DOCA介绍

本文分为两个部分：

DOCA及BlueField介绍
如何运行DOCA应用，这里以DNS_Filter为例子做大致介绍。

DOCA及BlueField介绍：

现代企业数据中心是软件定义的、完全可编程的基础设施，旨在服务于跨云、核心和边缘环境的高度分布式应用工作负载。尽管软件定义的数据中心提供了类似云的灵活性和敏捷性，但它们往往会消耗大量的CPU资源，进而降低服务器和数据中心的整体效率。通过利用DPU（Data Processing Uint）和DOCA（Data Center Infrastructure on a Chip Architecture），可以实现硬件加速的软件定义基础设施，从而显著提升数据中心的性能和灵活性。

DPU被定义为一种可编程的网络系统级芯片（SoC），它集成了从网络端口到PCI Express（PCIe）接口的所有主要功能。NVIDIA于2020年进入DPU市场，并推出了BlueField系列产品。已发布的BlueField-2能够作为智能网卡和存储控制器使用，支持高达200Gbps的以太网端口和高带宽的PCIe接口。BlueField-3于2022年上市，而更强大的BlueField-4预计将在2024年推出。

图1

不同于传统的服务器处理器，DPU（Data Processing Uint）专为网络数据包处理而设计。尽管其架构有所不同，但大多数DPU都包含一个可编程的数据平面，以及用于控制平面和应用代码的CPU核心。与使用CPU核心相比，DPU的专用数据路径不仅更高效，而且性能显著提升。

如图所示，BlueField架构本质上将网卡子系统（基于ConnectX）与可编程数据路径、用于加密、压缩和正则表达式的硬件加速器，以及用于控制平面的Arm控制器融为一体。在BlueField-3中，包含16个核心的可编程包处理器能够处理多达256个线程，实现了在Arm核心上零负载的数据路径处理。在许多应用中，数据路径可以自主处理已知的网络流量，而Arm核心则负责处理新流量等异常情况及控制平面功能。

图2

尽管DPU具备显著的优势，但由于需要用户编写底层代码，其早期应用仅限于少数用户群体。为了解决这一限制，并推动独立软件供应商（ISV）、服务提供商和学术界更广泛地采用DPU，NVIDIA开发了DOCA（Data Center On A Chip Architecture）。

DOCA是一个由库文件、运行时组件和服务组成的框架，构建在一套经过验证的驱动程序之上。其中一些库与开源项目相关，而另一些则是NVIDIA独有的。正如CUDA为GPU编程提供了抽象化一样，DOCA为DPU编程提供了更高级别的抽象化。

图3

如上图所示，DOCA软件栈包括驱动程序、库、服务代理和参考应用。NVIDIA 提供的软件栈包含两部分内容，一部分是面向开发者的 DOCA SDK，另一部分是用于实现开箱即用部署的 DOCA Runtime 软件。

从软件栈上层看，流量网关库能够实现一个建立在数据路径 SFT 上的硬件加速网关，为过滤和分发网络流量的网关应用提供了更高级别的抽象化。在存储方面，DOCA 支持用户态库开源 SPDK。在 HPC 和 AI 方面，DOCA 初期加入了作为运行时组件的统一集合通信（UCC）库，在未来版本中还将加入 SDK 支持。

DOCA应用体验：

DNS过滤应用程序被设计为在BlueField-2 DPU实例上运行。DPU拦截来自网络的流量（入站流量），并根据流量分类来决定是将其传递给Arm处理器（根据列表类型过滤接收到的数据包），还是通过发夹转发到出口端口，整个系统设计如图4所示。

图4

DNS过滤器运行在DOCA Flow之上，用于对DNS请求进行分类。然后，它利用硬件正则表达式引擎，根据域名列表规则（编译后的正则表达式）查找匹配项。

图5

以下是DNS过滤应用程序的工作流程：

用户将正则表达式列表规则文件编译成rof2.binary文件。
正则表达式二进制规则文件被加载到正则表达式引擎中。
通过管道识别入站数据包类型，这些管道封装了流规则匹配模式和动作。
DNS过滤应用程序为每个端口构建三个管道：DNS丢弃管道、DNS转发管道和发夹管道。除了丢弃管道外，每个管道只包含一个条目。丢弃管道在运行时包含许多条目，每个条目代表一个被丢弃的数据包。在应用程序初始化和配置之后，接受任何流量之前，管道是空的。
丢弃管道匹配已经被阻止的DNS数据包以丢弃它们。发夹管道匹配每个数据包（无遗漏）。丢弃管道作为根管道，DNS转发管道作为丢弃管道的转发未命中组件，发夹管道作为DNS转发管道的转发未命中组件。

操作流程：

1.解析应用程序参数。

doca_argp_init();

a).初始化arg解析器资源。

b).注册DOCA通用旗帜。

Register_dns_filter_params();

c).注册DNS过滤器应用程序标志。

doca_argp_start();

d).解析DPDK标志并调用rte_eal_init()函数。

e)解析应用程序标记。

2.DPDK初始化。

dpdk_init();