李亮，陳茹萍，方魯杰，韓宇崢，姜冰，徐志亮，袁泉

（1.中電（海南）聯(lián)合創(chuàng)新研究院有限公司，海南 澄邁 571924；2.海南省 PK 體系關鍵技術研究重點實驗室，海南 澄邁 571924；3.中軟信息系統(tǒng)工程有限公司，中國 北京 102209）

0 引言

國產(chǎn)化網(wǎng)絡技術創(chuàng)新和應用已經(jīng)成為國內(nèi)發(fā)展的主流趨勢，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和信息安全問題也越來越得到國家的重視。為了我國互聯(lián)網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展壯大，構造我國自主創(chuàng)新的網(wǎng)信產(chǎn)業(yè)體系，使國產(chǎn)信息化產(chǎn)品更好地與國產(chǎn)計算機體系進行適配，中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團于2019 年發(fā)布了完全獨立自主研發(fā)的國產(chǎn)化計算機軟硬件基礎體系—PKS 體系[1]，它具有自主、安全、可控的特性。

在這個大背景下，國家網(wǎng)信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也帶動了國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的發(fā)展。國產(chǎn)智能網(wǎng)卡相較于普通網(wǎng)卡，在業(yè)務卸載、基于硬件級別的網(wǎng)絡虛擬化和網(wǎng)絡安全等方面都有較大優(yōu)勢。將國產(chǎn)智能網(wǎng)卡加入PKS 體系中，可以進一步加強計算機底層軟硬件的網(wǎng)絡自主安全能力。

本文研究了基于 PKS 體系下國產(chǎn)智能網(wǎng)卡在不同場景的性能規(guī)律，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段國產(chǎn)智能網(wǎng)卡在實際應用中存在的問題，為用戶選擇國產(chǎn)智能網(wǎng)卡提供數(shù)據(jù)參考，同時推動國產(chǎn)智能網(wǎng)卡廠商對其進行優(yōu)化，加速PKS 體系對網(wǎng)絡自主安全可控的研究。

1 研究內(nèi)容

1.1 研究背景

PKS 體系是由中國電子自主研發(fā)的綠色、開放、共享、安全的數(shù)字原生態(tài)架構體系。其中P 代表Phytium飛騰處理器，K 代表Kylin 麒麟操作系統(tǒng)，S 代表Security注入安全能力[2]。PKS 體系將國產(chǎn)化操作系統(tǒng)和CPU(Central Processing Unit)處理器進行整合，并將安全注入到最底層，形成一條完整的國產(chǎn)化計算機產(chǎn)業(yè)鏈。PKS 體系代表國家自主網(wǎng)信產(chǎn)業(yè)的主流趨勢，也被稱為“中國架構”。

PKS 體系的架構優(yōu)勢總結為以下三點[3-5]：

(1) 國際首次采用CPU 的內(nèi)置可信技術：將可信計算融入到飛騰CPU中，并且通過可信任白名單嵌入到麒麟操作系統(tǒng)，實現(xiàn)可信計算和安全防護的雙體系結構。

(2) 國際首次采用內(nèi)存內(nèi)置物理防護技術：在內(nèi)存控制層內(nèi)置硬件防護芯片，對關鍵代碼和數(shù)據(jù)進行實時的權限管理。

(3)終端統(tǒng)一安全中心、云端統(tǒng)一安全管控：在終端統(tǒng)一安全防護軟件接口、在云端統(tǒng)一安全管控接口，使常規(guī)安全軟件與PKS 底層核心一體化來提升安全防護效果和效率。

PKS 體系加強了網(wǎng)絡安全防護，通過處理器內(nèi)核間物理隔離和物理安全防護，將可信計算3.0 主動免疫隔離出可信核用于可信計算、內(nèi)存隔離、I/O 隔離等，并通過將白名單機制嵌入到麒麟操作系統(tǒng)中進行全流程監(jiān)控管理?？尚庞嬎?.0 技術將可信計算融入到處理器進行安全防護，為網(wǎng)絡信息系統(tǒng)培養(yǎng)主動免疫能力，形成操作系統(tǒng)和存儲控制器多級最底層的體系防護。

PKS 體系的網(wǎng)絡安全防護[3]如圖1 所示。

圖1 PKS 可信雙體系防護

目前PKS 體系已經(jīng)在數(shù)據(jù)庫、云計算等方面得到應用，形成一條完整安全的國產(chǎn)化計算機產(chǎn)業(yè)鏈，但是隨著我國互聯(lián)網(wǎng)技術不斷發(fā)展壯大，在云存儲和虛擬化平臺網(wǎng)絡數(shù)據(jù)和信息安全等方面的問題也在不斷顯露出來，因為大量的業(yè)務需求致使網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量快速增長，加重了宿主機的硬件負擔，雖然軟件優(yōu)化可以增強轉(zhuǎn)發(fā)性能[6]，但是仍然存在以下幾個問題：

(1)虛擬交換機在使用時會占用服務器的多個CPU核，大量消耗宿主機的計算資源，造成企業(yè)的成本增加和資源浪費。

(2)隨著服務器網(wǎng)口帶寬的提升，到了25 Gb/s 甚至100 Gb/s 之后，服務器用于處理數(shù)據(jù)報文的開銷越來越大，軟件優(yōu)化方案無法解決面臨的性能瓶頸，無法滿足高速增長的高網(wǎng)絡帶寬的需求。

1.2 國產(chǎn)智能網(wǎng)卡

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的出現(xiàn)是為了實現(xiàn)對各種虛擬化網(wǎng)絡的支持，并將網(wǎng)絡、存儲和系統(tǒng)需要利用宿主機高資源的網(wǎng)絡功能進行卸載，提升數(shù)據(jù)處理能力，釋放硬件資源，并將其加入PKS 體系，提升網(wǎng)絡的安全隔離能力。

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡架構技術特點：

(1)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡可以實現(xiàn)對部分網(wǎng)絡功能的卸載，提高網(wǎng)絡吞吐量，減少宿主機的負載。

(2)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡具有獨立的計算單元，能夠完成特定的重組加速和安全加速等功能。

(3)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡具備可定制功能，根據(jù)需求靈活定制新的功能特性，可以執(zhí)行特定的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)功能，增加一定的邏輯后還可以實現(xiàn)部分vSwitch 的功能[7]。

目前國內(nèi)流行的國產(chǎn)智能網(wǎng)卡主要分為三類：基于ASIC(Application Specific Integrated Circuit)架構、基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)架構、基于SoC(System on Chip)架構。

基于ASIC 架構使用專用網(wǎng)絡通道，通過多線程微處理器加速內(nèi)核為用戶提供最高使用性能，同時降低CPU 負擔。ASIC 架構的智能網(wǎng)卡成本低，性能優(yōu)，但其開發(fā)周期長，設計完成后邏輯固化不可更改。

基于FPGA 架構通過使用FPGA 編程對智能網(wǎng)卡的通用邏輯和可重構處理邏輯進行重新編輯，編程后可以滿足不同要求的使用需求。FPGA 智能網(wǎng)卡靈活性高，但是其成本較高，難編譯。

基于SoC 架構設計是集合ASIC 和FPGA 編程的集成CPU 處理器，它擁有前兩種的所有優(yōu)勢，可以零消耗實現(xiàn)虛擬化層。SoC 智能網(wǎng)卡的實用性強，易操作，更具有實際應用價值。

本文所研究的國產(chǎn)智能網(wǎng)卡是采用國產(chǎn)多核處理器+FPGA 的協(xié)同架構，提供高性能和可編程能力。FPGA 可編程能力可以根據(jù)需求靈活定制新的功能特性，并且內(nèi)置國產(chǎn)CPU 也可加強網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩?，起到網(wǎng)絡安全隔離的作用[8]，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡是國產(chǎn)化網(wǎng)絡安全體系不可或缺的構件。其架構原理圖如圖2所示。

圖2 國產(chǎn)智能網(wǎng)卡架構原理圖

為了滿足國產(chǎn)計算機對實際業(yè)務的需求，將國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的特點與PKS 體系的特性相結合，從而增強網(wǎng)絡安全、提升網(wǎng)絡性能。

1.2.1 國產(chǎn)智能網(wǎng)卡與普通網(wǎng)卡的區(qū)別

普通網(wǎng)卡僅實現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能[9]，但是服務器CPU 則負責處理上層邏輯的網(wǎng)絡協(xié)議。CPU根據(jù)上層的邏輯對數(shù)據(jù)包進行封裝和解封，而網(wǎng)卡根據(jù)更下層的邏輯僅對幀進行封裝和解封。

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡卸載了部分傳輸層和路由層的處理邏輯[10]，并將有線網(wǎng)絡和計算資源整合在一張可以編程的網(wǎng)卡上，以減少硬件的開銷，提高服務器運行關鍵程序和操作系統(tǒng)的效率。智能網(wǎng)卡還具備計算能力，可以將服務器端的網(wǎng)絡功能、安全功能和儲存功能等卸載到網(wǎng)卡的硬件上，完全釋放服務器的運算處理能力，使宿主機有更多資源去和現(xiàn)有的高速網(wǎng)絡進行匹配。

1.2.2 國產(chǎn)智能網(wǎng)卡應用特征

(1) 網(wǎng)絡虛擬化。將Open vSwitch 等常見流量處理工作卸載到智能網(wǎng)卡中，構建基于硬件性能級別的OverLay 網(wǎng)絡和VxLAN/Geneve 網(wǎng)絡，優(yōu)化網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)性能。

(2) 存儲優(yōu)化。國產(chǎn)智能網(wǎng)卡提供標準化接口機制，操作系統(tǒng)可以直接訪問存儲資源池，減少對特定外部設備驅(qū)動的依賴。

(3) 加速功能。國產(chǎn)智能網(wǎng)卡支持卸載部分傳輸層和路由層的處理邏輯，降低服務器的資源開銷，提高網(wǎng)絡吞吐量。

(4) 架構靈活。FPGA 架構靈活開放，軟硬件都具備可編程能力，支持擴展網(wǎng)卡特性和應用功能。并且提供Virtio 虛擬化原生接口，減少對外部驅(qū)動的依賴，即插即用靈活部署。

(5)芯片安全。采用國產(chǎn) CPU 芯片，安全可控，為用戶網(wǎng)絡安全提供基礎保障。

2 測試實驗

為了使國產(chǎn)智能網(wǎng)卡更好地與國產(chǎn)化服務器進行適配，本文在PKS 體系下對智能網(wǎng)卡的不同應用場景進行驗證，從而發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的實際應用問題，為國產(chǎn)智能網(wǎng)卡下階段優(yōu)化提供實際數(shù)據(jù)和優(yōu)化建議。本節(jié)針對國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡在PKS 體系下的應用場景進行研究和分析，主要從基準性能、HTTP 應用場景、特性場景(iSCSI 存儲場景、VxLAN 網(wǎng)絡場景)三個方面開展性能對比。

2.1 測試環(huán)境

結合實際的應用場景，本文共設計了兩套對比環(huán)境，即長城S2500+普通網(wǎng)卡和長城S2500+國產(chǎn)智能網(wǎng)卡(CPU+FPGA)，根據(jù)實際時間周期計劃，每套環(huán)境設計四組對比樣本，并行開展對比工作。具體環(huán)境如表1所示。

表1 環(huán)境配置信息

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 基準性能

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡的基準性能對比主要從帶寬、時延、請求應答響應效率、丟包率、網(wǎng)絡抖動、中斷數(shù)等方面開展，具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 網(wǎng)絡基準性能

通過對表中數(shù)據(jù)進行分析，在TCP 性能方面(包括帶寬、時延、TCP_RR)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡與普通網(wǎng)卡的性能相差幅度不大，僅在2%～15%。在UDP_RR 性能方面，智能網(wǎng)卡相較于普通網(wǎng)卡性能差異達到252.6%，其主要原因是FPGA 對于UDP(User Datagram Protocol)報文的處理邏輯存在問題。在網(wǎng)卡中斷方面，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡由于未實現(xiàn)中斷聚合功能，且中斷向量的數(shù)量較少，因此產(chǎn)生的中斷數(shù)量和CPU 利用率相較于普通網(wǎng)卡差異較大。

2.2.2 HTTP 應用場景

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡的HTTP 應用場景對比主要從QPS(Query Per Second)指標開展，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 HTTP 應用場景性能

HTTP 應用場景方面，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡相較于普通網(wǎng)卡的性能差異較明顯，主要原因有以下三點：

(1)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡目前僅支持單隊列，在多連接并發(fā)場景下，單隊列無法及時處理多個網(wǎng)絡包。

(2)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的slow path 慢路徑下的并發(fā)處理能力有限。在較大并發(fā)場景下，大量首個網(wǎng)絡包同時走slow path 慢路徑，導致無法及時處理網(wǎng)絡首包。國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的報文處理分為fast path 快路徑和slow path 慢路徑，快路徑是報文與硬件流表進行匹配后直接轉(zhuǎn)發(fā)，慢路徑是報文在硬件流表中匹配失敗，需要到軟件流表進行二次匹配再更新硬件流表進行轉(zhuǎn)發(fā)，智能網(wǎng)卡的流表流向原理圖如圖3 所示。

圖3 智能網(wǎng)卡流表流向原理圖

(3)國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的FPGA 上的硬件流表有限。在較大并發(fā)場景下，大量未被FPGA 及時處理的非首包流向CPU 的慢路徑，造成性能損耗。

2.2.3 特性場景

特性場景對國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡的性能對比，主要從iSCSI 存儲場景和VxLAN 網(wǎng)絡場景兩方面開展。

(1)iSCSI 儲存場景

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡的iSCSI 儲存場景對比主要從IOPS((Input Operations Per Second)和帶寬兩項指標開展，具體數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 iSCSI 存儲性能

在iSCSI 存儲場景下，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的各項存儲性能指標均低于普通網(wǎng)卡，主要原因有以下兩點：

①國產(chǎn)智能網(wǎng)卡內(nèi)部流控機制待優(yōu)化，未對突發(fā)的連續(xù)讀請求進行緩存和調(diào)度，造成了請求堵塞阻塞，導致讀性能較低。

②國產(chǎn)智能網(wǎng)卡內(nèi)部邏輯已經(jīng)啟用了網(wǎng)絡通道發(fā)送校驗和計算的卸載，但接收方向暫時還不支持校驗和計算卸載，導致寫性能較低。

(2)VxLAN 網(wǎng)絡場景

VxLAN(Virtual eXtensible Local Area Network,虛擬可擴展的局域網(wǎng))是一種OverLay 技術，通過三層網(wǎng)絡搭建虛擬的二層網(wǎng)絡。將VxLAN 部署在互通IP 的三層網(wǎng)絡，使用隧道端點VTEP(VxLAN Tunnel End Point)封裝相應VxLAN 數(shù)據(jù)的IP 地址，然后在物理網(wǎng)絡上創(chuàng)建多個VxLAN 網(wǎng)絡形成傳輸隧道，最后通過VxLAN 隧道來實現(xiàn)VTEP 之間的數(shù)據(jù)傳輸。

國產(chǎn)智能網(wǎng)卡和普通網(wǎng)卡的VxLAN 網(wǎng)絡場景對比主要從帶寬、時延、請求應答響應效率、包轉(zhuǎn)發(fā)效率四個方面開展，具體數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 VxLAN 網(wǎng)絡性能

在VxLAN 網(wǎng)絡場景下，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡利用FPGA硬件進行OVS 流表轉(zhuǎn)發(fā)，對于云網(wǎng)絡的加速具有一定效果，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的時延、響應效率和包轉(zhuǎn)發(fā)效率均優(yōu)于普通網(wǎng)卡，但其帶寬仍低于普通網(wǎng)卡帶寬。

3 結論

目前由于國內(nèi)對于國產(chǎn)智能網(wǎng)卡的研究仍處于初級研制階段，因此與普通網(wǎng)卡相比仍有一定的劣勢，雖然在基準性能方面相差不大，但是在HTTP 應用場景下差距較為明顯，相比較于目前市面上的主流網(wǎng)卡，我們的優(yōu)點在于：構建基于硬件性能級別的網(wǎng)絡虛擬化；硬軟件具備可編程能力，基于Virtio 虛擬化接口的開放架構；采用國產(chǎn)CPU 芯片，安全可控。

未來隨著業(yè)務數(shù)據(jù)流量不斷增加，對虛擬化網(wǎng)絡性能的提高迫在眉睫，所以國產(chǎn)智能網(wǎng)卡實現(xiàn)硬件卸載功能，為服務器硬件釋放資源，提高網(wǎng)絡性能變得十分重要。因此國產(chǎn)智能網(wǎng)卡在未來的發(fā)展中，要提高其硬件的穩(wěn)定性，使其在環(huán)境惡劣的條件下依然保持一種高穩(wěn)定性；加強硬件性能的業(yè)務卸載能力，增強其可拓展性與適配性；內(nèi)部嵌入計算性能較優(yōu)的芯片增強其計算性能，從而使國產(chǎn)智能網(wǎng)卡適配對網(wǎng)絡帶寬要求更高的網(wǎng)絡環(huán)境。

隨著PKS 體系的快速發(fā)展，國產(chǎn)智能網(wǎng)卡也需增加對應的API(Application Program Interface)接口以適應PKS 體系下的軟件適配，同時也需要加緊研制對應的監(jiān)控軟件，以能對其進行實時監(jiān)控。