学习笔记-RDMA技术下篇

RDMA技术

传统上的RDMA技术设计内核封装多层网络协议并且涉及内核数据传输。RDMA通过专有的RDMA网卡RNIC，绕过内核直接从用户空间访问RDMA enabled NIC网卡。RDMA提供一个专有的Verbs Interface而不是传统的TCP/IP Socket Interface。要使用RDMA首先要建立从RDMA到应用程序内存的数据路径 ，可以通过RDMA专有的Verbs Interface接口来建立这些数据路径，一旦数据路径建立后，就可以直接访问用户空间buffer。

RDMA系统架构图

        RDMA在应用程序用户空间，提供了一系列verbs interface接口操作RDMA硬件。RDMA绕过内核直接从用户空间访问RDMA 网卡(RNIC)。RNIC网卡中包括Cached Page Table Entry，页表就是用来将虚拟页面映射到相应的物理页面。

RDMA工作过程

1)当一个应用执行RDMA 读或写请求时，不执行任何数据复制.在不需要任何内核内存参与的条件下，RDMA 请求从运行在用户空间中的应用中发送到本地NIC( 网卡)。

2) NIC 读取缓冲的内容，并通过网络传送到远程NIC。

3) 在网络上传输的RDMA 信息包含目标虚拟地址、内存钥匙和数据本身.请求既可以完全在用户空间中处理(通过轮询用户级完成排列) ，又或者在应用一直睡眠到请求完成时的情况下通过系统中断处理.RDMA 操作使应用可以从一个远程应用的内存中读数据或向这个内存写数据。

4) 目标NIC 确认内存钥匙，直接将数据写人应用缓存中.用于操作的远程虚拟内存地址包含在RDMA 信息中。

 

 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 Element（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。

RDAM单边操作 (RDMA READ)

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。

对于单边操作，以存储网络环境下的存储为例，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B的buffer地址VB，注意VB应该提前注册到B的RNIC (并且它是一个Memory Region) ，并拿到返回的local key，相当于RDMA操作这块buffer的权限。
3.   B把数据地址VB，key封装到专用的报文传送到A，这相当于B把数据buffer的操作权交给了A。同时B在它的WQ中注册进一个WR，以用于接收数据传输的A返回的状态。
4.   A在收到B的送过来的数据VB和R_key后，RNIC会把它们连同自身存储地址VA到封装RDMA READ请求，将这个消息请求发送给B，这个过程A、B两端不需要任何软件参与，就可以将B的数据存储到A的VA虚拟地址。
5.   A在存储完成后，会向B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。

RDMA 单边操作 (RDMA WRITE)

对于单边操作，以存储网络环境下的存储为例，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remote目标存储buffer地址VB，注意VB应该提前注册到B的RNIC(并且它是一个Memory Region)，并拿到返回的local key，相当于RDMA操作这块buffer的权限。
3.   B把数据地址VB，key封装到专用的报文传送到A，这相当于B把数据buffer的操作权交给了A。同时B在它的WQ中注册进一个WR，以用于接收数据传输的A返回的状态。
4.   A在收到B的送过来的数据VB和R_key后，RNIC会把它们连同自身发送地址VA到封装RDMA WRITE请求，这个过程A、B两端不需要任何软件参与，就可以将A的数据发送到B的VB虚拟地址。
5.   A在发送数据完成后，会向B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。

RDMA 双边操作 (RDMA SEND/RECEIVE)

 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。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。