InfiniBand技术和协议架构分析

Posted 2020-10-11 allcloud

Infiniband开放标准技术简化并加速了服务器之间的连接,同时支持服务器与远程存储和网络设备的连接。

IB技术的发展

1999年开始起草规格及标准规范，2000年正式发表，但发展速度不及Rapid I/O、PCI-X、PCI-E和FC，加上Ethernet从1Gbps进展至10Gbps。所以直到2005年之后，InfiniBand Architecture(IBA)才在集群式超级计算机上广泛应用。全球Top 500大效能的超级计算机中有相当多套系统都使用上IBA。

随着越来越多的大厂商正在加入或者重返到它的阵营中来，包括Cisco、IBM、HP、Sun、NEC、Intel、LSI等。InfiniBand已经成为目前主流的高性能计算机互连技术之一。为了满足HPC、企业数据中心和云计算环境中的高I/O吞吐需求，新一代高速率56Gbps的FDR (Fourteen Data Rate) 和EDR InfiniBand技术已经出现。

IB技术的优势

Infiniband大量用于FC/IP SAN、NAS和服务器之间的连接,作为iSCSI RDMA的存储协议iSER已被IETF标准化。目前EMC全系产品已经切换到Infiniband组网，IBM/TMS的FlashSystem系列，IBM的存储系统XIV Gen3，DDN的SFA系列都采用Infiniband网络。

相比FC的优势主要体现在性能是FC的3.5倍，Infiniband交换机的延迟是FC交换机的1/10，支持SAN和NAS。

存储系统已不能满足于传统的FC SAN所提供的服务器与裸存储的网络连接架构。HP SFS和IBM GPFS 是在Infiniband fabric连接起来的服务器和iSER Infiniband存储构建的并行文件系统，完全突破系统的性能瓶颈。

Infiniband采用PCI串行高速带宽链接，从SDR、DDR、QDR、FDR到EDR HCA连接，可以做到1微妙、甚至纳米级别极低的时延，基于链路层的流控机制实现先进的拥塞控制。

InfiniBand采用虚通道(VL即Virtual Lanes)方式来实现QoS，虚通道是一些共享一条物理链接的相互分立的逻辑通信链路，每条物理链接可支持多达15条的标准虚通道和一条管理通道(VL15)。

RDMA技术实现内核旁路，可以提供远程节点间RDMA读写访问，完全卸载CPU工作负载，基于硬件传出协议实现可靠传输和更高性能。

相比TCP/IP网络协议，IB使用基于信任的、流控制的机制来确保连接的完整性，数据包极少丢失，接受方在数据传输完毕之后，返回信号来标示缓存空间的可用性，所以IB协议消除了由于原数据包丢失而带来的重发延迟，从而提升了效率和整体性能。

TCP/IP具有转发损失的数据包的能力，但是由于要不断地确认与重发，基于这些协议的通信也会因此变慢，极大地影响了性能。

IB基本概念

IB是以通道为基础的双向、串行式传输，在连接拓朴中是采用交换、切换式结构(Switched Fabric)，在线路不够长时可用IBA中继器(Repeater)进行延伸。每一个IBA网络称为子网(Subnet)，每个子网内最高可有65,536个节点(Node)，IBA Switch、IBARepeater仅适用于Subnet范畴，若要通跨多个IBASubnet就需要用到IBA路由器(Router)或IBA网关器(Gateway)。

每个节点(Node) 必须透过配接器(Adapter)与IBA Subnet连接，节点CPU、内存要透过HCA(Host Channel Adapter)连接到子网；节点硬盘、I/O则要透过TCA(TargetChannel Adapter)连接到子网，这样的一个拓扑结构就构成了一个完整的IBA。

IB的传输方式和介质相当灵活，在设备机内可用印刷电路板的铜质线箔传递(Backplane背板)，在机外可用铜质缆线或支持更远光纤介质。若用铜箔、铜缆最远可至17m，而光纤则可至10km，同时IBA也支持热插拔，及具有自动侦测、自我调适的Active Cable活化智能性连接机制。

IB协议简介

InfiniBand也是一种分层协议(类似TCP/IP协议)，每层负责不同的功能，下层为上层服务，不同层次相互独立。 IB采用IPv6的报头格式。其数据包报头包括本地路由标识符LRH，全局路由标示符GRH，基本传输标识符BTH等。

1、物理层

物理层定义了电气特性和机械特性，包括光纤和铜媒介的电缆和插座、底板连接器、热交换特性等。定义了背板、电缆、光缆三种物理端口。

并定义了用于形成帧的符号(包的开始和结束)、数据符号(DataSymbols)、和数据包直接的填充(Idles)。详细说明了构建有效包的信令协议，如码元编码、成帧标志排列、开始和结束定界符间的无效或非数据符号、非奇偶性错误、同步方法等。

2、 链路层

链路层描述了数据包的格式和数据包操作的协议，如流量控制和子网内数据包的路由。链路层有链路管理数据包和数据包两种类型的数据包。

3、 网络层

网络层是子网间转发数据包的协议，类似于IP网络中的网络层。实现子网间的数据路由，数据在子网内传输时不需网络层的参与。

数据包中包含全局路由头GRH，用于子网间数据包路由转发。全局路由头部指明了使用IPv6地址格式的全局标识符(GID)的源端口和目的端口，路由器基于GRH进行数据包转发。GRH采用IPv6报头格式。GID由每个子网唯一的子网 标示符和端口GUID捆绑而成。

4、 传输层

传输层负责报文的分发、通道多路复用、基本传输服务和处理报文分段的发送、接收和重组。传输层的功能是将数据包传送到各个指定的队列(QP)中，并指示队列如何处理该数据包。当消息的数据路径负载大于路径的最大传输单元(MTU)时，传输层负责将消息分割成多个数据包。

接收端的队列负责将数据重组到指定的数据缓冲区中。除了原始数据报外，所有的数据包都包含BTH，BTH指定目的队列并指明操作类型、数据包序列号和分区信息。

5、上层协议

InfiniBand为不同类型的用户提供了不同的上层协议，并为某些管理功能定义了消息和协议。InfiniBand主要支持SDP、SRP、iSER、RDS、IPoIB和uDAPL等上层协议。

• SDP(SocketsDirect Protocol)是InfiniBand Trade Association (IBTA)制定的基于infiniband的一种协议，它允许用户已有的使用TCP/IP协议的程序运行在高速的infiniband之上。

• SRP(SCSIRDMA Protocol)是InfiniBand中的一种通信协议，在InfiniBand中将SCSI命令进行打包，允许SCSI命令通过RDMA(远程直接内存访问)在不同的系统之间进行通信，实现存储设备共享和RDMA通信服务。

• iSER(iSCSIRDMA Protocol)类似于SRP(SCSI RDMA protocol)协议，是IB SAN的一种协议 ，其主要作用是把iSCSI协议的命令和数据通过RDMA的方式跑到例如Infiniband这种网络上，作为iSCSI RDMA的存储协议iSER已被IETF所标准化。

• RDS(ReliableDatagram Sockets)协议与UDP 类似，设计用于在Infiniband 上使用套接字来发送和接收数据。实际是由Oracle公司研发的运行在infiniband之上，直接基于IPC的协议。

• IPoIB(IP-over-IB)是为了实现INFINIBAND网络与TCP/IP网络兼容而制定的协议，基于TCP/IP协议，对于用户应用程序是透明的，并且可以提供更大的带宽，也就是原先使用TCP/IP协议栈的应用不需要任何修改就能使用IPoIB。

• uDAPL(UserDirect Access Programming Library)用户直接访问编程库是标准的API，通过远程直接内存访问 RDMA功能的互连（如InfiniBand）来提高数据中心应用程序数据消息传送性能、伸缩性和可靠性。

IB应用场景

Infiniband灵活支持直连及交换机多种组网方式，主要用于HPC高性能计算场景，大型数据中心高性能存储等场景，HPC应用的共同诉求是低时延(<10微秒)、低CPU占有率（<10%）和高带宽(主流56或100Gbps)

一方面Infiniband在主机侧采用RDMA技术释放CPU负载，可以把主机内数据处理的时延从几十微秒降低到1微秒；另一方面InfiniBand网络的高带宽(40G、56G和100G)、低时延(几百纳秒)和无丢包特性吸取了FC网络的可靠性和以太网的灵活扩展能力。

 

这两天了解了一些 parallel file system 比如 PVFS2/OrangeFS,  Lustre，它们都声称支持 InfiniBand 网络连接技术，好奇之下查了下，发现这个技术规范很牛逼，另外也因此知道了 RDMA 技术，指不通过 OS 内核以及 TCP/IP 协议栈在网络上传输数据，因此延迟非常低，CPU 消耗非常少。

两篇讲述 InfiniBand 的趣文：

• 关于Infiniband的一些介绍 http://aze12.blog.163.com/blog/static/8620441220086411596665/
• InfiniBand：还会有多少人想起我？http://www.360doc.com/content/07/0904/16/494_718778.shtml

 

看起来 InfiniBand, FibreChannel, 10Gbps Ethernet 竞争的硝烟还有一阵日子可看。

RDMA 技术有好几种规范来达到：

• InfiniBand: 这是正统，InfiniBand 设计之初就考虑了 RDMA，InfiniBand 从硬件级别保证可靠传输;
• iWARP: 基于 TCP or SCTP 做 RDMA，利用 TCP or SCTP 达到可靠传输，对网络设备的要求比较少;
• RoCE: 基于 Ethernet 做 RDMA，消耗的资源比 iWARP 少，支持的特性比 iWARP 多，需要FCoE做可靠传输。从wikipedia的评价看 RoCE 还是比正统的 InfiniBand 差点。

上面三种实现都是需要硬件支持的，IB 需要支持 IB 规范的网卡和交换机，iWARP 和 RoCE 都可以使用普通的以太网交换机，但是需要支持 iWARP 或者 RoCE 的网卡。软件上 Solaris、Linux、Windows 都有支持，在 API 层面这篇文章有个入门的介绍：Introduction to Remote Direct Memory Access (RDMA) ，可以使用 http://www.openfabrics.org/ 提供的 libibverbs 库(Debian Linux 有提供)，这个库似乎也支持 Windows 上的原声 RDMA API "Network Direct"。另外也有一些其它 API 规范，比如 DAT 组织制定的 kDAPL(让 kernel driver 可以访问 RDMA 功能) 和 uDAPL(让 user space 进程可以访问 RDMA 功能), OpenGroup 制定的 IT-API 和 RNICPI: 

• https://software.intel.com/en-us/articles/access-to-infiniband-from-linux
• http://www.zurich.ibm.com/sys/rdma/interfaces.html
• http://rdma.sourceforge.net/

另外 IETF 制定了 iSCSI Extensions for RDMA(iSER) 和 SDP(Sockets Direct Protocol, 基于 RDMA 替换 TCP 的流式传输层协议, RDMA 本身提供了可靠传输机制) 两个协议。Java 7 引入了对 SDP 的支持: https://docs.oracle.com/javase/tutorial/sdp/sockets/index.html，Apache Qpid 消息队列也支持 RDMA：https://packages.debian.org/sid/librdmawrap2 .