Napatech IPU解决方案助力优化数据中心存储工作负载

Napatech是全球领先的智能网卡(SmartNIC)和IPU解决方案供 应商，业务范围涵盖云计算、企 业和电信数据中心应用等领域。Napatech将商用级软件套件与高 性能硬件相结合，致力于加速网络 基础设施、安全和存储工作负载，从而实现一流的系统级性能，同时为应用和服务提供最大化的服务器计算资源。

越来越多的企业和云数据中心开始采用NVMe/TCP存储技术，因为它在性能、时延、可扩展性、管理和资源利用率等方面优势显著。然而，在服务器上实施所需的存储启动器工作负载会带来巨大的计算开销，并限制可用于运行服务和应用的CPU内核数量。

这篇解决方案简介介绍了Napatech的集成式软硬件解决方案如何将存储工作负载从主机CPU卸载到IPU，同时在应用级别保持完整的软件兼容性。

该解决方案释放了主机CPU内核，避免其被存储功能占用。它的性能明显优于基于软件的实施方案，可显著降低数据中心的资本支出、运营支出和能耗。它还在系统中引入了安全隔离，增强了对网络攻击的保护，这有助于降低数据中心遭受安全漏洞和高价值客户数据泄露的风险。

NVMe/TCP：面向现代化数据中心的卓越存储技术

NVMe/TCP是一种存储技术，它允许使用标准数据中心结构通过网络访问快速非易失性内存 (NVMe) 存储设备。见图1。

图 1. 分散式存储架构

越来越多的现代云和企业数据中心开始采用NVME/TCP，因为相比旧的存储协议（如互联网小型计算机系统接口 (iSCSI) 光纤通道），它拥有极具吸引力的优势：

更高的性能：NVMe旨在充分利用基于NAND的现代高速固态盘 (SSD)，并提供比传统存储协议更快的数据传输速率。NVMe/TCP将这些优势扩展到网络存储环境，允许数据中心通过网络结构实现高性能存储访问。

更低的延迟：NVMe/TCP的低延迟特性对于数据密集型应用和实时工作负载至关重要。NVMe/TCP可以最大限度地减少通信开销和消除协议转换需求，帮助减少存储访问延迟并提高整体应用性能。

可扩展性：数据中心经常处理大规模存储部署，NVMe/TCP通过网络提供灵活高效的存储访问解决方案，从而实现无缝的可扩展性。随着NVMe设备数量的增长，数据中心可以在没有明显瓶颈的情况下保持高性能水平。

共享存储池：NVMe/TCP允许创建可同时访问多个服务器和应用的共享存储池。这种共享存储架构提高了资源利用率，简化了存储管理，大大节省了成本。

传统基础设施兼容性：数据中心的现有基础设施通常建立在以太网、InfiniBand或光纤通道网络上。NVMe/TCP允许他们利用现有的结构投资，同时集成创新的基于NVMe的存储技术，而无需大幅调整整个网络基础设施。

高效的资源利用：NVMe/TCP通过减少应用对每个服务器上专用存储资源的需求，实现了更高的资源利用率。多个服务器可以通过网络访问共享NVMe存储设备，从而优化使用昂贵的NVMe存储资源。

面向未来：随着数据中心不断发展并采用更快的存储技术， NVMe/TCP提供了一种前瞻性的存储访问方法，确保存储网络能够满足不断增长的现代应用和工作负载需求。

整体而言，NVMe/TCP为数据中心提供了一个强大而灵活的存储解决方案，在共享和可扩展的存储环境中实现了高性能、低延迟和高效的资源利用。

纯软件存储架构的限制

尽管NVMe/TCP在存储方面具有显著的优势，但数据中心运营商必须意识到，在方案实施中，如果所需的所有存储启动器服务都在服务器的CPU上运行，这会带来很大的局限性。见图2。

图 2. 基于软件的网络存储

首先，如果存储虚拟化软件、管理程序或虚拟交换机 (vSwitch) 在网络攻击中受损，则会出现系统级安全风险。

其次，无法确保租户工作负载之间的完全隔离。单个架构在多租户环境中托管多个客户的应用和数据。当应用或虚拟机 (VM) 占用最多可用资源并降低共享基础设施上其他租户的系统性能时，就会出现“噪邻”效应。

最后，运行基础设施服务（如存储虚拟化软件、管理程序和vSwitch）需要很大一部分主机CPU内核。这减少了可用于虚拟机、容器和应用的CPU内核数量。报告指出，30%到50%的数据中心CPU资源通常被基础设施服务消耗。

在高性能存储子系统中，主机CPU可能需要运行多个协议， 如传输控制协议 (TCP)、基于融合以太网的远程直接内存访问 (RoCEv2)、InfiniBand和光纤通道。当主机CPU被大量用于运行这些存储协议和其他基础设施服务时，租户应用可用的CPU内核数量将大大减少。例如，16核CPU可能只能提供10核CPU的性能。

由于这些原因和其他原因，纯软件架构给数据中心存储带来了重大的业务和技术挑战。

基于IPU的存储卸载解决方案

将NVMe/TCP工作负载卸载到IPU，以及其他基础设施服务（如管理程序和vSwitch，见图3），解决了纯软件实施方案的局限性，并为数据中心运营商带来了显著优势：

CPU利用：NVMe/TCP通信需要将NVMe命令和数据封装在TCP传输协议中，主机CPU处理则会这些封装和解封装任务。将这些操作卸载到专用硬件上可以让CPU专注于其他关键任务，从而提高整体系统性能和CPU利用率。

更低延迟：将NVMe/TCP通信任务卸载到专用硬件可以显著减少处理存储命令的延迟。因此，在访问远程NVMe存储设备时，应用可以体验到更快的响应速度和更高的性能。

高效数据移动：将非CPU应用任务卸载到独立的硬件加速器上，可以比使用通用CPU更高效地执行数据移动操作。它可以有效地处理大数据传输和缓冲区管理，减少延迟并提高总体吞吐量。

更高的可扩展性：卸载NVMe/TCP任务可以提高大规模存储部署的可扩展性。通过减轻CPU处理网络通信的负担，系统可以支持更多的并发连接和存储设备，而不会受到CPU的限制。

高能效：通过将某些任务卸载到专用硬件，可以降低主机CPU的功耗。这种能效在大型数据中心环境中尤其重要，因为功耗是一个重要的考虑因素。

除了上述适用于NVMe/TCP存储工作负载的优势之外，基于IPU的系统架构还提供了增量安全隔离选项，从而将基础设施服务与租户应用隔离开来。这样可以确保存储、管理程序和vSwitch服务免受租户应用发起的网络攻击。基础设施服务是安全的，因为IPU本身的启动过程是安全的；而IPU充当主机服务器的信任根。

图 3. 支持IPU的分散式存储

Napatech存储卸载解决方案

Napatech为数据中心存储卸载提供了一个集成的系统级解决方案，包括在F2070X IPU上运行的高性能Link-Storage软件堆栈。见图4。

图 4. Napatech存储卸载

Link-Storage软件包含一套丰富的功能，包括：

将NVMe/TCP工作负载从主机完全卸载到IPU；

将TCP工作负载从主机完全卸载到IPU；

NVMe到TCP启动器；

通过存储性能开发套件远程过程调用 (SPDK RPC) 接口进行存储配置；

多路径NVMe支持；

通过virtio- blk接口向主机显示16块设备；

兼容普通Linux* 发行版中的标准virtio-blk驱动程序；

主机CPU和IPU之间的安全隔离，没有暴露于主机的网络接口。

除了Link-Storage，F2070X还支持Link-Virtualization软件，该软件提供了一个卸载和加速的虚拟化数据平面，包括开放式vSwitch (OVS)、实时迁移、虚拟机到虚拟机镜像、 VLAN/VxLAN封装/解封装、Q-in-Q、接收端扩展 (RSS) 负载均衡、链路聚合和服务质量 (QoS) 等功能。

由于F2070X基于FPGA和CPU（而非ASIC），因此可以在部署后更新平台的完整功能。无论是修改现有服务、添加新功能还是微调特定的性能参数，这种重新编程都可以纯粹作为现有服务器环境中的软件升级来执行，而无需断开、移除或更换任何硬件。

Napatech F2070X IPU

基于英特尔F2000X-PL的Napatech F2070X IPU是一款2x100G PCIe卡，采用英特尔 Agilex 7 FPGA F系列和英特尔 至强 D处理器，拥有全高半长 (FHHL) 双插槽外形。请见图5了解详情。

图 5. F2000X-PL结构图

F2070X IPU的标准配置包括一个带有四组4GB DDR4内存的英特尔 Agilex 7 FPGA AGF023和一个带有两组8GB DDR4内存的2.3 GHz英特尔 至强D-1736处理器。可以提供其他配置选项来支持特定的工作负载。

F2070X IPU通过PCIe 4.0 x16 (16 GTps) 接口连接到主机，FPGA和处理器之间还有一个额外的PCIe 4.0 x16 (16 GTps) 接口。

两个前面板QSFP28/56网络接口支持以下网络配置：

2x100G；

8x10G或8x25G（使用分支电缆）。

专用PTPRJ45端口提供与外部SMA-F和内部MCX-F接口的可选时间同步。支持IEEE 1588v2时间戳。

专用的RJ45以太网连接器提供主板管理功能。安全的FPGA图像更新支持在IPU部署完成后增加新功能或更新现有功能。

处理器运行Fedora Linux，具有UEFI BIOS、PXE启动支持、通过SSH进行完整shell访问和UART。

总 结

越来越多的企业和云数据中心开始采用NVMe/TCP存储技术，因为它在性能、时延、可扩展性、管理和资源利用率等方面优势显著。然而，在服务器的主机CPU上实施所需的存储启动器工作负载会带来巨大的计算开销，并限制可用于运行服务和应用的CPU内核数量。

Napatech的集成式软硬件解决方案包括在F2070X IPU（图6）上运行的Link-Storage软件堆栈，通过将存储工作负载从主机CPU卸载到IPU来解决此问题，同时在应用级别保持完整的软件兼容性。

图 6. Napatech F2070X IPU

Napatech的存储卸载解决方案释放了主机CPU内核，避免其被存储功能占用。它的性能明显优于基于软件的实施，可显著降低数据中心的资本支出、运营支出和能耗。

Napatech解决方案还在系统中引入了安全隔离，增强了对网络攻击的保护，这有助于降低数据中心遭受安全漏洞和高价值客户数据泄露的风险。