InfiniBand網絡架構

2020-02-16 20:49 作者：艾銻無限 瀏覽量：

 
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傳統IP網絡協議如TCP/IP，具有轉發丟失數據包的特性，網絡不良時要不斷地確認與重發，基于這些協議的通信也會因此變慢，極大地影響了性能。與之相比，IB使用基于信任的、流控制的機制來確保連接的完整性，數據包極少丟失。使用IB協議，除非確認接收緩存具備足夠的空間，否則不會傳送數據。接受方在數據傳輸完畢之后，返回信號來標示緩存空間的可用性。通過這種辦法，IB協議消除了由于原數據包丟失而帶來的重發延遲，從而提升了效率和整體性能。
 
什么是InfiniBand網絡
InfiniBand是一種網絡通信協議，它提供了一種基于交換的架構，由處理器節點之間、處理器節點和輸入/輸出節點(如磁盤或存儲)之間的點對點雙向串行鏈路構成。每個鏈路都有一個連接到鏈路兩端的設備，這樣在每個鏈路兩端控制傳輸(發送和接收)的特性就被很好地定義和控制了。 InfiniBand通過交換機在節點之間直接創建一個私有的、受保護的通道，進行數據和消息的傳輸，無需CPU參與遠程直接內存訪問(RDMA)和發送/接收由InfiniBand適配器管理和執行的負載。適配器通過PCI Express接口一端連接到CPU，另一端通過InfiniBand網絡端口連接到InfiniBand子網。與其他網絡通信協議相比，這提供了明顯的優勢，包括更高的帶寬、更低的延遲和增強的可伸縮性。
 
什么是InfiniBand架構
InfiniBand Architecture(IBA)是為硬件實現而設計的，而TCP則是為軟件實現而設計的。因此，InfiniBand是比TCP更輕的傳輸服務，因為它不需要重新排序數據包，因為較低的鏈路層提供有序的數據包交付。傳輸層只需要檢查包序列并按順序發送包。
進一步，因為InfiniBand提供以信用為基礎的流控制(發送方節點不給接收方發送超出廣播 “信用“大小的數據包),傳輸層不需要像TCP窗口算法那樣的包機制確定最優飛行包的數量。這使得高效的產品能夠以非常低的延遲和可忽略的CPU利用率向應用程序交付56、100Gb/s的數據速率。IB是以通道(Channel)為基礎的雙向、串行式傳輸，在連接拓樸中是采用交換、切換式結構(Switched Fabric)，所以會有所謂的IBA交換器(Switch)，此外在線路不夠長時可用IBA中繼器(Repeater)進行延伸。而每一個IBA網絡稱為子網(Subnet)，每個子網內最高可有65,536個節點(Node)，IBASwitch、IBA Repeater僅適用于Subnet范疇，若要通跨多個IBA Subnet就需要用到IBA路由器(Router)或IBA網關器(Gateway)。
至于節點部分，Node想與IBA Subnet接軌必須透過配接器(Adapter)，若是CPU、內存部分要透過HCA (Host Channel Adapter)，若為硬盤、I/O部分則要透過TCA (Target Channel Adapter)，之后各部分的銜接稱為聯機(Link)。上述種種構成了一個完整的IBA。
 
InfiniBand速率發展介紹
InfiniBand串行鏈路可以在不同的信令速率下運行，然后可以捆綁在一起實現更高的吞吐量。原始信令速率與編碼方案耦合，產生有效的傳輸速率。編碼將通過銅線或光纖發送的數據的錯誤率降至最低，但也增加了一些開銷(例如，每8位數據傳輸10位)。典型的實現是聚合四個鏈接單元(4X)。
目前，InfiniBand系統提供以下吞吐量速率:  
InfiniBand網絡主要上層協議
InfiniBand為不同類型的用戶提供了不同的上層協議，并為某些管理功能定義了消息和協議。InfiniBand主要支持SDP、SRP、iSER、RDS、IPoIB和uDAPL等上層協議。
SDP (Sockets Direct Protocol)是InfiniBand Trade Association (IBTA)制定的基于infiniband的一種協議，它允許用戶已有的使用TCP/IP協議的程序運行在高速的infiniband之上。
SRP(SCSIRDMA Protocol)是InfiniBand中的一種通信協議，在InfiniBand中將SCSI命令進行打包，允許SCSI命令通過RDMA(遠程直接內存訪問)在不同的系統之間進行通信，實現存儲設備共享和RDMA通信服務。
iSER(iSCSI RDMA Protocol)類似于SRP(SCSI RDMA protocol)協議，是IB SAN的一種協議 ，其主要作用是把iSCSI協議的命令和數據通過RDMA的方式跑到例如Infiniband這種網絡上，作為iSCSI RDMA的存儲協議iSER已被IETF所標準化。
RDS(Reliable Datagram Sockets)協議與UDP 類似，設計用于在Infiniband 上使用套接字來發送和接收數據。實際是由Oracle公司研發的運行在infiniband之上，直接基于IPC的協議。
IPoIB(IP-over-IB)是為了實現INFINIBAND網絡與TCP/IP網絡兼容而制定的協議，基于TCP/IP協議，對于用戶應用程序是透明的，并且可以提供更大的帶寬，也就是原先使用TCP/IP協議棧的應用不需要任何修改就能使用IPoIB。
uDAPL(User Direct Access Programming Library)用戶直接訪問編程庫是標準的API，通過遠程直接內存訪問 RDMA功能的互連（如InfiniBand）來提高數據中心應用程序數據消息傳送性能、伸縮性和可靠性。
iSER (iSCSI Extensions for RDMA)和NFSoRDMA (NFS over RDMA)，SRP (SCSI RDMA Protocol) 等是InfiniBand中的一種通信協議，在InfiniBand中將SCSI命令進行打包，允許SCSI命令通過RDMA在不同的系統之間進行通信，實現存儲設備共享和RDMA通信服務。
 
InfiniBand管理軟件
OpenSM軟件是符合InfiniBand的子網管理器(SM)，運行在Mellanox OFED軟件堆棧進行IB 網絡管理，管理控制流走業務通道，屬于帶內管理方式。 OpenSM包括子網管理器、背板管理器和性能管理器三個組件，綁定在交換機內部的必備部件。提供非常完備的管理和監控能力，如設備自動發現、設備管理、Fabric可視化、智能分析、健康監測等等。