InfiniBand網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和研究（電子書更新）

昨天，分享了“深入IO模型，掌握性能定位和調(diào)優(yōu)實戰(zhàn)”，內(nèi)容覆蓋系統(tǒng)編程優(yōu)化、模式設(shè)計優(yōu)化、性能優(yōu)化和數(shù)據(jù)庫優(yōu)化，是系統(tǒng)設(shè)計、運維和優(yōu)化人員的日常工作寶典，建議收藏。

InfiniBand是目前發(fā)展最快的高速互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，具有高帶寬、低延遲和易擴展的特點。通過研究和實踐，對InfiniBand技術(shù)的數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)傳輸、層次結(jié)構(gòu)、與以太網(wǎng)技術(shù)的對比、交換機制、發(fā)展愿景等進(jìn)行了全面探索。

隨著中央處理器(CPU)運算能力的極速增長，高速互連網(wǎng)絡(luò)HIS (High Speed Interconnection)已成為高性能計算機研制的關(guān)鍵所在。HSI 是改善計算機外圍元件擴展接口(Peripheral Component Interface，PCI) 的性能不足而提出的一項新技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，支持高性能計算(High Performance Computing，HPC) 的HSI目前主要是Gigabit Ethernet 和InfiniBand，而InfiniBand 是其中增長最快的HSI。InfiniBand 是在InfiniBand貿(mào)易協(xié)會(IBTA)監(jiān)督下發(fā)展起來的一種高性能、低延遲的技術(shù)。

IBTA 成立于1999年，由Future I/O Developers Forum 和NGI/O Forum 兩個工業(yè)組織合二為一組成，在HP、IBM、Intel、Mellanox、Oracle、QLogic、Dell、Bull 等組成的籌劃運作委員會領(lǐng)導(dǎo)下工作。IBTA 專業(yè)從事產(chǎn)品的遵從性和互用性測試，其成員一直致力于推進(jìn)InfiniBand 規(guī)范的設(shè)立與更新。

InfiniBand是一種針對處理器與I/O 設(shè)備之間數(shù)據(jù)流的通信鏈路，其支持的可尋址設(shè)備高達(dá)64000 個。InfiniBand架構(gòu)(InfiniBand Architecture，IBA) 是一種定義點到點(point-to-point)交換式的輸入/ 輸出框架的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通常用于服務(wù)器、通信基礎(chǔ)設(shè)施、存儲設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的互連。

InfiniBand具有普適、低延遲、高帶寬、管理成本低的特性，是單一連接多數(shù)據(jù)流(聚類、通信、存儲、管理)理想的連接網(wǎng)絡(luò)，互連節(jié)點可達(dá)成千上萬。最小的完整IBA 單元是子網(wǎng)(subnet)，多個子網(wǎng)由路由器連接起來組成大的IBA 網(wǎng)絡(luò)。IBA 子網(wǎng)由端節(jié)點(end-node)、交換機、鏈路和子網(wǎng)管理器組成。

InfiniBand發(fā)展的初衷是把服務(wù)器總線網(wǎng)絡(luò)化，所以InfiniBand 除了具有很強的網(wǎng)絡(luò)性能以外還直接繼承了總線的高帶寬和低時延。總線技術(shù)中采用的DMA(Direct Memory Access) 技術(shù)在InfiniBand 中以RDMA (Remote Direct Memory Access)的形式得以實現(xiàn)。RDMA服務(wù)可在處理器之間進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)直接在暫時內(nèi)存之間傳遞，不需要操作系統(tǒng)介入或數(shù)據(jù)復(fù)制。RDMA 通過減少對帶寬和處理器開銷的需要降低了時延，這種效果是通過在NIC 的硬件中部署一項可靠的傳輸協(xié)議以及支持零復(fù)制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和內(nèi)核內(nèi)存旁路實現(xiàn)的。

這使得InfiniBand 在與、及存儲設(shè)備的數(shù)據(jù)交換方面天生地優(yōu)于萬兆以太網(wǎng)以及光纖通道(FiberChannel)。InfiniBand 實現(xiàn)了基于客戶機- 服務(wù)器和消息傳遞的通信方案及基于存儲映射實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方案，將復(fù)雜的I/O系統(tǒng)與處理器、存儲設(shè)備分離，使I/O 子系統(tǒng)獨立，是一種基于I/O 通道共享機制的總線互連技術(shù)。

InfiniBand系統(tǒng)由信道適配器(Channel Adapter)、交換機、路由器、線纜和連接器組成。CA 分為主機信道適配器(Host Channel Adapter) 和目標(biāo)信道適配器(Target ChannelAdapter)。IBA 交換機原理上與其它標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)交換機類似，但必須能滿足InfiniBand 的高性能和低成本的要求。InfiniBand 路由器是用來把大網(wǎng)絡(luò)分割為更小的子網(wǎng)，并用路由器連接在一起。HCA 是一個設(shè)備點，諸如服務(wù)器或存儲設(shè)備的IB 端節(jié)點通過該設(shè)備點連接到IB 網(wǎng)絡(luò)。TCA是信道適配器的一種特別形式，多用于存儲設(shè)備等嵌入式環(huán)境。

InfiniBand有幾大優(yōu)勢，基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、高速率、遠(yuǎn)程直接內(nèi)存存取(RDMA)、傳輸卸載(transport offload)、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)和服務(wù)質(zhì)量(QoS)。

• 標(biāo)準(zhǔn)：成立于1999年的IBTA 擁有300 多個成員，它們共同設(shè)計了IBA 開放標(biāo)準(zhǔn)。IBA 支持SRP(SCSI RDMA Protocol)和iSER(iSCSI Extensions for RDMA)存儲協(xié)議。

• 速率：InfiniBand傳輸速率目前已達(dá)168Gbps(12xFDR)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于萬兆光纖通道的10Gbps 和10 萬兆以太網(wǎng)的100Gbps。

• 內(nèi)存：支持InfiniBand的服務(wù)器使用主機通道適配器(HCA)，把協(xié)議轉(zhuǎn)換到服務(wù)器內(nèi)部的PCI-X或PCI-E 總線。HCA 具有RDMA 功能，RDMA 通過一個虛擬的尋址方案，數(shù)據(jù)直接在服務(wù)器內(nèi)存中傳輸，無需涉及操作系統(tǒng)的內(nèi)核，這對于集群來說很適合。

• 傳輸卸載：RDMA實現(xiàn)了傳輸卸載，使數(shù)據(jù)包路由從操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)到芯片級，大大節(jié)省了處理器的處理負(fù)擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)分區(qū)：支持可編程的分區(qū)密鑰和路由。

• 服務(wù)質(zhì)量：多層次的QoS 保障，滿足服務(wù)請求者對QoS需求的多樣性。

數(shù)據(jù)包(Packet)是InfiniBand 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧槭剐畔⒃贗nfiniBand 網(wǎng)絡(luò)中有效傳播，信息由信道適配器分割成許多的數(shù)據(jù)包。一個完整的IBA 數(shù)據(jù)包由本地路由報頭(Local Route Header)、全局路由報頭(Global Route Header)、基本傳輸報頭(Base TransportHeader)、擴展傳輸報頭(Extended Transport Header)、凈荷(Payload，PYLD)、固定循環(huán)冗余檢測(Invariant CRC，ICRC)和可變循環(huán)冗余檢測(Variant CRC，VCRC)等域(field)組成，如圖2 所示。

• LRH：8 字節(jié)，用于交換機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時確定本地源端口和目的端口以及規(guī)范數(shù)據(jù)包傳輸?shù)姆?wù)等級和虛通路(Virtual Lane，VL)。

• GRH：40 字節(jié)，用于對子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，確保數(shù)據(jù)包在子網(wǎng)之間的正確傳輸。它由LRH 中的Link Next Header(LNH)域指定，采用RFC 2460 定義的IPv6 報頭規(guī)范。

• BTH：12 字節(jié)，指明目的隊列偶(Queue Pair，QP)、指示操作碼、數(shù)據(jù)包序列號和分段。

• ETH：4-28 字節(jié)，提供可靠數(shù)據(jù)報(Datagram)服務(wù)。Payload (PYLD)：0-4096 字節(jié)，被發(fā)送的端到端應(yīng)用數(shù)據(jù)。

• ICRC：4 字節(jié)，封裝數(shù)據(jù)包中從源地址發(fā)往目的地址時保持不變的數(shù)據(jù)。

• VCRC：2 字節(jié)，封裝鏈接過程中可變的IBA 和原始(raw)數(shù)據(jù)包。VCRC 在結(jié)構(gòu)(fabric)中可被重構(gòu)。

InfiniBand數(shù)據(jù)包使用一個128 位的IPv6 擴展地址，其數(shù)據(jù)包包括InfiniBand GRH 中的源(HCA)和目的(TCA)地址，這些地址使InfiniBand 交換機可以立即將數(shù)據(jù)包直接交換到正確的設(shè)備上。

基于銅纜和光纖，InfiniBand物理層支持單線(1X)、4 線(4X)、8 線(8X)和12 線(12X)數(shù)據(jù)包傳輸。

InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)支持單倍速(SDR)、雙倍速(DDR)、四倍速(QDR)、十四倍速(FDR)和增強倍速(EDR)數(shù)據(jù)傳輸速率，使InfiniBand 能夠傳輸更大的數(shù)據(jù)量( 見表1)。由于InfiniBand DDR/QDR 極大地改善了性能，所以它特別適合于傳輸大數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用，如分布式數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。

與InfiniBandSDR 一樣，DDR 和QDR 也采用了直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)(Cut-Through)。如果采用不同的傳輸速率，則InfiniBand 子網(wǎng)管理器須是拓?fù)渫该?Topology-aware)的，并只把SDR 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至SDR 連接(或把DDR 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至DDR 連接)，或者交換網(wǎng)絡(luò)須能存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以提供速率匹配。

當(dāng)在SDR 和DDR 連接之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，附加的存儲轉(zhuǎn)發(fā)延時是數(shù)據(jù)包串行化延時的一半。為了在SDR 主機和DDR 主機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DDR主機根據(jù)連接建立時交換產(chǎn)生的QP 參數(shù)進(jìn)行限速傳輸。

根據(jù)IBTA 的定義，InfiniBand 架構(gòu)由物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層組成，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

物理層：物理層為鏈路層提供服務(wù)，并提供這兩層的邏輯接口。物理層由端口信號連接器、物理連接(電信號和光信號)、硬件管理、電源管理、編碼線等模塊組成，其主要的作用：

• (1)建立物理連接；

• (2)通知鏈路層物理連接是否有效；

• (3)監(jiān)聽物理連接狀態(tài)，在物理連接有效時，把控制信號和數(shù)據(jù)傳遞給鏈路層，傳輸從鏈路層來的控制和數(shù)據(jù)信息。

鏈路層：鏈路層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包中鏈接數(shù)據(jù)的收發(fā)，提供地址、緩沖、流控制、錯誤檢測和數(shù)據(jù)交換等服務(wù)。服務(wù)質(zhì)量(QoS)主要由該層體現(xiàn)。狀態(tài)機(state machine)用來把鏈路層的邏輯操作定義為外部可訪問操作，并不指定內(nèi)部操作。

例如，雖然我們希望鏈路層的操作能夠并行處理數(shù)據(jù)流的多個字節(jié)，但數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)機還是將從鏈路層接收到的數(shù)據(jù)作為字節(jié)流來處理。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對IBA 子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，包括單點傳送(unicast)和多點傳送(multicast)操作。網(wǎng)絡(luò)層不指定多協(xié)議路由(如非IBA 類型之上的IBA 路由)，也不指定IBA 子網(wǎng)間原始數(shù)據(jù)包是如何路由。

傳輸層：每個IBA數(shù)據(jù)包含有一個傳輸報頭(header)。傳輸報頭包含了端節(jié)點所需的信息以完成指定的操作。通過操控QP，傳輸層的IBA 通道適配器通信客戶端組成了“發(fā)送”工作隊列和“接收”工作隊列。

對于主機來說，傳輸層的客戶端是一個Verbs 軟件層，客戶端傳遞緩沖器或命令至這些隊列，硬件則往來傳送緩沖器數(shù)據(jù)。當(dāng)建立QP時，它融合了四種IBA 傳輸服務(wù)類型(可靠的連接、可靠的自帶尋址信息、不可靠的自帶尋址信息、不可靠的連接)中的一種或非IBA協(xié)議封裝服務(wù)。傳輸服務(wù)描述了可靠性和QP 傳送數(shù)據(jù)的工作原理和傳輸內(nèi)容。

InfiniBand所采用的交換結(jié)構(gòu)(Switched Fabric)是一種面向系統(tǒng)故障容忍性和可擴展性的基于交換的點到點互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

交換機主要作用是把數(shù)據(jù)包送達(dá)數(shù)據(jù)包本地路由報頭指定的目標(biāo)地址，同時交換機也耗用數(shù)據(jù)包以滿足自管理的需要。IBA 交換機是內(nèi)部子網(wǎng)路由的基本路由構(gòu)件(子網(wǎng)間路由功能由IBA 路由器提供)。交換機的相互連接由鏈路間的中繼數(shù)據(jù)包(relaying packets)來完成。

InfiniBand交換機實現(xiàn)的功能有：子網(wǎng)管理代理(SMA)、性能管理代理(PMA)和基板管理代理(BMA)。SMA 提供一個讓子網(wǎng)管理者通過子網(wǎng)管理包獲得交換機內(nèi)部的記錄和表數(shù)據(jù)的接口，實現(xiàn)消息通知、服務(wù)等級(Service Level，SL)到虛路徑(Virtual Lane，VL)的映射、VL 仲裁、多播轉(zhuǎn)發(fā)、供應(yīng)商特性等功能。PMA 提供一個讓性能管理者監(jiān)控交換機的數(shù)據(jù)吞吐量和錯誤累計量等性能信息的接口。BMA 在基板管理者和底架管理者之間提供一個通信通道。

InfiniBand交換機的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要功能：

(1)選擇輸出端口：根據(jù)數(shù)據(jù)包的本地目的標(biāo)識符(Destination Local Identifier，DLID)，交換機從轉(zhuǎn)發(fā)表中查出輸出端口的端口號。

(2)選擇輸出VL：支持SL 和VL。交換機根據(jù)SL-VL 映射表確定不同優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)包所使用輸出端口的VL。

(3)數(shù)據(jù)流控制：采用基于信用的鏈路級流控機制。

(4)支持單播、多播和廣播：交換機能把多播包或廣播包轉(zhuǎn)換為多個單播包進(jìn)行交換。

(5)分區(qū)劃分：只有同一分區(qū)的主機才能相互通信。每個分區(qū)具有唯一的分區(qū)密鑰，交換機檢查數(shù)據(jù)包的DLID 是否在密鑰所對應(yīng)的分區(qū)內(nèi)。

(6)錯誤校驗：包括不一致錯誤檢驗、編碼錯誤校驗、成幀錯誤校驗、包長度校驗、包頭版本校驗、服務(wù)級別有效性校驗、流控制遵從和最大傳輸單元校驗。

(7)VL 仲裁：支持子網(wǎng)VL(包括管理VL15 和數(shù)據(jù)VL)。交換機采用VL 仲裁保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)包得到更好的服務(wù)。

目前生產(chǎn)InfiniBand交換機的廠商主要有Mallanox、QLogic、Cisco、IBM 等。

從InfiniBand的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在占據(jù)HPC 領(lǐng)域的主流地位，人們總會拿它與普遍采用的以太網(wǎng)技術(shù)做比較。作者整理兩者的比較如表2 所示。

從表2 可知，InfiniBand 在數(shù)據(jù)傳輸和低延遲兩方面大大超過了以太網(wǎng)。InfiniBand 的低延遲設(shè)計使得它極其適合高性能計算領(lǐng)域。此外，InfiniBand 在單位成本方面也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

從最新的全球HPCTOP500中可以發(fā)現(xiàn)，Infiniband 的占有率不斷提高，其在TOP100 中更是占主導(dǎo)地位，而以太網(wǎng)的占有率則逐年下降，目前兩者在HPC 領(lǐng)域的占有率基本持平。

隨著InfiniBand的不斷發(fā)展，它已成為取代千兆/ 萬兆以太網(wǎng)的最佳方案，必將成為高速互連網(wǎng)絡(luò)的首選，其與以太網(wǎng)絡(luò)、iSCSI 融合將更加緊密。IBTA 對InfiniBand的發(fā)展作出了預(yù)測，表明在未來三年里InfiniBand FDR、EDR 和HDR 將有快速增長的市場需求，2020 年之前InfiniBand 的帶寬將有望達(dá)到1000Gbps。InfiniBand 未來在GPU、固態(tài)硬盤和集群數(shù)據(jù)庫方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

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Infiniband技術(shù)規(guī)范和協(xié)議解析

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