業界最近在云數據中心服務器中開始使用智能網卡(SmartNIC)，通過執行網絡數據通路處理來卸載服務器中的CPU來提高性能，引起了業界的熱議。在網卡上執行網絡卸載并不新鮮，很多傳統網卡支持卸載校驗和分段等功能。而隨著軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的發展，由此驅動的云數據中心網絡架構的轉變，對Smart NIC提出了需求。

為什么需要Smart NIC

對Smart NIC的需求主要有以下三個方面：

• 隨著VxLan等隧道協議的引入和虛擬交換的復雜行為，基于服務器的網絡數據平面的復雜性大大提高
• 增加網絡接口帶寬意味著在軟件中執行這些功能會在CPU資源上產生不能承受的負載，造成剩余CPU資源過少甚至不能運行應用程序
• SDN的關鍵需求是網絡數據平面必須互換，固定功能卸載技術不適用。

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Smart NIC到底是什么?

標準網卡(NIC)和智能網卡(Smart NIC)的根本區別在于Smart NIC從主機CPU卸載的處理量，Smart NIC是圍繞FPGA平臺設計的，FPGA被設計為接受本地化編程，一旦安裝就可以輕松更新。Smart NIC需要滿足以下特征：

• 能夠實現復雜的基于服務器的網絡數據平面功能，包括多個匹配動作處理，隧道終止和發起，計量和整形以及流量統計。
• 通過固件加載或客戶編程來支持可替換的數據平面，對可執行的功能幾乎沒有預定的限制
• 與現有的開源生態系統無縫集成，最大限度地提高軟件功能

Smart NIC加速SDN的實踐落地

具有高級編程功能Smart NIC能夠提升應用程序和虛擬化性能，實現軟件定義網絡(SDN)的諸多優勢。通過在每臺服務器上使用Smart NIC，運營商可以確保網絡虛擬化、負載均衡和其他低級功能從服務器CPU中卸載，確保為應用提供最大的處理能力。此外，Smart NIC還能夠提供分布式硬件資源，可用于卸載或加速特定應用程序。運營商可以使用Smart NIC廠商或合作伙伴提供的軟件，開發自己的軟件或提供接入服務，以便用戶使用定制化的軟件。

過去30年來，網卡已經從具有單一MAC，PHY和系統接口的簡單網卡發展到具有一個，兩個或更多網絡接口和用于TCP/IP的硬件卸載引擎的高性能適配器、虛擬化等功能。最新的NIC基于支持10Gbit/s，25Gbit/s，50Gbit/s或100Gbit/s網絡接口的輸入/輸出(I/O)控制器。Smart NIC將FPGA、處理器或基于處理器的智能I/O控制器與分組處理和虛擬化加速集成在一起。大多數Smart NIC可以使用標準的FPGA或處理器開發工具進行編程，越來越多的廠商也開始增加了對可編程語言P4的支持。

Heavy Reading近期發布的一個針對18家廠商進行分析的報告，分析了基于FPGA和處理器的Smart NIC，確定了其關鍵特性，并指出了為服務提供商和電信解決方案提供商帶來的優勢。

目前業界提供基于FPGA的Smart NIC的廠商包括Accolade、BittWare、Enyx、Ethernity、Napatech、Netcope、Reflex CES、Silicom和Solarflare。這些適配器集成了來自Intel或Xilinx的FPGA，其中一些采用了最新的Stratix 10和UltraScale + FPGA的FPGA。基本的I/O控制器功能是使用FPGA實現的，或者由單獨的I/O控制器進行處理。Broadcom，Cavium，Intel，Kalray，Mellanox，Netronome，Silicom和SolidRun均可提供基于處理器的Smart NIC。Smart NIC使用帶有集成處理器內核或可編程交換的處理器或智能I/O處理器，亞馬遜和谷歌已經開發了自己的Smart NIC ASIC。

從虛擬化應用程序中遷移到SDN可能會導致性能下降，并延長使用專有系統的延遲時間。Smart NIC為SDN和虛擬化應用程序提供硬件加速與網絡接口緊密結合，并可分布在大型服務器網絡中。Smart NIC正在成為很多大型超大規模數據中心的標準服務器，業界正在努力覆蓋從基本的Smart NIC到將從服務器CPU卸載重要應用功能并處理多個100 Gbit/s連接的網卡的所有不同的需求，運營商可以使用Smart NIC來加速特定應用和虛擬化功能，并且通過正確的語言和工具鏈支持，為用戶提供應用加速即服務的附加價值。