详解RDMA架构和技术原理

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2021-05-11 13:26:56

 

面对高性能计算、大数据分析和浪涌型IO高并发、低时延应用，现有TCP/IP软硬件架构和应用高CPU消耗的技术特征根本不能满足应用的需求。这要有体现在处理延时过大，数十微秒；多次内存拷贝、中断处理，上下文切换、复杂的TCP/IP协议处理、网络延时过大、存储转发模式和丢包导致额外延时。接下来我们继续讨论RDMA技术、原理和优势，看完文章你就会发现为什么RDMA可以更好的解决这一系列问题。

      RDMA是一种远端内存直接访问技术，详细介绍请参看 RDMA(远程直接内存访问)技术浅析文章。RDMA最早专属于Infiniband架构，随着在网络融合大趋势下出现的RoCE和iWARP，这使高速、超低延时、极低CPU使用率的RDMA得以部署在目前使用最广泛的以太网上。

      RDMAC(RDMA Consortium)和IBTA(InfiniBand Trade Association)主导了RDMA发展，RDMAC是IETF的一个补充并主要定义的是iWRAP和iSER，IBTA是infiniband的全部标准制定者，并补充了RoCE v1 v2的标准化。IBTA解释了RDMA传输过程中应具备的特性行为，而传输相关的Verbs接口和数据结构原型是由另一个组织OFA(Open Fabric Alliance)来完成。

    相比传统DMA的内部总线IO，RDMA通过网络在两个端点的应用软件之间实现Buffer的直接传递；相比比传统的网络传输，RDMA又无需操作系统和协议栈的介入。RDMA可以轻易实现端点间的超低延时、超高吞吐量传输，而且基本不需要CPU、OS等资源介入，也不必再为网络数据的处理和搬移耗费过多其他资源。   
 

      InfiniBand通过以下技术保证网络转发的低时延(亚微秒级)，采用Cut-Through转发模式，减少转发时延；基于Credit的流控机制，保证无丢包；硬件卸载；Buffer尽可能小，减少报文被缓冲的时延 。

      iWARP(RDMA over TCP/IP) 利用成熟的IP网络；继承RDMA的优点；TCP/IP硬件实现成本高，但如果采用传统IP网络丢包对性能影响大。

      RoCE性能与IB网络相当；DCB特性保证无丢包；需要以太网支持DCB特性；以太交换机时延比IB交换机时延要稍高一些。

      RoCEv2针对RoCE进行了一些改进，如引入IP解决扩展性问题，可以跨二层组网；引入UDP解决ECMP负载分担等问题。

      基于InfiniBand的RDMA是在2000年发布规范，属于原生RDMA；基于TCP/IP的RDMA称作iWARP，在 2007年形成标准，主要包括MPA/ DDP/ RDMAP三层子协议；基于Ethernet的RDMA叫做RoCE，在2010年发布协议，基于增强型以太网并将传输层换成IB传输层实现。

      扩展RDMA API接口以兼容现有协议/应用，OFED(Open Fabrics Enterprise Distribution)协议栈由OpenFabric联盟发布，分为Linux和windows版本，可以无缝兼容已有应用。通过使已有应用与RDMA结合后，性能成倍提升。

      应用和RNIC(RDMA-aware Network Interface Controller)之间的传输接口层(Software Transport Interface)被称为Verbs。OFA(Open Fabric Alliance)提供了RDMA传输的一系列Verbs API，开发了OFED(Open Fabric Enterprise Distribution)协议栈，支持多种RDMA传输层协议。

      OFED向下除了提供RNIC(实现 RDMA 和LLP( Lower Layer Protocol))基本的队列消息服务外，向上还提供了ULP(Upper Layer Protocols)，通过ULP上层应用不需直接和Verbs API对接，而是借助于ULP与应用对接，这样使得常见的应用不需要做修改就可以跑在RDMA传输层上。

      在Infiniband/RDMA的模型中，核心是如何实现应用之间最简单、高效和直接的通信。RDMA提供了基于消息队列的点对点通信，每个应用都可以直接获取自己的消息，无需操作系统和协议栈的介入。

      消息服务建立在通信双方本端和远端应用之间创建的Channel-IO连接之上。当应用需要通信时，就会创建一条Channel连接，每条Channel的首尾端点是两对Queue Pairs(QP)，每对QP由Send Queue(SQ)和Receive Queue(RQ)构成，这些队列中管理着各种类型的消息。QP会被映射到应用的虚拟地址空间，使得应用直接通过它访问RNIC网卡。除了QP描述的两种基本队列之外，RDMA还提供一种队列Complete Queue(CQ)，CQ用来知会用户WQ上的消息已经被处理完。

      RDMA提供了一套软件传输接口，方便用户创建传输请求Work Request(WR)，WR中描述了应用希望传输到Channel对端的消息内容，WR通知QP中的某个队列Work Queue(WQ)。在WQ中，用户的WR被转化为Work Queue Ellement(WQE)的格式，等待RNIC的异步调度解析，并从WQE指向的Buffer中拿到真正的消息发送到Channel对端。

     RDMA中SEND/RECEIVE是双边操作，即必须要远端的应用感知参与才能完成收发。READ和WRITE是单边操作，只需要本端明确信息的源和目的地址，远端应用不必感知此次通信，数据的读或写都通过RDMA在RNIC与应用Buffer之间完成，再由远端RNIC封装成消息返回到本端。在实际中，SEND /RECEIVE多用于连接控制类报文，而数据报文多是通过READ/WRITE来完成的。

      对于双边操作为例，主机A向主机B(下面简称A、B)发送数据的流程如下

• 1.   首先，A和B都要创建并初始化好各自的QP，CQ

• 2.   A和B分别向自己的WQ中注册WQE，对于A，WQ=SQ，WQE描述指向一个等到被发送的数据；对于B，WQ=RQ，WQE描述指向一块用于存储数据的Buffer。

• 3.   A的RNIC异步调度轮到A的WQE，解析到这是一个SEND消息，从Buffer中直接向B发出数据。数据流到达B的RNIC后，B的WQE被消耗，并把数据直接存储到WQE指向的存储位置。

• 4.  AB通信完成后，A的CQ中会产生一个完成消息CQE表示发送完成。与此同时，B的CQ中也会产生一个完成消息表示接收完成。每个WQ中WQE的处理完成都会产生一个CQE。

      双边操作与传统网络的底层Buffer Pool类似，收发双方的参与过程并无差别，区别在零拷贝、Kernel Bypass，实际上对于RDMA，这是一种复杂的消息传输模式，多用于传输短的控制消息。

         对于单边操作，以存储网络环境下的存储为例(A作为文件系统，B作为存储介质)，数据的流程如下

• 1.   首先A、B建立连接，QP已经创建并且初始化。

• 2.   数据被存档在A的buffer地址VA，注意VA应该提前注册到A的RNIC，并拿到返回的local key，相当于RDMA操作这块buffer的权限。

• 3.   A把数据地址VA，key封装到专用的报文传送到B，这相当于A把数据buffer的操作权交给了B。同时A在它的WQ中注册进一个WR，以用于接收数据传输的B返回的状态。

• 4.   B在收到A的送过来的数据VA和R_key后，RNIC会把它们连同存储地址VB到封装RDMA READ，这个过程A、B两端不需要任何软件参与，就可以将A的数据存储到B的VB虚拟地址。

• 5.   B在存储完成后，会向A返回整个数据传输的状态信息。

      单边操作传输方式是RDMA与传统网络传输的最大不同，只需提供直接访问远程的虚拟地址，无须远程应用的参与其中，这种方式适用于批量数据传输。

简单总结 

 

• Infiniband的成功取决于两个因素，一是主机侧采用RDMA技术，可以把主机内数据处理的时延从几十微秒降低到几微秒，同时不占用CPU；二是InfiniBand网络的采用高带宽(40G/56G)、低时延(几百纳秒)和无丢包特性

• 随着以太网的发展，也具备高带宽和无丢包能力，在时延方面也能接近InfiniBand交换机的性能，所以RDMA over Ethernet(RoCE)成为必然，且RoCE组网成本更低。未来RoCE、iWARP和Infiniband等基于RDMA技术产品都会得到长足的发展。