數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀

隨著“新基建”將5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)列為新型基礎(chǔ)領(lǐng)域，機器學(xué)習(xí)、智能語音交互、自動駕駛等一大批基于高性能計算的應(yīng)用層出不窮，這些應(yīng)用帶來了數(shù)據(jù)的爆炸式增長，給數(shù)據(jù)中心的處理能力帶來了很大的挑戰(zhàn)。

計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)是推動數(shù)據(jù)中心發(fā)展的三駕馬車。計算隨著CPU、GPU和FPGA的發(fā)展，算力得到了極大的提升。存儲隨著閃存盤（SSD）的引入，數(shù)據(jù)存取時延已大幅降低。但是網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展明顯滯后，傳輸時延高，逐漸成為了數(shù)據(jù)中心高性能的瓶頸。

在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，70%的流量為東西向流量（服務(wù)器之間的流量），這些流量一般為數(shù)據(jù)中心進行高性能分布式并行計算時的過程數(shù)據(jù)流，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸。如果服務(wù)器之間的TCP/IP 傳輸速率提升了，數(shù)據(jù)中心的性能自然也會跟著提升。

下面我們就來看看服務(wù)器之間數(shù)據(jù)TCP/IP 傳輸?shù)倪^程，了解下“時間都去哪了”，才好“對癥下藥”。

服務(wù)器間的TCP/IP傳輸

在數(shù)據(jù)中心，服務(wù)器A向服務(wù)器B發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如下：

1、CPU控制數(shù)據(jù)由A的APP Buffer拷貝到操作系統(tǒng)Buffer。

2、CPU控制數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)（OS）Buffer中添加TCP、IP報文頭。

3、添加TCP、IP報文頭后的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)卡（NIC），添加以太網(wǎng)報文頭。

4、報文由網(wǎng)卡發(fā)送，通過以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器B網(wǎng)卡。

5、服務(wù)器B網(wǎng)卡卸載報文的以太網(wǎng)報文頭后，將其傳輸?shù)讲僮飨到y(tǒng)Buffer。

6、CPU控制操作系統(tǒng)Buffer中的報文卸載TCP、IP報文頭。

7、CPU控制卸載后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸PP Buffer中。

從數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程可以看出，數(shù)據(jù)在服務(wù)器的Buffer內(nèi)多次拷貝，在操作系統(tǒng)中需要添加/卸載TCP、IP報文頭，這些操作既增加了數(shù)據(jù)傳輸時延，又消耗了大量的CPU資源，無法很好得滿足高性能計算的需求。

那么，如何構(gòu)造高吞吐量、超低時延和低CPU開銷的高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)呢？RDMA技術(shù)可以做到。

什么是RDMA

RDMA（ Remote Direct Memory Access，遠(yuǎn)程直接地址訪問技術(shù) ）是一種新的內(nèi)存訪問技術(shù)，可以讓服務(wù)器直接高速讀寫其他服務(wù)器的內(nèi)存數(shù)據(jù)，而不需要經(jīng)過操作系統(tǒng)/CPU耗時的處理。

RDMA不算是一項新技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高性能（HPC）科學(xué)計算中。隨著數(shù)據(jù)中心高帶寬、低時延的發(fā)展需求，RDMA也開始逐漸應(yīng)用于某些要求數(shù)據(jù)中心具備高性能的場景中。

舉個例子，2021年某大型網(wǎng)上商城的雙十一交易額再創(chuàng)新高，達到5000多億，比2020年又增長了近10%。如此巨大的交易額背后是海量的數(shù)據(jù)處理，該網(wǎng)上商城采用了RDMA技術(shù)來支撐高性能網(wǎng)絡(luò)，保障了雙十一的順暢購物。

下面我們一起來看看RDMA讓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)低時延的絕招吧。

RDMA將服務(wù)器應(yīng)用數(shù)據(jù)直接由內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)街悄芫W(wǎng)卡（固化RDMA協(xié)議），由智能網(wǎng)卡硬件完成RDMA傳輸報文封裝，解放了操作系統(tǒng)和CPU。

這使得RDMA具有兩大優(yōu)勢：

Zero Copy（零拷貝）：無需將數(shù)據(jù)拷貝到操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)并處理數(shù)據(jù)包頭部的過程，傳輸延遲會顯著減小。

Kernel Bypass（內(nèi)核旁路）和Protocol Offload（協(xié)議卸載）：不需要操作系統(tǒng)內(nèi)核參與，數(shù)據(jù)通路中沒有繁瑣的處理報頭邏輯，不僅會使延遲降低，而且也大大節(jié)省了CPU的資源。

三大RDMA網(wǎng)絡(luò)

目前，大致有三類RDMA網(wǎng)絡(luò)，分別是InfiniBand、RoCE（RDMA over Converged Ethernet，RDMA過融合以太網(wǎng)）和iWARP（RDMA over TCP，互聯(lián)網(wǎng)廣域RDMA協(xié)議）。RDMA最早專屬于Infiniband網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從硬件級別保證可靠傳輸，而RoCE 和 iWARP都是基于以太網(wǎng)的RDMA技術(shù)。

InfiniBand

InfiniBand是一種專為RDMA設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)。

采用Cut-Through轉(zhuǎn)發(fā)模式（直通轉(zhuǎn)發(fā)模式），減少轉(zhuǎn)發(fā)時延。

基于Credit的流控機制（基于信用的流控機制），保證無丟包。

要求InfiniBand專用的網(wǎng)卡、交換機和路由器，建網(wǎng)成本最高。

RoCE

傳輸層為InfiniBand協(xié)議。

RoCE有兩個版本：RoCEv1基于以太網(wǎng)鏈路層實現(xiàn)，只能在L2層傳輸；RoCEv2基于UDP承載RDMA，可部署于三層網(wǎng)絡(luò)。

需要支持RDMA專用智能網(wǎng)卡，不需要專用交換機和路由器（支持ECN/PFC等技術(shù)，降低丟包率），建網(wǎng)成本最低。

iWARP

傳輸層為iWARP協(xié)議。

iWARP是以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議中TCP層實現(xiàn)，支持L2/L3層傳輸，大型組網(wǎng)TCP連接會消耗大量CPU，所以應(yīng)用很少。

iWARP只要求網(wǎng)卡支持RDMA，不需要專用交換機和路由器，建網(wǎng)成本介于InfiniBand和RoCE之間。

Infiniband技術(shù)先進，但是價格高昂，應(yīng)用局限在HPC高性能計算領(lǐng)域，隨著RoCE和iWARPC的出現(xiàn)，降低了RDMA的使用成本，推動了RDMA技術(shù)普及。

在高性能存儲、計算數(shù)據(jù)中心中采用這三類RDMA網(wǎng)絡(luò)，都可以大幅度降低數(shù)據(jù)傳輸時延，并為應(yīng)用程序提供更高的CPU資源可用性。其中InfiniBand網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)中心帶來極致的性能，傳輸時延低至百納秒，比以太網(wǎng)設(shè)備延時要低一個量級。

RoCE和iWARP網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)中心帶來超高性價比，基于以太網(wǎng)承載RDMA，充分利用了RDMA的高性能和低CPU使用率等優(yōu)勢，同時網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本也不高。

基于UDP協(xié)議的RoCE比基于TCP協(xié)議的iWARP性能更好，結(jié)合無損以太網(wǎng)的流控技術(shù)，解決了丟包敏感的問題，RoCE網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)高性能數(shù)據(jù)中心中。

結(jié)語

隨著5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型領(lǐng)域的發(fā)展，RDMA技術(shù)的應(yīng)用會越來越普及，RDMA將成為助力數(shù)據(jù)中心高性能的一大功臣。