現代のネットワークは、パフォーマンス、信頼性、そしてクラウド、AI、リアルタイムアプリケーションなどの効率的なリソース利用のバランスを取る必要があり、より高度なサービス品質（QoS）が求められています。従来のソフトウェアベースのQoSは、レイテンシを増加させ、高速通信ではスケーラビリティが低下します。iW-Fibre SmartNICなどのP4（Programming Protocol-Independent Packet Processors）を使用したプログラマブルSmartNICは、ハードウェアベースのトラフィック分類と回線速度でのレート制限を可能にすることで、これらの制限を克服します。この記事では、P4対応SmartNICであるiW-Fibre SmartNICが、プログラマブルパイプラインとハードウェアアクセラレーションを通じて、インテリジェントで低レイテンシのQoSをどのように実現しているかを探ります。
iW-Fibre P4 アーキテクチャの詳細な概要については、「iW-Fibre カードによる P4 プログラマブル SmartNIC の構築: アーキテクチャと洞察」を参照してください。
QoS トラフィック分類
トラフィック分類はQoSの基盤であり、RFC 2474 DiffServ標準に基づいて、異なるトラフィックタイプに適切な優先順位と処理が与えられることを保証します。iW-Fibre SmartNICでは、P4実装で標準のDSCPマーキングが使用されます。
プロトコルベースの分類とDSCPマーキング
iW-Fibre SmartNICでは、P4ロジックがパケットプロトコルフィールドを検査し、それに応じてDSCPマーキングを適用することで、ネットワーク全体で差別化されたQoS（サービス品質）動作を実現します。
iW-Fibre SmartNIC に実装されているトラフィック分類と DSCP マーキングの動作を以下にまとめます。
| プロトコルの種類 | トラフィック特性 | DSCP値 | DiffServ クラス | QoSインテント |
|---|---|---|---|---|
| TCP | 信頼性の高いスループット重視のトラフィック | 46 | 速達転送 | 高い優先度、低遅延 |
| UDP | 遅延に敏感なトラフィック（例：音声/ビデオ） | 44 | 音声承認 | 音声承認 |
| その他のプロトコル | デフォルトのトラフィック | 0 | ベストエフォート | 標準転送 |
上記のマッピングに加え、iW-Fibre SmartNICはAssured Forwarding（AF）クラスをサポートしており、トラフィックを異なるドロップ優先度レベルの複数のサービス クラスに分類できます。これにより、ネットワーク ポリシーで必要とされる場合に、よりきめ細かな QoS の差別化が可能になります。
レート制限とメータリングの実装
分類はトラフィックをサービスクラスに整理する一方、レート制限はどのクラスも割り当てられた帯域幅以上の帯域幅を消費しないようにします。iW -Fibre SmartNICの実装では、ハードウェアレジスタとP4で定義されたポリシングメカニズムを使用して、レートを厳密に制御します。
トークンバケットポリシング
- ソフトウェア設定ページで、下図のように iW-ファイバー スマートNICトークン バケット ポリシングは、ハードウェア バックアップ レジスタ メモリを使用して P4 マッチ アクション パイプライン内に直接実装されます。
- 各トラフィック フローは、現在のトークン数や最後の更新のタイムスタンプなど、オンチップ レジスタに永続的な状態を保持します。
- パケットが到着すると、SmartNIC はこの状態を読み取り、デバイスのハードウェア タイムスタンプを使用して経過時間を計算し、それに応じてトークンを補充し、パケットを転送できるかどうかを評価します。
- 十分なトークンが利用可能な場合、パケットは送信され、トークン カウントが減算されます。そうでない場合、パケットはドロップされます。
- すべての操作はデータ プレーンで実行されるため、CPU の介入なしにライン レートが確実に適用されます。
トークンバケット操作:
3色マーキング付きHメーター（Intel®独自技術、旧Altera®）
iW-Fibre SmartNICでは、hmeterはコミット情報レート（CIR）とピーク情報レート（PIR）を使用して、よりきめ細かなポリシングを提供します。
- グリーン: コミットレート内のパケット
- イエロー: コミットレートを超えているがピーク範囲内
- レッド: ピークレートを超える
この 3 色モデルにより、より柔軟な QoS 適用が可能になり、下流の要素は適合レベルに基づいて情報に基づいた決定を下すことができます。
- その iW-ファイバー スマートNIC パケット処理パイプラインにアクセス可能なオンチップ ハードウェア テーブルで、フローごとのレート パラメータ (CIR、PIR、CBS、PBS) を維持します。
- トラフィックは、iW-Fibre SmartNIC データ パスに実装された 3 つの固定ハードウェア計測ステージ (レベル 0、レベル 1、レベル 2) を通じて適用されます。
- 各ステージでは独立したハードウェア トークン バケットの強制が適用され、ライン レートでの階層的なレート制御が可能になります。
- パケットは、設定されたレートへの適合性に基づいて、各段階で色分けされます (緑、黄、赤)。
- 3 つのハードウェア計測ステージすべてを正常に通過したパケットのみが QSFP ポートに転送されます。
P4プログラマビリティとiW-Fibre SmartNICアクセラレーションの組み合わせは、ネットワークQoSにおける大きな進歩を意味します。ハードウェアアクセラレーションによるラインレートトラフィックの分類とレート制限を可能にすることで、iW-Fibre SmartNICは最新のインフラストラクチャに必要なパフォーマンス、拡張性、柔軟性を提供します。AI/MLワークロードやエッジコンピューティングによってネットワークが進化するにつれ、iW-Fibre SmartNICは、今日のアプリケーションが求めるラインレートパフォーマンスを維持しながら、将来のQoS要件に必要な適応性を提供します。
