RDMA技术详解

原文出自公众号 深度Linux

背景

当前跨主机内存读取存在多次内存拷贝和上下文切换，严重影响性能

发送侧的内存拷贝信息如下：

• 数据从用户态缓存到内核中TCP协议栈缓存
• TCP协议栈缓存拷贝到驱动层
• 驱动缓存拷贝到网卡缓存
  网络通信中需要在内核中进行协议封装和解封，造成很大的数据复制和上下文切换开销，性能低，同时内核很难支持新的网络协议，灵活性差。

RDMA核心原理

提供基于IO的通道，允许一个应用程序通过RDMA设备访问远程的虚拟内存。

• CPU Offload：无需远程主机进程参与以读取远程主机内存，同时不涉及远程主机CPU的缓存
• Kernel Bypass：提供专有的Verbs interface而非传统的TCP/IP Socket interface，应用程序可在用户态直接与网卡进行交互，完成数据传输，无需上下文切换
• Zero Copy：应用程序可直接执行数据传输，即直接发送数据到主机缓冲区或直接从缓冲区接收，无需复制到网络层。
  根据以上特点，通过提供Verbs接口，应用程序可以在用户空间直接访问RDMA网卡，而RNIC中有Cached Page Table Entry，可将虚拟页面映射到物理页面。

直接访问内存机制

数据传输中的需CPU参与的数据拷贝和协议栈封装操作，允许计算机直接存取其他计算机内存，数据传输大部分工作由硬件执行

零拷贝和内核旁路

通信协议

三种技术具有同一套API，但物理层和链路层不同。

• InfiniBand(IB)：服务器和存储器互联技术，天然支持RDMA，需专用IB网卡和IB交换机。
• RoCE：RDMA over Ethernet，基于以太网，需交换机支持无损以太网传输，网卡支持RoCE，可消耗很少的CPU负载在数据中心桥接以太网中利用优先流控制实现网络无损连接。可用在传统和非融合以太网中。
  • v1：链路层协议，允许同一广播域下任意两台主机直接访问
  • v2：Internet协议，可实现路由功能
• iWARP：基于TCP/IP的RDMA技术，在TCP协议上增加一层DDP，不需要交换机支持无损以太网传输，仅需支持iWARP的网卡。部署的兼容和适用性较好，但大量TCP连接可能占用较多内存资源，性能相对较差。

RDMA编程

基本操作

• Memory verbs
  • RDMA Read：调用者指定远程虚拟地址，像本地内存地址一样进行拷贝。远程主机设置好权限后，进行RDMA读和写对于远程主机都是透明。
  • RDMA write：将数据写到远端主机中。带即时数的RDMA操作会将即时数通知给远程主机。
  • RDMA Atomic：包括原子取、原子加、原子比较和原子交换，属于原子操作扩展
• Messaging verbs
  • RDMA send：将数据发送到远程QP的接收队列。要求接收端事先注册好接收数据的缓冲区，发送者无法控制位置。可选择是否使用即时数，跟数据缓冲一起传送用于通知接收端接收。
  • RDMA receive：与发送对应，接收主机被告知接收到数据缓冲，还能带即时数。接收端应用程序会负责接收缓冲区的维护和发布。

传输模式

• 可靠连接(RC)：QP与QP一一对应，消息从一个QP的发送队列可靠传输到另一QP的接收队列。数据包按序交付，类似TCP
• 不可靠连接(UC)：QP与QP一一对应，但连接不可靠，数据包可能丢失，且传输层出错不重传
• 不可靠数据报(UD)：一个QP可跟其他任意的UD QP进行数据传输，不保证按序性和交付性。支持一对多，类似UDP。

RDMA编程接口

包括VerbsAPI和RDMA CM API等：

• 设备查询和初始化
  1. ibv_get_device_list：获取系统RDMA设备列表
  2. ibv_open_device：选择列表中设备使用该接口打开，获取设备上下文
• 内存注册
  • 通过ibv_reg_mr函数实现，将内存块固定防止被CPU患处，并返回ibv_mr结构体指针，里面含uint32_t类型的key、内存区域上下文、地址、长度等信息，key允许远程访问注册的内存
• 队列对的创建和管理
  • 使用ibv_alloc_pd分配一个保护域
  • 通过ibv_create_cq创建完成队列
  • 使用ibv_create_qp创建包括发送队列和接收队列的队列对
• 数据发送与接收
  • 发送通过ibv_post_send完成
  • 构建ibv_send_wr结构体，在里面设置好操作码、工作队列元素结构体、远程地址、远程键，将其提交到发送队列
  • 接收通过ibv_post_recv完成
  • 构建ibv_recv_wr提交到接收队列中
  • 操作完成后，完成队列会生成相应的完成队列元素CQE，通过轮询完成队列可获取操作完成状态和结果信息
• 释放RDMA资源
  • 注册内存
  • 三个队列
  • 打开的设备符

内存注册和队列对

• DMA引擎要求数据传输中应用不能修改数据所在内存，操作系统也不能进行page out，且要求物理地址连续
• 内存注册时创建local和remote两个键指向需要操作的内存区域，被注册内存区域具有 上下文、地址、长度、本地键、远程键等属性，可交由RDMA保护域进行RDMA操作
• 队列对是收发队列的组合，在一次SEND-RECV流程中，发送端把代表一次发送任务的工作队列元素WQE放在发送队列，同时接收端也需要发送代表接收任务的WQE到接收队列
• 完成队列中的元素是CQE，描述某个任务时被正确执行还是遇到了错误，由发送端或接收端完成任务后生成和放入CQ。上层应用通过轮询CQ获取任务完成信息。

RDMA通信过程

主机之间的连接与认证依赖于队列对QP的建立，与socket类似，在进行数据传输之前，连接管理器CM负责QP信息的交换，完成初始化，之后利用verbsAPI进行RDMA读写和原子操作：

1. 应用程序执行读或写操作，请求直接从用户空间发送到本地NIC网卡
2. 本地NIC读取缓冲区内容发送到远程NIC
3. RDMA信息包含虚拟地址、内存钥匙和数据本身。请求支持完全在用户空间处理，或应用睡眠直到请求完成时通过系统级终端处理。
4. 目标NIC确认内存钥匙，按RDMA信息中的远程虚拟地址直接将数据写入应用缓存

Read/Write为单边操作，只需本地明确信息源和目标地址，远程不必感知，数据读写在远端RNIC和应用Buffer之间完成，由远端RNIC封装成消息返回到本地端，多用于数据报文。而Send/Receive为双边操作，需要远端应用感知参与才能完成，多用于连接控制报文。

单向通信-读Read/写

1. A、B已建立连接，QP已经完成创建和初始化
2. 数据已经存在于B的buffer，作为内存区已经提前注册到B的RNIC，具有local key，可以接受RDMA操作
3. B已经将数据的地址VB，key通过专用报文发送给A，同时在WQ中注册了一个WR，用于接收数据传输的A返回的状态
4. A在收到B发送过来的数据地址VB和R_key后，RNIC将这俩信息和本地地址封装到Read请求，发送到B，接下来不需要任何软件参与即可将B中buffer数据存储到A的虚拟地址 或将 A的数据存储到B的buffer
5. A在接收/发送数据完成后，向B返回数据传输状态信息

双向通信

1. AB各自初始化各自的QP、CQ
2. AB分别在自己的WQ中注册WQE，对A则是SQ，WQE表示待发送数据，对于B，WQ为RQ，WQE指向用于存储数据的buffer
3. A的RNIC异步调度到A的WQE，识别到Send消息，从buffer直接向B发送数据。数据流到达B的RNIC后，B的WQE被消耗，数据被存储到WQE指向的位置
4. AB通信完成后，A的CQ产生完成消息CQE表示发送完成，B则产生CQE表示接收完成。