SmartNIC-Infrastruktur: So gelingt die Implementierung

Gründe für die Implementierung einer SmartNIC-Infrastruktur

Folgend sind einige der Hauptgründe aufgeführt, warum für Unternehmen die Implementierung einer SmartNIC-Infrastruktur interessant sein könnte.

Überlastete Server

Das Mooresche Gesetz treibt alle zwei Jahre die Miniaturisierung von Halbleitertechnologien voran. Die Auswirkungen von Quanten-Tunneling, die Verkleinerung der Sperrschicht und die Entwicklung der parasitären Kapazität führen zu Interconnect-Engpässen in den integrierten Schaltkreisen der Server. Aufgrund der immer geringeren Größe der Hardware müssen die Server schneller skalieren, während die CPU-Gesamtkosten steigen.

Storage und Bereitstellung

Da die Welt 2040 in das Yottabyte-Zeitalter eintreten wird, sind die Netzwerkinfrastrukturen mit der Aufgabe überlastet, Daten zu speichern und bei Bedarf zur Verfügung zu stellen. Um die Belastung der Server zu reduzieren, bietet die SmartNIC-Infrastruktur zusätzlichen Speicherplatz für Data Center im Bereich von mehreren Gigabyte.

Durch die Bereitstellung zusätzlicher Storage-Kapazität für den Server verfügt die CPU über mehr freie Zyklen, um unternehmenskritische Aufgaben auszuführen und wichtige Informationen zu speichern.

Stromverbrauch

Steigende Server-Workloads bedeuten weitere Hardware und Geräte, die für ein angemessenes Energiemanagement benötigt werden. Diese Hardware verbraucht zusätzlich Strom und erhöht die Kosten für die Verwaltung der Netzwerkinfrastruktur.

Power Distribution Units (Stromverteilereinheiten), Backup- und Kühlmechanismen sind eine mögliche Lösung, aber die SmartNIC-Infrastruktur macht die Bereitstellung zusätzlicher Hardware völlig überflüssig. Daher sinkt der Gesamtstromverbrauch bei gleichzeitiger Verringerung der CPU-Kernanzahl und der damit verbundenen hohen Kosten.

Schutz vor Angriffen

Die SmartNIC-Infrastruktur ist in der Lage, Netzwerksicherheitsfunktionen auf Hardwareebene zu übernehmen. Zu diesen Sicherheitsfunktionen gehören die folgenden Punkte:

• Packet Wrapping (Kapselung)
• Hashing
• Komprimierung und Dekomprimierung
• Verschlüsselung und Entschlüsselung
• Verschlüsselungsalgorithmus
• Firewalling
• Schutz vor DDoS-Angriffen

Eine SmartNIC kann Sicherheitsoperationen durchführen und Bedrohungen ausschalten, ohne den Server zu beanspruchen. Die neuesten SmartNICs verfügen über eine Firewall und moderne Mechanismen zur Abwehr von DDoS-Angriffen, um verteilte Sicherheitssysteme zu unterstützen.

Überlegungen zur Integration von SmartNICs in die bestehende Netzwerkinfrastruktur

Die Integration einer SmartNIC-Infrastruktur in vorhandene Netzwerke ist eine entscheidende Aufgabe für die Server-Performance. Vor der Implementierung von SmartNICs müssen die Netzwerkteams das Netzwerk analysieren, um die Möglichkeiten voll auszuschöpfen. Nachfolgend finden Sie einige wichtige Anforderungen für die Integration der SmartNIC-Infrastruktur.

Hochgradige Konnektivität

NICs werden in der Netzwerkinfrastruktur typischerweise für geringe Bandbreiten und Geschwindigkeiten bis zu zehn GBit/s verwendet. Große Unternehmen nutzen mittlerweile jedoch die SmartNIC-Infrastruktur zur Socket-Beschleunigung auf mehreren Networking-Ebenen. Dadurch werden Serverzyklen ausgelagert und stehen für anwendungsspezifische, kritische Aufgaben zur Verfügung.

Die SmartNIC-Infrastruktur eignet sich am besten für große Firmen, die umfangreiche Bandbreiten benötigen, um den hohen Netzwerk-Traffic zu bewältigen. Diese Unternehmen verfügen über Hochgeschwindigkeitsnetzwerke mit mehr als 100 GBit/s.

Ultrageringe Latenz

Die Implementierung von SmartNICs funktioniert am besten innerhalb einer kabelgebundenen Infrastruktur. Netzwerke, die High-Speed Computing durchführen müssen, nutzen eine SmartNIC-Infrastruktur über InfiniBand. In solchen Netzwerken ermöglicht Remote Direct Memory Access (RDMA) den direkten Zugriff auf den Speicher eines entfernten Computers und bietet so eine extrem niedrige Latenz, da der Betriebssystemkern nicht involviert ist.

Traditionelle Infrastrukturen setzen allerdings auf Ethernet und haben bei der Implementierung von SmartNICs mit Problemen zu kämpfen. RDMA over Converged Ethernet (RoCE) ermöglicht die Implementierung einer Ethernet-basierten SmartNIC-Infrastruktur, die niedrige Latenz und einen höheren Durchsatz bietet.

Komplexe Netzwerkarchitektur

SmartNICs eignen sich für die Serverseite der Client-Server-Modelle bei Unternehmen und großen Cloud-Anbietern. Netzwerkarchitekturen wie Software-defined Networking (SDN), Network Functions Virtualization (NVF) sowie High-Speed-Computing- und komplexe Infrastrukturen ermöglichen die SmartNIC-Implementierung zur Hardwarebeschleunigung.

Unternehmen für verteiltes Cloud Computing aus Branchen wie Telekommunikation, SaaS, E-Commerce und Streaming-Plattformen setzen Hunderte und Tausende von SmartNICs zur Beschleunigung ein. Diese großen Unternehmen verfügen über Netzwerkarchitekturen, die Microservices bereitstellen und umfangreiche Datenmengen verarbeiten.

Kompatibilität von Netzwerk-Switches

Ein Netzwerk kann viele Arten von Netzwerk-Switches nutzen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass SmartNICs mit der vorhandenen Hardware, zum Beispiel Switches, und den Betriebssystemen in einem Netzwerk kompatibel sind und sich entsprechend konfigurieren lassen.

Jeder SmartNIC-Anbieter wirbt mit einzigartigen Funktionen, Kompatibilität, Rekonfigurierbarkeit und Konnektivität. Einige SmartNICs sind unter Umständen nicht mit der Netzwerkinfrastruktur kompatibel. Die Wahl einer kompatiblen SmartNIC für vorhandene Netzwerk-Switches hängt ab von Schnittstellen, Protokollen, Programmierbarkeit, Konfiguration und Anwendungsfällen.

SDN-Integration

Große Unternehmen nutzen SDN, um ihre Workflows an verschiedenen Arbeitsplätzen weltweit zu verbinden, zu verwalten und zu beschleunigen. Durch die Integration der SmartNIC-Infrastruktur in solche Netzwerke können Aufgaben des zentralen SDN-Controllers für ein effektives Management des Netzwerks ausgelagert werden.

Da SmartNICs programmierbar sind, beschleunigen sie die Data Plane und anwendungsspezifische Aufgaben für Router und Switches bei SDN. Zu diesen Aufgaben gehören Traffic Forwarding, Paketfilterung, Ver- und Entschlüsselung, Firewalling und vieles mehr.

NFV-Funktionen

SmartNICs kommen auch in Netzwerken mit NFV zum Einsatz. Die Anforderungen von NFV erfordern die Implementierung einer SmartNIC-Infrastruktur, da mehrere VMs in einer gemeinsam genutzten physischen Infrastruktur laufen, so dass keine dedizierte Hardware notwendig ist.

Die Implementierung von SmartNICs ist vergleichbar mit der Bereitstellung virtueller Mikroserver in Datennetzwerken, bei denen jedes Netzwerk über seine eigenen Ressourcen verfügt. Beispiele für die NVF-Beschleunigung sind Virtual Extensible LAN (VXLAN), Mikrosegmentierung und Load Balancing.

Management von SmartNICs innerhalb der Netzwerkinfrastruktur

Nachdem die Netzwerkteams Fragen zur Implementierung von SmartNICs innerhalb der Netzwerkinfrastruktur geklärt haben, können sie sich auf die Verwaltung der SmartNICs konzentrieren.

Netzwerk-Monitoring und -management

Regelmäßige Qualitätskontrollen nach der Installation der SmartNIC-Infrastruktur sind essenziell für eine kontinuierliche intelligente Beschleunigung. Eine SmartNIC kann regelmäßige Audits der Netzwerk-, Speicher- und Sicherheitsfunktionen selbst durchführen. Ein effektives Netzwerkmanagement gewährleistet jedoch die reibungslose Performance einer SmartNIC durch Monitoring-Software und kritische Metriken.

Monitoring-Tools erfassen und analysieren fortlaufend Daten wie Latenz, Geschwindigkeit, Durchsatz und Paketverlust. Sobald das Tool oder die SmartNIC einen Fehler entdeckt, muss eine dieser Komponenten automatisch ein Troubleshooting vornehmen, um die Lösung zu finden. Neben der Fehlerbehebung sorgt das Netzwerkmanagement für regelmäßige Updates in der SmartNIC-Infrastruktur, um den neuesten technologischen Anforderungen gerecht zu werden.

Netzwerkorchestrierung und -automatisierung

Die ständige Auseinandersetzung mit aufkommenden Technologien in der Welt des Networkings ist wichtig für die neuesten Entwicklungen und die Förderung der Automatisierung. Plattformen zur Netzwerkorchestrierung automatisieren die SmartNIC-Bereitstellung, um die aktuellen Vorschriften und Standards für Sicherheitsmaßnahmen zu erfüllen.

In letzter Zeit werden in einigen Community-Diskussionen NICs, SmartNICs und Data Processing Units (DPU) als ein und dieselbe Hardware mit unterschiedlichen Bezeichnungen behandelt. Diese Beschleunigungssysteme führen ähnliche Aufgaben auf verschiedenen Ebenen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Forscher differenzieren jedoch die SmartNIC-Infrastruktur anhand von Innovationen zur Unterstützung der Containerisierung, zur Bereitstellung von Microservices und zum effektiven Einsatz individuell anpassbarer Technologien.