Smart NIC是什么？FPGA智能网卡简析

2020-04-28 11:59:05

摘要：一文读懂——智能网卡是什么？有什么特点？FPGA有哪些技术优势？可实现什么新功能？

一、智能网卡是时代技术发展的需求

5G的到来，对软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）提出了更加迫切的需求。

现有的网络基础设施可支撑千万人沟通，但不能支持实时沟通的数十亿物联网设备，这就需要运营商对网络进行虚拟化，构建更加灵活的网络基础设施。

但是，软件解决方案并不能提供足够的网络可靠性和服务质量，而具有可编程功能SmartNIC，将在虚拟化网络中扮演非常重要的角色。

Smart NIC能够提升应用程序和虚拟化性能，实现软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的诸多优势，将网络虚拟化、负载均衡和其他低级功能从服务器CPU中移除，确保为应用提供大的处理能力。与此同时，智能网卡还能够提供分布式计算资源，使得用户可以开发自己的软件或提供接入服务，从而加速特定应用程序。

二、智能网卡的技术性特征

Smart NIC即智能网卡，其核心是通过FPGA协助CPU处理网络负载，编程网络接口功能。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

智能网卡的研发意图有两个：

1.解放server上昂贵的CPU计算资源；

2.帮助提供barematel server。

智能网卡具有三个重要特征：

1.通过FPGA本地化编程支持数据面和控制面功能定制，协助CPU处理网络负载；

2.通常包含多个端口和内部交换机，快速转发数据并基于网络数据包、应用程序套接字等智能映射到到相关应用程序；

3.检测和管理网络流量。

Smart NIC的应用场景包括：

1.Smart NIC可以将代码从CPU引入网卡，显著加速用于安全应用的加密/解密或用于深度包检测（DPI）应用程序，降低CPU负载，并且支持灵活的网络可编程性；

2.超融合架构数据中心中，Smart NIC为SDN和虚拟化应用程序提供硬件加速与网络接口紧密结合，并可分布在大型服务器网络中，减小CPU负载，提供额外的边缘计算能力，加速特定应用和虚拟化功能，并且通过正确的语言和工具链支持，为用户提供应用加速即服务的附加价值。

目前业界提供基于FPGA的Smart NIC的厂商包括Accolade、BittWare、Enyx、Ethernity、Napatech、Netcope、Reflex CES、Silicom和Solarflare，通常集成自Intel或Xilinx的FPGA来实现。

三、深圳联瑞品牌的FPGA智能

LREG1001PF-2QSFP28 是深圳市联瑞电子有限公司在基于 Xilinx Ultrascale+16nm VU3P芯片方案基础上研发的一款双口100G FPGA光纤以太网 PCI-Express v3.0 x16智能网卡，该智能网卡拥有高吞吐量、低延时的网络处理能力以及辅助CPU进行网络功能卸载的能力，达到大化节约CPU算力，降低CPU占用同时也降低功耗。

该智能网卡直接安装在服务器或者其他设备的PCIe插槽上即可使用，极具有便利性，所涉及的IP核具有自主知识产权，通过与具体应用及业务结合的方式，可以实现网络的智能化，可编程化，从而节约CPU占用。

该智能网卡具有芯片级级别的加密功能，可实现数据的安全处理、传输，同时还兼具有过温、过流、过功率等的保护，以免受到电源冲击的受损。在直接在服务器上使用时，单CPU核即可支持收发双向可达80Gbps的吞吐量速度，在通过Firefly进行多卡的单板链接通信时，可达到300Gbps的全双工收发以及报文处理的能力。

该智能网卡提供了支持P4编程的二次功能开发，能实现网卡处理功能的实时可配置性，支持用户对网卡实现自定义安全策略配置及检测，同时支持OvS 卸载。可实时监控网络网卡内数据包的流量及延迟，通过P4的遥测技术，可与支持 P4 的交换机形成端对端的遥测技术解决方案实时观测整个链路的流量、拥塞和延迟，为实时网络部署提供参考条件。