DOCA 1.3上線(xiàn) 讓DPU在數據時(shí)代找到“芯”價(jià)值

    隨著(zhù)數據中心成為新的計算單元，數據處理器有了更多的用武之地。英偉達的BlueField系列DPU由DOCA（Data-Center-Infrastructure-On-A-Chip Architecture）軟件框架提供支持，可實(shí)現更好的網(wǎng)絡(luò )、存儲和安全性能。作為一款為BlueField DPU量身打造的軟件開(kāi)發(fā)框架，DOCA旨在為開(kāi)發(fā)者提供全面、開(kāi)放的開(kāi)發(fā)套件，支持其BlueField DPU上進(jìn)行簡(jiǎn)便、靈活的軟件開(kāi)發(fā)，快速創(chuàng )建基于BlueField DPU加速的高性能應用程序和服務(wù)。

      “DOCA是依托于面向未來(lái)的、API驅動(dòng)的思維模式來(lái)構建的，可以讓BlueField DPU硬件加速器變得更加易用，實(shí)現非凡的數據中心的性能、效率和安全性，解鎖數據中心創(chuàng )新功能，并且能夠更好地兼容下一代BlueField DPU，提供持續支持，加快應用程序和服務(wù)的上市時(shí)間，釋放DPU的潛力?！盢VIDIA網(wǎng)絡(luò )技術(shù)專(zhuān)家崔巖說(shuō)，“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(xiàn)了DOCA 1.3版本，提供了121個(gè)新的API開(kāi)發(fā)接口，加入了更多的增強和新功能，包括優(yōu)化數據流插入的DOCA Flow庫、通信通道庫、正則表達式庫、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在主機上實(shí)現了三層路由功能。借助DOCA 1.3，開(kāi)發(fā)者不僅可以在本地BlueField DPU上或X86的容器中搭建開(kāi)發(fā)環(huán)境，還能獲得一致性的開(kāi)發(fā)體驗，可以統一訪(fǎng)問(wèn)BlueField DPU上的各種硬件資源，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )、存儲、安全和基礎設施管理服務(wù)相關(guān)的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，NVIDIA還為開(kāi)發(fā)者提供了基于底層API抽象和封裝的高級API庫，大幅減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，可以更快的獲得收益，另外通過(guò)容器化的DOCA服務(wù)，可以在BlueField DPU上直接部署應用。

DOCA軟件棧

      DOCA 1.3中的正則表達式庫被稱(chēng)為Regular Expression（RegEx），是多腳本語(yǔ)言使用的標準模式匹配工具，可以創(chuàng )建與文本模式匹配的過(guò)濾器，而不僅僅是單個(gè)單詞或短語(yǔ)的匹配。正則表達式專(zhuān)為高吞吐量、低延時(shí)、深度包檢測的應用程序設計，這些應用程序需要對數據包進(jìn)行負載檢測和異常監測，通過(guò)正則表達式模式匹配和字符串來(lái)實(shí)現相應的應用功能。正則表達式還可以實(shí)現安全和遙測功能，可以在DOCA 1.3上提供安全方面的應用，例如應用識別、入侵防御系統、URL過(guò)濾、文件掃描、深度數據包檢測、App Shield內存掃描等，為安全軟件開(kāi)發(fā)提供底層的API支持。

      借助基于OVN的數據路徑加密功能，不同主機之間可以利用IPsec的方式創(chuàng )建不同的隧道進(jìn)行數據加密，保證數據在各個(gè)主機之間傳遞時(shí)是加密的狀態(tài)。當數據到達某個(gè)主機時(shí)，BlueField DPU會(huì )將其解密成明文，把這些明文數據再傳遞給主機側，為負載和應用程序提供數據。

      在NVIDIA BlueField DPU上，基于主機的網(wǎng)絡(luò )（HBN）有助于對同一節點(diǎn)上的虛擬機和容器之間的流量進(jìn)行管理和監控。如果在一個(gè)服務(wù)器主機上創(chuàng )建了多個(gè)虛擬機或多個(gè)容器，在它們之間會(huì )有一些數據流量，不管是二層數據流量還是三層路由的功能，都可以通過(guò)基于主機網(wǎng)絡(luò )的DOCA服務(wù)在BlueField DPU上實(shí)現，并且可以做分析和加密進(jìn)出節點(diǎn)的流量，還會(huì )把一些原來(lái)是依賴(lài)TOR交換機上的功能也在BlueField DPU中實(shí)現，改變了數據中心網(wǎng)絡(luò )構建的方式。

OVN數據路徑加密

      胡效赫是一名來(lái)自高校的開(kāi)發(fā)者，他所在的團隊參加了首屆NVIDIA DPU中國黑客松競賽，并獲得了亞軍?！拔覀兊膱F隊是由一位博士后和兩位博士生組成的，研究方向是云計算、分布式系統、高性能計算。DPU作為數據中心重要組成部分，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)習和參與DPU的相關(guān)開(kāi)發(fā)，對DOCA的API進(jìn)行深度、定制化開(kāi)發(fā)，實(shí)現更好的性能和更豐富的功能，并且與指導專(zhuān)家和其他團隊進(jìn)行更多的交流?！焙Ш辗Q(chēng)。

      據了解，該團隊的項目出發(fā)點(diǎn)是著(zhù)眼于基礎設施的業(yè)務(wù)可觀(guān)測性，并為此提出“DeepTrace”項目——面向DPU驅動(dòng)的基礎設施的網(wǎng)包級函數粒度業(yè)務(wù)可觀(guān)測性。以DOCA提供的NetFlow和粗粒度可觀(guān)測性為基礎，對應DOCA Netflow API庫，結合DPU的高性能網(wǎng)絡(luò )處理功能，對應DPU的ASAP2網(wǎng)包分類(lèi)引擎，以及DOCA Flow API庫的數據平面和控制平面的可編程能力，將可觀(guān)測性的力度提升至網(wǎng)包級，并精確到每個(gè)函數功能，性能損耗幾乎可以忽略不計。

      在DeepTrace項目的系統架構中，業(yè)務(wù)流量先經(jīng)過(guò)DeepTrace預選器，再經(jīng)由原始的DPU程序進(jìn)行處理，在DPU程序中會(huì )調用DeepTrace的觸發(fā)器實(shí)現相應點(diǎn)位的觀(guān)測，被觀(guān)測的數據會(huì )被匯總收集至分析器，通過(guò)數據的重組和分析得到相應結果，例如異常流量檢測、業(yè)務(wù)問(wèn)題定位等。

      其中，觸發(fā)器部分的挑戰是如何以最小的代價(jià)收集鏈式函數和網(wǎng)包的信息，上述團隊采用的方案是以統一化、輕量化的函數內觸發(fā)器實(shí)現，將DOCA NetFlow庫修改為網(wǎng)包粒度，而需要觀(guān)測的函數以API的形式調用觸發(fā)器。在預選器部分的挑戰是如何處理大規模原始流量，并在函數鏈中記錄網(wǎng)包，該團隊采用的方案是通過(guò)硬件卸載的預選器進(jìn)行標記和過(guò)濾。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，調用DOCA Flow庫配置所需預選的規則實(shí)現。分析器部分，由運行在A(yíng)RM控制平面的開(kāi)源開(kāi)放工程實(shí)現。

      胡效赫表示：“通過(guò)專(zhuān)家的指導，我們更充分地了解了DPU軟硬件特性，積累了DPU的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，也看到了其他團隊在DPU上的創(chuàng )新實(shí)踐。這次的經(jīng)歷，為我們后續基于DPU進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)提供了很好的幫助?！毕鄳?，DPU中國虛擬黑客松競賽也可以激發(fā)DOCA開(kāi)發(fā)者的創(chuàng )新，在NVIDIA BlueField DPU和NVIDIA DOCA應用場(chǎng)景上帶來(lái)一些啟發(fā)，包括分布式存儲、數據流跟蹤分析、裸金屬云管理、RDMA數據包加解密等方面。下一步，NVIDIA計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(guò)半數的DOCA社區注冊開(kāi)發(fā)者來(lái)自中國。自去年建立以來(lái)，DOCA社區陸續為國內開(kāi)發(fā)者開(kāi)通了BBS官方論壇、DOCA文檔庫，以及DOCA的微信群，并且在微信公眾號后臺和知乎等知識平臺上積極回答相關(guān)問(wèn)題。此外，考慮到開(kāi)發(fā)者可能沒(méi)有DPU為自己的程序做驗證，NVIDIA會(huì )通過(guò)與合作伙伴聯(lián)合成立的DPU & DOCA卓越中心，提供相應的環(huán)境來(lái)測試和驗證代碼。參與第一期卓越中心試運行的合作伙伴為麗臺（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(kāi)發(fā)環(huán)境有三個(gè)要點(diǎn)：第一是可遠程訪(fǎng)問(wèn)的免費開(kāi)發(fā)環(huán)境，或是在上面運行已經(jīng)開(kāi)發(fā)好的程序；第二是提供了完整的開(kāi)發(fā)平臺，可以進(jìn)行程序編譯、運行和相應的測試；第三是主要支持中國的DOCA開(kāi)發(fā)者，加速應用的創(chuàng )新。同時(shí)，卓越中心的工程師和NVIDIA的專(zhuān)家也會(huì )提供相關(guān)的技術(shù)幫助。每個(gè)卓越中心的運營(yíng)公司會(huì )提供兩套開(kāi)發(fā)環(huán)境，這樣初期會(huì )有四套開(kāi)發(fā)環(huán)境供免費使用，DOCA開(kāi)發(fā)者需要自備登錄設備和相應的軟硬件環(huán)境，卓越中心會(huì )提供完整的軟硬件DOCA開(kāi)發(fā)環(huán)境。

      DOCA開(kāi)發(fā)環(huán)境的開(kāi)放時(shí)間是周一至周四的9：00-15：00。申請人可以向卓越中心提交申請，審核批準之后會(huì )獲得2-6小時(shí)的免費開(kāi)發(fā)環(huán)境使用權。需要注意的是，每次申請獲批后的時(shí)間是沒(méi)有辦法延長(cháng)的，例如申請了4小時(shí)，那么4小時(shí)快用完時(shí)，再想延長(cháng)2個(gè)小時(shí)是不行的，需要再次發(fā)起申請。截至今年年底，每一位開(kāi)發(fā)者最長(cháng)半年時(shí)間之內總使用時(shí)間不超過(guò)10個(gè)小時(shí)。在申請免費開(kāi)發(fā)環(huán)境時(shí)，開(kāi)發(fā)者需要提前48小時(shí)發(fā)出郵件，以便后臺工程師分配系統資源和環(huán)境。

      一直以來(lái)，NVIDIA都是開(kāi)源領(lǐng)域的積極貢獻者，在網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)亦是如此，包括SONiC、OVS、DPDK、OpenMPI等等，在整個(gè)Linux社區是第三大貢獻者，在DPDK和SPDK社區的第二大貢獻者，并且成為了Linux OPI項目創(chuàng )始成員。DOCA開(kāi)放API和庫之后，開(kāi)發(fā)者可以借此來(lái)編寫(xiě)應用程序的中間層，通過(guò)相關(guān)接口可以更便捷的發(fā)揮DPU特性，包括硬件卸載、正則表達式、RDMA等。

      NVIDIA網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)總監孟慶表示：“我們會(huì )在OPI和基金會(huì )里做出相應的貢獻，把整個(gè)DOCA開(kāi)放出來(lái)。上層的東西，包括一些安全功能、存儲加速、網(wǎng)絡(luò )硬件卸載等特性，都會(huì )進(jìn)行開(kāi)放，無(wú)論是客戶(hù)、ISV，還是合作伙伴、OEM廠(chǎng)商，都能在開(kāi)放的架構之上編寫(xiě)應用程序，這里指的甚至不止是網(wǎng)絡(luò )程序，而是一個(gè)大的數據中心管理程序，里面會(huì )調用DOCA這樣的框架?！?/p>

      如今，NVIDIA BlueField DPU已作為核心部件應用到NVIDIA認證系統中，包括HGX、EGX和OVX，以及為這些認證系統平臺提供加速的以太網(wǎng)或InfiniBand解決方案，同時(shí)連接NVIDIA Spectrum端到端以太網(wǎng)平臺或Quantum InfiniBand網(wǎng)絡(luò )平臺，為現代數據中心工作負載提供所需的精確定時(shí)、高性能、高級的安全性和豐富的功能，構建AI工廠(chǎng)的核心骨干網(wǎng)絡(luò )，有力支撐上層系統軟件、高性能計算、人工智能和虛擬仿真平臺應用，在云計算、網(wǎng)絡(luò )安全、存儲、管理平臺和邊緣計算等領(lǐng)域構建全面的生態(tài)解決方案。

      相關(guān)數據顯示，2023年起全球DPU市場(chǎng)規模將突破百億美元，并進(jìn)入年增長(cháng)率超過(guò)50%的快車(chē)道。2023年，中國的DPU市場(chǎng)規模會(huì )超過(guò)300億元，增長(cháng)潛力巨大。具體來(lái)說(shuō)，DPU 的大規模應用主要面向三個(gè)方面：通過(guò)數據中心加速計算模型帶來(lái)的大規模應用，DPU能夠為CPU的業(yè)務(wù)應用負載和GPU的人工智能、機器學(xué)習工作負載提供數據傳輸及數據處理，性能成本比、基礎架構通用性與軟硬件可迭代成為關(guān)注要素；針對客戶(hù)的數據中心基礎設施應用場(chǎng)景定制設計，通過(guò)大規模部署DPU滿(mǎn)足特定應用場(chǎng)景的需求并解決問(wèn)題；通過(guò)生態(tài)體系帶來(lái)的大規模應用，從客戶(hù)多樣化應用需求出發(fā)，基于開(kāi)放、標準化平臺提供創(chuàng )新應用的通用集成解決方案，買(mǎi)來(lái)即可集成和部署。

      可以看到，DPU是圍繞著(zhù)數據在數據中心和應用場(chǎng)景的一系列特征應運而生的，而DOCA就像是DPU的靈魂，二者相互結合才能發(fā)揮出最大的功效。從硬件方面來(lái)看，DPU既可以作為獨立的芯片或板卡，也可以作為額外的芯片集成在GPU或CPU中，給了客戶(hù)個(gè)性化的選購和部署自由度，可以根據實(shí)際應用場(chǎng)景來(lái)定制。同時(shí)，與之相配的DOCA則借助全面開(kāi)放的開(kāi)發(fā)套件，最大限制降低了基于BlueField DPU的開(kāi)發(fā)門(mén)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。