英文 中文 登录

InfiniBand技术和协议架构分析

[复制链接]
深度大末日 发表于 2017-6-11 13:20:15
175 0
Hardy 架构师技术联盟



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。

本帖子中包含更多资源

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
回复

使用道具 举报

*滑动验证:
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

热帖滚动

扫描二维码 关注我们官方微信 RDMA知识一手掌握

联系我们

点击发送邮件

   HPC Advisory Council 版权所有   京ICP备17021631号-1

QQ- Archiver-手机版- RDMAWorld.com