1. Introdução à Porta de Rede Inteligente
Smart NIC é uma placa de rede de alto desempenho dedicada ao processamento de dados de rede. Ela usa chips personalizados, interfaces de rede de alta velocidade e suporte de software poderoso para fornecer centros de dados e redes corporativas mais rápidos, seguros e confiáveis. Conexão com a Internet e serviços de transferência de dados.
O surgimento de placas de rede inteligentes recebeu ampla atenção e bem-vindo na indústria, porque pode fornecer muitas vantagens de desempenho e aprimoramentos de função que as placas de rede tradicionais não podem alcançar, e também pode lidar com aplicativos de rede e requisitos de negócios cada vez mais complexos. "As NICs inteligentes podem melhorar o rendimento e a eficiência dos centros de dados, ao mesmo tempo em que reduzem o consumo de energia e os custos", disse Li Xin, especialista em computação em nuvem. Segundo ele, as placas de rede inteligentes costumam ter as seguintes características:
• Alto desempenho: Placas de rede inteligentes geralmente usam chips dedicados e interfaces de rede de alta velocidade, que podem atingir taxa de processamento de dados ultra-alta, rendimento e eficiência de controle de fluxo, melhorando assim o desempenho da rede e a velocidade de resposta.
• Seguro e confiável: Smart NICs podem não apenas acelerar a transmissão de dados, mas também fornecer melhores funções de segurança e mecanismos de proteção, como criptografia de dados, controle de acesso, defesa DDoS, firewall, etc., aumentando assim a segurança e estabilidade da rede.
• Compatível com armazenamento e computação distribuídos: NICs inteligentes também podem ser combinados com armazenamento distribuído, computação e outras tecnologias para obter processamento e análise de dados mais eficientes, reduzindo a latência da rede e a pressão de carga, melhorando assim o desempenho e a eficiência geral.
Smart NIC tornou-se uma tecnologia quente e solução em data center, computação em nuvem, big data, inteligência artificial e outros campos. Os principais fabricantes também estão acelerando o projeto, a produção e as vendas de placas de rede inteligentes para atender às crescentes necessidades e expectativas dos clientes.
Por exemplo, a Intel Corporation lançou o "Intel Ethernet 800 Series Smart NIC", que "pode trazer maior desempenho de rede e confiabilidade para muitos provedores de serviços de ponta e clientes corporativos". Disse Xia Yeliang, vice-presidente da Intel. Ao mesmo tempo, empresas como Broadcom, Marvell, Huawei e Dell também lançaram suas próprias linhas de produtos de placas de rede inteligentes, oferecendo opções de diferentes níveis e preços.
未来，智能网卡还将与5G、物联网、边缘计算等新兴技术结合，开拓更广泛的应用场景和市场机会。各方面的趋势和发展动向也表明，智能网卡已成为提高网络性能和保障安全的新选择，将逐渐成为网络交换机、路由器等核心设备的标配。总之，智能网卡的出现和应用将推动网络技术的创新和进步，为数字化社会和智能化未来带来更多的机遇和挑战
随着CPU 密度和数据中心网络带宽的进一步提升，用户对预期性能的需求，系统运行平稳性都会有更高的要求。云厂商一方面面临巨大的成本压力，另一方面面临巨大的运维压力。而智能网卡的出现，可以用来减轻网络功能虚拟化的负担。
二、智能网卡发展历程
（1）第一阶段：基础功能网卡
即普通网卡，能够提供2*10G带宽基本能力；硬件卸载能力较弱。
传统网卡在完成在完成数据收发工作外，不处理任何与云化、业务相关的计算任务。
（2）第二阶段：硬件卸载网卡（第一代智能网卡SNIC）
拥有丰富的硬件卸载能力；可以提供Virtio硬件加速；安全相关数据面卸载；无损网络能力。
不同于传统网卡，智能网卡卸载云化网络转发功能，提供高性能网络转发能力，释放CPU 通用计算资源。智能网卡可以满足各种offload需求（靠CPU来做的工作都移给了网卡），包括传输和存储协议。同时，提供网络可编程能力，实现网络转发逻辑的定制化，保证了功能的灵活性。
智能网卡提供了一种以更高性价比实现网络加速的技术方案，同时也提供了一种新的设计思想。
（3）第三阶段：DPU智能网卡
在第一代智能网卡基础上加入CPU而形成的第二代智能网卡：
除了包含第一代智能网卡的所有功能外，还可以实现安全相关功能全卸载（数据面+控制面）
为了解决I/O性能瓶颈和虚拟化技术发展限制等问题，DPU应运而生。
DPU (unidade de processamento de dados, processador de dados) é um processador dedicado que fornece serviços de virtualização para infraestrutura de data center, como rede, armazenamento, segurança e gerenciamento em torno do processamento de dados. A arquitetura de computação composta de CPU baseada em ARM/X86 e outras arquiteturas e mecanismos de aceleração de hardware dedicados como ASIC (Application Specific Integrated Circuit)/NP (Network Processor)/FPGA (Field Programmable Gate Array) forma uma entidade que fornece funções de virtualização.
3. Relacionamento e diferença entre CPU/GPU/DPU
CPU: unidade central de processamento. GPU: unidade de processamento gráfico. DPU: processador de dados
CPU: "centrada em computação", DPU: "centrada em dados".
A era atual mudou de "centrada em computação" para "centrada em dados", e é por isso que cada vez mais empresas prestam atenção em big data e serviços em nuvem.
3. A diferença entre DPU e placa de rede inteligente
Para explorar a diferença entre os dois, podemos começar com o conceito e analisar as características de DPU e Smart NIC, respectivamente. Características da placa de rede inteligente: Smart NIC resolve principalmente o problema da incapacidade de transmitir dados linearmente na transmissão de rede e descarrega serviços que são mais adequados para execução na rede. Use poder de computação caro da CPU para fornecer mais poder de computação da CPU para tarefas de computação.
O SmartNIC original tinha 3 características importantes:
1) Libere a sobrecarga e a programabilidade da CPU, localize a programação por meio de FPGA ou coprocessador, suporte à personalização da função do plano de dados e plano de controle e descarregue a carga da rede da CPU;
2) Aceleração de tarefas, realizando funções específicas por meio de aceleradores dedicados e garantindo a velocidade da linha de encaminhamento de dados;
3) Gerenciamento de tráfego, monitore e gerencie o tráfego de rede.
Recursos DPU: O conceito de DPU foi estabelecido em outubro de 2020, quando a NVIDIA nomeou o cartão Smart NIC baseado em Mellanox "DPU". Pode-se considerar que o DPU é uma atualização do Smart NIC. Programação", "aceleração de tarefas", " gerenciamento de tráfego" e outras funções, e realiza a aceleração programável geral do plano de controle e plano de dados. Atualmente, várias operações no data center são realizadas principalmente na CPU, incluindo tarefas de computação e várias tarefas de infraestrutura. No entanto, diante do aumento dos requisitos de processamento de dados, o poder de computação da CPU atingiu o gargalo e a Lei de Moore está falhando gradualmente. O problema de poder de computação da CPU foi resolvido e o gargalo do centro de dados mudou para tarefas de infraestrutura, como armazenamento de dados, verificação de dados e segurança de rede.
O surgimento do DPU satisfaz a necessidade de aceleração dessas tarefas de infraestrutura de uso geral. A DPU cria uma poderosa camada de infraestrutura, e a CPU e a GPU da camada superior concluem as tarefas de computação. As características do DPU são:
1) CPUs multi-core programáveis por software, de alto desempenho e padrão da indústria, geralmente baseadas na arquitetura ARM amplamente usada, fortemente acoplada a outros componentes SoC.
2) Uma interface de rede de alto desempenho capaz de analisar, processar e transferir dados com eficiência para a GPU e a CPU na velocidade do fio ou na velocidade do restante da rede.
3) Mecanismos de aceleração programáveis ricos e flexíveis que podem realizar o descarregamento e melhorar o desempenho do aplicativo para IA e aprendizado de máquina, segurança, telecomunicações, armazenamento e virtualização, etc. A principal tarefa do DPU é o pré-processamento e pós-processamento de dados, como tarefas de rede (incluindo ALL2ALL, ponto a ponto e aceleração de outros modos de comunicação, IPSec, rastreamento de conexão TCP, RDMA, etc.), tarefas de armazenamento (armazenamento distribuído, dados logging Criptografia e descriptografia de disco, compressão de dados, algoritmos de redundância de dados, etc.), aceleração de virtualização (offloading de OVS e vários Hypervisors, separação de plano de controle e plano de negócios) e garantia de segurança de hardware (Root of Trust, etc.).
Do ponto de vista dos negócios de computação em nuvem, o DPU transfere completamente todo o serviço IaaS para o hardware para aceleração. Portanto, as operadoras de nuvem de primeira linha terão uma demanda mais forte por DPU.Quando o data center é grande o suficiente, descarregar qualquer tarefa para o hardware significa uma melhoria de desempenho muito significativa e redução de custos, trazendo o lucro mais direto. Com a evolução de toda a pilha de tecnologia de software e hardware, a adoção do DPU se expandirá gradualmente para todos os operadores de nuvem, bem como para outros tipos de data centers. Análise Comparativa de SmartNIC e DPU
As placas de rede inteligentes incluem o tipo FPGA e o tipo de núcleo ARM. O tipo FPGA é difícil de lidar com tarefas do plano de controle; o tipo ARM será sobrecarregado devido ao processamento de outras tarefas. DPU inclui descarga de plano duplo e aceleração do plano de dados e plano de controle, que podem resolver os problemas acima. Além disso, a maior diferença entre a DPU e a placa de rede inteligente é que ela pode existir como o menor nó no data center. Possui funções de computação, funções de placa de rede, mecanismos de computação acelerada, mecanismos de segurança etc. e pode ser expandida. se tornará a configuração padrão dos data centers e um dos três núcleos no futuro (CPU, GPU, DPU).
Vantagens de cinco placas de rede inteligentes
As placas de interface de rede aumentam muito a velocidade na qual um servidor pode se conectar a uma rede - de 10 MB a 100 GB. O advento da rede baseada em software, como comutadores virtuais e kits de desenvolvimento de plano de dados, colocou mais requisitos de processamento de pacotes no uso da CPU do servidor. Um servidor típico pode executar rede definida por software, balanceamento de carga, criptografia, inspeção profunda de pacotes e outros softwares de E/S intensivos. Esse processamento de pacotes requer muita capacidade da CPU, portanto, os núcleos da CPU são necessários para executar funções de rede em vez do processamento de aplicativos de missão crítica.
Os NICs inteligentes podem ser programados para executar processos de software de rede e processamento de servidor gratuito para executar suas principais tarefas de aplicativos. Outros aplicativos NIC inteligentes podem incluir captura de pacotes, gerenciamento de rede e visibilidade de rede.
A premissa econômica das NICs inteligentes é que seu custo é compensado pelos benefícios de processamento de aplicativos de permitir que o servidor faça seu trabalho principal, em vez de gastar muito tempo executando aplicativos de rede.
4. Placa de desenvolvimento Fudan Micro FM4550 totalmente localizada (é necessária uma carta particular)