RDMA技术详解

本文主要是介绍RDMA技术详解，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1 DMA概念

传统方式

假设IO设备是普通网卡，网卡对数据包封装前，需要拿到数据。首先网卡通过总线告知CPU数据请求，CPU无法直接对内存数据处理；所以，CPU首先将内存缓冲区的数据复制到自己内部的寄存器中，然后复制到IO设备的存储空间中。即传统内存访问需要CPUcopy移动数据，CPU将内存中Buffer1移动到Buffer2，需要进行两次移动操作。当通信数据量比较大是，CPU则忙于搬移数据，占用较多内存与时间资源

DMA方式

DMA（直接内存访问）允许计算机主板上设备直接把数据发送到内存中，数据搬运不需要CPU参与

DMA：通过DMA Engine之间通过硬件将数据从Buffer1移动到Buffer2，不需要CPU参与，降低CPUcopy开销。

2 RDMA

1 背景

为了消除传统网络通信给计算任务的瓶颈，希望更快与更轻量级通信。

2 传统TCP通信

socket通信示意图

传统socket套接字网络中，应用程序向操作系统申请网络资源时，通过特定API管理程序的行为。

TCP/IP/Ethernet是一种面向字节流的传输方式，信息以字节的形式在套接字应用程序之间传递。

过程如下：

数据发送方将数据从用户空间Buffer复制到内核空间的SocketBuffer中
从内核空间添加数据报头，进行数据封装。通过一系列多层网络协议的数据包处理工作，协议包括传输控制协议、用户数据报协议、互联网协议以及互联网控制消息协议。经过这些步骤，数据才能被push到NIC的Buffer中进行网络传输
消息接收方要从NICBuffer拷贝至SocketBuffer中
经过一系列协议对数据包解析，解析后的数据被复制到相应用户空间应用程序的Buffer中。此时，系统上下文切换，用户程序被调用。

传统方式存在的问题

TCP/IP存在的主要问题是IO瓶颈问题。在高速的网络环境下与网络I/O相关的主机处理的高开销（数据移动操作和复制操作）限制了机器之间的传输带宽。

传输的TCP/IP网络通信是通过内核发送信息。通过内核传输信息机制会导致性能低和灵活性差。

性能低主要原因是由于网络通过内核传递，需要在内核中频繁进行协议封装和解封操作，造成很大的数据移动和数据复制开销。
灵活性差的原因是：是因为网络通信协议在内核中处理，这种方式很难支持新的网络协议和新的消息通信协议及发送和接收接口。

3 RDMA技术通信

RDMA技术特点

RDMA通信示意图：

RDMA仅仅使用操作系统建立一个通道，然后在不需要操作系统参与的情况下，应用系统之间进行直接的消息传递，这使得网卡远程直接访问内存资源。

两个多个计算机通信时使用DMA，从一个主机内存直接访问另一个主机的内存。RDMA利用栈旁路与零拷贝技术，提供低延迟的特性，通过减少CPU的负担，提供较大的吞吐量。

采用RDMA技术的协议

RDMA技术采用host-offload, host-bypass技术，实现通信网络的低延迟、高带宽。现有多种协议支持RDMA，主流的协议有以下三种

InfiniBand(IB): 支持RDMA的新一代网络协议。交换机需要支持对IB网络层协议的解析，因此需要配备专用的交换机与网卡。由于这种限制，应用的情景有限
RDMA过融合以太网(RoCE): 即RDMA over Ethernet, 允许通过以太网执行RDMA的网络协议。这允许在标准以太网基础架构(交换机)上使用RDMA，只需要网卡必须支持RoCE的特殊的NIC。
互联网广域RDMA协议(iWARP): 即RDMA over TCP, 允许通过TCP执行RDMA的网络协议。这允许在标准以太网基础架构(交换机)上使用RDMA，只不过网卡要求是支持iWARP(如果使用CPU offload的话)的NIC。否则，所有iWARP栈都可以在软件中实现，但是失去了大部分的RDMA性能优势。

Rocev2在使用Ethernet/IP/UDP协议的基础上对RDMA数据包封装，具有更好的通用性。谷歌、微软等公司均部署Roce协议。

RDMA技术相关概念

RDMA是一种host-offload、host-bypass技术，允许应用程序（包括存储）在它们内存空间之间直接做数据传输。具有RDMA引擎的以太网卡（RNIC）（而不是host）负责管理源和目标之间的可靠连接。RDMA通信操作与传统通信方式存在着较大差异。RDMA通信过程中诸多需要理解的概念，着重介绍RDMA涉及的操作和概念。

一对RDMA的连接由工作队列表示，即队列对（Queue Pair，QP）。QP由维持在网卡硬件中的发送队列与接收队列构成。当应用产生发送或者接收操作时（在RDMA中称为原语），它将工作队列中的元素（Work Queue Element，WQE）[工作队列可以是发送队列，也可以是接收队列]放入至相关队列。每个QP维持完成队列（Complement Queue,CQ）通知应用层完成操作的信息。当WQE完成后，完成队列的元素（Complement Queue Element）也将置入CQ中。

RDMA中原语基本分为四种：Read、Write、Send、Receive。其中，Send与Receive成对出现。

使用RNIC的应用程序之间使用专注的QP与CQ通讯

发送请求（SR）

SR定义了数据的发送量、从哪里、发送方式、是否通过RDMA、到哪里。结构ibv_send_wr描述SR
接收请求（RR）

RR定义用来放置通过RDMA操作接收到的数据缓冲区
完成队列（CQ）

RDMA传输流程

在Rocev2协议中，RDMA从应用层获取的数据切割成大小相同的数据段，每个数据段封装为UDP/IP/Ethernet数据包，传输至网络中。UDP源端口号是任意的，对于不同的数据流端口号不同，因此，可以通过UDP端口号区分不同的数据流，从而完成整个网络的负载均衡。每个数据包带有RDMA数据包头，包头中包含数据的序列号，即Packet Sequence Number,PSN。在一条数据流中，PSN是连续的，因此接收端可以根据PSN将数据流拼接出来。此外，接收端会产生ACK或者NagativeACK（NACK）通知接收端是否成功接收数据包。