InfiniBand是目前發(fā)展最快的高速互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，具有高帶寬、低延遲和易擴(kuò)展的特點(diǎn)。通過研究和實(shí)踐，對(duì)InfiniBand技術(shù)的數(shù)據(jù)包、數(shù)據(jù)傳輸、層次結(jié)構(gòu)、與以太網(wǎng)技術(shù)的對(duì)比、交換機(jī)制、發(fā)展愿景等進(jìn)行了全面探索。

01 引言

隨著中央處理器（CPU）運(yùn)算能力的極速增長，高速互連網(wǎng)絡(luò)HIS （High Speed Interconnection）已成為高性能計(jì)算機(jī)研制的關(guān)鍵所在。HSI 是改善計(jì)算機(jī)外圍元件擴(kuò)展接口（Peripheral Component Interface，PCI） 的性能不足而提出的一項(xiàng)新技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，支持高性能計(jì)算（High Performance Computing，HPC） 的HSI目前主要是Gigabit Ethernet 和InfiniBand，而InfiniBand 是其中增長最快的HSI。InfiniBand 是在InfiniBand貿(mào)易協(xié)會(huì)（IBTA）監(jiān)督下發(fā)展起來的一種高性能、低延遲的技術(shù)。

02 InfiniBand Trade

Association（IBTA）

IBTA 成立于1999年，由Future I/O Developers Forum 和NGI/O Forum 兩個(gè)工業(yè)組織合二為一組成，在HP、IBM、Intel、Mellanox、Oracle、QLogic、Dell、Bull 等組成的籌劃運(yùn)作委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)下工作。IBTA 專業(yè)從事產(chǎn)品的遵從性和互用性測試，其成員一直致力于推進(jìn)InfiniBand 規(guī)范的設(shè)立與更新。

03 InfiniBand 概述

InfiniBand是一種針對(duì)處理器與I/O 設(shè)備之間數(shù)據(jù)流的通信鏈路，其支持的可尋址設(shè)備高達(dá)64000 個(gè)。InfiniBand架構(gòu)（InfiniBand Architecture，IBA） 是一種定義點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）交換式的輸入/ 輸出框架的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，通常用于服務(wù)器、通信基礎(chǔ)設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的互連。

InfiniBand具有普適、低延遲、高帶寬、管理成本低的特性，是單一連接多數(shù)據(jù)流（聚類、通信、存儲(chǔ)、管理）理想的連接網(wǎng)絡(luò)，互連節(jié)點(diǎn)可達(dá)成千上萬。最小的完整IBA 單元是子網(wǎng)（subnet），多個(gè)子網(wǎng)由路由器連接起來組成大的IBA 網(wǎng)絡(luò)。IBA 子網(wǎng)由端節(jié)點(diǎn)（end-node）、交換機(jī)、鏈路和子網(wǎng)管理器組成。

InfiniBand發(fā)展的初衷是把服務(wù)器總線網(wǎng)絡(luò)化，所以InfiniBand 除了具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能以外還直接繼承了總線的高帶寬和低時(shí)延。總線技術(shù)中采用的DMA（Direct Memory Access） 技術(shù)在InfiniBand 中以RDMA （Remote Direct Memory Access）的形式得以實(shí)現(xiàn)。RDMA服務(wù)可在處理器之間進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)直接在暫時(shí)內(nèi)存之間傳遞，不需要操作系統(tǒng)介入或數(shù)據(jù)復(fù)制。RDMA 通過減少對(duì)帶寬和處理器開銷的需要降低了時(shí)延，這種效果是通過在NIC 的硬件中部署一項(xiàng)可靠的傳輸協(xié)議以及支持零復(fù)制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和內(nèi)核內(nèi)存旁路實(shí)現(xiàn)的。

這使得InfiniBand 在與、及存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)交換方面天生地優(yōu)于萬兆以太網(wǎng)以及光纖通道（FiberChannel）。InfiniBand 實(shí)現(xiàn)了基于客戶機(jī)- 服務(wù)器和消息傳遞的通信方案及基于存儲(chǔ)映射實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的方案，將復(fù)雜的I/O系統(tǒng)與處理器、存儲(chǔ)設(shè)備分離，使I/O 子系統(tǒng)獨(dú)立，是一種基于I/O 通道共享機(jī)制的總線互連技術(shù)。

InfiniBand系統(tǒng)由信道適配器（Channel Adapter）、交換機(jī)、路由器、線纜和連接器組成。CA 分為主機(jī)信道適配器（Host Channel Adapter） 和目標(biāo)信道適配器（Target ChannelAdapter）。IBA 交換機(jī)原理上與其它標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)類似，但必須能滿足InfiniBand 的高性能和低成本的要求。InfiniBand 路由器是用來把大網(wǎng)絡(luò)分割為更小的子網(wǎng)，并用路由器連接在一起。HCA 是一個(gè)設(shè)備點(diǎn)，諸如服務(wù)器或存儲(chǔ)設(shè)備的IB 端節(jié)點(diǎn)通過該設(shè)備點(diǎn)連接到IB 網(wǎng)絡(luò)。TCA是信道適配器的一種特別形式，多用于存儲(chǔ)設(shè)備等嵌入式環(huán)境。

InfiniBand 體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：

InfiniBand有幾大優(yōu)勢，基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議、高速率、遠(yuǎn)程直接內(nèi)存存取（RDMA）、傳輸卸載（transport offload）、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)和服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

標(biāo)準(zhǔn)：成立于1999年的IBTA 擁有300 多個(gè)成員，它們共同設(shè)計(jì)了IBA 開放標(biāo)準(zhǔn)。IBA 支持SRP（SCSI RDMA Protocol）和iSER（iSCSI Extensions for RDMA）存儲(chǔ)協(xié)議。

速率：InfiniBand傳輸速率目前已達(dá)168Gbps（12xFDR），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于萬兆光纖通道的10Gbps 和10 萬兆以太網(wǎng)的100Gbps。

內(nèi)存：支持InfiniBand的服務(wù)器使用主機(jī)通道適配器（HCA），把協(xié)議轉(zhuǎn)換到服務(wù)器內(nèi)部的PCI-X或PCI-E 總線。HCA 具有RDMA 功能，RDMA 通過一個(gè)虛擬的尋址方案，數(shù)據(jù)直接在服務(wù)器內(nèi)存中傳輸，無需涉及操作系統(tǒng)的內(nèi)核，這對(duì)于集群來說很適合。

傳輸卸載：RDMA實(shí)現(xiàn)了傳輸卸載，使數(shù)據(jù)包路由從操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)到芯片級(jí)，大大節(jié)省了處理器的處理負(fù)擔(dān)。網(wǎng)絡(luò)分區(qū)：支持可編程的分區(qū)密鑰和路由。

服務(wù)質(zhì)量：多層次的QoS 保障，滿足服務(wù)請(qǐng)求者對(duì)QoS需求的多樣性。

04 InfiniBand 數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)包（Packet）是InfiniBand 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧槭剐畔⒃贗nfiniBand 網(wǎng)絡(luò)中有效傳播，信息由信道適配器分割成許多的數(shù)據(jù)包。一個(gè)完整的IBA 數(shù)據(jù)包由本地路由報(bào)頭（Local Route Header）、全局路由報(bào)頭（Global Route Header）、基本傳輸報(bào)頭（Base TransportHeader）、擴(kuò)展傳輸報(bào)頭（Extended Transport Header）、凈荷（Payload，PYLD）、固定循環(huán)冗余檢測（Invariant CRC，ICRC）和可變循環(huán)冗余檢測（Variant CRC，VCRC）等域（field）組成，如圖2 所示。

LRH：8 字節(jié)，用于交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)確定本地源端口和目的端口以及規(guī)范數(shù)據(jù)包傳輸?shù)姆?wù)等級(jí)和虛通路（Virtual Lane，VL）。

GRH：40 字節(jié)，用于對(duì)子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，確保數(shù)據(jù)包在子網(wǎng)之間的正確傳輸。它由LRH 中的Link Next Header（LNH）域指定，采用RFC 2460 定義的IPv6 報(bào)頭規(guī)范。

BTH：12 字節(jié)，指明目的隊(duì)列偶（Queue Pair，QP）、指示操作碼、數(shù)據(jù)包序列號(hào)和分段。

ETH：4-28 字節(jié)，提供可靠數(shù)據(jù)報(bào)（Datagram）服務(wù)。Payload （PYLD）：0-4096 字節(jié)，被發(fā)送的端到端應(yīng)用數(shù)據(jù)。

ICRC：4 字節(jié)，封裝數(shù)據(jù)包中從源地址發(fā)往目的地址時(shí)保持不變的數(shù)據(jù)。

VCRC：2 字節(jié)，封裝鏈接過程中可變的IBA 和原始（raw）數(shù)據(jù)包。VCRC 在結(jié)構(gòu)（fabric）中可被重構(gòu)。

InfiniBand數(shù)據(jù)包使用一個(gè)128 位的IPv6 擴(kuò)展地址，其數(shù)據(jù)包包括InfiniBand GRH 中的源（HCA）和目的（TCA）地址，這些地址使InfiniBand 交換機(jī)可以立即將數(shù)據(jù)包直接交換到正確的設(shè)備上。

基于銅纜和光纖，InfiniBand物理層支持單線（1X）、4 線（4X）、8 線（8X）和12 線（12X）數(shù)據(jù)包傳輸。

InfiniBand標(biāo)準(zhǔn)支持單倍速（SDR）、雙倍速（DDR）、四倍速（QDR）、十四倍速（FDR）和增強(qiáng)倍速（EDR）數(shù)據(jù)傳輸速率，使InfiniBand 能夠傳輸更大的數(shù)據(jù)量（ 見表1）。由于InfiniBand DDR/QDR 極大地改善了性能，所以它特別適合于傳輸大數(shù)據(jù)文件的應(yīng)用，如分布式數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用。

與InfiniBandSDR 一樣，DDR 和QDR 也采用了直通轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)（Cut-Through）。如果采用不同的傳輸速率，則InfiniBand 子網(wǎng)管理器須是拓?fù)渫该鳎═opology-aware）的，并只把SDR 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至SDR 連接（或把DDR 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至DDR 連接），或者交換網(wǎng)絡(luò)須能存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以提供速率匹配。

當(dāng)在SDR 和DDR 連接之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，附加的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)是數(shù)據(jù)包串行化延時(shí)的一半。為了在SDR 主機(jī)和DDR 主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，DDR主機(jī)根據(jù)連接建立時(shí)交換產(chǎn)生的QP 參數(shù)進(jìn)行限速傳輸。

05 InfiniBand 架構(gòu)層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)IBTA 的定義，InfiniBand 架構(gòu)由物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層組成，其層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

物理層：物理層為鏈路層提供服務(wù)，并提供這兩層的邏輯接口。物理層由端口信號(hào)連接器、物理連接（電信號(hào)和光信號(hào)）、硬件管理、電源管理、編碼線等模塊組成，其主要的作用：

（1）建立物理連接；

（2）通知鏈路層物理連接是否有效；

（3）監(jiān)聽物理連接狀態(tài)，在物理連接有效時(shí)，把控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳遞給鏈路層，傳輸從鏈路層來的控制和數(shù)據(jù)信息。

鏈路層：鏈路層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包中鏈接數(shù)據(jù)的收發(fā)，提供地址、緩沖、流控制、錯(cuò)誤檢測和數(shù)據(jù)交換等服務(wù)。服務(wù)質(zhì)量（QoS）主要由該層體現(xiàn)。狀態(tài)機(jī)（state machine）用來把鏈路層的邏輯操作定義為外部可訪問操作，并不指定內(nèi)部操作。

例如，雖然我們希望鏈路層的操作能夠并行處理數(shù)據(jù)流的多個(gè)字節(jié)，但數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)機(jī)還是將從鏈路層接收到的數(shù)據(jù)作為字節(jié)流來處理。

網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)對(duì)IBA 子網(wǎng)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由，包括單點(diǎn)傳送（unicast）和多點(diǎn)傳送（multicast）操作。網(wǎng)絡(luò)層不指定多協(xié)議路由（如非IBA 類型之上的IBA 路由），也不指定IBA 子網(wǎng)間原始數(shù)據(jù)包是如何路由。

傳輸層：每個(gè)IBA數(shù)據(jù)包含有一個(gè)傳輸報(bào)頭（header）。傳輸報(bào)頭包含了端節(jié)點(diǎn)所需的信息以完成指定的操作。通過操控QP，傳輸層的IBA 通道適配器通信客戶端組成了“發(fā)送”工作隊(duì)列和“接收”工作隊(duì)列。

對(duì)于主機(jī)來說，傳輸層的客戶端是一個(gè)Verbs 軟件層，客戶端傳遞緩沖器或命令至這些隊(duì)列，硬件則往來傳送緩沖器數(shù)據(jù)。當(dāng)建立QP時(shí)，它融合了四種IBA 傳輸服務(wù)類型（可靠的連接、可靠的自帶尋址信息、不可靠的自帶尋址信息、不可靠的連接）中的一種或非IBA協(xié)議封裝服務(wù)。傳輸服務(wù)描述了可靠性和QP 傳送數(shù)據(jù)的工作原理和傳輸內(nèi)容。

06 InfiniBand 的交換機(jī)制

InfiniBand所采用的交換結(jié)構(gòu)（Switched Fabric）是一種面向系統(tǒng)故障容忍性和可擴(kuò)展性的基于交換的點(diǎn)到點(diǎn)互聯(lián)結(jié)構(gòu)。

交換機(jī)主要作用是把數(shù)據(jù)包送達(dá)數(shù)據(jù)包本地路由報(bào)頭指定的目標(biāo)地址，同時(shí)交換機(jī)也耗用數(shù)據(jù)包以滿足自管理的需要。IBA 交換機(jī)是內(nèi)部子網(wǎng)路由的基本路由構(gòu)件（子網(wǎng)間路由功能由IBA 路由器提供）。交換機(jī)的相互連接由鏈路間的中繼數(shù)據(jù)包（relaying packets）來完成。

InfiniBand交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能有：子網(wǎng)管理代理（SMA）、性能管理代理（PMA）和基板管理代理（BMA）。SMA 提供一個(gè)讓子網(wǎng)管理者通過子網(wǎng)管理包獲得交換機(jī)內(nèi)部的記錄和表數(shù)據(jù)的接口，實(shí)現(xiàn)消息通知、服務(wù)等級(jí)（Service Level，SL）到虛路徑（Virtual Lane，VL）的映射、VL 仲裁、多播轉(zhuǎn)發(fā)、供應(yīng)商特性等功能。PMA 提供一個(gè)讓性能管理者監(jiān)控交換機(jī)的數(shù)據(jù)吞吐量和錯(cuò)誤累計(jì)量等性能信息的接口。BMA 在基板管理者和底架管理者之間提供一個(gè)通信通道。

InfiniBand交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要功能：

（1）選擇輸出端口：根據(jù)數(shù)據(jù)包的本地目的標(biāo)識(shí)符（Destination Local Identifier，DLID），交換機(jī)從轉(zhuǎn)發(fā)表中查出輸出端口的端口號(hào)。

（2）選擇輸出VL：支持SL 和VL。交換機(jī)根據(jù)SL-VL 映射表確定不同優(yōu)先級(jí)別的數(shù)據(jù)包所使用輸出端口的VL。

（3）數(shù)據(jù)流控制：采用基于信用的鏈路級(jí)流控機(jī)制。

（4）支持單播、多播和廣播：交換機(jī)能把多播包或廣播包轉(zhuǎn)換為多個(gè)單播包進(jìn)行交換。

（5）分區(qū)劃分：只有同一分區(qū)的主機(jī)才能相互通信。每個(gè)分區(qū)具有唯一的分區(qū)密鑰，交換機(jī)檢查數(shù)據(jù)包的DLID 是否在密鑰所對(duì)應(yīng)的分區(qū)內(nèi)。

（6）錯(cuò)誤校驗(yàn)：包括不一致錯(cuò)誤檢驗(yàn)、編碼錯(cuò)誤校驗(yàn)、成幀錯(cuò)誤校驗(yàn)、包長度校驗(yàn)、包頭版本校驗(yàn)、服務(wù)級(jí)別有效性校驗(yàn)、流控制遵從和最大傳輸單元校驗(yàn)。

（7）VL 仲裁：支持子網(wǎng)VL（包括管理VL15 和數(shù)據(jù)VL）。交換機(jī)采用VL 仲裁保證優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)包得到更好的服務(wù)。

目前生產(chǎn)InfiniBand交換機(jī)的廠商主要有Mallanox、QLogic、Cisco、IBM 等。

07 InfiniBand 與以太網(wǎng)

從InfiniBand的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在占據(jù)HPC 領(lǐng)域的主流地位，人們總會(huì)拿它與普遍采用的以太網(wǎng)技術(shù)做比較。作者整理兩者的比較如表2 所示。

從表2 可知，InfiniBand 在數(shù)據(jù)傳輸和低延遲兩方面大大超過了以太網(wǎng)。InfiniBand 的低延遲設(shè)計(jì)使得它極其適合高性能計(jì)算領(lǐng)域。此外，InfiniBand 在單位成本方面也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

從最新的全球HPCTOP500中可以發(fā)現(xiàn)，Infiniband 的占有率不斷提高，其在TOP100 中更是占主導(dǎo)地位，而以太網(wǎng)的占有率則逐年下降，目前兩者在HPC 領(lǐng)域的占有率基本持平。

08 結(jié)束語

隨著InfiniBand的不斷發(fā)展，它已成為取代千兆/ 萬兆以太網(wǎng)的最佳方案，必將成為高速互連網(wǎng)絡(luò)的首選，其與以太網(wǎng)絡(luò)、iSCSI 融合將更加緊密。IBTA 對(duì)InfiniBand的發(fā)展作出了預(yù)測，表明在未來三年里InfiniBand FDR、EDR 和HDR 將有快速增長的市場需求，2020 年之前InfiniBand 的帶寬將有望達(dá)到1000Gbps。InfiniBand 未來在GPU、固態(tài)硬盤和集群數(shù)據(jù)庫方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯 ：李倩