4. RDMA操作类型

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前面几篇涉及RDMA的通信流程时一直在讲SEND-RECV，然而它其实称不上是“RDMA”，只是一种加入了0拷贝和协议栈卸载的传统收发模型的“升级版”，这种操作类型没有完全发挥RDMA技术全部实力，常用于两端交换控制信息等场景。当涉及大量数据的收发时，更多使用的是两种RDMA独有的操作：WRITE和READ。

我们先来复习下双端操作——SEND和RECV，然后再对比介绍单端操作——WRITE和READ。

SEND & RECV

SEND和RECV是两种不同的操作类型，但是因为如果一端进行SEND操作，对端必须进行RECV操作，所以通常都把他们放到一起描述。

为什么称之为“双端操作”？因为完成一次通信过程需要两端CPU的参与，并且收端需要提前显式的下发WQE。下图是一次SEND-RECV操作的过程示意图。原图来自于[1]，我做了一些修改。

上一篇我们讲过，上层应用通过WQE（WR）来给硬件下任务。在SEND-RECV操作中，不止发送端需要下发WQE，接收端也需要下发WQE来告诉硬件收到的数据需要放到哪个地址。发送端并不知道发送的数据会放到哪里，每次发送数据，接收端都要提前准备好接收Buffer，而接收端CPU自然会感知这一过程。

为了下文对比SEND/RECV与WRITE/READ的异同，我们将上一篇的SEND-RECV流程中补充内存读写这一环节，即下图中的步骤⑤——发送端硬件根据WQE从内存中取出数据封装成可在链路上传输数据包和步骤⑦——接收端硬件将数据包解析后根据WQE将数据放到指定内存区域，其他步骤不再赘述。另外再次强调一下，收发端的步骤未必是图中这个顺序，比如步骤⑧⑪⑫和步骤⑨⑩的先后顺序就是不一定的。

下面将介绍WRITE操作，对比之后相信大家可以理解的更好。

WRITE

WRITE全称是RDMA WRITE操作，是本端主动写入远端内存的行为，除了准备阶段，远端CPU不需要参与，也不感知何时有数据写入、数据在何时接收完毕。所以这是一种单端操作。

通过下图我们对比一下WRITE和SEND-RECV操作的差异，本端在准备阶段通过数据交互，获取了对端某一片可用的内存的地址和“钥匙”，相当于获得了这片远端内存的读写权限。拿到权限之后，本端就可以像访问自己的内存一样直接对这一远端内存区域进行读写，这也是RDMA——远程直接地址访问的内涵所在。

WRITE/READ操作中的目的地址和钥匙是如何获取的呢？通常可以通过我们刚刚讲过的SEND-RECV操作来完成，因为拿到钥匙这个过程总归是要由远端内存的控制者——CPU允许的。虽然准备工作还比较复杂， 但是一旦完成准备工作，RDMA就可以发挥其优势，对大量数据进行读写。一旦远端的CPU把内存授权给本端使用，它便不再会参与数据收发的过程，这就解放了远端CPU，也降低了通信的时延。

需要注意的是，本端是通过虚拟地址来读写远端内存的，上层应用可以非常方便的对其进行操作。实际的虚拟地址—物理地址的转换是由RDMA网卡完成的。具体是如何转换的，将在后面的文章介绍。

忽略准备阶段key和addr的获取过程，下面我们描述一次WRITE操作的流程，此后我们不再将本端和对端称为“发送”和“接收”端，而是改为“请求”和“响应”端，这样对于描述WRITE和READ操作都更恰当一些，也不容易产生歧义。

1. 请求端APP以WQE（WR）的形式下发一次WRITE任务。
2. 请求端硬件从SQ中取出WQE，解析信息。
3. 请求端网卡根据WQE中的虚拟地址，转换得到物理地址，然后从内存中拿到待发送数据，组装数据包。
4. 请求端网卡将数据包通过物理链路发送给响应端网卡。
5. 响应端收到数据包，解析目的虚拟地址，转换成本地物理地址，解析数据，将数据放置到指定内存区域。
6. 响应端回复ACK报文给请求端。
7. 请求端网卡收到ACK后，生成CQE，放置到CQ中。
8. 请求端APP取得任务完成信息。

READ

顾名思义，READ跟WRITE是相反的过程，是本端主动读取远端内存的行为。同WRITE一样，远端CPU不需要参与，也不感知数据在内存中被读取的过程。

获取key和虚拟地址的流程也跟WRITE没有区别，需要注意的是“读”这个动作所请求的数据，是在对端回复的报文中携带的。

下面描述一次READ操作的流程，注意跟WRITE只是方向和步骤顺序的差别。

1. 请求端APP以WQE的形式下发一次READ任务。
2. 请求端网卡从SQ中取出WQE，解析信息。
3. 请求端网卡将READ请求包通过物理链路发送给响应端网卡。
4. 响应端收到数据包，解析目的虚拟地址，转换成本地物理地址，解析数据，从指定内存区域取出数据。
5. 响应端硬件将数据组装成回复数据包发送到物理链路。
6. 请求端硬件收到数据包，解析提取出数据后放到READ WQE指定的内存区域中。
7. 请求端网卡生成CQE，放置到CQ中。
8. 请求端APP取得任务完成信息。

总结

我们忽略各种细节进行抽象，RDMA WRITE和READ操作就是在利用网卡完成下面左图的内存拷贝操作而已，只不过复制的过程是由RDMA网卡通过网络链路完成的；而本地内存拷贝则如下面右图所示由CPU通过总线完成的：

RDMA标准定义上述几种操作的时候使用的单词是非常贴切的，“收”和“发”是需要有对端主动参与的语义 ，而‘读“和”写“更像是本端对一个没有主动性的对端进行操作的语义。

通过对比SEND/RECV和WRITE/READ操作，我们可以发现传输数据时不需要响应端CPU参与的WRITE/READ有更大的优势，缺点就是请求端需要在准备阶段获得响应端的一段内存的读写权限。但是实际数据传输时，这个准备阶段的功率和时间损耗都是可以忽略不计的，所以RDMA WRITE/READ才是大量传输数据时所应用的操作类型，SEND/RECV通常只是用来传输一些控制信息。

除了本文介绍的几种操作之外，还有ATOMIC等更复杂一些的操作类型，将在后面的协议解读部分详细分析。本篇就到这里，下一篇将介绍RDMA 基本服务类型。

参考资料

[1] part1-OFA_Training_Sept_2016.pdf