近期，由博通、思科、Arista、微軟、Meta等國(guó)際頂級(jí)半導(dǎo)體、設(shè)備和云廠商牽頭成立的超以太網(wǎng)聯(lián)盟（UEC）在OCP Global Summit上對(duì)外公布其最新進(jìn)展——UEC規(guī)范1.0的預(yù)覽版本。讓我們一睹為快吧！

UEC 旨在提出一種“升級(jí)版”的以太網(wǎng)通信協(xié)議棧用以應(yīng)對(duì)AI智算、HPC等領(lǐng)域?qū)DMA網(wǎng)絡(luò)的性能挑戰(zhàn)——當(dāng)前大規(guī)模計(jì)算節(jié)點(diǎn)互聯(lián)場(chǎng)景下主要有InfiniBand和基于以太網(wǎng)協(xié)議的RoCE兩大技術(shù)路線。有關(guān)IB和RoCE協(xié)議棧的詳盡對(duì)比可參閱：

[高性能網(wǎng)絡(luò)傳輸：RoCE與IB協(xié)議棧對(duì)比解析]
相比較為封閉的IB架構(gòu)，以太網(wǎng)在互操作性和帶寬成本上的優(yōu)勢(shì)已在市場(chǎng)層面得到了廣泛認(rèn)可，尤其是大規(guī)模的AI算力中心場(chǎng)景。當(dāng)前全球TOP500的超級(jí)計(jì)算機(jī)中RoCE和IB的占比相當(dāng)，以端口帶寬總量計(jì)算，IB占比為39.2%，RoCE已達(dá)48.5%。

盡管IB和RoCE在高性能傳輸?shù)膿砣刂?、QoS皆有應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)，但也暴露出一些缺陷。例如亂序需要重傳、不夠完美的負(fù)載分擔(dān)、Go-back-N問題，DCQCN 部署調(diào)優(yōu)復(fù)雜等等。

面向GPU Scale-out網(wǎng)絡(luò)的UEC 1.0 規(guī)范從軟件API、運(yùn)輸層到鏈路層以及網(wǎng)絡(luò)安全和擁塞控制皆有涉及，較傳統(tǒng)RDMA網(wǎng)絡(luò)有了大量改進(jìn)，我們將挑出重點(diǎn)介紹。

什么是超級(jí)以太網(wǎng)系統(tǒng)

一個(gè)超級(jí)以太網(wǎng)系統(tǒng)的組成如下。一個(gè)集群（Cluster）由節(jié)點(diǎn)（Node）和網(wǎng)絡(luò)（Fabric）組成，節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)卡（Fabric Interface）連接到網(wǎng)卡，一個(gè)網(wǎng)卡中可以有多個(gè)邏輯的網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)（Fabric End Point，F(xiàn)EP）。網(wǎng)絡(luò)由若干平面（Plane）組成，每個(gè)平面是多個(gè)FEP的集合，通常通過交換機(jī)互聯(lián)。

超以太網(wǎng)協(xié)議棧概覽

? 物理層與傳統(tǒng)以太網(wǎng)完全兼容，可選支持FEC（前向糾錯(cuò)）統(tǒng)計(jì)功能

? 鏈路層可選支持鏈路層重傳（LLR），并支持包頭壓縮，為此擴(kuò)展了LLDP的協(xié)商能力

? 網(wǎng)絡(luò)層依然是IP協(xié)議，沒有變化

? 傳輸層是全新的，作為UEC協(xié)議棧的核心數(shù)據(jù)包傳輸子層（Packet Delivery）和消息語義子層（Message Semantics）。包傳輸子層實(shí)現(xiàn)新一代擁塞控制、靈活的包順序等功能，消息語義子層支持xCCL和MPI等消息。可選支持安全傳輸。另外，在網(wǎng)集合通信（In Network Collective，INC）也在這一層實(shí)現(xiàn)

? ** 軟件API層** 。提供UEC擴(kuò)展的Libfabrics 2.0

物理層

UEC 1.0規(guī)范下的物理層與傳統(tǒng)以太網(wǎng)（符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）完全兼容，支持每通道100Gbps和200Gbps速率，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)800Gbps和更高的端口速率。

另外可選支持物理層性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)功能（PHY metrics）。這些指標(biāo)基于 FEC 碼字進(jìn)行計(jì)算，不受流量模式和鏈路利用率的影響。估計(jì)算法基于FEC錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)，從而得出不可糾正錯(cuò)誤率（UCR ）和數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤平均間隔（MTBPE）。這些指標(biāo)衡量了物理層的傳輸性能和可靠性，用于上層的遙測(cè)和擁塞控制等。為了支持新的 UEC 鏈路層功能，UEC規(guī)范中也對(duì)協(xié)調(diào)子層（RS）進(jìn)行了相應(yīng)的修改。

鏈路層

UEC鏈路層最大的變化是引入了LLR（Link Level Retry）協(xié)議。它可以讓以太網(wǎng)不依賴PFC，實(shí)現(xiàn)無損傳輸。

LLR 機(jī)制是基于幀的。每個(gè)幀都分配了一個(gè)序列號(hào)，接收端成功接收這一幀后，檢查幀的序列號(hào)是否符合預(yù)期，如果正確，發(fā)送確認(rèn)消息（ACK），如果發(fā)現(xiàn)幀亂序或者丟失，則發(fā)送否定確認(rèn)消息 （NACK）。發(fā)送端具有超時(shí)機(jī)制，用于保證在 NACK 丟失時(shí)重傳。

傳輸層：UET，新一代協(xié)議棧的核心

前文提過，傳統(tǒng)的RDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸層（包括IB和RoCE）在多路徑傳輸、負(fù)載分擔(dān)、擁塞控制以及參數(shù)調(diào)優(yōu)等方面存在著不足之處。隨著AI/HPC集群規(guī)模增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)的確定性和可預(yù)測(cè)性越來越困難，需要全新的方法來解決。

UEC傳輸層（UEC Transport Layer，簡(jiǎn)稱UET）運(yùn)行在IP和UDP協(xié)議之上, 支持實(shí)現(xiàn)以下幾大技術(shù)目標(biāo)：

? 支持高達(dá) 100 萬個(gè) GPU/TPU 的算力集群

? 往返時(shí)間低于 10μs

? 單接口帶寬800Gbps及以上

? 網(wǎng)絡(luò)利用率超過85%

選擇性重傳

（Selective Retransmit）

傳統(tǒng)傳輸協(xié)議，如TCP需要嚴(yán)格的傳輸順序，并采用了Go-Back-N機(jī)制。而一個(gè)RDMA消息通常包含多個(gè)數(shù)據(jù)包，只要有一個(gè)數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，則從這個(gè)數(shù)據(jù)包起的所有數(shù)據(jù)包都要重傳。這讓偶爾的傳輸錯(cuò)誤被放大，加劇了網(wǎng)絡(luò)擁塞。UEC采用選擇性重傳機(jī)制，僅傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包。

亂序交付

（Out-of-Order Delivery）

UET不僅支持有序傳輸，也支持無序傳輸。這是因?yàn)楝F(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中通常有多路徑存在，同一個(gè)流的數(shù)據(jù)包經(jīng)過不同路徑傳輸，就可能造成亂序。如果還要求嚴(yán)格的順序傳輸，就無法利用多路徑來實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)。此外，選擇性重傳也需要無序傳輸?shù)闹С?。為了?shí)現(xiàn)無序傳輸，需要接收方有更大的數(shù)據(jù)包緩沖區(qū)，從而將亂序的數(shù)據(jù)包組成一個(gè)完整的RDMA消息。

UET支持四種傳輸方式：

? ROD (Reliable Ordered Delivery)

– 需要擁塞控制、有序、可靠、無重傳（依舊采用Go-Back-N）

? RUD (Reliable Unordered Delivery)

– 需要擁塞控制、無序、可靠、無重傳

? RUDI (RUD for Idempotent Operations)

– 可選擁塞控制、無序、可靠、重傳

? UUD (Unreliable Unordered Delivery)

– 可選擁塞控制、無序、不可靠、重傳

包噴灑

（Packet Spraying）

包噴灑是一種基于包的多路徑傳輸。由于傳統(tǒng)傳輸協(xié)議不支持無序傳輸，同一個(gè)數(shù)據(jù)流必須按照同一個(gè)路徑傳輸，否則就會(huì)造成亂序，引發(fā)重傳。而在AI/HPC應(yīng)用中，存在大量的“大象流”，它們數(shù)據(jù)量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，如果能使用多路徑傳輸一個(gè)流，將顯著提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的利用率。

由于支持了RUD，UET就可以將同一個(gè)流的不同包分散到多個(gè)路徑上同時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)包噴灑功能。這讓交換機(jī)可以充分發(fā)揮ECMP甚至WCMP（Weighted Cost Multi- Pathing）路由能力，將去往同一目的地的數(shù)據(jù)包通過多條路徑發(fā)送，大幅度提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

擁塞控制

（Congestion Control）

UET 擁塞控制包含以下重要特性，由端側(cè)硬件和交換機(jī)配合完成，有效減小了尾部延遲。

? **Incast管理。**它用于解決集合通信（Collective）中下行鏈路上的扇入問題。AI和HPC應(yīng)用經(jīng)常采用集合通信在多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間同步信息，當(dāng)多個(gè)發(fā)送者同時(shí)向一個(gè)接收者發(fā)送流量，就會(huì)產(chǎn)生Incast擁塞。

? **速率調(diào)整加速。**現(xiàn)有的擁塞控制算法，在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞后調(diào)整速率的過程較長(zhǎng)，而 UET 可以快速上升到線速。方法是測(cè)量端到端延遲來調(diào)節(jié)發(fā)送速率，以及根據(jù)接收方的能力通知發(fā)送方調(diào)整速率。

? **基于遙測(cè)。**源自網(wǎng)絡(luò)的擁塞信息可以通告擁塞的位置和原因，縮短擁塞信令路徑并向終端節(jié)點(diǎn)提供更多信息，從而實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度更快的擁塞控制。

? 基于包噴灑的自適應(yīng)路由 。當(dāng)擁塞發(fā)生時(shí)，通過包噴灑技術(shù)將流量重新路由到其它路徑上，繞過擁塞點(diǎn)。

端到端的安全

UEC在傳輸層內(nèi)置安全。它是基于作業(yè)（Job）的，可以對(duì)整個(gè)作業(yè)的流量進(jìn)行端到端的AES加密，充分利用 IPSec 和PSP（Packet Security Protocol）的能力，減小安全加密的開銷，提供可擴(kuò)展安全域，并且可以由硬件卸載。

在網(wǎng)計(jì)算

（In Network Collectives）

在網(wǎng)計(jì)算最早應(yīng)用在HPC集群，業(yè)界主要有兩個(gè)思路，一是基于網(wǎng)卡的，二是基于交換機(jī)。

UEC V1.0 的目標(biāo)是后者，即將集合操作卸載到各級(jí)交換機(jī)上完成，避免過多的收發(fā)次數(shù)，降低節(jié)點(diǎn)交互頻率和處理時(shí)延開銷，減少約一半數(shù)據(jù)傳輸量，從而加速All-Reduce操作。

在部署實(shí)現(xiàn)上，目前AI智算領(lǐng)域唯一大規(guī)模商用的案例僅有英偉達(dá)的SHARP（在ASIC層面實(shí)現(xiàn)的硬件加速），以太網(wǎng)設(shè)備廠家仍處在探索階段，例如將算力內(nèi)置于交換機(jī)或外接，甚至P4可編程都是可能的思路方向。

軟件層：Extended Libfabrics 2.0

在軟件層，UEC提供簡(jiǎn)化的API。它簡(jiǎn)化了RDMA操作，并為AI和HPC應(yīng)用提供專用的API，如xCCL, MPI, PGAS和OpenShmem等。

硬件升級(jí)：支持UEC的交換機(jī)和網(wǎng)卡

UEC在規(guī)范中定義了支持超級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)的架構(gòu)，可以看到大體是繼承了SONiC的架構(gòu)。這部分的主要關(guān)注在于控制平面上支持INC和SDN控制器；數(shù)據(jù)平面升級(jí)了SAI（Switch Abstraction Interface）API調(diào)用硬件提供的INC等能力。

UEC同樣定義了網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)（Fabric End Point）的軟硬件架構(gòu)。在硬件層，網(wǎng)卡升級(jí)支持UEC功能。在操作系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。在用戶態(tài)，基于libfabric擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)INC管理等功能，支持上層的xCCL/MPI/SHMEM等應(yīng)用。

總的來說，UEC v1.0規(guī)范重構(gòu)了數(shù)據(jù)中心以太網(wǎng)以完全替代傳統(tǒng)的RDMA網(wǎng)絡(luò)，用更高的性能、更低的成本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、具有百萬節(jié)點(diǎn)的AI/HPC集群。

星融元RoCE交換機(jī)與UEC

作為UEC成員單位，星融元提供的超低時(shí)延RoCE交換機(jī)（CX-N系列）全系采用高性能的標(biāo)準(zhǔn)白盒網(wǎng)絡(luò)硬件，搭載為生產(chǎn)環(huán)境深度調(diào)優(yōu)的企業(yè)級(jí)SONiC發(fā)行版——多項(xiàng) Easy RoCE 特性，全面兼容現(xiàn)有規(guī)范并提供靈活、廣大的升級(jí)空間，未來將平滑演進(jìn)與新一代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)保持同步。

[搶先圍觀！星融元51.2T 800G RoCE交換機(jī)測(cè)試]

審核編輯 黃宇