一、方案概述

近年来，随着云计算技术的飞速发展，云规模的不断扩大,业务层面对网络延迟、带宽的要求越来越高；在虚拟网络中采用OvS-DPDK方式来加速网络报文处理，相对于OvS kernel datapath确实能够带来明显的性能提升，但是此方式在性能扩展及成本效益间存在局限性，已经不能满足越来越高的性能需求。

行业内将虚拟网络的加速功能聚焦到硬件层面来实现，如ASIC、智能网卡、DPU等方案，利用网卡更接近网络数据的特点，实现网卡内完成网络转发及动作的

RAYMAX紧跟行业发展，在多年的技术积累下快速实现了xSmartNIC智能网卡产品落地。其中，xSmartNIC HWAS是一款基于FPGA的网卡且支持OvS data plane offload功能，使用自研的xSmartNIC HWAS技术能显著提升虚拟机网络性能。

二、方案架构

xSmartNIC HWAS方案是基于开源项目Open vSwitch和DPDK来实现的，总体实现架构如下图1所示。

在虚拟化环境下，OvS使用DPDK来加速,其data plane都在用户态实现，QEMU虚拟机使用xSmartNIC SR-IOV特性配置成VF直通模式。当使能HWAS特性后，DPDK驱动与xSmartNIC PF交互数据，从物理口进来的会话首包进入OvS后会触发流表 Offload流程（红色箭头表示），最终在xSmartNIC HWAS模块中会维护所有流表规则，该会话的后续数据帧则直接在网卡硬件中处理并转发给指定VF，对应的虚拟机就能接收到数据包。从虚拟机发出的会话包也是相同的处理流程。

三、方案特性

xSmartNIC HWAS方案主要特性如下：

★2个物理端口，每个端口最大带宽为10Gbps （可升级至25Gbps）

★支持OvS offload基本功能(vlan/L2/L3/L4匹配及动作)

★支持流表规则模糊匹配

★支持OvS group offload

★流表规格：2K/PF x 2

★VF规格：6/PF x 2

四、方案优势

目前传统的虚拟化环境下QEMU虚拟机的网络使用VirtIO方式与OvS连通,数据收发过程中有内存拷贝；且在HOST有多虚拟机的场景下，虚拟网络性能会受服务器系统资源（如内存总线带宽、cache等）负荷而波动，整体网络带宽和时延性能较差。xSmartNIC HWAS方案相对于传统方式性能有极大提升，以下是对比测试分析。

1.OvS直接转发

测试方法及环境搭建如下图2a所示，OvS 从Port0接收数据，处理后仍从Port0口转发出去。图2b为当xSmartNIC开启HWAS模式后（即Offload模式），将流表规则从OvS offload到网卡后，数据在xSmartNIC处理完后直接完成转发，不再进入OvS软件数据平面。

在进行如上所述的对比测试后，xSmartNIC offload功能对64B小包带宽性能提升1倍多,延迟显著下降，数据如表1。

2. OvS虚拟化环境下的数据转发

使用VirtIO 方式时如下图3a所示，port1为Vhost-user类型端口，QEMU虚拟机使用对应的VirtIO-Net驱动并且testpmd使用单核单队列方式转发数据。

当xSmartNIC开启HWAS模式（即OvS offload）时如下图3b所示，QEMU虚拟机的网络设备使用SR-IOV直通方式，OvS datapath处理直接在xSmartNIC网卡中实现。

按照上述两种方式，当PF0处理4台虚拟机时（每台虚拟机独立转发数据包），带宽和时延对比测试如下图4所示，结果表明xSmartNIC HWAS加速功能能极大提升虚拟机的网卡带宽和降低网络时延。

当PF0处理4台虚拟机并且数据包流量依次通过每台虚拟机的场景下，对比测试结果如下图5所示，相对于上一场景，当虚拟机所消耗的内存带宽资源越多xSmartNIC HWAS加速性能越显著，对于512B以下小包带宽能提升15～30倍，512B以上大包带宽提升5倍左右，时延大都会降为原来的25%左右。

除此之外，在相同网络性能下，xSmartNIC HWAS方案相比Virtio-net也会明显降低CPU算力和内存带宽的消耗。