RDMA的原理、传输与Verbs

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ztguang_张同光 2022-03-09 17:41:26

RDMA最早专属于infiniband架构。在网络融合的大趋势下出现的RoCE，使高速、超低延时、极低cpu使用率的RDMA得以部署在目前使用最广泛的以太网上。

对比传统DMA的内部总线IO，RDMA通过网络在两个端点的应用软件之间实现buffer的直接传递；而对比传统的网络传输，RDMA又无需操作系统和协议栈的介入。RDMA可以轻易实现端点间的超低延时、超高吞吐量传输，而且基本不需要CPU、OS的资源参与，在高速网络环境下，不必再为网络数据的处理和搬移耗费过多资源。一言概之，RDMA三大特性：CPU offload 、kernel bypass、zero-copy。

RDMA的原理、传输与Verbs_数据

RDMA的原理、传输与Verbs_数据_02

RDMA的原理、传输与Verbs_协议栈_03

图 RDMA VS Traditional network

原理

传统的网络架构以“网络为中心”，网络公用的软件部分被实现到OS的协议栈，所以OS在所有应用的网络请求时都必须参与其中，并且socket、skbuff、ring buffer的转换都伴随着数据报文的拷贝，容易产生性能瓶颈。

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图网络环境下的CPU负载消耗

在Infiniband/RDMA的模型中，核心“以服务为中心”，围绕一个基本问题：如何实现应用之间最简单、高效和直接的通信。RDMA提供了基于消息队列的点对点通信，每个应用都可以直接获取自己的消息，无需OS和协议栈的介入。

消息服务建立在通信双方本端和远端应用之间创建的channel-IO连接之上。当应用需要通信时，就会创建一条Channel连接，每条Channel的首尾端点是两对Queue Pairs（QP），每对QP由Send Queue（SQ）和Receive Queue（RQ）构成，这些队列中管理着各种类型的消息。QP会被映射到应用的虚拟地址空间，使得应用直接通过它访问RNIC。除了QP描述的两种基本队列之外，RDMA还提供一种队列-Complete Queue（CQ），CQ用来知会用户WQ上的消息已经被处理完。

RDMA提供了一套software transport interface，方便用户创建传输请求-Work Request（WR），WR中描述了应用希望传输到Channel对端的消息内容。WR通知给QP中的某个队列-Work Queue（WQ）。在WQ中，用户的WR被转化为Work Queue Ellement（WQE）的格式，等待RNIC的异步调度解析，并从WQE指向的buffer中拿到真正的消息发送到Channel对端。

传输

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图 RDMA 的send/receive和read/write传输

RDMA共有三种底层数据传输模式。SEND/RECEIVE是双边操作，即必须要远端的应用感知参与才能完成收发。READ和WRITE是单边操作，只需要本端明确信息的源和目的地址，远端应用不必感知此次通信，数据的读或存都通过远端的DMA在RNIC与应用buffer之间完成，再由远端RNIC封装成消息返回到本端。在实际中，SEND/RECEIVE多用于连接控制类报文，而数据报文多是通过READ/WRITE来完成的。

对于双边操作为例，A向B发送数据的流程如下：

1. 首先，A和B都要创建并初始化好各自的QP，CQ

2. A和B分别向自己的WQ中注册WQE，对于A，WQ=SQ，WQE描述指向一个等到被发送的数据；对于B，WQ=RQ，WQE描述指向一块用于存储数据的buffer。

3. A的RNIC异步调度轮到A的WQE，解析到这是一个SEND消息，从buffer中直接向B发出数据。数据流到达B的RNIC后，B的WQE被消耗，并把数据直接存储到WQE指向的存储位置。

4. AB通信完成后，A的CQ中会产生一个完成消息CQE表示发送完成。与此同时，B的CQ中也会产生一个完成消息表示接收完成。每个WQ中WQE的处理完成都会产生一个CQE。

双边操作与传统网络的底层buffer pool类似，收发双方的参与过程并无差别，区别在零拷贝、kernel bypass，实际上传统网络中一些高级的网络SOC已经实现类似功能。对于RDMA，这是一种复杂的消息传输模式，多用于传输短的控制消息。

对于单边操作，以存储网络环境下的存储为例（A作为文件系统，B作为存储介质）：

1. 首先A、B建立连接，QP已经创建并且初始化。

2. 数据被存档在A的buffer地址VA，注意VA应该提前注册到A的RNIC，并拿到返回的local key，相当于RDMA操作这块buffer的权限。

3. A把数据地址VA，key封装到专用的报文传送到B，这相当于A把数据buffer的操作权交给了B。同时A在它的WQ中注册进一个WR，以用于接收数据传输的B返回的状态。

4. B在收到A的送过来的数据VA和R_key后，RNIC会把它们连同存储地址VB到封装RDMA READ，这个过程A、B两端不需要任何软件参与，就可以将A的数据存储到B的VB虚拟地址。

5. B在存储完成后，会向A返回整个数据传输的状态信息。

单边操作传输方式是RDMA与传统网络传输的最大不同，提供直接访问远程的虚拟地址，无须远程应用的参与，这种方式适用于批量数据传输。

Verbs

RDMAC（RDMA Consortium）和IBTA（InfiniBand Trade Association）主导了RDMA，RDMAC是IETF的一个补充，它主要定义的是iWRAP和iSER，IBTA是infiniband的全部标准制定者，并补充了RoCE v1 v2的标准化。应用和RNIC之间的传输接口层（software transport interface）被称为Verbs。IBTA解释了RDMA传输过程中应具备的特性行为，而并没有规定Verbs的具体接口和数据结构原型。这部分工作由另一个组织OFA（Open Fabric Alliance）来完成，OFA提供了RDMA传输的一系列Verbs API。OFA开发出了OFED（Open Fabric Enterprise Distribution）协议栈，支持多种RDMA传输层协议。