RDMA（远程直接数据存取）概述

背景

       面对高性能计算、大数据分析和浪涌型IO高并发、低时延应用，现有TCP/IP软硬件架构和应用高CPU消耗的技术特征根本不能满足应用的需求。这要有体现在处理延时过大，数十微秒；多次内存拷贝、中断处理，上下文切换、复杂的TCP/IP协议处理、网络延时过大、存储转发模式和丢包导致额外延时;如今，服务器的网络带宽越来越高。当网络带宽迈过万兆这条线后，操作系统用于处理网络IO的开销就越来越难以忽视。在一些网络IO密集的业务中，操作系统本身成为了网络通信的瓶颈，这不仅会导致调用时延的增加（尤其是长尾），还会影响到服务的整体吞吐。相对于网络带宽的发展速度，CPU性能的发展停滞是导致上述问题的主要原因。因此，想从根本上解决CPU参与网络传输的低效问题，就要更多地借助专用芯片的能力，RDMA高性能网络势不可挡。

       RDMA（Remote Direct Memory Access），可以简单理解为网卡完全绕过CPU实现两个服务器之间的内存数据交换。其作为一种硬件实现的网络传输技术，可以大幅提升网络传输效率，帮助网络IO密集的业务（比如分布式存储、分布式数据库等）获得更低的时延以及更高的吞吐。具体来说，RDMA技术的应用要借助支持RDMA功能的网卡以及相应的驱动程序。由下图所示，一旦应用程序分配好资源，其可以直接把要发送的数据所在的内存地址和长度信息交给网卡。网卡从内存中拉取数据，由硬件完成报文封装，然后发送给对应的接收端。接收端收到RDMA报文后，直接由硬件解封装，取出数据后，直接放在应用程序预先指定的内存位置。由于整个IO过程无需CPU参与，无需操作系统内核参与，没有系统调用，没有中断，也无需内存拷贝，因此RDMA网络传输可以做到极高的性能。在极限benchmark测试中，RDMA的时延可以做到1us级别，而吞吐甚至可以达到200G。

RDMA是一种远端内存直接访问技术

相比传统DMA的内部总线IO，RDMA通过网络在两个端点的应用软件之间实现Buffer的直接传递；相比比传统的网络传输，RDMA又无需操作系统和协议栈的介入。RDMA可以轻易实现端点间的超低延时、超高吞吐量传输，而且基本不需要CPU、OS等资源介入，也不必再为网络数据的处理和搬移耗费过多其他资源。

RDMA最早专属于Infiniband架构，随着在网络融合大趋势下出现的RoCE和iWARP.

InfiniBand通过以下技术保证网络转发的低时延(亚微秒级)，采用Cut-Through转发模式，减少转发时延；基于Credit的流控机制，保证无丢包；硬件卸载；Buffer尽可能小，减少报文被缓冲的时延 。

iWARP(RDMA over TCP/IP) 利用成熟的IP网络；继承RDMA的优点；TCP/IP硬件实现成本高，但如果采用传统IP网络丢包对性能影响大。

RoCE性能与IB网络相当；DCB特性保证无丢包；需要以太网支持DCB特性；以太交换机时延比IB交换机时延要稍高一些。

RoCEv2针对RoCE进行了一些改进，如引入IP解决扩展性问题，可以跨二层组网；引入UDP解决ECMP负载分担等问题。

在Infiniband/RDMA的模型中，核心是如何实现应用之间最简单、高效和直接的通信。RDMA提供了基于消息队列的点对点通信，每个应用都可以直接获取自己的消息，无需操作系统和协议栈的介入。

消息服务建立在通信双方本端和远端应用之间创建的Channel-IO连接之上。当应用需要通信时，就会创建一条Channel连接，每条Channel的首尾端点是两对Queue Pairs(QP)，每对QP由Send Queue(SQ)和Receive Queue(RQ)构成，这些队列中管理着各种类型的消息。QP会被映射到应用的虚拟地址空间，使得应用直接通过它访问RNIC网卡。除了QP描述的两种基本队列之外，RDMA还提供一种队列Complete Queue(CQ)，CQ用来知会用户WQ上的消息已经被处理完。

RDMA提供了一套软件传输接口，方便用户创建传输请求Work Request(WR)，WR中描述了应用希望传输到Channel对端的消息内容，WR通知QP中的某个队列Work Queue(WQ)。在WQ中，用户的WR被转化为Work Queue Ellement(WQE)的格式，等待RNIC的异步调度解析，并从WQE指向的Buffer中拿到真正的消息发送到Channel对端。

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RDMA中SEND/RECEIVE是双边操作，即必须要远端的应用感知参与才能完成收发。READ和WRITE是单边操作，只需要本端明确信息的源和目的地址，远端应用不必感知此次通信，数据的读或写都通过RDMA在RNIC与应用Buffer之间完成，再由远端RNIC封装成消息返回到本端。在实际中，SEND /RECEIVE多用于连接控制类报文，而数据报文多是通过READ/WRITE来完成的。

对于双边操作为例，主机A向主机B(下面简称A、B)发送数据的流程如下

1. 首先，A和B都要创建并初始化好各自的QP，CQ
2. A和B分别向自己的WQ中注册WQE，对于A，WQ=SQ，WQE描述指向一个等到被发送的数据；对于B，WQ=RQ，WQE描述指向一块用于存储数据的Buffer。
3. A的RNIC异步调度轮到A的WQE，解析到这是一个SEND消息，从Buffer中直接向B发出数据。数据流到达B的RNIC后，B的WQE被消耗，并把数据直接存储到WQE指向的存储位置。
4. AB通信完成后，A的CQ中会产生一个完成消息CQE表示发送完成。与此同时，B的CQ中也会产生一个完成消息表示接收完成。每个WQ中WQE的处理完成都会产生一个CQE。

双边操作与传统网络的底层Buffer Pool类似，收发双方的参与过程并无差别，区别在零拷贝、Kernel Bypass，实际上对于RDMA，这是一种复杂的消息传输模式，多用于传输短的控制消息。

对于单边操作，以存储网络环境下的存储为例(A作为文件系统，B作为存储介质)，数据的流程如下

1. 首先A、B建立连接，QP已经创建并且初始化。
2. 数据被存档在A的buffer地址VA，注意VA应该提前注册到A的RNIC，并拿到返回的local key，相当于RDMA操作这块buffer的权限。
3. A把数据地址VA，key封装到专用的报文传送到B，这相当于A把数据buffer的操作权交给了B。同时A在它的WQ中注册进一个WR，以用于接收数据传输的B返回的状态。
4. B在收到A的送过来的数据VA和R_key后，RNIC会把它们连同存储地址VB到封装RDMA READ，这个过程A、B两端不需要任何软件参与，就可以将A的数据存储到B的VB虚拟地址。
5. B在存储完成后，会向A返回整个数据传输的状态信息。

单边操作传输方式是RDMA与传统网络传输的最大不同，只需提供直接访问远程的虚拟地址，无须远程应用的参与其中，这种方式适用于批量数据传输。

小结
Infiniband的成功取决于两个因素，一是主机侧采用RDMA技术，可以把主机内数据处理的时延从几十微秒降低到几微秒，同时不占用CPU；二是InfiniBand网络的采用高带宽(40G/56G)、低时延(几百纳秒)和无丢包特性.

项目参考