Infiniband的网络通信API: IB verbs

一．什么是infiniband

InfiniBand架构是一种支持多并发链接的“转换线缆”技术，它是新一代服务器硬件平台的I/O标准。由于它具有高带宽、低延时、 高可扩展性的特点，它非常适用于服务器与服务器（比如复制，分布式工作等），服务器和存储设备（比如SAN和直接存储附件）以及服务器和网络之间（比如LAN， WANs和the Internet）的通信 。

二．Infiniband产生的原因

随着CPU性能的飞速发展，I/O系统的性能成为制约服务器性能的瓶颈。于是人们开始重新审视使用了十几年的PCI总线架构。虽然PCI总线结构把数据的传输从8位/16位一举提升到32位，甚至当前的64位，但是它的一些先天劣势限制了其继续发展的势头。PCI总线有如下缺陷：

(1)由于采用了基于总线的共享传输模式，在PCI总线上不可能同时传送两组以上的数据，当一个PCI设备占用总线时，其他设备只能等待；

(2)随着总线频率从33MHz提高到66MHz，甚至133MHz（PCI-X），信号线之间的相互干扰变得越来越严重，在一块主板上布设多条总线的难度也就越来越大；

(3)由于PCI设备采用了内存映射I/O地址的方式建立与内存的联系，热添加PCI设备变成了一件非常困难的工作。目前的做法是在内存中为每一个PCI设备划出一块50M到100M的区域，这段空间用户是不能使用的，因此如果一块主板上支持的热插拔PCI接口越多，用户损失的内存就越多；

(4)PCI的总线上虽然有buffer作为数据的缓冲区，但是它不具备纠错的功能，如果在传输的过程中发生了数据丢失或损坏的情况，控制器只能触发一个NMI中断通知操作系统在PCI总线上发生了错误

    因此，Intel、 Cisco、 Compaq、 EMC、 富士通等公司共同发起了infiniband架构，其目的是为了取代PCI成为系统互连的新技术标准，其核心就是将I/O系统从服务器主机中分离出来。

InfiniBand 采 用双队列程序提取技术,使应用程序直接将数据从适配器 送入到应用内存(称为远程直接存储器存取或RDMA), 反之依然。在TCP/IP协议中,来自网卡的数据先拷贝到 核心内存,然后再拷贝到应用存储空间,或从应用空间 将数据拷贝到核心内存,再经由网卡发送到Internet。这 种I/O操作方式,始终需要经过核心内存的转换,它不 仅增加了数据流传输路径的长度,而且大大降低了I/O 的访问速度,增加了CPU的负担。而SDP则是将来自网 卡的数据直接拷贝到用户的应用空间,从而避免了核心 内存参入。这种方式就称为零拷贝,它可以在进行大量 数据处理时,达到该协议所能达到的最大的吞吐量

三．Infiniband的协议层次与网络结构

 

图1

Infiniband的协议采用分层结构，各个层次之间相互独立，下层为上层提供服务。其中,物理层定义了在线路上如何将比特信号组 成符号,然后再组成帧、 数据符号以及包之间的数据填 充等,详细说明了构建有效包的信令协议等；链路层定义了数据包的格式以及数据包操作的协议,如流控、 路由选择、 编码、解码等；网络层通过在数据包上添加一个40字节的全局的路由报头(Global Route Header,GRH)来进行路由的选择,对数据进行转发。在转发的过程中,路由 器仅仅进行可变的CRC校验,这样就保证了端到端的数据传输的完整性；传输层再将数据包传送到某个指定 的队列偶(QueuePair,QP)中,并指示QP如何处理该数据 包以及当信息的数据净核部分大于通道的最大传输单 元MTU时,对数据进行分段和重组。

  

图2

Infiniband的网络拓扑结构如图2，其组成单元主要分为四类：

（1）HCA（Host Channel Adapter），它是连接内存控制器和TCA的桥梁；

（2）TCA(Target Channel Adapter)，它将I/O设备（例如网卡、SCSI控制器）的数字信号打包发送给HCA；

（3）Infiniband link，它是连接HCA和TCA的光纤，InfiniBand架构允许硬件厂家以1条、4条、12条光纤3种方式连结TCA和HCA；

（4）交换机和路由器；

无论是HCA还是TCA，其实质都是一个主机适配器，它是一个具备一定保护功能的可编程DMA（Direct Memory Access，直接内存存取 ）引擎，

 

图3

   

如图3所示，每个端口具有一个GUID(Globally Unique Identifier)，GUID是全局唯一的，类似于以太网MAC地址。运行过程中，子网管理代理（SMA）会给端口分配一个本地标识（LID），LID仅在子网内部有用。QP是infiniband的一个重要概念，它是指发送队列和接收队列的组合，用户调用API发送接收数据的时候，实际上是将数据放入QP当中，然后以轮询的方式将QP中的请求一条条的处理，其模式类似于生产者-消费者模式。

 

图4

如图4所示，图中Work queue即是QP中的send Queue或者receive Queue，WQ中的请求被处理完成之后，就被放到Work Completion中。

四．如何使用IB verbs传送数据

Infiniband提供了VPI verbs API和RDMA_CM verbs API 这两个API集合，用户使用其中的库函数，就能很方便的在不同的机器之间传输数据。Infiniband建立连接的流程如下图所示：

 

图5

其中buildcontext的流程如下：

图6

连接建立完成之后，就可以调用ibv_post_recv和ibv_post_send收发数据了，发送和接收请求都被放在QP中，后台需要调用ibv_poll_cq来逐条处理请求，由于infiniband连接中，一旦有一条数据发送或者接收失败，其后所有的数据发送或者接收都会失败，因此一旦检测到WC的状态不是成功，需要立即处理此错误（此时最好断开连接）。

五．常见错误

     ibv_poll_cq处理完队列中的数据后，WC会包含此次处理的全部信息，包括wr_id、操作状态、错误码等等，错误码包含的信息对于我们解决错误非常有用，这里我就列举一下我在编写代码中遇到的错误。

（1）错误码为4（IBV_WC_LOC_PROT_ERR ），这种错误通常意味着用户对内存的操作权限不够，需要检测在ibv_post_recv和ibv_post_send时scatter/gather list 中传入的内存地址与长度是否正确，或者ibv_reg_mr操作是否成功。

（2）错误码为5，（IBV_WC_WR_FLUSH_ERR ），在flush的时候出现错误，通常是因为前一个操作出现了错误，接下来的一系列操作都会出现      

IBV_WC_WR_FLUSH_ERR的错误。

（3）错误码为13（IBV_WC_RNR_RETRY_EXC_ERR  ），这种错误一般是因为本地post数据过快。在infiniband传输数据过程中，接收端首选需要注册内存并ibv_post_recv将此内存放入receive queue中然后发送端才能发送数据，如果接受端来不及完成这些操作发送端就发送数据，就会出现上述错误。