中興通訊分布式存儲+ DPU，加速數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)型

　　作者：郭偉 中興通訊研發(fā)規(guī)劃無線總工

　　“后摩爾時代”的存儲新挑戰(zhàn)

　　隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、5G等產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，存儲需求呈爆炸式增長。數(shù)據(jù)中心I/O帶寬不斷增長，同時多樣的應用對數(shù)據(jù)中心存儲性能提出越來越嚴苛的要求。數(shù)據(jù)中心存儲網(wǎng)絡的延時也在不斷下降，從原來的毫秒級到如今的微秒級，未來甚至逼近納秒級，這對CPU處理存儲網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的時效性提出更高要求。

　　中興通訊認為，為了適應未來數(shù)據(jù)中心的存儲需求，需要從四個維度來考量：高性能、穩(wěn)定性、可編程性和安全性。

　　高性能方面，由于主機側所面臨的網(wǎng)絡處理壓力不斷增長，延遲方面則是由毫秒級逐漸走向微秒級別，單個報文留給存儲軟件來處理的時間越來越短;

　　穩(wěn)定性方面，即包含對網(wǎng)絡故障處理、轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定性及本身軟硬件的穩(wěn)定;

　　可編程性方面，各種硬件加速之后，要周全考慮如何讓硬件能夠很好地去支撐存儲業(yè)務所需要的不斷迭代;

　　安全性方面，全面實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，客戶訪問IO流量防護等。

　　從2016年開始，摩爾定律終結的各種聲音此起彼落，摩爾定律趨近極限。然而隨著人工智能業(yè)務的普及，越來越多的云上AI計算又對網(wǎng)絡和存儲I/O的時延性能提出了更極致的需求，RDMA(Remote Direct Memory Access)和NVMe(NVM Express)等高性能網(wǎng)絡和存儲協(xié)議在傳統(tǒng)架構下，60%以上的CPU 資源會被網(wǎng)絡處理占用，使得存儲應用層可分配的CPU 資源捉襟見肘。

　　為解決后摩爾時代I/O性能瓶頸，保證存儲協(xié)議處理高效，使用DPU(Data Processing Unit，數(shù)據(jù)處理器)來釋放CPU資源的存儲硬件加速卸載方案應運而生。

　　分布式存儲加速走向可編程的硬件加速

　　DPU是一種新型可編程處理器，集多個關鍵要素于一身：

　　算力卸載能力。將存儲協(xié)議和安全協(xié)議的封裝與解封裝等耗費大量CPU算力任務卸載到DPU上，節(jié)約更多CPU算力支撐更多的應用業(yè)務。

　　數(shù)據(jù)加速能力。可將存儲去重，壓縮協(xié)議處理提前到DPU上處理，加速數(shù)據(jù)協(xié)議處理速度，減少數(shù)據(jù)流量。

　　NVMe-of能力。在分散的計算架構中，連接不同資源池的方式將從原來的系統(tǒng)總線承載，轉(zhuǎn)變成總線-網(wǎng)絡-總線的方式。

　　網(wǎng)絡側無損網(wǎng)絡傳輸。網(wǎng)絡側為存儲系統(tǒng)提供高效擁塞控制機制和增強的負載均衡能力，降低長尾時延，提供更可靠更高效的存儲傳輸網(wǎng)絡。

　　安全能力�？蓪�數(shù)據(jù)加密交給DPU來處理，簡化軟件實現(xiàn);精細化的流量測量支撐精細化的故障檢測能力，讓流量數(shù)據(jù)更透明安全。

　　這些DPU功能對于實現(xiàn)安全的、高速、可靠的存儲加速方案至關重要，它的應用場景變得越來越寬。

　　圖1 分布式存儲關鍵路徑算力需求

　　對存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理全路徑中對應的算力需求進行完整分析，可發(fā)現(xiàn)DPU上存儲加速主要應用包含以下幾個方面。

　　DPU 加速帶來性能提升

　　DPU 的 NVMe-of 功能，使得 DPU 在 PCIE 總線上以完整 NVMe 接口設備的形態(tài)，工作在主機系統(tǒng)中。操作系統(tǒng)只需要用自身的傳統(tǒng)本地 NVMe 驅(qū)動，就可以直接訪問 NVMe 全閃存儲池，所有軟件定義功能完全在 DPU 上實現(xiàn)。

　　DPU 助力 “算存分離”

　　DPU 架構和技術，使計算側運行的業(yè)務應用和操作系統(tǒng)內(nèi)核，可以用簡單的本地存儲訪問 API，就能實現(xiàn)對遠端存儲系統(tǒng)的高效透明訪問。所有的安全加密、數(shù)據(jù)去重壓縮、負載均衡等復雜又必須的功能則可完全由 DPU 透明地加速、卸載。

　　DPU 釋放 CPU 的資源，加速提升效率

　　存儲技術在不斷地創(chuàng)新、完善、加速演進，以更好地滿足業(yè)務的存儲需求，但同時也使得存儲協(xié)議和文件系統(tǒng)越來越繁重。隨著集群規(guī)模的增大，服務器上存儲 IO 負載變得復雜，持續(xù)消耗、占用主機 CPU 資源。通過 DPU 加速的存儲技術，可以使服務器上的 CPU滿負荷投入到容器、虛擬機中運行的計算業(yè)務中。

　　中興通訊分布式存儲+ DPU硬件加速方案

　　作為全球領先的綜合通信與信息技術解決方案提供商，中興通訊一直深耕服務器及存儲領域，致力于分布式存儲產(chǎn)品的自主研發(fā),協(xié)同自研DPU軟硬一體產(chǎn)品，通過關鍵技術優(yōu)化，構建以DPU為中心的分布式存儲硬件加速方案，聚焦于RDMA技術應用、NVMe-oF高性能存儲網(wǎng)絡協(xié)議卸載、存儲協(xié)議卸載、安全功能卸載等方面。

　　中興通訊分布式存儲+ DPU硬件加速方案具有以下特點：

　　RDMA offload：DPU通過RDMA網(wǎng)絡直接訪問遠端存儲，低時延，低抖動，低CPU使用率;

　　iSCSI/RBD/virtio fs客戶端卸載（應用側）：處理客戶端控制面指令和數(shù)據(jù)，減少Host端CPU的負載;屏蔽業(yè)務虛機直接訪問存儲集群，提升數(shù)據(jù)訪問安全;

　　協(xié)議加速器：去重、壓縮， 節(jié)省CPU資源和軟件開發(fā)工作，提升存儲附加功能;

　　NVMe offload：對主機提供NVMe 硬盤接口， 簡化并卸載主機的存儲協(xié)議棧，降低資源消耗;

　　安全加密：密鑰證書管理;靜態(tài)數(shù)據(jù)安全;

　　圖2 分布式存儲硬件加速方案

　　中興通訊通過DPU硬件加速技術，致力于滿足未來客戶對于邊緣計算場景、AI訓練高性能存儲讀寫場景、零信任安全等場景多樣化，高性能的存儲要求。未來，中興通訊將攜手合作伙伴，共同推動DPU存儲加速技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)繁榮。