多用户云环境下可编程虚拟网卡的架构与应用

Programmable SmartNIC is a hardware NIC device with on-board FPGA or SoC system. To accelerate server program, user can offload part of the core program logic to execute on the SmartNIC. However, there is no virtualization solution for the SmartNIC. The programmability of SmartNIC can only be used by the cluster operator with high system privilege, and can not be used by regular cloud tenant in the cloud environment. This limitation compromises the applicability of SmartNIC, and also hinders the performance upgrade of cloud application. This project proposes the concept of programmable Virtual NIC, as an efficient and practical virtualization solution for SmartNIC hardware. The proposed Virtual NIC exposes secure and reliable programing interface for regular cloud tenants, which enables cloud tenants to offload core program logic for acceleration. This project intends to carry out extensive research on (1) the software architecture of programmable Virtual NIC, (2) security guarantees in the cloud environment with untrusted tenants, (3) the scheduling of the programmable Virtual NIC with multiple cloud tenants, (4) the design of the programing interface exposed to cloud tenants, (5) the application of programmable Virtual NIC in the cloud environment. The outcome of this research can improve the overall performance of the cloud system and promote new cloud applications.

可编程智能网卡是一种板载FPGA或SoC系统的服务器网卡硬件。用户可将服务器程序的部分核心逻辑卸载到智能网卡中运行，以获得明显的加速效果。但是，智能网卡硬件缺乏相应的虚拟化方案，其编程能力仅能被具有极高权限的集群管理员使用，无法在云环境中被普通用户使用。这极大地限制了智能网卡的应用场景，也阻碍了云用户应用的性能升级。本项目提出了可编程虚拟网卡的概念，作为智能网卡硬件的一种高效、实用的虚拟化解决方案。可编程虚拟网卡向云环境中的普通用户开放了安全可靠的编程接口，使普通用户也可以享受核心逻辑的卸载加速效果。本项目将从多个角度对可编程虚拟网卡展开深入研究，包括（1）整体软件架构，（2）云环境下的安全性保证，（3）多用户场景下的调度，（4）云用户的编程接口设计（5）云环境下的实际应用。项目的研究成果不仅可以提升云计算系统的整体性能，也可以促进新型云计算应用的诞生。

可编程智能网卡是一种板载FPGA或SoC系统的服务器网卡硬件。用户可将服务器程序的数据包处理任务卸载到智能网卡中运行，以获得明显的加速效果。但是，智能网卡硬件缺乏相应的虚拟化方案，其编程能力仅能被具有极高权限的集群管理员使用，无法在云原生环境中被普通用户使用。这极大地限制了智能网卡的应用场景，也阻碍了云用户应用的性能升级。本项目提出了可编程虚拟网卡的概念，作为智能网卡硬件的一种高效、实用的虚拟化解决方案。可编程虚拟网卡向普通云用户开放了安全可靠的编程接口，使普通云用户也可以享受数据包处理任务的卸载加速效果。本项目对可编程虚拟网卡的架构及应用开展了深入研究。本项目验证了通用数据包处理任务在云原生环境中进行卸载加速的有效性。本项目使用高级编程语言Rust，构建了一套安全、高效的数据包处理库RUN。基于RUN，本项目实现了可编程虚拟网卡的编程接口，并开放给普通云用户实现数据包卸载任务。本项目设计了可编程虚拟网卡的控制平面，可以对用户提交的卸载任务，基于Rust编译器的静态分析机制进行内存安全性验证，防止恶意用户破坏云原生环境的整体安全性。本项目在用户态软件交换机中实现了可编程虚拟网卡的运行环境，可以通过动态加载的方式运行编译后的卸载任务。实验结果表明，可编程虚拟网卡对典型云原生应用具有明显的卸载加速效果。本项目也为后续基于硬件的应用卸载加速研究打下了坚实的基础。

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