA的本質(zhì)實際上是一種內(nèi)存讀寫技術(shù)。

圖對比RDMA和TCP/IP收發(fā)數(shù)據(jù)

RDMA和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)對比可以看出，RDMA的性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

（1）零拷貝——減少數(shù)據(jù)拷貝次數(shù)，由于沒有將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核態(tài)并處理數(shù)據(jù)包頭部到過程，傳輸延遲會顯著減少。

（2）Kernel Bypass和協(xié)議卸載——不需要內(nèi)核參與，數(shù)據(jù)通路中沒有繁瑣的處理報頭邏輯，不僅會使延遲降低，而且也節(jié)省了CPU的資源。

（2）RDMA硬件卸載方式

原生RDMA是IBTA（InfiniBand Trade Association）在2000年發(fā)布的基于InfiniBand的RDMA規(guī)范；基于TCP/IP的RDMA稱作iWARP，在2007年形成標準；基于Ethernet的RDMA叫做RoCE，在2010年發(fā)布協(xié)議，基于增強型以太網(wǎng)并將傳輸層換成IB傳輸層實現(xiàn)；在2014年，IBTA發(fā)布了RoCEv2，引入IP解決擴展性問題，可以跨二層組網(wǎng)，引入UDP解決ECMP負載分擔等問題。

圖RDMA協(xié)議棧介紹

InfiniBand是一種專為RDMA設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)，從硬件級別保證可靠傳輸。全球HPC高算系統(tǒng)TOP500大效能的超級計算機中有相當多套系統(tǒng)在使用InfiniBand Architecture（IBA）。最早做InfiniBand的廠商是IBM和HP，現(xiàn)在主要是NVIDIA的Mellanox。InfiniBand從L2到L4都需要自己的專有硬件，成本非常高。

iWARP直接將RDMA實現(xiàn)在TCP上，優(yōu)點就是成本最低，只需要采購支出iWARP的NIC即可以使用RDMA，缺點是性能不好，因為TCP協(xié)議棧本身過于重量級，即使按照iWARP廠商的通用做法將TCP卸載到硬件上實現(xiàn)，也很難超越IB和RoCE的性能。

RoCE（RDMA over Converged Ethernet）是一個允許在以太網(wǎng)上執(zhí)行RDMA的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。由于底層使用的以太網(wǎng)幀頭，所以支持在以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施上使用RDMA。不過需要數(shù)據(jù)中心交換機DCB技術(shù)保證無丟包。相比IB交換機時延，交換機時延要稍高一些。由于只能應(yīng)用于二層網(wǎng)絡(luò)，不能跨越IP網(wǎng)段使用，市場應(yīng)用場景相對受限。

RoCEv2協(xié)議構(gòu)筑于UDP/IPv4或UDP/IPv6協(xié)議之上。由于基于IP層，所以可以被路由，將RoCE從以太網(wǎng)廣播域擴展到IP可路由。由于UDP數(shù)據(jù)包不具有保序的特征，所以對于同一條數(shù)據(jù)流，即相同五元組的數(shù)據(jù)包要求不得改變順序。另外，RoCEv2還要利用IP ECN等擁塞控制機制，來保障網(wǎng)絡(luò)傳輸無損。RoCEv2也是目前主要的RDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以NVIDIA的Mellanox和Intel為代表的廠商，均支持RoCEv2的硬件卸載能力。