ネットワーク業界は、より高い帯域幅、超低遅延、そしてより俊敏なパケット処理能力に対する需要の高まりを背景に、急速な変革を遂げています。高性能コンピューティング（HPC）、ネットワーク機能仮想化（NFV）、セキュリティおよび暗号化アプリケーションといったデータ集約型アプリケーションの急速な成長に伴い、従来のサーバーアーキテクチャやソフトウェア主導のアプローチでは、特に10G、40G、100Gのラインレートトラフィックをリアルタイムで維持するという点で、パフォーマンス要求を満たすことが困難になっています。iWaveのiW-Fibre SmartNICプラットフォームは、強力なOpenNIC FPGAシェルと統合されており、ネットワークのエッジで効率的なハードウェアアクセラレーションによるパケット処理を実現する、カスタマイズ可能で将来を見据えたソリューションを提供します。
業界の課題
従来のサーバー構成では、標準NICやSmartNICであっても、固定機能の制限やCPUに過度に依存する複雑なプロセスに縛られることがよくあります。データレートが上昇し、ネットワークの複雑さが増すにつれて、これらのアーキテクチャは効率的なスケーリングにおいて深刻な制約に直面します。主な課題は次のとおりです。
- 頻繁なコンテキスト切り替えと割り込み処理による CPU オーバーヘッドが高くなります。
- CPU に依存するデータ プレーン タスクによる電力効率の低下。
- 進化するプロトコル標準や新しいセキュリティ機能に適応する柔軟性が欠如しています。
- エッジおよびクラウドネイティブのワークロードに対する超低レイテンシの要求を満たすのが困難です。
現代のデータセンターとエッジインフラストラクチャには、ディープ・パケット・インスペクション（DPI）、インライン暗号化／復号化、ファイアウォール、フィルタリングといった要求の厳しいネットワーク機能を、確定的なスループットと最小限のパケットジッターを維持しながら処理できるソリューションが求められます。ハードウェアの頻繁な再設計は、コスト効率が悪く、変化するアプリケーションニーズに対応できる俊敏性も確保できません。そのため、柔軟でプログラム可能なハードウェアベースのデータプレーンが不可欠です。
柔軟なアーキテクチャを採用したOpenNICは、カスタムパケット処理、トラフィック管理、ネットワークセキュリティ、リアルタイムデータ分析など、幅広いユースケースに最適です。モジュール構造により、特定のネットワークアプリケーションに合わせたカスタムロジックの迅速な開発、プロトタイピング、導入が可能です。
主なコンポーネント
- QDMA (キューベースのダイレクトメモリアクセス): ホストメモリとFPGAファブリック間の高スループット、低レイテンシのパケット転送を可能にします。DMAキュー管理の複雑さを抽象化し、ユーザーロジックとの統合を可能にするAXIストリームインターフェースを提供します。
- CMAC (中央メディアアクセスコントローラ): 10G/40G/100Gのラインレートをサポートする堅牢で高性能なイーサネットMACインターフェースを提供します。イーサネットリンク全体のパケット整合性とタイミングを保証します。
- パケットアダプタ: CMAC と QDMA をブリッジし、イーサネットと PCIe ドメイン間のクロック ドメイン クロッシング、パケット バッファリング、およびヘッダー管理を処理します。
- システム管理ウィザード: リセット管理、ステータス監視、割り込み処理といったシステムレベルパラメータの集中制御を容易にします。監視層として機能し、ホスト、QDMA、その他のSmartNICモジュール間のスムーズな連携を実現します。
- ユーザーロジックボックス: 開発者がカスタム ハードウェア モジュールを統合して次のような機能を実装できるプログラム可能なスペース。
- パケットフィルタリングと分類
- ファイアウォールとアクセス制御
- チェックサムの生成と検証
- カスタムルーティングアルゴリズム
- 侵入検知および防止システム（IDS/IPS）
- アプリケーション固有の分析
- Linux 互換 ONIC ドライバー: Linux 環境とのシームレスな統合を提供し、OpenNIC 対応アプリケーションの迅速な導入を可能にする軽量カーネル モジュールです。
OpenNIC シェルは、複数のクロック ドメイン、データ インターフェイス、ネットワーク トポロジにわたってシームレスに動作するように設計されており、複雑なネットワーク構成でも確定的な動作を可能にします。
iW-Fibre 上の OpenNIC: モジュール式のハードウェア アクセラレーション フレームワーク
OpenNICは、リアルタイムのリンクステータス検出やデュプレックスモードなど、包括的なリンク管理機能をサポートしています。これらの機能は、ワークロードの需要や障害復旧シナリオに応じてリンクプロパティを調整する必要がある動的なデータセンター環境にとって不可欠です。ネットワーク管理者は、ONICドライバまたは組み込み管理インターフェースを介してリンクプロパティを監視および設定できます。プロミスキャスモードをサポートしているため、すべてのネットワークトラフィックを受信して高度な監視やデバッグを行うことができます。
OpenNICはMTU設定と最大9,600バイトのジャンボフレームをサポートし、プロトコルオーバーヘッドを削減します。そのため、データセンターのレプリケーションや大容量ファイル転送といった高スループットアプリケーションに最適です。フロー制御メカニズムはハードウェアベースのポーズフレームによって実装されており、輻輳時でもスムーズなトラフィックフローを実現します。iW-FibreはユニキャストおよびマルチキャストMACフィルタリングを提供し、トラフィックの分離とパフォーマンスを向上させます。
OpenNICは、仮想化とネットワークセグメンテーションのために、VLANタグのフィルタリングと処理機能を備えています。また、シングルルートI/O仮想化（SR-IOV）もサポートしており、複数の仮想機能へのハードウェア直接アクセスを可能にします。これにより、KVMベースのデプロイメントなどの仮想化環境におけるI/Oパフォーマンスと分離性が向上します。
タイミング面では、ハードウェア・タイムスタンプ・オフロードと高精度時間プロトコル（PTP）との互換性により、サブマイクロ秒単位の時刻同期を実現します。これは、金融システムや産業オートメーションといった時間に敏感なアプリケーションにとって極めて重要です。処理サブシステムには、汎用タスク用のクアッド/デュアルARM Cortex-A53（1.5GHz）と、リアルタイム処理用のデュアルCortex-R5が搭載されています。
10G/40G OpenNIC設計
100G OpenNIC設計
iW-FibreプラットフォームのCMACサブシステムは、IEEE 802.3規格に完全準拠しています。これにより、既存のインフラストラクチャとのシームレスな相互運用性、幅広いベンダーサポート、標準化されたパフォーマンスと電力バジェットへの準拠が保証されます。iW-Fibre SmartNICは、オンボードのデュアルSFP/QSFPポートにより、構成と使用する光トランシーバーに応じて、 10G/40Gおよび100Gの異なる回線速度で動作できます。OpenNICシェルにより、FPGAファブリック自体にリアルタイムパケット処理パイプラインを迅速に展開できます。計算負荷の高いネットワークタスクをハードウェアに移行することで、OpenNICはネットワーク操作のオフロード、ホストCPUのパケット割り込みオーバーヘッドの低減、ソフトウェアによるボトルネックの解消により、パフォーマンスを大幅に向上させます。主なユースケースは次のとおりです。
- インライン パケット フィルタリングと分類: カスタム ルールとフィルターを使用して、ユーザー ロジック ボックス内でセキュリティ ポリシーまたはトラフィックの優先順位付けを直接適用します。
- ステートレス ファイアウォール オフロード: さまざまな負荷条件下でも一貫したパフォーマンスを実現するために、ハードウェアにラインレート ファイアウォール ポリシーを実装します。
- チェックサム検証とVLAN処理: UDP/TCP チェックサム検証と VLAN タグの解析/挿入をハードウェア層にオフロードします。
- トラフィックシェーピングとミラーリング: アプリケーション対応のパケット スケジューラを設計したり、トラフィック ストリームを複製して観測性とデバッグを実現したりします。
- リアルタイム監視: ホストの介入を最小限に抑えながら、フロー統計、レイテンシ メトリック、またはエラー カウンターをハードウェアで直接収集します。
このような機能により、iWave の OpenNIC 対応 SmartNIC は、サービス プロバイダー、クラウド データ センター、NFV インフラストラクチャ、および時間依存ネットワーク (TSN) アプリケーションに最適です。
iW-Fibreプラットフォームは、開発の複雑さを軽減し、市場投入までの時間を短縮します。これにより、エンジニアは低レベルのインフラストラクチャを再構築するのではなく、独自のネットワーク機能の革新に集中できるようになります。OpenNIC SmartNICシェルと組み合わせることで、現代のネットワークの課題に対応する強力で将来を見据えたソリューションを提供します。完全に再プログラミング可能なデータプレーン、ラインレートのパケット処理、LinuxおよびFPGAツールチェーンとの緊密な統合を、開発者にとって使いやすい形式で提供します。OpenNIC対応のiW-Fibre SmartNICは、組織が俊敏性、拡張性、そして決定論性を備えたネットワークインフラストラクチャを構築できるよう支援します。
プラットフォームの評価や詳細情報については、mktg@iwave-global.comまでお問い合わせください。
