【微知】DOCA中DOCA Flow初探？主要原理是什么？四大规则是什么？三级策略是什么？（M3F、Pipe-Entry-Rule

原创 已于 2025-04-13 19:00:54 修改 · 1.1k 阅读 · 16 ·
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#Mellanox #DOCA

于 2025-04-13 18:58:03 首次发布

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背景

DOCA： Data Center-on-a-Chip Architecture，片上数据中心架构。是NVIDIA针对DPU的软件框架。DOCA之于DPU，就相当于CUDA之于GPU。本文介绍的是DOCA SDK中的DOCA Flow模块的基本机制原理，他是DOCA中做数据包处理卸载到硬件处理的框架。本文将介绍DOCA Flow的主要原理是什么？四大规则是什么？三级策略是什么？

在Mellanox BF系列网卡中通过DOCA Flow让数据包处理从CPU上处理卸载到硬件中。它定义了一系列API来支持。并且通过Flow Pipe的方式来进行。 Flow Pipe类似OpenFlow，定义一个范式：以Flow Pipe（FP）为处理单元，每条FP包含多个条目，多条FP可以进行级联处理。

在SDN中使用OpenFlow通信协议来进行定义和管理网络转发规则，让交换机能够被几种控制和管理。在交换机中用OpenFlow table来定义如何处理接收到的数据包。通过该种方式可以提高了网络的灵活性和可管理性，而不用在每个交换机单独配置。比如流量调度、访问控制、QoS…

本文仅是对DOCA Flow原理的一个初步分析。DOCA Flow本质是让CPU处理的卸载到网卡上，网卡从硬件机制上提供了基于DOCA Flow的Flow Pipe的机制，这个机制类似SDN中的openflow，总之是让硬件帮忙做事情，也就是所谓的卸载。目的是为了加速，也是目前整个该方面的软件定义硬件加速的趋势技术。关注数据流动，忽略具体细节，把握本质。

关键点

M3F是条目的4种规则。 Match、MDF、Monitor、Forward

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NVIDIA DOCA与BlueField DPU理解与学习
GitHub个人仓库地址：https://github.com/feiyuluoye ； 个人塔罗牌占卜平台：http://118.126.82.12:8080/ ； 欢迎广大Coding友共同交流讨论。
09-16 1040
NVIDIA DOCA是为BlueField DPU开发的软件开发平台，类似于CUDA之于GPU。其核心理念是将数据中心基础设施任务（网络、存储、安全等）从CPU卸载到专用DPU处理，以提升性能与安全。DOCA包含SDK、运行时环境和开发工具，支持多种加速功能如网络处理、安全防护和存储优化。BlueField DPU结合DOCA可应用于云数据中心、AI加速、网络安全等场景，实现零信任架构和资源释放。学习DOCA需要C语言和网络基础，官方开发者中心提供完整资源。
把CPU逼疯的幕后黑手终于现身：DOCA+BlueField DPU 实战场景全揭秘
全世界的博客
09-29 788
ARM 管「控制面」，加速引擎管「数据面」，网口管「洪水」，三者通过 256-bit AXI 总线互联，
DOCA介绍
blue_sky_wait_me
04-22 1055
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。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。此外，如果DNS条目不匹配(例如，对于每个非DNS包，包将被转发)， 则使用hairpin管道进行转发。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。
DOCA系列之001-NVIDIA面向AI与未来的DPU中的DOCA是什么？全称是什么？本质是什么？DOCA的面面观（Data Center-on-a-Chip Architecture）
技术札记
10-25 2780
可以看到DOCA层是在OS上的一层，他提供了一种软件抽象，将硬件和OS的差异屏蔽，提供一套统一的框架，让应用层可以以一种类似服务或者接口或者库的方式，来构建应用。DOCA的功能结合DPU的硬件能力，在不断地迭代，可以在官网上看到DOCA版本迭代非常快。可以看到这张架构图中DOCA包括了最上层对外提供的服务，中间层为支撑服务提供的库libs，以及为了支撑库和硬件结合的Drivers。
【微知】DOCA中的hws是什么？（hardware steering (HWS) 硬件转向）
技术札记
04-13 174
NVME / DoCA 是什么？
qq_42935045的博客
05-09 361
技术领域作用常见场景NVMe存储高速访问固态硬盘本地 SSD、数据库、虚拟机磁盘DoCA网络/数据中心架构协助 DPU 提供网络、存储加速云计算、虚拟化、边缘计算。
微知-BlueField DPU的DOCA中PCIe的VUID是什么？（Virtual Unique Identifier；lspci -s 2d:00.0 -vvv| grep VU）
技术札记
11-24 343
在DOCA virtio、dma、PCIe中都涉及到了VUID的概念，他到底什么？
微知-DOCA SDK中如何编译一个sample？如何运行？(meson /tmp/xxx； meson compile -C /tmp/xxx)
技术札记
11-24 871
本文介绍的是DOCA SDK中的DOCA ARGP模块的机制原理，他是DOCA程序的一个标准参数处理框架。本文将提供一个rdma write的例子。该实验编译之前需要提前准备好DPU的硬件、安装好对应的DOCA SDK包，以及创建好对应的sf设备。这里使用cm建链，另外使用了mlx5_2的设备，该设备bind在一个sf设备上，详情参考后文。本文将介绍DOCA SDK中的一个DOCA_RDMA的例子，介绍如何编译运行。本文将介绍DOCA SDK中的一个DOCA_RDMA的例子，介绍如何编译运行。
微知-DPU ubuntu中如何用安装DOCA依赖的meson和ninja编译工具？(apt update、apt install meson、apt install ninja-build)
技术札记
11-23 1147
meson和ninja是DOCA的编译相关工具。如果实在是找不到镜像源，或者网络不通。可以在doca的官网ftp服务器镜像源下载地址直接下载，然后用dpkg安装。看一下细节doca.list在apt的镜像源中。(这里doca的镜像源中有meson和ninja的包）下载路径：（具体需要根据情况选择对应的系统版本，这里是ubuntu22.04版本的。本文在执行doca编译遇到依赖问题一来meson和ninja工具的安装和使用方法。如果安装有依赖问题，可以直接使用–force-all之后再查看是否可用。
速记-BlueField DPU系统从DOCA 2.8升级到DOCA 2.9?(bfb-install --rshim rshim1 --bfb bf.*_prod.bfb -c bf.cfg)
技术札记
11-24 1825
在misc中看到。
微知-DOCA中的error类型以及2个主要函数（doca_error_t，doca_error_get_name，doca_error_get_descr）
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DOCA： Data Center-on-a-Chip Architecture，片上数据中心架构。是NVIDIA针对DPU的软件框架。DOCA之于DPU，就相当于CUDA之于GPU。本文介绍的是DOCA SDK中的DOCA定义的错误类型以及他的2个接口和常用使用模板。
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vDPA 与 SR-IOV 的本质区别是什么？各自适用于哪些场景？
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vDPA（virtual Data Path Acceleration）与 SR-IOV（Single Root I/O Virtualization）都是用于提升虚拟化环境中 I/O 性能的技术，尤其在高性能网络场景中广泛应用。尽管它们都能实现接近物理设备的吞吐能力，但其设计哲学、架构模型和适用场景有本质区别。 --- ## 一、vDPA 与 SR-IOV 的本质区别 | 维度 | **vDPA** | **SR-IOV** | |------|----------|-----------| | **核心思想** | 硬件加速 + Virtio 协议兼容性 | 物理设备虚拟化出多个独立 VF（Virtual Function） | | **数据路径控制权** | 可由硬件直接处理 virtqueue，但仍受 host 内核控制面管理 | VM 直接访问 VF，几乎绕过宿主机 | | **协议一致性** | 完全兼容标准 Virtio 驱动 | 使用原生网卡驱动或特定 VF 驱动 | | **热迁移支持** | ✅ 支持（因控制面仍在 host） | ❌ 不支持（VF 是独占资源，状态难迁移） | | **中断机制** | 支持 MSI/MSI-X 注入，可通过 KVM/vhost 协同 | 直接由 VF 向 VM 注入中断 | | **内存访问方式** | 使用 IOMMU 映射 Guest 内存，安全 DMA 访问 | 同样依赖 IOMMU 实现 DMA 隔离 | | **配置接口** | 通过 `vdpa` 子系统统一管理（如 `ip link add type vdpa`） | 通过 PCI 层创建 VF，使用 `ethtool` 或 sysfs 配置 | | **灵活性** | 高：可动态启用/禁用硬件加速，支持 fallback 到软件栈 | 低：VF 分配后即固定绑定给 VM | | **安全性** | 较高：控制面集中于 host，便于策略实施 | 中等：VF 具有一定特权，需严格隔离 | ### 核心差异总结： > 🔍 **vDPA 是“软硬协同”的中间路线**： > - 数据面交给硬件加速； > - 控制面保留在 host 内核； > - 兼容 Virtio 生态，支持热迁移。 > ⚡ **SR-IOV 是“直通优先”的极致性能方案**： > - 每个 VM 获得一个 VF，相当于拥有独立网卡； > - 性能最高，延迟最低； > - 但牺牲了灵活性和可管理性。 --- ## 二、技术原理对比详解 ### 2.1 SR-IOV 架构简述 ```text +------------------+ +------------------+ | VM 1 | | VM N | | eth0 → VF1 | | eth0 → VFn | +------------------+ +------------------+ ↓ ↓ +-----------------------------------------+ | PF (Physical Function) | | 嵌入在物理网卡中的管理实体 | +-----------------------------------------+ ↓ Physical NIC → Network ``` - **PF**：负责管理和配置 VF，运行在 host 上。 - **VF**：轻量级 PCIe 功能，可分配给 VM 使用。 - VM 中加载的是厂商提供的 VF 驱动（如 `ixgbevf`），而非标准 Virtio 驱动。 ✅ 优点： - 极致性能：零拷贝、无上下文切换； - 多队列并行处理能力强。 ❌ 缺点： - VF 数量受限（通常每个 PF 最多 64~128 个 VF）； - 不支持热迁移（VF 状态无法迁移）； - 安全风险较高（VM 对 VF 有较大控制权）； - 配置复杂，难以自动化编排。 --- ### 2.2 vDPA 架构简述 ```text +------------------+ | VM | | eth0 → virtio-net| → 描述符写入 guest 内存 +------------------+ ↓ Guest RAM: [Desc Ring][Avail Ring][Used Ring] ↓ +-----------------------------+ | vDPA Device (e.g., mlx5) | | 直接解析 virtqueue 结构 | | 并执行收发操作 | +-----------------------------+ ↓ Physical Network ↑ Host Kernel: vdpa core ← ip/link/vdpa → 用户空间工具 ``` 关键点： - vDPA 设备能“理解”Virtio ring 的布局； - 不需要 VM 修改驱动； - host 内核仍可通过 netlink 接口配置 MAC、MTU、VLAN 等； - 支持 `vhost-vdpa` 后端，实现 hybrid 加速模式。 ✅ 优点： - 保持 Virtio 兼容性； - 支持热迁移（virtqueue 可被重新映射）； - 控制面集中，适合云平台统一管理； - 可降级到软件模拟（fallback）。 ❌ 缺点： - 对硬件要求高（必须支持 vDPA）； - 当前生态不如 SR-IOV 成熟。 --- ## 三、适用场景对比 | 场景 | 推荐技术 | 原因 | |------|----------|------| | **公有云 / 多租户环境** | ✅ vDPA | 支持热迁移、统一控制面、安全审计方便 | | **NFV（网络功能虚拟化）** | ✅ vDPA | 需要高性能 + 可编程性 + 动态调度 | | **裸金属容器（Kubernetes CNI）** | ✅ vDPA | 可结合 CRI-Runtime 使用 `vdpa-device-plugin` | | **超低延迟交易系统** | ✅ SR-IOV | 追求极致性能，不关心迁移 | | **HPC 集群通信** | ✅ SR-IOV | MPI 流量大，需要线速转发 | | **边缘计算节点（资源有限）** | ✅ vDPA | 更灵活，少量 VF 即可服务多个 VM | | **VDI / 桌面云** | ✅ vDPA | 需要频繁迁移用户会话 | --- ## 四、代码层面体现的区别（以内核为例） ### SR-IOV 创建 VF 示例（ixgbe 驱动） ```c // drivers/net/ethernet/intel/ixgbe/ixgbe_main.c static int ixgbe_pci_sriov_configure(struct pci_dev *dev, int num_vfs) { struct ixgbe_adapter *adapter = pci_get_drvdata(dev); if (num_vfs > MAX_VFS) return -EINVAL; /* 初始化 VF 队列、分配中断向量 */ ixgbe_enable_sriov(adapter, num_vfs); return num_vfs; } ``` 调用方式： ```bash echo 4 > /sys/class/net/enp3s0f0/device/sriov_numvfs ``` ### vDPA 设备注册示例（mlx5） ```c // drivers/net/ethernet/mellanox/mlx5/core/vdpa/main.c static const struct vdpa_config_ops mlx5_vdpa_config_ops = { .set_vq_address = mlx5_vdpa_set_vq_addr, .kick_vq = mlx5_vdpa_kick_vq, ... }; static int mlx5_vdpa_probe(struct auxiliary_device *aux_dev, const struct auxiliary_device_id *id) { struct mlx5_vdpa_dev *mvdev = to_mvdev(aux_dev); struct vdpa_device *vdpa = &mvdev->vdpa; vdpa->config = &mlx5_vdpa_config_ops; return vdpa_register_device(vdpa, num_vqs, 0); // 注册为 vdpa 设备 } ``` 使用方式： ```bash ip link add vdpa0 type vdpa dev mlxdpa0 ``` > 💡 可见：SR-IOV 是基于 PCI 层的硬件虚拟化；而 vDPA 是基于设备抽象层的协议加速。 --- ## 五、发展趋势展望 | 技术 | 发展趋势 | |------|----------| | **SR-IOV** | 逐渐被更灵活的技术替代，在新架构中趋于边缘化 | | **vDPA** | 成为主流方向，特别是在 DPU 和 SmartNIC 架构中 | | **VDUSE** | 新兴技术，将 vDPA 扩展到用户态设备（User-space vDPA） | | **VFIO-user + vDPA** | 实现远程设备共享与容器级设备虚拟化 | 例如 NVIDIA BlueField DPU 已全面支持 vDPA，并可在 DOCA 框架下构建用户态网络加速服务。 --- ## 六、结论 | 项目 | vDPA | SR-IOV | |------|------|--------| | 是否兼容 Virtio | ✅ 是 | ❌ 否 | | 是否支持热迁移 | ✅ 是 | ❌ 否 | | 性能水平 | 接近线速 | 极致线速 | | 管理性 | 强（统一控制面） | 弱（分散管理） | | 未来前景 | 广阔（云原生首选） | 收缩（特定场景保留） | > 📌 **一句话总结**： > - 如果你需要 **高性能 + 可管理性 + 热迁移** → 选 **vDPA**； > - 如果你只追求 **绝对最低延迟和最大吞吐**，且不在乎迁移 → 选 **SR-IOV**。 ---
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