隨著數(shù)據(jù)中心成為一個新的計(jì)算單元,數(shù)據(jù)處理器有更多的用途。英偉達(dá)的BlueField系列DPU由DOCA(Data-Center-Infrastructure-On-A-Chip Architecture)支持軟件框架,可以實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)、存儲和安全性能。作為一款為BlueField DPU量身定制的軟件開發(fā)框架,DOCA旨在為開發(fā)者提供全面開放的開發(fā)套件,支持開發(fā)者BlueField DPU基于簡單靈活的軟件開發(fā),快速創(chuàng)建BlueField DPU高性能應(yīng)用程序和服務(wù)加速。
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“DOCA依靠未來,API構(gòu)建驅(qū)動思維模式,可以讓BlueField DPU硬件加速器更容易使用,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的非凡性能、效率和安全性,解鎖數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)新功能,更好地與下一代兼容BlueField DPU,提供持續(xù)支持,加快應(yīng)用程序和服務(wù)的上市時間,釋放DPU的潛力。”NVIDIA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專家崔巖說:NVIDIA在發(fā)展BlueField DPU同時,也在積極發(fā)展DOCA這與我們以前的發(fā)展有關(guān)GPU同時發(fā)展CUDA生態(tài)是同工之妙。”
今年5月,NVIDIA上線了DOCA 1.3版本提供了121個新版本API開發(fā)界面,增加更多的增強(qiáng)和新功能,包括優(yōu)化數(shù)據(jù)流插入DOCA Flow庫、通信通道庫、正則表達(dá)式庫App Shield SDK、基于OVN的IPSec加密完全卸載,以及一些DOCA服務(wù),例如HBN三層路由功能在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)。借助DOCA 1.3.開發(fā)者不僅可以在本地BlueField DPU上或X在86容器中建立開發(fā)環(huán)境也可以獲得一致的開發(fā)體驗(yàn),可以統(tǒng)一訪問BlueField DPU簡化網(wǎng)絡(luò)、存儲、安全和基礎(chǔ)設(shè)施管理服務(wù)相關(guān)的開發(fā)。同時,NVIDIA它還為開發(fā)者提供了基于底層的基礎(chǔ)API先進(jìn)的抽象和包裝API除了容器化,庫可以大大降低開發(fā)時間,更快地獲得收入。DOCA服務(wù),可以在BlueField DPU直接部署應(yīng)用程序。
DOCA軟件棧
DOCA 1.3中的正則表達(dá)式庫稱為Regular Expression(RegEx),它是多腳本語言的標(biāo)準(zhǔn)模式匹配工具,可以創(chuàng)建與文本模式相匹配的過濾器,而不僅僅是單個單詞或短語的匹配。正則表達(dá)式是專門為高吞吐量、低延遲和深度包檢測而設(shè)計(jì)的。這些應(yīng)用程序需要通過正則表達(dá)式模式匹配和字符串通過正則表達(dá)式模式匹配和字符串實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用功能。正則表達(dá)式也可以實(shí)現(xiàn)安全GigaDevice代理遙測功能,可在DOCA 1.3.提供識別、入侵防御系統(tǒng)等安全應(yīng)用,URL過濾、文件掃描、深度數(shù)據(jù)包檢測App Shield內(nèi)存掃描等,為安全軟件開發(fā)提供底層API支持。
借助基于OVN可用于不同主機(jī)之間的數(shù)據(jù)路徑加密功能IPsec創(chuàng)建不同的數(shù)據(jù)加密隧道,以確保數(shù)據(jù)在主機(jī)之間傳輸時處于加密狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)主機(jī)時,BlueField DPU將其解密成明文,然后將明文數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)側(cè),為負(fù)載和應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)。
在NVIDIA BlueField DPU基于主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)(HBN)有助于管理和監(jiān)控同一節(jié)點(diǎn)虛擬機(jī)和容器之間的流量。如果在服務(wù)器主機(jī)上創(chuàng)建多個虛擬機(jī)或多個容器,它們之間會有一些數(shù)據(jù)流,無論是二層數(shù)據(jù)流還是三層路由功能,都可以基于主機(jī)網(wǎng)絡(luò)DOCA服務(wù)在BlueField DPU進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的流量可以進(jìn)行分析和加密,也會有一些原本依賴的東西TOR開關(guān)上的功能也在BlueField DPU改變了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的方式。
OVN加密數(shù)據(jù)路徑
胡效赫是大學(xué)的開發(fā)者,他的團(tuán)隊(duì)參加了首屆會議NVIDIA DPU中國黑客松比賽獲得亞軍。我們的團(tuán)隊(duì)由一名博士后和兩名博士生組成,研究方向是云計(jì)算、分布式系統(tǒng)和高性能計(jì)算。DPU從2020年開始,我們作為數(shù)據(jù)中心的重要組成部分BlueField DPU發(fā)布后一直在關(guān)注,今年參加黑客松是為了進(jìn)一步學(xué)習(xí)和參與DPU相關(guān)開發(fā),對DOCA的API深入定制開發(fā),實(shí)現(xiàn)更好的性能和更豐富的功能,并與指導(dǎo)專家和其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行更多的溝通。胡效赫說。
據(jù)了解,該團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目起點(diǎn)是關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施的業(yè)務(wù)可觀性,并提出DeepTrace項(xiàng)目-面向DPU網(wǎng)包級函數(shù)粒度業(yè)務(wù)可觀測性驅(qū)動的基礎(chǔ)設(shè)施。以DOCA提供的NetFlow基于粗粒度的可觀測性,對應(yīng)DOCA Netflow API庫,結(jié)合DPU高性能網(wǎng)絡(luò)處理功能對應(yīng)DPU的ASAP2網(wǎng)包分類引擎和DOCA Flow API庫的數(shù)據(jù)平面和控制平面的可編程能力,將可觀測性強(qiáng)度提高到網(wǎng)包級,并準(zhǔn)確地提高到每個函數(shù)功能,性能損失幾乎可以忽略不計(jì)。
在DeepTrace在項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)中,業(yè)務(wù)流量首先通過DeepTrace預(yù)選器,然后通過原始DPU處理程序,在DPU調(diào)用程序DeepTrace觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)點(diǎn)的觀測,通過數(shù)據(jù)的重組和分析,到相應(yīng)的結(jié)果,如異常流量檢測、業(yè)務(wù)問題定位等。
其中,觸發(fā)器部分的挑戰(zhàn)是如何以最低的成本收集鏈函數(shù)和網(wǎng)絡(luò)包信息。上述團(tuán)隊(duì)采用的方案是在統(tǒng)一和輕量級的函數(shù)中實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器DOCA NetFlow庫修改為網(wǎng)包粒度,需要觀察的函數(shù)API調(diào)用觸發(fā)器的形式。在預(yù)選器部分的挑戰(zhàn)是如何處理大規(guī)模的原始流量,并在函數(shù)鏈中記錄網(wǎng)絡(luò)包。該團(tuán)隊(duì)采用的方案是通過硬件卸載的預(yù)選器進(jìn)行標(biāo)記和過濾。在開發(fā)過程中,調(diào)用DOCA Flow實(shí)現(xiàn)庫配置所需的預(yù)選規(guī)則。由分析器部分操作ARM實(shí)現(xiàn)控制平面開源開放工程。
胡效赫說:通過專家的指導(dǎo),我們對此有了更充分的了解DPU積累了軟硬件特性DPU其他團(tuán)隊(duì)也看到了開發(fā)經(jīng)驗(yàn)DPU創(chuàng)新實(shí)踐。這次經(jīng)歷是基于我們的后續(xù)工作DPU研究提供了很好的幫助。”相應(yīng)的,DPU中國虛擬黑客松比賽也能刺激DOCA在NVIDIA BlueField DPU和NVIDIA DOCA在應(yīng)用場景中,包括分布式存儲、數(shù)據(jù)流跟蹤分析、裸金屬云管理、RDMA數(shù)據(jù)包加解密等。下一步,NVIDIA計(jì)劃在今年下半年舉行第二屆會議DPU中國虛擬黑客松活動。
目前,世界上有一半以上的人DOCA來自中國的社區(qū)注冊開發(fā)者。自去年成立以來,DOCA社區(qū)先后為國內(nèi)開發(fā)商開放BBS官方論壇、DOCA以及文檔庫DOCA在微信微信官方賬號后臺和知乎等知識平臺上,微信群積極回答相關(guān)問題。另外,考慮到開發(fā)者可能沒有DPU驗(yàn)證自己的程序,NVIDIA會通過與合作伙伴聯(lián)合成立DPU & DOCA提供測試和驗(yàn)證代碼的優(yōu)秀中心。麗臺(上海)信息科技有限公司和上海鑫鴻智能科技有限公司是參與卓越中心試運(yùn)行的合作伙伴。
由優(yōu)秀中心提供DOCA開發(fā)環(huán)境有三個關(guān)鍵點(diǎn):一是可遠(yuǎn)程訪問的免費(fèi)開發(fā)環(huán)境,或運(yùn)行已開發(fā)的程序;二是提供程序編譯、操作和相應(yīng)測試的完整開發(fā)平臺;三是主要支持中國DOCA開發(fā)者,加快應(yīng)用創(chuàng)新。同時,優(yōu)秀中心的工程師和NVIDIA專家也會提供相關(guān)的技術(shù)幫助。各優(yōu)秀中心的運(yùn)營公司將提供兩套開發(fā)環(huán)境,因此在早期階段將有四套開發(fā)環(huán)境供免費(fèi)使用,DOCA開發(fā)人員需要自己登錄設(shè)備和相應(yīng)的軟硬件環(huán)境,優(yōu)秀的中心將提供完整的軟硬件DOCA開發(fā)環(huán)境。
DOCA周一至周四9:00-15:00開放開發(fā)環(huán)境。申請人可向卓越中心提交申請,審批后2-6小時免費(fèi)開發(fā)環(huán)境。需要注意的是,每次申請延長每次申請批準(zhǔn)后的時間。例如,在申請4小時后,如果4小時即將用完,則無法延長2小時。您需要再次啟動申請。截至今年年底,每個開發(fā)者總使用時間不超過10小時。開發(fā)人員在申請免費(fèi)開發(fā)環(huán)境時,需要提前48小時發(fā)郵件,讓后臺工程師分配系統(tǒng)資源和環(huán)境。
一直以來,NVIDIA都是開源領(lǐng)域的積極貢獻(xiàn)者,網(wǎng)絡(luò)市場也是如此,包括SONiC、OVS、DPDK、OpenMPI等等,在整個Linux社區(qū)是第三大貢獻(xiàn)者DPDK和SPDK社區(qū)的第二大貢獻(xiàn)者Linux OPI項(xiàng)目創(chuàng)始成員。DOCA開放API和庫后,開發(fā)者可以通過相關(guān)界面更方便地編寫應(yīng)用程序的中間層DPU特點(diǎn)包括硬件卸載、正則表達(dá)式、RDMA等。
NVIDIA網(wǎng)絡(luò)營銷總監(jiān)孟慶說:我們將在那里OPI與基金會做出相應(yīng)貢獻(xiàn),做出全部貢獻(xiàn)DOCA開放出來。上層的東西,包括一些安全功能、存儲加速、網(wǎng)絡(luò)硬件卸載等特點(diǎn),都會開放,無論是客戶,ISV,還是合作伙伴,OEM制造商可以在開放的架構(gòu)上編寫應(yīng)用程序。這里指的不僅僅是網(wǎng)絡(luò)程序,而是一個大的數(shù)據(jù)中心管理程序,它將被調(diào)用DOCA這樣的框架。”
如今,NVIDIA BlueField DPU作為核心部件應(yīng)用NVIDIA包括認(rèn)證系統(tǒng)HGX、EGX和OVX,為這些認(rèn)證系統(tǒng)平臺提供加速以太網(wǎng)或InfiniBand同時連接解決方案NVIDIA Spectrum端到端以太網(wǎng)平臺或Quantum InfiniBand網(wǎng)絡(luò)平臺,為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的工作負(fù)荷提供準(zhǔn)確、高性能、先進(jìn)的安全和豐富的功能,構(gòu)建AI工廠的核心骨干網(wǎng)絡(luò)大力支持上層系統(tǒng)軟件、高性能計(jì)算、人工智能和虛擬仿真平臺的應(yīng)用,在云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全、存儲、管理平臺和邊緣計(jì)算等領(lǐng)域構(gòu)建全面的生態(tài)解決方案。
從2023年開始,全球相關(guān)數(shù)據(jù)顯示DPU市場規(guī)模將超過100億美元,進(jìn)入年增長率超過50%的快車道。2023年,中國的DPU市場規(guī)模將超過300億元,增長潛力巨大。具體來說,DPU 大規(guī)模應(yīng)用主要面向三個方面:通過數(shù)據(jù)中心加速計(jì)算模型帶來的大規(guī)模應(yīng)用,DPU能夠?yàn)镃PU業(yè)務(wù)應(yīng)用負(fù)載和GPU人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)負(fù)載提供數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理,性能成本比、基礎(chǔ)設(shè)施通用性和軟硬件可迭代成為關(guān)注因素;定制客戶數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用場景設(shè)計(jì),大規(guī)模部署DPU滿足特定應(yīng)用場景的需求,解決問題;通過生態(tài)系統(tǒng)帶來的大規(guī)模應(yīng)用,基于開放和標(biāo)準(zhǔn)化平臺提供創(chuàng)新應(yīng)用的一般集成解決方案可以集成和部署。
可以看到,DPU它圍繞著數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用場景中的一系列特征應(yīng)運(yùn)而生DOCA就像是DPU靈魂,兩者的結(jié)合可以發(fā)揮最大的作用。硬件方面,DPU可作為獨(dú)立芯片或板卡或額外芯片集成GPU或CPU可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景定制客戶個性化的購買和部署自由。同時,與之相匹配DOCA借助全面開放的開發(fā)套件,最大限度地減少了基于的開發(fā)套件BlueField DPU加快業(yè)務(wù)創(chuàng)新,最大化業(yè)務(wù)價值,開發(fā)門檻和成本。
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