SRD（Scalable Reliable Datagram，可擴(kuò)展的可靠數(shù)據(jù)報(bào)文），是AWS年推出的協(xié)議，旨在解決亞馬遜的云性能挑戰(zhàn)。它是專(zhuān)為AWS數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的、基于Nitro芯片、為提高HPC性能實(shí)現(xiàn)的一種高吞吐、低延遲的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

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SRD 不保留數(shù)據(jù)包順序，而是通過(guò)盡可能多的網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)避免路徑過(guò)載。為了最大限度地減少抖動(dòng)并確保對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞波動(dòng)的最快響應(yīng)，在 AWS 自研的 Nitro chip 中實(shí)施 SRD。

SRD 由 EC2 主機(jī)上的 HPC/ML 框架通過(guò) AWS EFA（Elastic Fabric Adapter，彈性結(jié)構(gòu)適配器）內(nèi)核旁路接口使用。

SRD的特點(diǎn)：

1）不保留數(shù)據(jù)包順序，交給上層消息傳遞層處理

2）通過(guò)盡可能多的網(wǎng)絡(luò)路徑發(fā)包，利用ECMP標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)端控制數(shù)據(jù)包封裝來(lái)控制ECMP路徑選擇，實(shí)現(xiàn)多路徑的負(fù)載平衡

3）自有擁塞控制算法，基于每個(gè)連接動(dòng)態(tài)速率限制，結(jié)合RTT（Round Trip Time）飛行時(shí)間來(lái)檢測(cè)擁塞，可快速?gòu)膩G包或鏈路故障中恢復(fù)

4）由于無(wú)序發(fā)包以及不支持分段，SRD傳輸時(shí)所需要的QP（隊(duì)列對(duì)）顯著減少

為什么不是TCP？

TCP 是 IP 網(wǎng)絡(luò)中可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕侄危哉Q生以來(lái)一直很好地服務(wù)于 Internet，并且仍然是大多數(shù)通信的最佳協(xié)議。

但是，它不適合對(duì)延遲敏感的處理，TCP 在數(shù)據(jù)中心最好的往返延遲差不多是 25us，因擁塞（或鏈路故障）等待導(dǎo)致的異常值可以是 50 ms，甚至數(shù)秒，帶來(lái)這些延遲的主要原因是TCP丟包之后的重傳機(jī)制。

另外，TCP傳輸是一對(duì)一的連接，就算解決了時(shí)延的問(wèn)題，也難在故障時(shí)重新快速連線(xiàn)。 ?

TCP 是通用協(xié)議，沒(méi)有針對(duì)HPC場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化，早在2020 年，AWS 已經(jīng)提出需要移除TCP。

為什么不是RoCE？

InfiniBand 是一種用于高性能計(jì)算的流行的高吞吐量低延遲互連，它支持內(nèi)核旁路和傳輸卸載。RoCE（RDMA over Converged Ethernet），也稱(chēng)為 InfiniBand over Ethernet，允許在以太網(wǎng)上運(yùn)行 InfiniBand 傳輸，理論上可以提供 AWS 數(shù)據(jù)中心中 TCP 的替代方案。

EFA 主機(jī)接口與 InfiniBand/RoCE 接口非常相似。但是 InfiniBand 傳輸不適合 AWS 可擴(kuò)展性要求。原因之一是 RoCE 需要 PFC（優(yōu)先級(jí)流量控制），這在大型網(wǎng)絡(luò)上是不可行的，因?yàn)樗鼤?huì)造成隊(duì)頭阻塞、擁塞擴(kuò)散和偶爾的死鎖。

PFC 更適合比 AWS 規(guī)模小的數(shù)據(jù)中心。此外，即使使用 PFC，RoCE 在擁塞（類(lèi)似于 TCP）和次優(yōu)擁塞控制下仍會(huì)遭受 ECMP（等價(jià)多路徑路由）沖突。

為什么是SRD？

SRD是專(zhuān)為AWS設(shè)計(jì)的可靠的、高性能的、低延遲的網(wǎng)絡(luò)傳輸。這是數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊淮沃卮蟾倪M(jìn)。SRD受InfiniBand可靠數(shù)據(jù)報(bào)的啟發(fā)，結(jié)合大規(guī)模的云計(jì)算場(chǎng)景下的工作負(fù)載，SRD也經(jīng)過(guò)了很多的更改和改進(jìn)。SRD利用了云計(jì)算的資源和特點(diǎn)（例如AWS的復(fù)雜多路徑主干網(wǎng)絡(luò)）來(lái)支持新的傳輸策略，為其在緊耦合的工作負(fù)載中發(fā)揮價(jià)值。

任何真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)中都會(huì)出現(xiàn)丟包、擁塞阻塞等一系列問(wèn)題。這不是說(shuō)每天會(huì)發(fā)生一次的事情，而是一直在發(fā)生。

大多數(shù)協(xié)議（如 TCP）是按順序發(fā)送數(shù)據(jù)包，這意味著單個(gè)數(shù)據(jù)包丟失會(huì)擾亂隊(duì)列中所有數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)時(shí)到達(dá)（這種效應(yīng)稱(chēng)為“隊(duì)頭阻塞”）。而這實(shí)際上會(huì)對(duì)丟包恢復(fù)和吞吐量產(chǎn)生巨大影響。

SRD 的創(chuàng)新在于有意通過(guò)多個(gè)路徑分別發(fā)包，雖然包到達(dá)后通常是亂序的，但AWS實(shí)現(xiàn)了在接收處以極快的速度進(jìn)行重新排序，最終在充分利用網(wǎng)絡(luò)吞吐能力的基礎(chǔ)上，極大地降低了傳輸延遲。

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SRD 可以一次性將構(gòu)成數(shù)據(jù)塊的所有數(shù)據(jù)包推送到所有可能路徑，這意味著SRD不會(huì)受到隊(duì)頭阻塞的影響，可以更快地從丟包場(chǎng)景中恢復(fù)過(guò)來(lái)，保持高吞吐量。

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眾所周知，P99尾部延遲代表著只有1％的請(qǐng)求被允許變慢，但這也恰恰反映了網(wǎng)絡(luò)中所有丟包、重傳和擁塞帶來(lái)的最終性能體現(xiàn)，更能夠說(shuō)明“真實(shí)”的網(wǎng)絡(luò)情況。SRD能夠讓P99 尾延遲直線(xiàn)下降（大約 10 倍）。

SRD的主要功能包括：

1）亂序交付：取消按順序傳遞消息的約束，消除了隊(duì)頭阻塞，AWS在EFA用戶(hù)空間軟件堆棧中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包重排序處理引擎

2）等價(jià)多路徑路由（ECMP）:兩個(gè)EFA實(shí)例之間可能有數(shù)百條路徑，通過(guò)使用大型多路徑網(wǎng)絡(luò)的一致性流哈希的屬性和SRD對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況的快速反應(yīng)能力，可以找到消息的最有效路徑。數(shù)據(jù)包噴涂（Packet Spraying）可防止出現(xiàn)擁塞熱點(diǎn)，并可以從網(wǎng)絡(luò)故障中快速無(wú)感地恢復(fù)

3）快速的丟包響應(yīng)：SRD對(duì)丟包的響應(yīng)比任何高層級(jí)的協(xié)議都快得多。偶爾的丟包，特別是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的HPC應(yīng)用程序，是正常網(wǎng)絡(luò)操作的一部分，不是異常情況

4）可擴(kuò)展的傳輸卸載：使用SRD，與其他可靠協(xié)議（如InfiniBand可靠連接IBRC）不同，一個(gè)進(jìn)程可以創(chuàng)建并使用一個(gè)隊(duì)列對(duì)與任何數(shù)量的對(duì)等方進(jìn)行通信

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SRD 實(shí)際工作的關(guān)鍵不在于協(xié)議，而在于它在硬件中的實(shí)現(xiàn)方式。換種說(shuō)法，就目前而言，SRD 僅在使用 AWS Nitro DPU 時(shí)才有效。

SRD亂序交付的數(shù)據(jù)包需要重新排序才能被操作系統(tǒng)讀取，而處理混亂的數(shù)據(jù)包流顯然不能指望“日理萬(wàn)機(jī)”的 CPU。即便真通過(guò)CPU 來(lái)完全負(fù)責(zé) SRD 協(xié)議并重新組裝數(shù)據(jù)包流，無(wú)疑是高射炮打蚊子——大材小用，那會(huì)使系統(tǒng)一直忙于處理不應(yīng)該花費(fèi)太多時(shí)間的事情，而根本無(wú)法真正做到性能的提升。

在SRD這一不尋常的“協(xié)議保證”下，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的并行導(dǎo)致數(shù)據(jù)包無(wú)序到達(dá)時(shí)，AWS將消息順序恢復(fù)留給上層，因?yàn)樗鼘?duì)所需的排序語(yǔ)義有更好的理解，并選擇在AWS Nitro卡中實(shí)施SRD可靠性層。其目標(biāo)是讓SRD盡可能靠近物理網(wǎng)絡(luò)層，并避免主機(jī)操作系統(tǒng)和管理程序注入的性能噪音。這允許快速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)行為：快速重傳并迅速減速以響應(yīng)隊(duì)列建立。

AWS說(shuō)他們希望數(shù)據(jù)包在“棧上”重新組裝，他們實(shí)際上是在說(shuō)希望 DPU 在將數(shù)據(jù)包返回給系統(tǒng)之前，完成將各個(gè)部分重新組合在一起的工作。系統(tǒng)本身并不知道數(shù)據(jù)包是亂序的。系統(tǒng)甚至不知道數(shù)據(jù)包是如何到達(dá)的。它只知道它在其他地方發(fā)送了數(shù)據(jù)并且沒(méi)有錯(cuò)誤地到達(dá)。

這里的關(guān)鍵就是 DPU。AWS SRD 僅適用于 AWS 中配置了 Nitro 的系統(tǒng)?，F(xiàn)在不少使用AWS的服務(wù)器都安裝和配置了這種額外的硬件，其價(jià)值在于啟用此功能將能夠提高性能。用戶(hù)需要在自己的服務(wù)器上專(zhuān)門(mén)啟用它，如果需要與未啟用 SRD 或未配置 Nitro DPU 的設(shè)備通信，就不會(huì)得到相應(yīng)的性能提升。

至于很多人關(guān)心的SRD未來(lái)是否會(huì)開(kāi)源，只能說(shuō)讓我們拭目以待吧！





審核編輯：劉清