InfiniBand网络架构

2020-02-16 20:49 作者：艾锑无限 浏览量：

 
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传统IP网络协议如TCP/IP，具有转发丢失数据包的特性，网络不良时要不断地确认与重发，基于这些协议的通信也会因此变慢，极大地影响了性能。与之相比，IB使用基于信任的、流控制的机制来确保连接的完整性，数据包极少丢失。使用IB协议，除非确认接收缓存具备足够的空间，否则不会传送数据。接受方在数据传输完毕之后，返回信号来标示缓存空间的可用性。通过这种办法，IB协议消除了由于原数据包丢失而带来的重发延迟，从而提升了效率和整体性能。
 
什么是InfiniBand网络
InfiniBand是一种网络通信协议，它提供了一种基于交换的架构，由处理器节点之间、处理器节点和输入/输出节点(如磁盘或存储)之间的点对点双向串行链路构成。每个链路都有一个连接到链路两端的设备，这样在每个链路两端控制传输(发送和接收)的特性就被很好地定义和控制了。 InfiniBand通过交换机在节点之间直接创建一个私有的、受保护的通道，进行数据和消息的传输，无需CPU参与远程直接内存访问(RDMA)和发送/接收由InfiniBand适配器管理和执行的负载。适配器通过PCI Express接口一端连接到CPU，另一端通过InfiniBand网络端口连接到InfiniBand子网。与其他网络通信协议相比，这提供了明显的优势，包括更高的带宽、更低的延迟和增强的可伸缩性。
 
什么是InfiniBand架构
InfiniBand Architecture(IBA)是为硬件实现而设计的，而TCP则是为软件实现而设计的。因此，InfiniBand是比TCP更轻的传输服务，因为它不需要重新排序数据包，因为较低的链路层提供有序的数据包交付。传输层只需要检查包序列并按顺序发送包。
进一步，因为InfiniBand提供以信用为基础的流控制(发送方节点不给接收方发送超出广播 “信用“大小的数据包),传输层不需要像TCP窗口算法那样的包机制确定最优飞行包的数量。这使得高效的产品能够以非常低的延迟和可忽略的CPU利用率向应用程序交付56、100Gb/s的数据速率。IB是以通道(Channel)为基础的双向、串行式传输，在连接拓朴中是采用交换、切换式结构(Switched Fabric)，所以会有所谓的IBA交换器(Switch)，此外在线路不够长时可用IBA中继器(Repeater)进行延伸。而每一个IBA网络称为子网(Subnet)，每个子网内最高可有65,536个节点(Node)，IBASwitch、IBA Repeater仅适用于Subnet范畴，若要通跨多个IBA Subnet就需要用到IBA路由器(Router)或IBA网关器(Gateway)。
至于节点部分，Node想与IBA Subnet接轨必须透过配接器(Adapter)，若是CPU、内存部分要透过HCA (Host Channel Adapter)，若为硬盘、I/O部分则要透过TCA (Target Channel Adapter)，之后各部分的衔接称为联机(Link)。上述种种构成了一个完整的IBA。
 
InfiniBand速率发展介绍
InfiniBand串行链路可以在不同的信令速率下运行，然后可以捆绑在一起实现更高的吞吐量。原始信令速率与编码方案耦合，产生有效的传输速率。编码将通过铜线或光纤发送的数据的错误率降至最低，但也增加了一些开销(例如，每8位数据传输10位)。典型的实现是聚合四个链接单元(4X)。
目前，InfiniBand系统提供以下吞吐量速率:  
InfiniBand网络主要上层协议
InfiniBand为不同类型的用户提供了不同的上层协议，并为某些管理功能定义了消息和协议。InfiniBand主要支持SDP、SRP、iSER、RDS、IPoIB和uDAPL等上层协议。
SDP (Sockets Direct Protocol)是InfiniBand Trade Association (IBTA)制定的基于infiniband的一种协议，它允许用户已有的使用TCP/IP协议的程序运行在高速的infiniband之上。
SRP(SCSIRDMA Protocol)是InfiniBand中的一种通信协议，在InfiniBand中将SCSI命令进行打包，允许SCSI命令通过RDMA(远程直接内存访问)在不同的系统之间进行通信，实现存储设备共享和RDMA通信服务。
iSER(iSCSI RDMA Protocol)类似于SRP(SCSI RDMA protocol)协议，是IB SAN的一种协议 ，其主要作用是把iSCSI协议的命令和数据通过RDMA的方式跑到例如Infiniband这种网络上，作为iSCSI RDMA的存储协议iSER已被IETF所标准化。
RDS(Reliable Datagram Sockets)协议与UDP 类似，设计用于在Infiniband 上使用套接字来发送和接收数据。实际是由Oracle公司研发的运行在infiniband之上，直接基于IPC的协议。
IPoIB(IP-over-IB)是为了实现INFINIBAND网络与TCP/IP网络兼容而制定的协议，基于TCP/IP协议，对于用户应用程序是透明的，并且可以提供更大的带宽，也就是原先使用TCP/IP协议栈的应用不需要任何修改就能使用IPoIB。
uDAPL(User Direct Access Programming Library)用户直接访问编程库是标准的API，通过远程直接内存访问 RDMA功能的互连（如InfiniBand）来提高数据中心应用程序数据消息传送性能、伸缩性和可靠性。
iSER (iSCSI Extensions for RDMA)和NFSoRDMA (NFS over RDMA)，SRP (SCSI RDMA Protocol) 等是InfiniBand中的一种通信协议，在InfiniBand中将SCSI命令进行打包，允许SCSI命令通过RDMA在不同的系统之间进行通信，实现存储设备共享和RDMA通信服务。
 
InfiniBand管理软件
OpenSM软件是符合InfiniBand的子网管理器(SM)，运行在Mellanox OFED软件堆栈进行IB 网络管理，管理控制流走业务通道，属于带内管理方式。 OpenSM包括子网管理器、背板管理器和性能管理器三个组件，绑定在交换机内部的必备部件。提供非常完备的管理和监控能力，如设备自动发现、设备管理、Fabric可视化、智能分析、健康监测等等。