隨著數(shù)據(jù)中心成為新的計(jì)算單元，數(shù)據(jù)處理器有了更多的用武之地。英偉達(dá)的BlueField系列DPU由DOCA（Data-Center-Infrastructure-On-A-Chip Architecture）軟件框架提供支持，可實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和安全性能。作為一款為BlueField DPU量身打造的軟件開發(fā)框架，DOCA旨在為開發(fā)者提供全面、開放的開發(fā)套件，支持其BlueField DPU上進(jìn)行簡便、靈活的軟件開發(fā)，快速創(chuàng)建基于BlueField DPU加速的高性能應(yīng)用程序和服務(wù)。

      “DOCA是依托于面向未來的、API驅(qū)動(dòng)的思維模式來構(gòu)建的，可以讓BlueField DPU硬件加速器變得更加易用，實(shí)現(xiàn)非凡的數(shù)據(jù)中心的性能、效率和安全性，解鎖數(shù)據(jù)中心創(chuàng)新功能，并且能夠更好地兼容下一代BlueField DPU，提供持續(xù)支持，加快應(yīng)用程序和服務(wù)的上市時(shí)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的同時(shí)，也在積極發(fā)展DOCA生態(tài)，這和我們以前發(fā)展GPU的同時(shí)在發(fā)展CUDA生態(tài)是異曲同工之妙?！?/p>

      今年5月，NVIDIA上線了DOCA 1.3版本，提供了121個(gè)新的API開發(fā)接口，加入了更多的增強(qiáng)和新功能，包括優(yōu)化數(shù)據(jù)流插入的DOCA Flow庫、通信通道庫、正則表達(dá)式庫、App Shield SDK、基于OVN的IPSec加密的完全卸載，以及一些DOCA服務(wù)，例如HBN在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)了三層路由功能。借助DOCA 1.3，開發(fā)者不僅可以在本地BlueField DPU上或X86的容器中搭建開發(fā)環(huán)境，還能獲得一致性的開發(fā)體驗(yàn)，可以統(tǒng)一訪問BlueField DPU上的各種硬件資源，簡化網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、安全和基礎(chǔ)設(shè)施管理服務(wù)相關(guān)的開發(fā)。同時(shí)，NVIDIA還為開發(fā)者提供了基于底層API抽象和封裝的高級(jí)API庫，大幅減少開發(fā)時(shí)間，可以更快的獲得收益，另外通過容器化的DOCA服務(wù)，可以在BlueField DPU上直接部署應(yīng)用。

DOCA軟件棧

      DOCA 1.3中的正則表達(dá)式庫被稱為Regular Expression（RegEx），是多腳本語言使用的標(biāo)準(zhǔn)模式匹配工具，可以創(chuàng)建與文本模式匹配的過濾器，而不僅僅是單個(gè)單詞或短語的匹配。正則表達(dá)式專為高吞吐量、低延時(shí)、深度包檢測(cè)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，這些應(yīng)用程序需要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行負(fù)載檢測(cè)和異常監(jiān)測(cè)，通過正則表達(dá)式模式匹配和字符串來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用功能。正則表達(dá)式還可以實(shí)現(xiàn)安全和遙測(cè)功能，可以在DOCA 1.3上提供安全方面的應(yīng)用，例如應(yīng)用識(shí)別、入侵防御系統(tǒng)、URL過濾、文件掃描、深度數(shù)據(jù)包檢測(cè)、App Shield內(nèi)存掃描等，為安全軟件開發(fā)提供底層的API支持。

      借助基于OVN的數(shù)據(jù)路徑加密功能，不同主機(jī)之間可以利用IPsec的方式創(chuàng)建不同的隧道進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，保證數(shù)據(jù)在各個(gè)主機(jī)之間傳遞時(shí)是加密的狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)某個(gè)主機(jī)時(shí)，BlueField DPU會(huì)將其解密成明文，把這些明文數(shù)據(jù)再傳遞給主機(jī)側(cè)，為負(fù)載和應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)。

      在NVIDIA BlueField DPU上，基于主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)（HBN）有助于對(duì)同一節(jié)點(diǎn)上的虛擬機(jī)和容器之間的流量進(jìn)行管理和監(jiān)控。如果在一個(gè)服務(wù)器主機(jī)上創(chuàng)建了多個(gè)虛擬機(jī)或多個(gè)容器，在它們之間會(huì)有一些數(shù)據(jù)流量，不管是二層數(shù)據(jù)流量還是三層路由的功能，都可以通過基于主機(jī)網(wǎng)絡(luò)的DOCA服務(wù)在BlueField DPU上實(shí)現(xiàn)，并且可以做分析和加密進(jìn)出節(jié)點(diǎn)的流量，還會(huì)把一些原來是依賴TOR交換機(jī)上的功能也在BlueField DPU中實(shí)現(xiàn)，改變了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方式。

OVN數(shù)據(jù)路徑加密

      胡效赫是一名來自高校的開發(fā)者，他所在的團(tuán)隊(duì)參加了首屆NVIDIA DPU中國黑客松競賽，并獲得了亞軍?！拔覀兊膱F(tuán)隊(duì)是由一位博士后和兩位博士生組成的，研究方向是云計(jì)算、分布式系統(tǒng)、高性能計(jì)算。DPU作為數(shù)據(jù)中心重要組成部分，我們從2020年BlueField DPU發(fā)布之后就一直在關(guān)注，今年參加黑客松就是想進(jìn)一步學(xué)習(xí)和參與DPU的相關(guān)開發(fā)，對(duì)DOCA的API進(jìn)行深度、定制化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)更好的性能和更豐富的功能，并且與指導(dǎo)專家和其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行更多的交流?！焙Ш辗Q。

      據(jù)了解，該團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目出發(fā)點(diǎn)是著眼于基礎(chǔ)設(shè)施的業(yè)務(wù)可觀測(cè)性，并為此提出“DeepTrace”項(xiàng)目——面向DPU驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)包級(jí)函數(shù)粒度業(yè)務(wù)可觀測(cè)性。以DOCA提供的NetFlow和粗粒度可觀測(cè)性為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)DOCA Netflow API庫，結(jié)合DPU的高性能網(wǎng)絡(luò)處理功能，對(duì)應(yīng)DPU的ASAP2網(wǎng)包分類引擎，以及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(cè)性的力度提升至網(wǎng)包級(jí)，并精確到每個(gè)函數(shù)功能，性能損耗幾乎可以忽略不計(jì)。

      在DeepTrace項(xiàng)目的系統(tǒng)架構(gòu)中，業(yè)務(wù)流量先經(jīng)過DeepTrace預(yù)選器，再經(jīng)由原始的DPU程序進(jìn)行處理，在DPU程序中會(huì)調(diào)用DeepTrace的觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)相應(yīng)點(diǎn)位的觀測(cè)，被觀測(cè)的數(shù)據(jù)會(huì)被匯總收集至分析器，通過數(shù)據(jù)的重組和分析得到相應(yīng)結(jié)果，例如異常流量檢測(cè)、業(yè)務(wù)問題定位等。

      其中，觸發(fā)器部分的挑戰(zhàn)是如何以最小的代價(jià)收集鏈?zhǔn)胶瘮?shù)和網(wǎng)包的信息，上述團(tuán)隊(duì)采用的方案是以統(tǒng)一化、輕量化的函數(shù)內(nèi)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，將DOCA NetFlow庫修改為網(wǎng)包粒度，而需要觀測(cè)的函數(shù)以API的形式調(diào)用觸發(fā)器。在預(yù)選器部分的挑戰(zhàn)是如何處理大規(guī)模原始流量，并在函數(shù)鏈中記錄網(wǎng)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庫配置所需預(yù)選的規(guī)則實(shí)現(xiàn)。分析器部分，由運(yùn)行在ARM控制平面的開源開放工程實(shí)現(xiàn)。

      胡效赫表示：“通過專家的指導(dǎo)，我們更充分地了解了DPU軟硬件特性，積累了DPU的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，也看到了其他團(tuán)隊(duì)在DPU上的創(chuàng)新實(shí)踐。這次的經(jīng)歷，為我們后續(xù)基于DPU進(jìn)行研究和開發(fā)提供了很好的幫助?！毕鄳?yīng)的，DPU中國虛擬黑客松競賽也可以激發(fā)DOCA開發(fā)者的創(chuàng)新，在NVIDIA BlueField DPU和NVIDIA DOCA應(yīng)用場景上帶來一些啟發(fā)，包括分布式存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)流跟蹤分析、裸金屬云管理、RDMA數(shù)據(jù)包加解密等方面。下一步，NVIDIA計(jì)劃在今年下半年舉辦第二屆DPU中國虛擬黑客松活動(dòng)。

      目前，全球有超過半數(shù)的DOCA社區(qū)注冊(cè)開發(fā)者來自中國。自去年建立以來，DOCA社區(qū)陸續(xù)為國內(nèi)開發(fā)者開通了BBS官方論壇、DOCA文檔庫，以及DOCA的微信群，并且在微信公眾號(hào)后臺(tái)和知乎等知識(shí)平臺(tái)上積極回答相關(guān)問題。此外，考慮到開發(fā)者可能沒有DPU為自己的程序做驗(yàn)證，NVIDIA會(huì)通過與合作伙伴聯(lián)合成立的DPU & DOCA卓越中心，提供相應(yīng)的環(huán)境來測(cè)試和驗(yàn)證代碼。參與第一期卓越中心試運(yùn)行的合作伙伴為麗臺(tái)（上海）信息科技有限公司和上海信弘智能科技有限公司。   

      卓越中心所提供的DOCA開發(fā)環(huán)境有三個(gè)要點(diǎn)：第一是可遠(yuǎn)程訪問的免費(fèi)開發(fā)環(huán)境，或是在上面運(yùn)行已經(jīng)開發(fā)好的程序；第二是提供了完整的開發(fā)平臺(tái)，可以進(jìn)行程序編譯、運(yùn)行和相應(yīng)的測(cè)試；第三是主要支持中國的DOCA開發(fā)者，加速應(yīng)用的創(chuàng)新。同時(shí)，卓越中心的工程師和NVIDIA的專家也會(huì)提供相關(guān)的技術(shù)幫助。每個(gè)卓越中心的運(yùn)營公司會(huì)提供兩套開發(fā)環(huán)境，這樣初期會(huì)有四套開發(fā)環(huán)境供免費(fèi)使用，DOCA開發(fā)者需要自備登錄設(shè)備和相應(yīng)的軟硬件環(huán)境，卓越中心會(huì)提供完整的軟硬件DOCA開發(fā)環(huán)境。

      DOCA開發(fā)環(huán)境的開放時(shí)間是周一至周四的9：00-15：00。申請(qǐng)人可以向卓越中心提交申請(qǐng)，審核批準(zhǔn)之后會(huì)獲得2-6小時(shí)的免費(fèi)開發(fā)環(huán)境使用權(quán)。需要注意的是，每次申請(qǐng)獲批后的時(shí)間是沒有辦法延長的，例如申請(qǐng)了4小時(shí)，那么4小時(shí)快用完時(shí)，再想延長2個(gè)小時(shí)是不行的，需要再次發(fā)起申請(qǐng)。截至今年年底，每一位開發(fā)者最長半年時(shí)間之內(nèi)總使用時(shí)間不超過10個(gè)小時(shí)。在申請(qǐng)免費(fèi)開發(fā)環(huán)境時(shí)，開發(fā)者需要提前48小時(shí)發(fā)出郵件，以便后臺(tái)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，在網(wǎng)絡(luò)市場亦是如此，包括SONiC、OVS、DPDK、OpenMPI等等，在整個(gè)Linux社區(qū)是第三大貢獻(xiàn)者，在DPDK和SPDK社區(qū)的第二大貢獻(xiàn)者，并且成為了Linux OPI項(xiàng)目創(chuàng)始成員。DOCA開放API和庫之后，開發(fā)者可以借此來編寫應(yīng)用程序的中間層，通過相關(guān)接口可以更便捷的發(fā)揮DPU特性，包括硬件卸載、正則表達(dá)式、RDMA等。

      NVIDIA網(wǎng)絡(luò)市場總監(jiān)孟慶表示：“我們會(huì)在OPI和基金會(huì)里做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)，把整個(gè)DOCA開放出來。上層的東西，包括一些安全功能、存儲(chǔ)加速、網(wǎng)絡(luò)硬件卸載等特性，都會(huì)進(jìn)行開放，無論是客戶、ISV，還是合作伙伴、OEM廠商，都能在開放的架構(gòu)之上編寫應(yīng)用程序，這里指的甚至不止是網(wǎng)絡(luò)程序，而是一個(gè)大的數(shù)據(jù)中心管理程序，里面會(huì)調(diào)用DOCA這樣的框架?！?/p>

      如今，NVIDIA BlueField DPU已作為核心部件應(yīng)用到NVIDIA認(rèn)證系統(tǒng)中，包括HGX、EGX和OVX，以及為這些認(rèn)證系統(tǒng)平臺(tái)提供加速的以太網(wǎng)或InfiniBand解決方案，同時(shí)連接NVIDIA Spectrum端到端以太網(wǎng)平臺(tái)或Quantum InfiniBand網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心工作負(fù)載提供所需的精確定時(shí)、高性能、高級(jí)的安全性和豐富的功能，構(gòu)建AI工廠的核心骨干網(wǎng)絡(luò)，有力支撐上層系統(tǒng)軟件、高性能計(jì)算、人工智能和虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用，在云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全、存儲(chǔ)、管理平臺(tái)和邊緣計(jì)算等領(lǐng)域構(gòu)建全面的生態(tài)解決方案。

      相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年起全球DPU市場規(guī)模將突破百億美元，并進(jìn)入年增長率超過50%的快車道。2023年，中國的DPU市場規(guī)模會(huì)超過300億元，增長潛力巨大。具體來說，DPU 的大規(guī)模應(yīng)用主要面向三個(gè)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的業(yè)務(wù)應(yīng)用負(fù)載和GPU的人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載提供數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理，性能成本比、基礎(chǔ)架構(gòu)通用性與軟硬件可迭代成為關(guān)注要素；針對(duì)客戶的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用場景定制設(shè)計(jì)，通過大規(guī)模部署DPU滿足特定應(yīng)用場景的需求并解決問題；通過生態(tài)體系帶來的大規(guī)模應(yīng)用，從客戶多樣化應(yīng)用需求出發(fā)，基于開放、標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)提供創(chuàng)新應(yīng)用的通用集成解決方案，買來即可集成和部署。

      可以看到，DPU是圍繞著數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用場景的一系列特征應(yīng)運(yùn)而生的，而DOCA就像是DPU的靈魂，二者相互結(jié)合才能發(fā)揮出最大的功效。從硬件方面來看，DPU既可以作為獨(dú)立的芯片或板卡，也可以作為額外的芯片集成在GPU或CPU中，給了客戶個(gè)性化的選購和部署自由度，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景來定制。同時(shí)，與之相配的DOCA則借助全面開放的開發(fā)套件，最大限制降低了基于BlueField DPU的開發(fā)門檻和成本，加速業(yè)務(wù)創(chuàng)新，推動(dòng)商業(yè)價(jià)值最大化。