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标题: 快速认识DPU [打印本页]

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作者: 知者何南    时间: 2024-9-11 02:34
标题: 快速认识DPU
DPU（Data Processing Unit）是以数据为中心构造的专用处理器。那么为什么需要DPU？DPU主要负担什么功能？它带来什么影响？我们可以通过四个关键字快速认识DPU：数据中心、数据、卸载和重构。
数据中心

数据中心由大量的服务器构成。计算、存储、网络数据传输是数据中心的三大焦点功能。

在CPU之上运行操纵系统、假造机管理器和Kubernetes等基础软件。在此之上业务应用部分通过假造机和容器进行部署，实现资源共享、弹性伸缩、多租户、微服务、SaaS等。底层由GPU、FPGA提供硬件加速，全部的加速资源、网络资源和存储资源由CPU同一协调调用。此时CPU不但仅是控制的中心，也是数据活动的中心。
数据

以CPU为中心的数据中心面临多方面的挑战：

• 构建于假造化和容器基础上的业务系同一方面带来了极大的便利，另一方面由于假造化的开销越来越大。
  
• 基础办法和业务处于同一个计算平台，基础办法的性能突发会干扰业务的性能稳定度；
  
• 另有一个标题就是安全访问，宿主机侧管理具有业务虚机等的全部权限，运维管理的一些误操纵，以及宿主机OS的一些毛病被攻破后，黑客不光可以破坏宿主机，还可能导致用户的数据安全。
  

这些挑战在数据量剧增的环境下更是严峻：随着我们信息社会从互联网时代向物联网时代发展，万物互连，万物智能，数据中心需要负责海量的数据的收发和处理需求。来自终端的南北向数据流，好比直播、视频游戏、视频会议、电子商务、聪明城市、城市大脑等业务不但仅是数据量大，高并发，对算力要求高，而且有些业务对时延也很敏感。另外一个方面，数据中心内部位于差别服务器内的服务构成服务网格，也使得东西向数据流也剧增。

面临数据中心流量和业务带来的挑战，以CPU为中心的架构已经不堪负重。好比加速部分数据在CPU和加速器之间来回搬运的影响，加速比率打了扣头，有些场景综合加速效果不明显，以CPU为中心，整个IO路径很长，IO成为性能的瓶颈。如图所示，12个Core的CPU，提供能够提供给租户的就4个Core，其他8个Core都要用于处理网络传输、存储和安全相关的基础业务。数据中心的算力需求一直在增长，思量到CPU的性能瓶颈，我们需要有个平台来帮助CPU负担绝大部分算力的压力，而让CPU专注于应用层算力需求虽然不大但非常高净值的工作。
卸载

DPU可以有效卸载数据中心的基础办法方面的功能：

• 假造化方面，可以在Host CPU侧存在一个轻量的Hypervisor Agent，然后在DPU支持Hypervisor、呈现给Host的设备管理（vDPA，SRIOV，SIOV）、设备迁移等。
  
• 网络方面，网络类的使命处理非常消耗CPU资源，可以通过DPU卸载OVS，也可以引入DPU智能网卡将假造化网络的控制平面完全卸载到智能网卡上，与主机操纵系统相隔离。
  
• 存储方面，DPU可以假造多个存储设备给主机，这些存储设备可以是NVMe也可以是VirtIO-BLK，从主机来看，这些存储设备相当于是本地磁盘设备。但实际上这些存储盘都是通过网络存储协议毗连到远端的存储设备，这些网络存储协议以及相关的控制都是下沉到DPU上来完成的。这些网络存储协议可以是标准的协议，好比NVMe Over Fabric, NVMe Over TCP和iSCSI, 也可以是用户本身界说的网络存储协议。除此别的，DPU还可以支持其他类型的存储卸载，好比存储数据的压缩解压缩，加密解密，也支持存储数据的署名和校验，好比T10-DIF.
  
• 安全方面，DPU也提供众多的卸载功能，好比支持网络数据的在线(inline)加密和解密, 包括SSL/TLS和IPSec, 也支持对网络第7层数据的正则表达式匹配(RegEx)以及基于它的DPI支持。DPU 也支持PKI，从而实现TLS握手协议的硬件卸载。另外DPU本身是一个安全设备，可以确保自身的Firmware, Bootloader以及BMC code不受到串改。
  
• IO加速，通过运行于CPU的控制面和慢路径，界说好之后，绝大部分数据流量的处理都在DPU就可以完成，不需要进CPU。
  

固然差别的DPU实现的卸载的程度有差别，或者是分阶段的：

• 第1阶段，卸载1个使命。网络卸载，成为智能网卡。分布式远程存储遇到标题，卸载存储，成为智能存储卡。
  
• 第2阶段，卸载2-4个使命（非严酷界说）。CPU的功能使命不光卸载，还需要卸载的功能集成到一个平台。好比把最底层的网络、存储、假造化和安全四大类功能从CPU侧卸载到DPU中。
  
• 第3阶段，卸载5项以上。把整个系统栈里能够卸载的使命都尽可能的卸载到DPU中。这里可以给出卸载的一个更加通用的标准：①性能敏感，占据较多CPU资源；②广泛部署，运行于众多服务器。当整个系统栈都尽可能进行卸载加速之后，IPU的名称要更正确一些（IPU，基础办法处理器）。
  
• 第4阶段，不光全量卸载，还需要均衡和弹性。卸载下来的使命需要更多的机动性，形成弹性的基础办法支持平台。或者说，需要把IaaS的服务融入到DPU中，并且这些服务的业务逻辑需要仍由云服务提供商CSP的软件工程负责界说，并且能够很好的支持多租户、微服务、同等性等云的高级特征。
  

重构

由于数据量大于计算量之后，整个计算的模式就从计算驱动酿成了数据驱动。这样促进了数据中心折务器架构的重构，DPU成为整个服务器架构的焦点器件。
DPU负担的事变越多，其功能也就需要越强大，其定位也就越来越不一样。对应上面的DPU实现的四个差别的阶段可以把DPU的定位分为四个层次：
层次一，DPU是CPU的使命卸载/加速。克服CPU性能瓶颈，把网络、存储、假造化及安全等使命从CPU卸载到DPU加速，减轻CPU的压力。
层次二，DPU是基础办法，支持上层应用。DPU成为集成加速平台，既完成基础办法层工作使命处理，也完成部分业务应用的加速，支持CPU和GPU的应用层工作。
层次三，DPU/IPU是计算的焦点。IaaS甚至PaaS、SaaS等云计算焦点服务，融入到DPU软硬件。DPU图灵完备，并且是数据的入口。这使得DPU成为焦点，而CPU和GPU成为扩展。
层次四，DPU/IPU的本质是超异构计算。算力持续提拔，数据中心的超异构计算，DPU是焦点承载。基于超异构的复杂计算，需要在极致机动性的基础上，提供极致的性能。
总结

概括地说，DPU就是在数据中心面临海量数据导致CPU不堪负重环境下，负责卸载基础办法功能的一种新形态的处理器，其也将引发数据中心架构从以计算为中心到以数据为中心的重构。
参考链接

• “DPU”非DPU
  
• 智能网卡知识分享（Smart NIC、DPU、IPU）-2022.05
  
• DPU
  
• 超异构计算，Intel的一盘大棋
  
• DPU：以数据为中心的专用处理器
  
• 从DPU看未来网络架构的演进趋势
  
• DPU应用场景系列（一）网络功能卸载
  
• DPU应用场景系列（二） 存储功能卸载
  
• DPU应用场景系列（三）安全功能卸载
  

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