到底什么是RDMA？为什么数据中心需要它？

Posted 2023-01-26 鲜枣课堂

众所周知，互联网数据的爆炸式增长，给数据中心的处理能力带来了很大的挑战。

计算、存储和网络，是推动数据中心发展的三驾马车。

计算随着CPU、GPU和FPGA的发展，算力得到了极大的提升。 存储随着闪存盘（SSD）的引入，数据存取时延已大幅降低。

但是，网络的发展明显滞后，传输时延高，逐渐成为了数据中心高性能的瓶颈。

在数据中心内，70%的流量为东西向流量（服务器之间的流量）。 这些流量，一般为数据中心进行高性能分布式并行计算时的过程数据流，通过TCP/IP网络传输。

如果服务器之间的TCP/IP传输速率提升了，数据中心的性能自然也会跟着提升。

下面，我们就来看看服务器之间数据TCP/IP传输的过程，了解一下“时间都去哪了”，才好“对症下药”。

服务器间的TCP/IP传输

在数据中心，服务器A向服务器B发送数据的过程如下：

1、CPU控制数据由A的APP Buffer拷贝到操作系统Buffer。

2、CPU控制数据在操作系统（OS）Buffer中添加TCP、IP报文头。

3、添加TCP、IP报文头后的数据传送到网卡（NIC），添加以太网报文头。

4、报文由网卡发送，通过以太网络传输到服务器B网卡。

5、服务器B网卡卸载报文的以太网报文头后，将其传输到操作系统Buffer。

6、CPU控制操作系统Buffer中的报文卸载TCP、IP报文头。

7、CPU控制卸载后的数据传输到APP Buffer中。

从数据传输的过程可以看出，数据在服务器的Buffer内多次拷贝，在操作系统中需要添加/卸载TCP、IP报文头，这些操作既增加了数据传输时延，又消耗了大量的CPU资源，无法很好得满足高性能计算的需求。

那么，如何构造高吞吐量、超低时延和低CPU开销的高性能数据中心网络呢？ 

RDMA技术可以做到。

什么是RDMA

RDMA （ Remote Direct Memory Access，远程直接地址访问技术 ） 是一种新的内存访问技术，可以让服务器直接高速读写其他服务器的内存数据，而不需要经过操作系统/CPU耗时的处理。

RDMA不算是一项新技术，已经广泛应用于高性能（HPC）科学计算中。 随着数据中心高带宽、低时延的发展需求，RDMA也开始逐渐应用于某些要求数据中心具备高性能的场景中。

举个例子，2021年某大型网上商城的双十一交易额再创新高，达到5000多亿，比2020年又增长了近10%。 如此巨大的交易额背后是海量的数据处理，该网上商城采用了RDMA技术来支撑高性能网络，保障了双十一的顺畅购物。

下面我们一起来看看RDMA让网络实现低时延的绝招吧。

RDMA将服务器应用数据直接由内存传输到智能网卡（固化RDMA协议），由智能网卡硬件完成RDMA传输报文封装，解放了操作系统和CPU。

这使得RDMA具有两大优势：

• Zero Copy（零拷贝）： 无需将数据拷贝到操作系统内核态并处理数据包头部的过程，传输延迟会显著减小。

• Kernel Bypass（内核旁路）和Protocol Offload（协议卸载）： 不需要操作系统内核参与，数据通路中没有繁琐的处理报头逻辑，不仅会使延迟降低，而且也大大节省了CPU的资源。

三大RDMA网络

目前，大致有三类RDMA网络，分别是InfiniBand、RoCE（RDMA over Converged Ethernet，RDMA过融合以太网）和iWARP（RDMA over TCP，互联网广域RDMA协议）。

RDMA最早专属于Infiniband网络架构，从硬件级别保证可靠传输，而RoCE和iWARP都是基于以太网的RDMA技术。

InfiniBand

• InfiniBand是一种专为RDMA设计的网络。

• 采用Cut-Through转发模式（直通转发模式），减少转发时延。

• 基于Credit的流控机制（基于信用的流控机制），保证无丢包。

• 要求InfiniBand专用的网卡、交换机和路由器，建网成本最高。

RoCE

• 传输层为InfiniBand协议。

• RoCE有两个版本： RoCEv1基于以太网链路层实现，只能在L2层传输； RoCEv2基于UDP承载RDMA，可部署于三层网络。

• 需要支持RDMA专用智能网卡，不需要专用交换机和路由器（支持ECN/PFC等技术，降低丢包率），建网成本最低。

iWARP

• 传输层为iWARP协议。

• iWARP是以太网TCP/IP协议中TCP层实现，支持L2/L3层传输，大型组网TCP连接会消耗大量CPU，所以应用很少。

• iWARP只要求网卡支持RDMA，不需要专用交换机和路由器，建网成本介于InfiniBand和RoCE之间。

Infiniband技术先进，但是价格高昂，应用局限在HPC高性能计算领域，随着RoCE和iWARPC的出现，降低了RDMA的使用成本，推动了RDMA技术普及。

在高性能存储、计算数据中心中采用这三类RDMA网络，都可以大幅度降低数据传输时延，并为应用程序提供更高的CPU资源可用性。

其中，InfiniBand网络为数据中心带来极致的性能，传输时延低至百纳秒，比以太网设备延时要低一个量级。

RoCE和iWARP网络为数据中心带来超高性价比，基于以太网承载RDMA，充分利用了RDMA的高性能和低CPU使用率等优势，同时网络建设成本也不高。

基于UDP协议的RoCE比基于TCP协议的iWARP性能更好，结合无损以太网的流控技术，解决了丢包敏感的问题。 RoCE网络，已广泛应用于各行业高性能数据中心中。

结语

随着5G、人工智能、工业互联网等新型领域的发展，RDMA技术的应用会越来越普及，RDMA将成为助力数据中心高性能的一大功臣。

—— The End ——