什么是 RDMA,其原理是怎么样的

admin 2023年9月21日10:56:40评论6 views字数 5024阅读16分44秒阅读模式

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什么是 DMA

DMA全称为Direct Memory Access,即直接内存访问。意思是外设对内存的读写过程可以不用CPU参与而直接进行。我们先来看一下没有DMA的时候:

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

无DMA控制器时I/O设备和内存间的数据路径

假设I/O设备为一个普通网卡,为了从内存拿到需要发送的数据,然后组装数据包发送到物理链路上,网卡需要通过总线告知CPU自己的数据请求。然后CPU将会把内存缓冲区中的数据复制到自己内部的寄存器中,再复制到I/O设备的存储空间中。如果数据量比较大,那么很长一段时间内CPU都会忙于搬移数据,而无法投入到其他工作中去。

CPU的最主要工作是计算,而不是进行数据复制,这种工作属于白白浪费了它的计算能力。为了给CPU“减负”,让它投入到更有意义的工作中去,后来人们设计了DMA机制:

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

有DMA控制器时I/O设备和内存间的数据路径

可以看到总线上又挂了一个DMA控制器,它是专门用来读写内存的设备。有了它以后,当我们的网卡想要从内存中拷贝数据时,除了一些必要的控制命令外,整个数据复制过程都是由DMA控制器完成的。

过程跟CPU复制是一样的,只不过这次是把内存中的数据通过总线复制到DMA控制器内部的寄存器中,再复制到I/O设备的存储空间中。CPU除了关注一下这个过程的开始和结束以外,其他时间可以去做其他事情。

DMA控制器一般是和I/O设备在一起的,也就是说一块网卡中既有负责数据收发的模块,也有DMA模块。

什么是RDMA

RDMA( Remote Direct Memory Access )意为远程直接地址访问,通过RDMA,本端节点可以“直接”访问远端节点的内存。

所谓直接,指的是可以像访问本地内存一样,绕过传统以太网复杂的TCP/IP网络协议栈读写远端内存,而这个过程对端是不感知的,而且这个读写过程的大部分工作是由硬件而不是软件完成的。

为了能够直观的理解这一过程,请看下面两个图(图中箭头仅做示意,不表示实际逻辑或物理关系):

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

传统网络中,“节点A给节点B发消息”实际上做的是“把节点A内存中的一段数据,通过网络链路搬移到节点B的内存中”,而这一过程无论是发端还是收,都需要CPU的指挥和控制,包括网卡的控制,中断的处理,报文的封装和解析等等。

上图中左边的节点在内存用户空间中的数据,需要经过CPU拷贝到内核空间的缓冲区中,然后才可以被网卡访问,这期间数据会经过软件实现的TCP/IP协议栈,加上各层头部和校验码,比如TCP头,IP头等。

网卡通过DMA拷贝内核中的数据到网卡内部的缓冲区中,进行处理后通过物理链路发送给对端。

对端收到数据后,会进行相反的过程:从网卡内部存储空间,将数据通过DMA拷贝到内存内核空间的缓冲区中,然后CPU会通过TCP/IP协议栈对其进行解析,将数据取出来拷贝到用户空间中。

可以看到,即使有了DMA技术,上述过程还是对CPU有较强的依赖。

而使用了RDMA技术之后,这一过程可以简单的表示成下面的示意图:

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

同样是把本端内存中的一段数据,复制到对端内存中,在使用了RDMA技术时,两端的CPU几乎不用参与数据传输过程(只参与控制面)。

本端的网卡直接从内存的用户空间DMA拷贝数据到内部存储空间,然后硬件进行各层报文的组装后,通过物理链路发送到对端网卡。对端的RDMA网卡收到数据后,剥离各层报文头和校验码,通过DMA将数据直接拷贝到用户空间内存中。

RDMA的优势

RDMA主要应用在高性能计算(HPC)领域和大型数据中心当中,并且设备相对普通以太网卡要昂贵不少(比如Mellanox公司的Connext-X 5 100Gb PCIe网卡市价在4000元以上)。

由于使用场景和价格的原因,RDMA与普通开发者和消费者的距离较远,目前主要是一些大型互联网企业在部署和使用。

RDMA技术为什么可以应用在上述场景中呢?这就涉及到它的以下几个特点:

  • 零拷贝:指的是不需要在用户空间和内核空间中来回复制数据。

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

由于Linux等操作系统将内存划分为用户空间和内核空间,在传统的Socket通信流程中CPU需要多次把数据在内存中来回拷贝。而通过RDMA技术,我们可以直接访问远端已经注册的内存区域。356

  • 内核Bypass:指的是IO(数据)流程可以绕过内核,即在用户层就可以把数据准备好并通知硬件准备发送和接收。避免了系统调用和上下文切换的开销。

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

上图(原图[1])可以很好地解释“零拷贝”和“内核Bypass”的含义。上下两部分分别是基于Socket的和基于RDMA的一次收-发流程,左右分别为两个节点。可以明显地看到Socket流程中在软件中多了一次拷贝动作。而RDMA绕过了内核同时也减少了内存拷贝,数据可以直接在用户层和硬件间传递。

  • CPU卸载:指的是可以在远端节点CPU不参与通信的情况下(当然要持有访问远端某段内存的“钥匙”才行)对内存进行读写,这实际上是把报文封装和解析放到硬件中做了。而传统的以太网通信,双方CPU都必须参与各层报文的解析,如果数据量大且交互频繁,对CPU来讲将是一笔不小的开销,而这些被占用的CPU计算资源本可以做一些更有价值的工作。

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

通信领域两大出场率最高的性能指标就是“带宽”和“时延”。简单的说,所谓带宽指的是指单位时间内能够传输的数据量,而时延指的是数据从本端发出到被对端接收所耗费的时间。

因为上述几个特点,相比于传统以太网,RDMA技术同时做到了更高带宽和更低时延,所以其在带宽敏感的场景——比如海量数据的交互,时延敏感——比如多个计算节点间的数据同步的场景下得以发挥其作用。

协议

RDMA本身指的是一种技术,具体协议层面,包含Infiniband(IB),RDMA over Converged Ethernet(RoCE)和internet Wide Area RDMA Protocol(iWARP)。

三种协议都符合RDMA标准,使用相同的上层接口,在不同层次上有一些差别。

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

上图[2]对于几种常见的RDMA技术的协议层次做了非常清晰的对比

Infiniband

2000年由IBTA(InfiniBand Trade Association)提出的IB协议是当之无愧的核心,其规定了一整套完整的链路层到传输层(非传统OSI七层模型的传输层,而是位于其之上)规范,但是其无法兼容现有以太网,除了需要支持IB的网卡之外,企业如果想部署的话还要重新购买配套的交换设备。

RoCE

RoCE从英文全称就可以看出它是基于以太网链路层的协议,v1版本网络层仍然使用了IB规范,而v2使用了UDP+IP作为网络层,使得数据包也可以被路由。

RoCE可以被认为是IB的“低成本解决方案”,将IB的报文封装成以太网包进行收发。由于RoCE v2可以使用以太网的交换设备,所以现在在企业中应用也比较多,但是相同场景下相比IB性能要有一些损失。

iWARP

iWARP协议是IETF基于TCP提出的,因为TCP是面向连接的可靠协议,这使得iWARP在面对有损网络场景(可以理解为网络环境中可能经常出现丢包)时相比于RoCE v2和IB具有更好的可靠性,在大规模组网时也有明显的优势。但是大量的TCP连接会耗费很多的内存资源,另外TCP复杂的流控等机制会导致性能问题,所以从性能上看iWARP要比UDP的RoCE v2和IB差。

需要注意的是,虽然有软件实现的RoCE和iWARP协议,但是真正商用时上述几种协议都需要专门的硬件(网卡)支持。

iWARP本身不是由Infiniband直接发展而来的,但是它继承了一些Infiniband技术的设计思想。这三种协议的关系如下图所示:

什么是 RDMA,其原理是怎么样的

玩家

标准/生态组织

提到IB协议,就不得不提到两大组织——IBTA和OFA。

IBTA[3]

成立于1999年,负责制定和维护Infiniband协议标准。IBTA独立于各个厂商,通过赞助技术活动和推动资源共享来将整个行业整合在一起,并且通过线上交流、营销和线下活动等方式积极推广IB和RoCE。

IBTA会对商用的IB和RoCE设备进行协议标准符合性和互操作性测试及认证,由很多大型的IT厂商组成的委员会领导,其主要成员包括博通,HPE,IBM,英特尔,Mellanox和微软等,华为也是IBTA的会员。

OFA[4]

成立于2004年的非盈利组织,负责开发、测试、认证、支持和分发独立于厂商的开源跨平台infiniband协议栈,2010年开始支持RoCE。其对用于支撑RDMA/Kernel bypass应用的OFED(OpenFabrics Enterprise Distribution)软件栈负责,保证其与主流软硬件的兼容性和易用性。OFED软件栈包括驱动、内核、中间件和API。

上述两个组织是配合关系,IBTA主要负责开发、维护和增强Infiniband协议标准;OFA负责开发和维护Infiniband协议和上层应用API。

开发社区

Linux社区

Linux内核的RDMA子系统还算比较活跃,经常会讨论一些协议细节,对框架的修改比较频繁,另外包括华为和Mellanox在内的一些厂商也会经常对驱动代码进行修改。

邮件订阅:http://vger.kernel.org/vger-lists.html#linux-rdma

代码位于内核drivers/infiniband/目录下,包括框架核心代码和各厂商的驱动代码。

代码仓:https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/rdma/rdma.git/

RDMA社区

对于上层用户,IB提供了一套与Socket套接字类似的接口——libibverbs,前文所述三种协议都可以使用。参考着协议、API文档和示例程序很容易就可以写一个Demo出来。本专栏中的RDMA社区专指其用户态社区,在github上其仓库的名字为linux-rdma。

主要包含两个子仓库:

  • rdma-core

用户态核心代码,API,文档以及各个厂商的用户态驱动。

  • perftest

一个功能强大的用于测试RDMA性能的工具。

代码仓:https://github.com/linux-rdma/

UCX[5]

UCX是一个建立在RDMA等技术之上的用于数据处理和高性能计算的通信框架,RDMA是其底层核心之一。我们可以将其理解为是位于应用和RDMA API之间的中间件,向上层用户又封装了一层更易开发的接口。


什么是 RDMA,其原理是怎么样的


笔者对其并不了解太多,只知道业界有一些企业在基于UCX开发应用。

代码仓:https://github.com/openucx/ucx

硬件厂商

设计和生产IB相关硬件的厂商有不少,包括Mellanox、华为、收购了Qlogic的IB技术的Intel,博通、Marvell,富士通等等,这里就不逐个展开了,仅简单提一下Mellanox和华为。

  • Mellanox

IB领域的领头羊,协议标准制定、软硬件开发和生态建设都能看到Mellanox的身影,其在社区和标准制定上上拥有最大的话语权。目前最新一代的网卡是支持200Gb/s的ConnextX-6系列。

  • 华为

去年初推出的鲲鹏920芯片已经支持100Gb/s的RoCE协议,技术上在国内处于领先地位。但是软硬件和影响力方面距离Mellanox还有比较长的路要走,相信华为能够早日赶上老大哥的步伐。

用户

微软、IBM和国内的阿里、京东都正在使用RDMA,另外还有很多大型IT公司在做初步的开发和测试。在数据中心和高性能计算场景下,RDMA代替传统网络是大势所趋。笔者对于市场接触不多,所以并不能提供更详细的应用情况。

原文:https://zhuanlan.zhihu.com/p/138874738

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