Ze všech technologií v datových centrech se žádná nevyvíjí rychleji než síťová konektivita. Před 20 lety byly sítě 1GbE považovány za exotické a infrastruktura potřebná k jejich podpoře (např. síťové karty, přepínače a kabely) byla drahá a vzácná. Před třemi lety byly sítě 10GbE nejmodernější, ale nyní se sítě 20, 40 a dokonce i 100GbE staly v datových centrech standardem. Síť se nejen rozšířila, ale stala se i sofistikovanější díky přidání prvků, jako je virtualizace, softwarově definované sítě (SDN), překryvné sítě a další technologie, které se před deseti lety ani nepředpokládaly, ale nyní jsou běžné a zatěžují zdroje serverů v datových centrech.
**Zjistěte více o SmartNIC a kompozibilním datovém centru na Xilinx Adapt ***
Při práci se sítěmi přes 10 GbE začínáme pozorovat úzká hrdla CPU na serverech, protože síťové pakety jsou předávány CPU ke zpracování. U sítí 25 GbE stráví CPU měřitelné procento času zpracováním síťových paketů. Abychom se s tímto problémem vypořádali, vyvinuli jsme techniky, které přesunou některé síťové funkce z CPU na síťovou kartu (NIC). Zařízení, která toto zvládnou, nazýváme SmartNIC.
V tomto článku si vysvětlíme, co je SmartNIC, jakou hodnotu přináší datovému centru a proč byste se měli začít zabývat jeho nabídkou a investovat do něj. Nakonec se podíváme na obzvláště inovativní SmartNIC, Xilinx SN1000.
Co je to SmartNIC?
Přesunutí síťových operací z CPU na síťovou kartu (NIC) je středem zájmu hlavních poskytovatelů cloudových služeb, kteří neustále usilují o efektivitu v datových centrech. Neexistuje žádné pevné pravidlo, co je potřeba k označení síťové karty jako inteligentní ; minimálně by však měla být schopna zvládat některé funkce řídicí roviny, které se nacházejí ve virtuálních přepínačích, a některé možnosti virtualizace síťových funkcí (NFV), jako je firewall, detekce a prevence narušení, inspekce hostitele a šifrování, a také úlohy datové roviny, jako je kvalita služeb sítě (QoS) a reporting a monitorování toku.
Co je hnací silou přijetí SmartNIC?
Veřejné cloudy a hyperškálování byly v posledním desetiletí hnací silou inovací v datových centrech a budou v tom pokračovat i v dohledné budoucnosti. Technologie, kterou používají, se nakonec přesouvá do podnikových datových center a totéž platí pro SmartNIC. Při zpětném pohledu SmartNIC jednoduše umisťují síťové funkce tam, kde měly být na prvním místě: zpět na síťové kartě, místo aby plýtvaly šířkou pásma CPU a základní desky.
Je snadné si představit, kolik síťového provozu je zahozeno nebo jen tak připnuto zpět do sítě, aniž by to přidalo jakoukoli hodnotu systému/CPU, které jsou s ním nuceny pracovat – jednoduše proto, že NFV a další funkce jsou implementovány pomocí CPU tradičního serveru, nikoli na úrovni síťové karty. Každý cyklus CPU, který lze z CPU odlehčit, ho uvolní a umožní serveru vykonávat produktivní práci.
Pro ilustraci toho, jak může být SmartNIC přínosný, si můžeme vzít něco tak jednoduchého, jako je distribuovaný útok typu denial of service (DDoS). Ačkoli je DDoS v moderním datovém centru vzácný, řešení DDoS útoku pomocí SmartNIC by umožnilo CPU systému pokračovat v produktivní práci, spíše než třídit, klasifikovat a zahazovat pakety. Modernějším příkladem by bylo, kdyby SmartNIC řešil zapouzdření síťových paketů, které používají překryvné sítě, spíše než systémový CPU.
Proč je Xilinx lídrem v technologii SmartNIC
S každým nově vznikajícím technologiím existují společnosti, které se pozicionují v popředí. Tyto společnosti bývají zaměřené na technologie s vášní. Věnují svou energii cíli překonat nespočet překážek, které by novým technologiím bránily v uvedení na trh. Xilinx je jednou z takových společností.
Společnost Xilinx má dlouhou historii inovátorství v oblasti nově vznikajících technologií. Například vynalezla programovatelné hradlové pole (FPGA) a je považována za lídra v této technologii. Uvedení nové technologie, jako je SmartNIC, na trh není levný projekt a s tržbami přesahujícími 3 miliardy dolarů v roce 2020 na to má finanční prostředky. Vyžaduje to však také seriózní inženýrské a manažerské know-how – Xilinx opět má obojí.
V dubnu 2019 společnost Xilinx uzavřela dohodu o akvizici společnosti Solarflare Communications, dříve vývojáře sítí s ultranízkou latencí a akcelerace aplikací a lídra v technologii SmartNIC. Později téhož roku společnost Xilinx představila jednočipový 100G SmartNIC založený na FPGA, který vychází z technologií Solarflare a Xilinx. Tento SmartNIC kombinoval FPGA společnosti Xilinx, systém na čipu (SoC) a platformu pro adaptivní výpočetní akceleraci (ACAP) s technologií Solarflare a vytvořil tak nové konvergované řešení SmartNIC, kterým se stal Xilinx SN1000.
Xilinx ALVEO SN1000
Xilinx SN1000 je fyzická síťová karta FHHL PCIe x16 (Gen 4 x8 nebo Gen 3 x16 elektrická) s duálními 100GbE měděnými nebo optickými porty. Má 16jádrový procesor Cortex-A72 a FPGA s více než milionem vyhledávacích tabulek (LUT). LUT je v podstatě způsob, jakým FPGA buduje svou logiku; čím více LUT má FPGA, tím výkonnější a flexibilnější bude. Karta má celkem 12 GB paměti DDR4 RAM, přičemž 4 GB je vyhrazeno pro procesor Arm a 8 GB pro FPGA. Toto hardwarové schéma znamená, že SN1000 je schopna odlehčit 4 miliony stavových připojení a zpracovat 100 milionů paketů za sekundu (PPS).
Pro výrobu SmartNIC lze použít aplikačně specifické integrované obvody (ASIC), FPGA a SoC. ASIC mohou být výkonné, mají však omezenou flexibilitu a je obtížné k nim přidávat další funkce. A přestože jsou SoC extrémně flexibilní, postrádají rychlost ASIC a FPGA.
Aby společnost Xilinx ve svém SmartNIC SN1000 zajistila flexibilitu i výkon, používá pro funkce řídicí roviny výkonný SoC díky jeho inherentní flexibilitě a pro funkce datové roviny jej z důvodu výkonu kombinuje s FPGA. Hlavní výhodou použití FPGA oproti ASIC spočívá v tom, že FPGA lze přeprogramovat, když je vyvinuta a/nebo potřeba nová funkce, zatímco zavedení nového ASIC do praxe může trvat rok nebo i déle.
Vývoj kódu pro FPGA není triviální záležitost a Xilinx má k dispozici několik vynikajících nástrojů, které s touto potřebou pomohou. Díky sadě vývojových a programovacích nástrojů Xilinx mohou zákazníci Xilinx psát své vlastní FPGA aplikace ve vysokoúrovňovém programovacím jazyce, na který jsou softwaroví vývojáři zvyklí, namísto hardwarového kódu, který se tradičně používá pro vývoj FPGA aplikací.
Společnost Xilinx také vyvinula tržiště aplikací , kde lze získat řešení vyvinutá společností Xilinx a třetími stranami. Tento přístup umožňuje kupujícím SN1000 dosáhnout kratší doby trvání investice (TTV) obejitím vývojového cyklu. Obchod s aplikacemi nabízí řešení pro NFV, síťovou bezpečnost, zpracování obrazu, strojové učení (ML) a další funkce, které lze a měly by být prováděny na úrovni SmartNIC.
Aplikace Xilinx jsou zabaleny jako kontejnery Docker. Lze je zdarma vyzkoušet k použití a poté zakoupit přímo v obchodě pomocí kreditní karty.
Přestože jsou Xilinx SmartNIC špičkovým produktem, neznamená to, že jsou natolik napřed, že by bránily jejich přijetí a používání. Naopak, Xilinx SmartNIC se již nasazují k řešení specifických případů použití ve veřejných cloudech, hyperscalerech a moderních datových centrech. Mezi příklady jejich použití patří: zapouzdření tunelů VXLAN a NVGRE, Open Virtual Switch (OVS), Intel DPDK a Virtio-net I/O.
Dalším zajímavým případem použití SmartNIC je jejich využití k odlehčení úložných funkcí, jako je například klient pro ukládání objektů Ceph, a NVMe-oF získává na popularitě. Společnost Xilinx dále uvedla, že jejich SmartNIC dokáže dosáhnout nanosekundové latence pro algoritmické obchodování „tick to trade“.
Videoanalytika je dalším sektorem, kde se vyznačují SmartNIC. Vzhledem k objemu dat obsažených ve videu je nepraktické jej předávat zpět do centrálního úložiště. Jako řešení se SmartNIC používají na okrajových zařízeních ke zpracování funkcí interpretace videa, jako je detekce masek, počítání a sledování osob a také virtuální oplocení, protože tyto funkce vyžadují inferenci umělé inteligence, kterou FPGA dokáže zvládnout rychle a efektivně.
Proč potřebujete SmartNIC
S nárůstem sítí s vysokou šířkou pásma požadujeme od serverů v našich datových centrech stále více. Dostáváme se do bodu, kdy kvůli počtu síťových paketů, které je třeba zpracovat s větší šířkou pásma sítě, mají servery méně cyklů pro ziskovou práci. Některé studie ukázaly, že v tradičních datových centrech s vysokorychlostními sítěmi lze pro zpracování paketů využít více než 20 % cyklů CPU serveru. Například s CPU o frekvenci 3 GHz má procesor přibližně 300 cyklů na zpracování paketu o velikosti 1500 B, aby udržel krok s rychlostí linky.
Abychom uvolnili procesory pro práci s vysokou hodnotou, pro kterou byly navrženy, musíme nepotřebné funkce přesunout na jiná zařízení, která jsou blíže jejich zdroji. V tomto případě je správným zařízením pro práci se sítěmi SmartNIC.
Ačkoli SmartNIC nejsou pouze doménou společnosti Xilinx, společnost se nachází v popředí této nově vznikající technologie. Díky použití SoC v kombinaci s FPGA je schopna dosáhnout snadného použití a flexibility softwarově definovaného řešení s výkonem hardwarově implementovaného řešení. Společnost Xilinx ví, že pro využití SmartNIC jsou potřeba aplikace, a proto vytvořila programovací prostředí, které umožňuje počítačovým programátorům, nikoli hardwarovým inženýrům, vyvíjet aplikace běžící na jejich SmartNIC. Pro uživatele, kteří hledají rychlejší řešení TTV, má Xilinx obchod s aplikacemi, kde je možné zakoupit aplikace třetích stran.
Aby bylo moderní datové centrum konkurenceschopné, musí své servery zbavit co největšího počtu nepotřebných úloh. Mezi tyto úlohy patří stavové firewally, vyvažování zátěže, IPsec, TLS, NVMe-over-TCP, přístup k úložišti Virtio.blk, komprese dat nebo nespočet dalších funkcí, které lze lépe spravovat pomocí SmartNIC.
Více informací na Xilinx Adapt
Xilinx Adapt je digitální akce, která se bude konat 24. a 25. března 2021 a bude se zabývat významem SmartNIC v datových centrech a důležitými tématy, jako je cloud computing, výpočetní úložiště a komposovatelná datová centra. Vstup je zdarma a záznamy budou k dispozici poté.
Amazon