关于远程直接内存访问技术 RDMA 的高性能架构设计介绍

2023-07-28 2539

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简介： 本文介绍 RDMA 技术的基本原理及交流在工程上的设计思路。

传统以太网方案存在系统调用消耗大量时间、增加数据传输延时、对 CPU 造成很重的负担三个缺点，而 RDMA 技术可以解决以上三个缺点。那 RDMA 究竟是什么？它的方案的设计思路是什么？浪潮信息驱动工程师刘伟带大家深入理解 RDMA 技术的基本原理，交流在工程上的设计思路。

1.RDMA技术的优点、基础知识和设计思路

RDMA 和传统网络方案的比较

传统以太网方案存在三个缺点：send/sendto 等系统调用导致 CPU 在用户态和内核态之间切换，消耗大量时间；发送过程中需要 CPU 把数据从用户空间复制到内核空间（接收时反向复制），增加了数据传输延时；需要 CPU 全程参与数据包的封装和解析，在数据量大时将对 CPU 将造成很重的负担。

RDMA 技术可以解决上述三个问题：首先，其在数据传输过程中没有系统调用；然后，在系统内存内部做到零拷贝，省掉了数据在用户空间和内核空间之间拷贝的步骤。最后，把数据包的封装和解析交由网卡硬件来做，降低了 CPU 负载。

RDMA 协议类型

RDMA 指的是一种远程直接内存访问技术。具体到协议层面，它主要包含了Infiniband（IB），RDMA over Converged Ethernet（RoCE）和Internet Wide Area RDMA Protocol（iWARP）三种协议。三种协议都符合RDMA标准，共享相同的上层用户接口（Verbs），只是在不同层次上有一些差别。

RDMA 软件架构

RDMA 的软件架构按层次可分成两部分，即 rdma-core 和内核 RDMA 子系统，分别运行在 Linux 系统中的用户态和内核态。整个软件架构适用于所有类型的 RDMA 网卡，不管网卡硬件执行了哪种 RDMA 协议（Infiniband/RoCE/iWARP）。

RDMA 基本元素和操作类型

WQE（Work Queue Element，工作队列元素）的作用类似于以太网方案中收发队列里的描述符（Desc）。其中包含了软件希望硬件去做的任务类型（远程读、远程写、发送还是接收等）以及任务的详细信息（数据所在的内存地址、数据长度和访问密钥等）。

WQ（Work Queue，工作队列）类似于以太网方案中的发送/接收队列，WQ 里面可以容纳很多 WQE，这些 WQE 在 WQ 中以先进先出（FIFO）队列的形式存在。左图展示了 WQ 和 WQE 的关系，以及它们和以太网方案中队列和描述符功能的比较。

QP 是一个发送工作队列和一个接受工作队列的组合，这两个队列分别称为 SQ（Send Queue）和 RQ（Receive Queue）。SQ 和 RQ 都是一种 WQ。SQ 专门用来存放发送任务，RQ 专门用来存放接收任务。在一次 SEND-RECV 流程中，发送端需要把表示一次发送任务的 WQE 放到 SQ 里面（这种操作称为 Post Send）。同样的，接收端需要把表示一次接收任务的 WQE 放到 RQ 里面（称为Post Receive），这样硬件才知道收到数据之后放到内存中的哪个位置。在RDMA技术中，通信的基本主体或对象是 QP，而不是节点。对于每个节点来说，每个进程都可以申请和使用若干个 QP，而每个本地 QP 可以“连接到”一个远端的 QP。每个节点的每个 QP 都有一个唯一的编号，称为 QPN（Query Pair Number），通过 QPN 可以唯一确定一个节点上的 QP。

CQ 意为完成队列（Completion Queue）。跟 WQ 中含有很多 WQE 类似，CQ 这个队列中也有很多元素，叫做 CQE（Completion Queue Element）。可以认为 CQE 跟 WQE 是相反的概念。如果 WQE 是软件下发给硬件的任务，CQE 就是硬件完成任务之后返回给软件的“完成报告”。每个 CQE 都包含某个 WQE 的完成信息。

RDMA WRITE 操作是一端应用主动写入远端内存的行为，除了准备阶段，远端 CPU 不需要参与，也不感知何时有数据写入、数据在何时接收完毕。所以这是一种单端操作。需要注意的是，操作发起端的应用程序是通过虚拟地址来读写远端内存的，上层应用可以非常方便的对其进行操作。实际的虚拟地址—物理地址的转换是由 RDMA 网卡完成的。