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使用 Red Hat OpenShift 和 NVIDIA BlueField DPU 加速云就绪基础设施和 Kubernetes

 

IT 世界正在向云转移,云是建立在 Kubernetes 管理的容器上的。我们认为,下一个合乎逻辑的步骤是使用数据处理器( DPU )加速这一基础设施,以提高性能、效率和安全性。

Red Hat 和 NVIDIA 正在构建一个集成的云就绪基础设施解决方案, Red Hat OpenShift 的管理和自动化,以及 NVIDIA BlueField DPU .

红帽 OpenShift 的好处

许多流行的云基础设施项目使用 Kubernetes 管理的容器。然而,实施 Kubernetes 可能是一项艰巨的任务,尤其是对于那些无法投入专职人员成为 Kubernetes 专家的组织来说。

Red Hat OpenShift 为管理 Kubernetes 容器以及应用程序部署、更新和生命周期管理提供了一套强大的功能。 OpenShift 包括自动化和安全工具,以及受支持的开源模型,以使云基础设施更经济、可靠和可扩展。

根据 2021 的数据, 85% 以上的容器编排项目都使用了 Red Hat 调查, Kubernetes ,而 Red Hat OpenShift 是混合和多云 Kubernetes 部署的最流行选择。 OpenShift 是业界领先的企业 Kubernetes 平台,财富 500 强中超过 50% 的商业银行、电信公司和航空公司都使用该平台。

显然,大多数企业都想要一个受支持的 Kubernetes 模型, Red Hat OpenShift 是最受欢迎的选择之一。

DPU 的工作原理

DPU 卸载、加速基础设施工作负载,并将其与服务器的 CPU 隔离。例如, BlueField DPU 可以从 CPU 上卸载网络、网络虚拟化、数据加密和时间同步任务,并在特制的硅上运行。

其他基础设施软件,如远程管理、防火墙代理、网络控制平面和存储虚拟化,可以在 BlueField 的 Arm 处理器内核上运行。这样做可以释放服务器的 CPU 内核,而这些内核可以运行应用程序和租户工作负载。

该功能还将基础设施和安全工作负载隔离在单独的域中。结果是一组服务器以更快的网络运行更多的应用程序,提高了数据中心的效率和安全性。

在一个典型的云基础设施中,网络流量会穿越物理服务器和在这些服务器上运行的容器。这需要在每台服务器中都有一个分组交换解决方案,为了获得最大的效率,应用程序容器需要一种与 DPU 的加速网络卸载进行通信的方式。

传统的方法是通过 Kubernetes 和开放虚拟网络( OVN )访问开放虚拟交换机(开放虚拟交换机或 OVS )。 OVN 提供网络抽象,默认部署策略是在主机服务器的 CPU 上同时运行 OVN 和 OVS 。

然而,当网络速度超过 10 Gbps 时,这种方法会消耗大量 CPU 核。 Kubernetes 需要一个解决方案来在 DPU 上运行 OVN 和 OVS 功能,这样所有的数据包交换、报头重写、封装/去封装和数据包过滤都可以在网络硬件上完成,而不是在 CPU 上的软件中完成。

增加红帽和 NVIDIA 之间的网络集成

红帽和 NVIDIA 已经合作,将 OpenShift 的管理能力与 DPU 的加速能力相结合。

带有 Red Hat Enterprise Linux 的 整合的第一阶段始于 2018 年 将网络流量卸载到 NVIDIA ConnectX SmartNIC 。网络数据平面(使用 OVS 或 DPDK )在 SmartNIC ASIC 上运行,但网络控制平面仍完全在 X86 CPU 上的软件中运行。

This is a diagram of the OpenStack software-defined networking (SDN) components running in Red Hat Enterprise Linux and interacting via Open vSwitch (OVS) with the eSwitch in the NVIDIA ConnectX SmartNIC. This integration allows the eSwitch hardware to offload and accelerate the SDN data plane packet switching for virtual machines running in user space.
图 1 。运行在 Red Hat Enterprise Linux 上的 OpenStack SDN 控制器通过 OVS 将网络数据平面卸载到 NVIDIA ConnectX SmartNIC ,而控制平面在 X86 CPU 上运行 .

2021 ,两家公司采取了下一步行动,将 Red Hat OpenShift 与 NVIDIA BlueField DPU 一起部署,并进行了性能基准测试。在 NVIDIA GTC 2021 年,我们 demonstrated 讨论了将网络转移到 DPU 的优势,并发表了一篇文章 通过将网络功能转移到 NVIDIA BlueField-2 DPU ,优化数据中心的服务器利用率

在这个解决方案中,带有覆盖卸载( OVS 和 Geneve 卸载)的网络数据平面和网络控制平面(在 OVN Kubernetes 吊舱中)在 DPU 上运行,并带有 Red Hat Enterprise Linux 。 OpenShift 的主要组件,包括 Red Hat Enterprise Linux CoreOS ,仍保留在 x86 CPU 上。

This diagram shows Red Hat OpenShift with Kubernetes running on the x86 CPU and offloading both the open virtual networking (OVN) data plane and control plane to the BlueField-2 DPU. Red Hat Enterprise Linux CoreOS is running only on the x86 CPU as the DPU runs Red Hat Enterprise Linux. The tenant containers/pods on the x86 host offload their networking virtual functions to the DPU.
图 2 。运行在 Red Hat Enterprise Linux CoreOS 上的 Red Hat OpenShift 通过 OVN 和 OVS 将网络数据平面和控制平面卸载到 BlueField-2 DPU 。 DPU 在其 Arm 内核上运行 Red Hat Enterprise Linux 。

在图 2 中的部署场景中, BlueField-2 在以下方面起着重要作用:

  • Geneve (虚拟覆盖网络)封装/去封装
  • IPsec 封装/去封装
  • 加密/解密路由
  • 网络地址转换( NAT )

主机 CPU 和容器只看到简单的未封装、未加密的数据包, CPU 不需要执行任何这些任务,因为它们被卸载到 DPU 。这种负载水平将 CPU 利用率降低了 70% ,释放了每台服务器上的大量 CPU 电源,以运行额外的业务/租户工作负载。

在 DPU 上运行 OpenShift

如 2022 年 GTC 所述 , Red Hat 和 NVIDIA 已经迈出了下一步,将 OpenShift (包括 Red Hat Enterprise Linux CoreOS )迁移到 BlueField DPU 的 Arm 内核上运行 Red Hat OpenShift 双集群设计 这包括独立的租户和基础设施集群。

Red Hat Enterprise Linux CoreOS 是 OpenShift 控制平面或主节点和工作节点支持的操作系统。这是 OpenShift 中执行调度、维护、升级和群集自动化的部分。它包括容器管理工具和安全加固,使其更能抵御黑客攻击,现在它可以在主机 x86 CPU 和 DPU Arm 内核上运行。

BlueField DPU 在各种主机服务器上运行 OpenShift OVS 和 OVN 容器以及 Red Hat Enterprise Linux CoreOS ,形成了一个基础架构工作集群。同时,在 x86 CPU 上运行的 OpenShift 管理租户吊舱和集群。

将 OpenShift 基础架构群集软件卸载到 BlueField Arm 内核上而不是主机 x86 内核上运行,可以节省额外的 x86 CPU 开销、更高的性能和更强的安全隔离。

Diagram shows that Red Hat OpenShift runs on both the host x86 CPUs and on the BlueField Arm cores. The X86 CPUs form an OpenShift tenant cluster while the DPUs on each server form an OpenShift infrastructure cluster.
图 3 。从 Red Hat OpenShift 4.10 开始,您可以在 x86 CPU 上运行 OpenShift 来管理租户,也可以在 BlueField DPU Arm 内核上运行 OpenShift 来管理集群基础架构。

云本机、软件定义的网络是 BlueField DPU 用例的一个很好的例子,在 BlueField DPU 环境中,OVN和OVS在 BlueField DPU 上运行并由其卸载。许多其他基础设施服务,如网络加密、防火墙代理、虚拟路由器、遥测代理等,也可以在 DPU 上运行,以获得更大的好处。

OpenShift 在 DPU 上卸载带来了显著的成本节约效益

为了了解 DPU 卸载对降低数据中心成本的影响, NVIDIA 和 Red Hat 为一个配备 51K 服务器的中型数据中心构建了一个 TCO 模型。我们认为该数据中心支持 100 万个应用程序,每个应用程序需要每秒 10 万个数据包( PPS )的交换性能。

我们考虑了 两种服务器部署方案 :有无 DPU :

  • 没有 DPU 完全在软件中运行虚拟交换的服务器仅实现 350k PPS 。
  • 使用 DPU 将 OVN 和 OVS 卸载到 DPU 的服务器的性能提高了 54 倍,达到每台服务器 1870 万个 PPS 。

将虚拟交换机卸载到 DPU 上也为每台服务器节省了八个 CPU 内核。基于此测试, TCO 模型产生了 6850 万美元的惊人资本支出节约 . 这些节约是通过减少 10K DPU 增强型服务器而实现的,这是因为每台服务器具有更高的网络性能和 CPU 核心节约。

我们看到,由于服务器占地面积较小而节省了电力,这最终导致基于 DPU 的服务器具有更好的 TCO 模型。随着我们将负载平衡器、防火墙、加密、 web 服务器等附加功能卸载到 DPU ,这些 TCO 节约将变得更好,最终为支持云计算的数据中心实现惊人的效率。

解决方案路线图和在 BlueField 上部署 OpenShift

在 BlueField 上运行 OpenShift 的双集群 OpenShift 体系结构现已在 OpenShift 4.10 中作为开发者预览版或早期试用版提供,预计将于 2022 年正式提供。

但 NVIDIA 和红帽队并没有就此止步。我们计划测试网络流量加密/解密的卸载,因为这是一项 CPU 密集型任务。

  • BlueField-2 DPU 可以以高达 100 Gbps 的速度卸载 IPsec 加密/解密,以高达 200 Gbps 的速度卸载 TLS 加密/解密。
  • BlueField-3 预计将以更高的速度支持 IPSec 、 TLS 和 MACsec 。

从 OpenShift 到 DPU 的线速加密卸载的实施将提高租户的数据安全性,并帮助您更接近零信任安全状态。

与 DPU 的其他潜在集成包括更复杂的软件定义的网络卸载、在 BlueField 上运行防火墙代理、精确时间同步、带数据包速度的视频流,以及使用 DPU 收集遥测数据。

蓝田 -2 DPU 现在可从 NVIDIA 获得,蓝田 -3 DPU 将于 2022 年晚些时候开始采样。此外, BlueField DPU 不久将在 NVIDIA LaunchPad 云服务中进行测试。

如果您想在运行 NVIDIA BlueField DPU 的 Red Hat OpenShift 上进行测试或开发,请使用 表明你的兴趣

总结

如果您的公司希望在数据中心采用云原生计算, NVIDIA BlueField DPU 、 Red Hat Enterprise Linux 和 Red Hat OpenShift 的组合将提供一个高效、创新的开放式混合云平台,具有新的安全功能。这个强大的平台提供硬件加速功能,以运行关键的软件定义的网络、存储和安全功能。

现在,可以分配更多的服务器资源来运行云本地工作负载,以及传统的业务应用程序。

有关更多信息,请参阅以下参考资料:

 

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