什么是RDMA？

RDMA（Remote Direct Memory Access），通俗的說就是遠(yuǎn)程的DMA技術(shù)，是為了解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理的延遲而產(chǎn)生的。

▲ 傳統(tǒng)模式與RDMA模式工作機(jī)制對(duì)比

如上圖，在傳統(tǒng)模式下，兩臺(tái)服務(wù)器上的應(yīng)用之間傳輸數(shù)據(jù)，過程是這樣的：

●  首先要把數(shù)據(jù)從應(yīng)用緩存拷貝到Kernel中的TCP協(xié)議棧緩存；

●  然后再拷貝到驅(qū)動(dòng)層；

●  最后拷貝到網(wǎng)卡緩存。

多次內(nèi)存拷貝需要CPU多次介入，導(dǎo)致處理延時(shí)大，達(dá)到數(shù)十微秒。同時(shí)整個(gè)過程中CPU過多參與，大量消耗CPU性能，影響正常的數(shù)據(jù)計(jì)算。

在RDMA 模式下，應(yīng)用數(shù)據(jù)可以繞過Kernel協(xié)議棧直接向網(wǎng)卡寫數(shù)據(jù)，帶來的顯著好處有：

●  處理延時(shí)由數(shù)十微秒降低到1微秒內(nèi)；

●  整個(gè)過程幾乎不需要CPU參與，節(jié)省性能；

●  傳輸帶寬更高。

RDMA對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的訴求

RDMA在高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、IO高并發(fā)等場(chǎng)景中應(yīng)用越來越廣泛。諸如iSICI, SAN, Ceph, MPI, Hadoop, Spark, Tensorflow等應(yīng)用軟件都開始部署RDMA技術(shù)。而對(duì)于支撐端到端傳輸?shù)幕A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)而言，低延時(shí)（微秒級(jí)）、無損（lossless）則是最重要的指標(biāo)。

低延時(shí)

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)主要產(chǎn)生在設(shè)備節(jié)點(diǎn)（這里忽略了光電傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)串行延時(shí)），設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)包括以下三部分：

●  存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)：芯片轉(zhuǎn)發(fā)流水線處理延遲，每個(gè)hop會(huì)產(chǎn)生1微秒左右的芯片處理延時(shí)（業(yè)界也有嘗試使用cut-through模式，單跳延遲可以降低到0.3微秒左右）；

●  Buffer緩存延時(shí)：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，報(bào)文會(huì)被緩存起來等待轉(zhuǎn)發(fā)。這時(shí)Buffer越大，緩存報(bào)文的時(shí)間就越長(zhǎng)，產(chǎn)生的時(shí)延也會(huì)更高。對(duì)于RDMA網(wǎng)絡(luò)，Buffer并不是越大越好，需要合理選擇；

●  重傳延時(shí)：在RDMA網(wǎng)絡(luò)里會(huì)有其他技術(shù)保證不丟包，這部分不做分析。

無損

RDMA在無損狀態(tài)下可以滿速率傳輸，而一旦發(fā)生丟包重傳，性能會(huì)急劇下降。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式下，要想實(shí)現(xiàn)不丟包最主要的手段就是依賴大緩存，但如前文所說，這又與低延時(shí)矛盾了。因此，在RDMA網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，需要實(shí)現(xiàn)的是較小Buffer下的不丟包。

在這個(gè)限制條件下，RDMA實(shí)現(xiàn)無損主要是依賴基于PFC和ECN的網(wǎng)絡(luò)流控技術(shù)。

PFC

PFC（Priority-based Flow Control），基于優(yōu)先級(jí)的流量控制。是一種基于隊(duì)列的反壓機(jī)制，通過發(fā)送Pause幀通知上游設(shè)備暫停發(fā)包來防止緩存溢出丟包。

▲ PFC工作機(jī)制示意圖

PFC允許單獨(dú)暫停和重啟其中任意一條虛擬通道，同時(shí)不影響其它虛擬通道的流量。如上圖所示，當(dāng)隊(duì)列7的Buffer消耗達(dá)到設(shè)置的PFC流控水線，會(huì)觸發(fā)PFC的反壓：

●  本端交換機(jī)觸發(fā)發(fā)出PFC Pause幀，并反向發(fā)送給上游設(shè)備；

●  收到Pause幀的上游設(shè)備會(huì)暫停該隊(duì)列報(bào)文的發(fā)送，同時(shí)將報(bào)文緩存在Buffer中；

●  如果上游設(shè)備的Buffer也達(dá)到閾值，會(huì)繼續(xù)觸發(fā)Pause幀向上游反壓；

●  最終通過降低該優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的發(fā)送速率來避免數(shù)據(jù)丟包；

●  當(dāng)Buffer占用降低到恢復(fù)水線時(shí)，會(huì)發(fā)送PFC解除報(bào)文。

RDMA無損網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)：ECN

ECN（Explicit Congestion Notification）：顯示擁塞通知。ECN是一個(gè)非常古老的技術(shù)，只是之前使用的并不普遍，該協(xié)議機(jī)制作用于主機(jī)與主機(jī)之間。

ECN是報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出口（Egress port）發(fā)生擁塞并觸發(fā)ECN水線時(shí)，使用IP報(bào)文頭的ECN字段標(biāo)記數(shù)據(jù)包，表明該報(bào)文遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞。一旦接收服務(wù)器發(fā)現(xiàn)報(bào)文的ECN被標(biāo)記，立刻產(chǎn)生CNP（擁塞通知報(bào)文），并將它發(fā)送給源端服務(wù)器，CNP消息里包含了導(dǎo)致?lián)砣腇low信息。源端服務(wù)器收到后，通過降低相應(yīng)流發(fā)送速率，緩解網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擁塞，從而避免發(fā)生丟包。