プログラミングプロトコル非依存パケットプロセッサ（P4）は、開発者がネットワークデータプレーンにおけるパケット処理方法を定義できるプログラマブル言語であり、固定機能ハードウェアを超えた柔軟性を提供します。iW -Fibre SmartNICはP4を使用することで、パケット転送やIPチェックサム検証といった重要なオフロード処理を、ラインレートで実行し、最高のパフォーマンスを実現できます。
チェックサム検証とパケット転送
ネットワークトラフィックの増加と、アプリケーションによる超低遅延および高スループットの要求が高まるにつれ、従来のCPUベースのパケット処理では対応しきれなくなっています。パケット転送やチェックサム検証といったタスクは、ソフトウェアで実行されるとCPUサイクルを大幅に消費し、全体的なパフォーマンスを制限します。P4対応SmartNICは、これらの処理をプログラマブルハードウェアにオフロードすることで、これらの課題を解決します。ハードウェアでは、Altera P4 Suiteを使用して実装されたカスタムP4ロジックがラインレートで実行されます。これにより、以下のことが可能になります。
- IPチェックサム検証: ハードウェアで直接チェックサム値を検証することにより、パケット ヘッダーの整合性を保証します。
- パケット転送: ルックアップ テーブルに基づいてパケットの次のホップの宛先を決定します。
SmartNIC は、これらの機能をデータ プレーンで直接実行することにより、柔軟性と拡張性を維持しながら、スループットを向上させ、CPU 使用率を削減します。
なぜこれらのオフロードが必要なのか
CPUボトルネック：ネットワーク速度が100Gbps以上に上昇すると、CPUは処理すべきパケットの膨大な量にすぐに圧倒されてしまいます。そのため、ホストCPUがボトルネックとなり、ネットワーク全体の処理能力が制限されます。
リソース効率：パケット処理をP4 SmartNICにオフロードすることで、ホストCPUは収益を生み出す高優先度タスクに集中できるようになります。これは、マルチテナントワークロードにとってCPUサイクルが貴重なリソースとなる仮想化環境やクラウドネイティブ環境では特に重要です。
パケット処理の負荷：毎秒数百万個のパケットを処理する場合、ホストCPUはチェックサム検証などの基本的で反復的なタスクに膨大なサイクルを費やします。多くのデータフローでは、チェックサムを異なる段階で複数回計算する必要があり、処理オーバーヘッドがさらに増加します。このタスクをSmartNICの専用ハードウェアまたはFPGAにオフロードすることで、この反復的なワークロードが軽減されるだけでなく、ホストCPUがアプリケーションロジックに集中できるようになり、システム全体のパフォーマンスが向上します。
パケット転送とチェックサム検証アーキテクチャ
- データプレーン:
iW -Fibreカードは、ネットワークまたはホストからIPv4パケットを受信し、P4パイプラインを通して処理します。下の図は、マッチアクションエンジンによって実行されるパケット処理の流れを示しています。
チェックサム検証
- P4 パイプライン内では、IPv4 ヘッダーが解析され、組み込みの P4 extern “Internet Checksum” を使用して IP チェックサムが計算されます。
- インターネットチェックサムP4外部関数は、チェックサムフィールドを除くすべてのIPヘッダーフィールドを処理してIPv4ヘッダーチェックサムを計算します。 1の補数チェックサム この方法は、本質的に、計算中にビッグ エンディアンとリトルエンディアンの CPU アーキテクチャ間の違いを考慮します。
- 計算されたチェックサムは、パケットヘッダーに含まれる実際のチェックサムフィールドと比較されます。値が一致しない場合、パケットは破棄されます。
- 値が一致する場合、パケットは次の関数に進みます。
パケット転送
- チェックサム検証が完了すると、Match-Action モジュールはパケットのイーサネット宛先アドレスをルックアップ テーブル (LUT) 内のキーと比較します。
- 一致が見つかった場合、パケットは対応する LUT エントリで指定された出力ポートに転送されます。一致しない場合は、デフォルトのアクション (デフォルト ポートへの転送など) に従って処理されます。
2. コントロールプレーン:
コントロール プレーンは、ネットワーク内でパケットが処理され転送される方法を定義します。
ユーザーは、コントロールプレーンソフトウェアアプリケーションを通じて、イーサネット宛先アドレスや出力ポート（ネクストホップ）などのP4 LUT（ルックアップテーブル）エントリを提供することで、ハードウェアのアップデートを必要とせずにパケット転送ルートを動的に操作できます。前の図は、ユーザーがP4オフロード操作のためにLUT（ルックアップテーブル）にアクセスする方法を示しています。
コントロールプレーンの詳細については、「iW-FibreカードによるP4プログラマブルSmartNICの構築：アーキテクチャと考察」という記事を参照してください。
要約すると、P4とiW-Fibre SmartNICを統合することで、完全にプログラム可能で効率的なデータプレーンが実現し、ネットワーク機能をカスタマイズ、高速化、ラインレートで実行することが可能になり、最新のネットワークインフラストラクチャにおけるパフォーマンス、拡張性、適応性が大幅に向上します。
