网卡介绍篇

1.什么是网卡？

2.网卡的演进

3.网卡的主要功能

4.服务器网卡介绍

5.服务器网卡的分类

6.网卡接口介绍

7.业界网卡主流厂商

8.SmartNIC概念介绍

9.SmartNIC产业发展趋势

10.SmartNIC实现

10-1.实现形式

10-2.SmartNIC不同实现技术对比

11.Mellanox ConnectX-5 VPI/InnovaFlex FPGA卡

12.Intel Arria10 FPGA网卡

13.Intel Stratix 10 FPGA网卡

14.SmartNIC网卡设计考虑

15.SmartNIC进展综述

1.什么是网卡？

网卡是计算机与局域网互连的设备

网卡，又称为网络适配器或网络接口卡NIC（Network interface Card），是构成计算机网络系统中最基本的、最重要的和必不可少的连接设备，计算机主要通过网卡接入网络.

网卡历史：上世纪80年代末期，国外微机界已经预测，90年代计算机使用的环境就是网络，事实上也确实如此.局域网的发展在整个计算机网络领域中有相当大的影响。网卡即局域网与计算机的连接设备.

网卡是局域网中连接计算机和传统介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质的访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能.

2.网卡的演进

网络在早期发展时，应用、数据都很少，网络的速率也很低，只有10M/100M等.而发展到现在，特别是大数据时代，数据成爆发性增长，这就要求网络的速率更高，延时也更小.

3.网卡的主要功能

网卡在TCP/IP模型中，工作在物理层及数据链路层，用于接收和发送计算机数据.

发送数据时，加上首部和尾部；接收数据时，剥去首部和尾部

链路管理：主要是CSMA/CD（冲突检测的载波监听多路访问）的实现
编码与译码：物理层数据的编码与译码

网卡主要功能

代表固定的网络地址
数据的发送与接收
数据的封装与解封

网卡包括OSI模型的物理层和数据链路层。

物理层定义了数据传送与接收所需要的电与光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路等，并向数据链路层设备提供标准接口.
数据链路层则提供寻址机构、数据帧的构建、数据差错检查、传送控制、向网络层提供标准的数据接口等功能.

4.服务器网卡介绍

服务器专用网卡 vs 普通网卡

相对于服务器专用网卡来说，普通网卡指应用在普通PC、工作站、消费级电子产品中的网卡，对网卡的可靠性、安全性等要求不高。而服务器与普通PC工作站的不同在于，服务器一直处于工作中，且要求长时间稳定运行，这就要求服务器网卡具有以下特点：

数据传输速度快

服务器时刻处于大数据计算、交换过程中，普通网卡的10Mbps、100Mbps的数据已不满足大数据流量网络，当前服务器常用的网卡速率为10Gbps、25Gbps等；

CPU占用率低

服务器的CPU是不停工作的，处理着大量的数据。如果一台服务器的大部分时间都在为网卡提供数据响应，势必会影响到对其他任务的处理速度。服务器网卡有自带的控制芯片，可以处理一些CPU任务，从而减少CPU的计算开销；

安全性能高

如果服务器的网卡出现故障，则服务器将无法接收、发送数据，相当于宕机，所以高可靠性是服务器网卡的一个要求。服务器网卡大都具有容错功能，如intel的AFT(网卡出错冗余）、ALB（网卡负载均衡）等技术.

5.服务器网卡的分类

NIC：Network interface Card

特指以太网卡，支持TCP/IP协议，应用于以太网络中

Network Card, Gigabit , LC Fiber Optic,2 Ports , PCIE 2.0 X4-8086-1522-2

CNA :Converged Network Adapter

融合网卡，本质上是以太网卡，但支持FCoE功能（FC over Ethernet）

Other Cards , FCoE-SFP Interface , 2 ports , PCIE 2.0 X8-Vendor ID 19a2-Device ID 0710|0714-4

HBA：Host Bus Adapter

特指FC网卡，支持FC协议，连接存储或光纤交换机

Single Port FC HBA Card , PCIE 2.0 X4|PCIE 1.0 X8-Vendor ID 10DF-Device ID F100-1,8Gbps,Fiber Channel Multimode LC Optic Interface

HCA：Host Channel Adapter

特指Infiniband网卡，即IB卡,应用于高带宽、低时延的高性能计算项目中；

Other Cards , Infiniband MCX353A-FCBT,FDR Single port-56Gb/sPCIE 3.0 X8-Vendor ID 15b3-Device ID 1003-1

6.网卡接口介绍

7.业界网卡主流厂商

当前主流芯片厂家有intel、broadcom、cavium和Mellanox.

Intel是以太网卡领域重要厂商，基于DPDK构建生态，持续在网卡发力
Avago收购Emulex、broadcom后的以太业务后，成立新的母公司Broadcom，整合NIC业务，发力云场景.
Cavium聚焦FC HBA业务，发力存储HBA场景.
Mellanox：业界infiniband唯一厂商，应用于极致性能场景，如HPC，同时也提供以太解决方案.目前已被NVIDIA收购.

8.SmartNIC概念介绍

微软Azure提出SmartNIC的概念，SmartNIC通过从服务器CPU卸载网络处理工作负载提高数据中心的服务器性能。用FPGA等加速网卡处理能力；Azure的计算规模定义是Milion级计算实例，Exabyte级存储空间，Pbps级网络带宽.VM之间通过vSwitch互连，vSwitch需要根据VM进行调度和流控.所以说到底复杂度会出现在vSwitch中，微软实现这个调度的算法称为VFP（Virtual Filtering Platform），通过VFP来给网卡调度数据流：

标准网卡(NIC)和智能网卡(Smart NIC)的根本区别在于Smart NIC从主机CPU卸载的处理量.Smart NIC是围绕FPGA平台设计的，FPGA被设计为接受本地化编程,在硬件实现上，NIC和FPGA不需要做在一起，FPGA通过CCIX连入一个自带网卡的SoC.

9.SmartNIC产业发展趋势

2020年，全球市场SmartNIC总量约为25亿美金，其中销售收入以CAGR 10%的速度在增长
高速率如25GE，50GE，100GE，200GE端口到2022年，占比约为45%左右发货量，主要在新建公有云中，总销售占比在60%左右；
未来几年智能网卡保持60%-70%左右的增长率，普通网卡呈现下降趋势

10.SmartNIC实现

10-1.实现形式

基于DPU（数据处理单元）的SmartNIC十分火热，SmartNIC跟传统NIC有什么区别，它们的作用是什么？

NIC是插入服务器或存储盒以实现到以太网网络连接的PCIe卡.
基于DPU的SmartNIC不仅具有简单的连接性，而且还可以在NIC上实现网络流量处理实现数据加速.

由于SmartNIC卡提供商产品架构体系不同，导致业界对基于DPU的SmartNIC的定义完全集中在技术实现上，这导致基于某种技术实现SmartNIC的厂商认为，只有他们制造的NIC类型才有资格成为SmartNIC，但这是有问题的，因为基于DPU（数据处理单元）的SmartNIC可以基于ASIC，FPGA和片上系统（SOC）技术实现.

10-2.SmartNIC不同实现技术对比

不同技术实现形式都在成本、编程的简易性和灵活性方面有各种权衡

ASIC具有很高的成本效益，可以提供最佳的价格性能，但其灵活性有限。虽然基于ASIC的NIC（例如Mellanox ConnectX-5）可以具有相对容易配置的可编程数据路径，但最终功能将受到基于ASIC中定义的功能的限制.

FPGA NIC（例如Mellanox Innova-2 Flex相比之下）是高度可编程的，并且可以花费足够的时间和精力来相对有效地支持几乎任何功能（在可用门的限制内），然而，众所周知，FPGA难以编程且价格昂贵.

因此，对于更复杂的用例，SOC（如Mellanox BlueField DPU可编程SmartNIC）提供了似乎是基于DPU的最佳SmartSmart实施选项：良好的价格性能，易于编程且高度灵活.

11.Mellanox ConnectX-5 VPI/InnovaFlex FPGA卡

Innova-2具有PCIe 4.0 x8主机连接性和双端口SFP28 25GbE功能。板载PCIe交换机允许管理员使用Xilinx FPGA在网络流量路径中配置卡以进行高速数据包处理，或者将其配置为暴露给主机系统和网络以进行计算负载的设备.Xilinx FPGA具有4GB板载DDR4-2400存储器.

MelaNox加速交换和分组处理（ASAP2）技术允许通过在NIC硬件中处理数据平面来卸载vSwitc/vRouter，同时保持控制平面未被修改.在没有相关CPU负载的情况下，vSwitc/vRouter性能显著提高.

由CONTROX-5支持的vSwitc/ vRouter卸载功能包括覆盖网络（例如，VxLAN、NVGRE、MPLS、GNYVE和NSH）报头的封装和去封装，以及内部分组的无状态卸载、分组报头的NAT功能等等.