基于可编程网卡的高性能数据中心系统

发布时间：2021-03-28 06:32

　　数据中心是支持当今世界各种互联网服务的基础设施,面临硬件和应用两方面的挑战。硬件方面,通用处理器的性能提升逐渐放缓;应用方面,大数据与机器学习对算力的需求与日俱增。不同于容易并行的Web服务,大数据与机器学习需要各计算节点间更多的通信,这推动了数据中心网络性能的快速提高,也对共享数据存储的性能提出了更高的要求。然而,数据中心的网络和存储基础设施主要使用通用处理器上的软件处理,其性能落后于快速增长的网络、存储、定制化计算硬件性能,日益成为系统的瓶颈。与此同时,在云化的数据中心中,灵活性也是一项重要需求。为了同时提供高性能和灵活性,近年来,可编程网卡在数据中心被广泛部署,利用现场可编程门阵列（FPGA）等定制化硬件加速虚拟网络。本文旨在探索基于可编程网卡的高性能数据中心系统。可编程网卡在加速虚拟网络之外,还可以加速网络功能、数据结构、操作系统等。为此,本文用FPGA可编程网卡实现云计算数据中心计算、网络、内存存储节点的全栈加速。首先,本文提出用可编程网卡加速云计算中的虚拟网络功能,设计和实现了首个在商用服务器中用FPGA加速的高灵活性、高性能网络功能处理平台ClickNP。为了简化FPGA... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：208 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１＿２键值存储系统的架构

本文旨在探索基于可编程网卡的高性能数据中心系统。本文提出一个基于??ＦＰＧＡ可编程网卡，对云计算数据中心计算、网络、存储节点实现全栈加速的系??统。如图１．３所示，通过把计算、网络、存储节点上的普通网卡替换为可编程网??卡，本文在计算节点上实现了虚拟网卡和虚拟网络，虚拟本地存储和云存储，以??及轻量级用户态运行库和硬件传输协议相结合的通信原语，替代了图１．１中的软??件虚拟化服务和操作系统网络协议栈。本文还基于数据面与控制面分离的思想，??实现了网络节点的虚拟网络功能和存储节点的内存数据结构处理，用可编程网??卡提高数据面性能，并保留原有软件控制面的灵活性。??计算节点?网络节点??虚拟机监视器（Ｈｙｐｅｒｖｉｓｏｒ）?齡调—????????—洛功能｜－络功能??戯ｍｉ?趣机２?麵帕??丨客户舰｜丨客户朗１?｜客户应｜?ＷＫｍｗｍ????Ｉ?１?１?＼?１?＼?存储节点??４—鱺．．．．．．．ＩＴ＾Ｉ??ＨＵＭ?■控制面??舰本賴?ｍ????－?？－???＾Ｂｎｉｒ?Ｓｉｓ中心网络??图１．３基于可编程网卡的数据中心系统总体架构。??首先，本文提出用可编程网卡加速云计算中的虚拟网络功能。提出了首个??在商用服务器中用ＦＰＧＡ加速的高灵活性、高性能网络功能处理平台ＣｌｉｃｋＮＰ。??众所周知，ＦＰＧＡ编程对软件工程师很不友好。为了简化ＦＰＧＡ编程，设计了类??Ｃ的ＣｌｉｃｋＮＰ语言和模块化的编程模型

计算和存储的解耦不仅大大提高了服务可用性和数虚拟化软件升级和虚拟机热迁移。??与其他公司共享硬件资源，ＩＴ企业使用云计算进行虚拟化还用硬件基础设施，为公司内不同类型的服务提供不同的服务应用户请求的Ｗｅｂ前端服务器、在线事务处理（ＯＬＴＰ）数据库理（ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ）等通常需要较低的延迟；离线数据处理（ＯＬＡ布式机器学习训练等需要访问海量数据，进行大量计算，需要延迟和高吞吐量某种程度上是互相矛盾的？，因此需要将计源切片（ｓｌｉｃｉｎｇ），为不同需求的应用提供不同的服务质量保ｅ，ＱｏＳ）?〇??１．１节介绍过的，云数据中心的客户虚拟机位于计算节点，而务运行于解耦的存储和网络节点上。此外，还需要管理节点进图２．２所示，数据中心通常由计算、网络、存储、管理等节点连网络构成。??Ｉｎｔｅｒｎｅｔ?‘??


本文编号：3105062