1. Smart NIC介绍

Smart NIC即智能网卡，其核心是通过FPGA(现场可编程门阵列)协助CPU处理网络负载，编程网络接口功能，具有以下特征：

• 通过FPGA本地化编程支持数据面和控制面功能定制，协助CPU处理网络负载；
• 通常包含多个端口和内部交换机，快速转发数据并基于网络数据包、应用程序套接字等智能映射到到相关应用程序；
• 检测和管理网络流量。

Smart NIC能够提升应用程序和虚拟化性能，实现软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的诸多优势，将网络虚拟化、负载均衡和其他低级功能从服务器CPU中移除，确保为应用提供最大的处理能力。与此同时，智能网卡还能够提供分布式计算资源，使得用户可以开发自己的软件或提供接入服务，从而加速特定应用程序。

目前业界提供基于FPGA的Smart NIC的厂商包括Accolade、BittWare、Enyx、Ethernity、Napatech、Netcope、Reflex CES、Silicom和Solarflare，通常集成自Intel或Xilinx的FPGA来实现。此外，Broadcom，Cavium，Intel，Kalray，Mellanox，Netronome，Silicom和SolidRun均可提供基于处理器的Smart NIC，使用带有集成处理器内核或FPGA的处理器或智能I/O处理器；亚马逊和谷歌已经开发了Smart NIC ASIC。

2. Smart NIC面向的用户痛点

网络功能虚拟化（NFV）作为云计算的一部分演化，亚马逊和谷歌等“Web-Scale”提供应商使用商品硬件或商用现成（COTS）硬件组件构建自己的计算和网络平台，通过开发定制软件来控制它们。应用程序需要通过多个虚拟机（VM）甚至不同的服务器才能执行服务所需的所有功能，在与服务器VM或管理程序的每个交汇点处，都可能通过处理数据包来收集收费，从而减慢通信量。由此而来的软件虚拟化层性能损失，使得COTS硬件已经无法满足诸如移动流量等苛刻应用的性能需求：

• VXLAN等重叠隧道协议和OpenFlow、Open vSwitch（OVS）等虚拟交换技术的引入使得网络中数据平面的复杂性急剧增加；
• 数据中心超融合基础架构带来的带宽需求增加使得网络处理功能在CPU上产生更大的负载，影响应用程序执行；
• 传统网卡固定功能的流量处理功能无法适应SDN和NFV。

解决这些问题的方法包括：

• PCI网卡直通（PassThrough）到虚拟机，创建VM专用网卡，从而绕过虚拟机管理程序并处理不同数据包的复杂性；但是，该技术需要额外的网卡，从而增加网卡管理的复杂性；
• 使用网卡支持的PCI Express单根IO虚拟化（SR-IOV）技术，允许网卡将物理端口映射为多个虚拟端口或虚拟功能（VF），使得每个虚拟端口都可以绑定到VM，从而节省CPU资源并改善网络延迟和整体性能；但是，大多数网卡最多有效支持1GbE端口的8-16个虚拟端口和10GbE端口的40-64个虚拟端口。
• 目前最有效的硬件方法Smart NIC，将虚拟交换机功能完全从服务器CPU转移到网卡，释放昂贵的服务器CPU的计算能力以返回给应用程序，从而更好地扩展网卡功能并提供更高的性能。

3. Smart NIC应用场景

Smart NIC的应用场景包括：

• 白盒作为最受欢迎的商用现成（COTS）硬件，可以加入插件实现软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的各种计算和网络功能；Smart NIC可以将代码从CPU引入网卡，显著加速用于安全应用的加密/解密或用于深度包检测（DPI）应用程序，降低CPU负载，并且支持灵活的网络可编程性；
• 超融合架构数据中心中，Smart NIC为SDN和虚拟化应用程序提供硬件加速与网络接口紧密结合，并可分布在大型服务器网络中，减小CPU负载，提供额外的边缘计算能力，加速特定应用和虚拟化功能，并且通过正确的语言和工具链支持，为用户提供应用加速即服务的附加价值。