數據中心現狀

隨著“新基建”將5G、人工智能、工業互聯網列為新型基礎領域，機器學習、智能語音交互、自動駕駛等一大批基于高性能計算的應用層出不窮，這些應用帶來了數據的爆炸式增長，給數據中心的處理能力帶來了很大的挑戰。

計算、存儲和網絡是推動數據中心發展的三駕馬車。計算隨著CPU、GPU和FPGA的發展，算力得到了極大的提升。存儲隨著閃存盤（SSD）的引入，數據存取時延已大幅降低。但是網絡的發展明顯滯后，傳輸時延高，逐漸成為了數據中心高性能的瓶頸。

在數據中心內，70%的流量為東西向流量（服務器之間的流量），這些流量一般為數據中心進行高性能分布式并行計算時的過程數據流，通過TCP/IP網絡傳輸。如果服務器之間的TCP/IP 傳輸速率提升了，數據中心的性能自然也會跟著提升。

下面我們就來看看服務器之間數據TCP/IP 傳輸的過程，了解下“時間都去哪了”，才好“對癥下藥”。

服務器間的TCP/IP傳輸

在數據中心，服務器A向服務器B發送數據的過程如下：

1、CPU控制數據由A的APP Buffer拷貝到操作系統Buffer。

2、CPU控制數據在操作系統（OS）Buffer中添加TCP、IP報文頭。

3、添加TCP、IP報文頭后的數據傳送到網卡（NIC），添加以太網報文頭。

4、報文由網卡發送，通過以太網絡傳輸到服務器B網卡。

5、服務器B網卡卸載報文的以太網報文頭后，將其傳輸到操作系統Buffer。

6、CPU控制操作系統Buffer中的報文卸載TCP、IP報文頭。

7、CPU控制卸載后的數據傳輸到APP Buffer中。

從數據傳輸的過程可以看出，數據在服務器的Buffer內多次拷貝，在操作系統中需要添加/卸載TCP、IP報文頭，這些操作既增加了數據傳輸時延，又消耗了大量的CPU資源，無法很好得滿足高性能計算的需求。

那么，如何構造高吞吐量、超低時延和低CPU開銷的高性能數據中心網絡呢？RDMA技術可以做到。

什么是RDMA

RDMA（ Remote Direct Memory Access，遠程直接地址訪問技術 ）是一種新的內存訪問技術，可以讓服務器直接高速讀寫其他服務器的內存數據，而不需要經過操作系統/CPU耗時的處理。

RDMA不算是一項新技術，已經廣泛應用于高性能（HPC）科學計算中。隨著數據中心高帶寬、低時延的發展需求，RDMA也開始逐漸應用于某些要求數據中心具備高性能的場景中。

舉個例子，2021年某大型網上商城的雙十一交易額再創新高，達到5000多億，比2020年又增長了近10%。如此巨大的交易額背后是海量的數據處理，該網上商城采用了RDMA技術來支撐高性能網絡，保障了雙十一的順暢購物。

下面我們一起來看看RDMA讓網絡實現低時延的絕招吧。

RDMA將服務器應用數據直接由內存傳輸到智能網卡（固化RDMA協議），由智能網卡硬件完成RDMA傳輸報文封裝，解放了操作系統和CPU。

這使得RDMA具有兩大優勢：

Zero Copy（零拷貝）：無需將數據拷貝到操作系統內核態并處理數據包頭部的過程，傳輸延遲會顯著減小。

Kernel Bypass（內核旁路）和Protocol Offload（協議卸載）：不需要操作系統內核參與，數據通路中沒有繁瑣的處理報頭邏輯，不僅會使延遲降低，而且也大大節省了CPU的資源。

三大RDMA網絡

目前，大致有三類RDMA網絡，分別是InfiniBand、RoCE（RDMA over Converged Ethernet，RDMA過融合以太網）和iWARP（RDMA over TCP，互聯網廣域RDMA協議）。RDMA最早專屬于Infiniband網絡架構，從硬件級別保證可靠傳輸，而RoCE 和 iWARP都是基于以太網的RDMA技術。

InfiniBand

InfiniBand是一種專為RDMA設計的網絡。

采用Cut-Through轉發模式（直通轉發模式），減少轉發時延。

基于Credit的流控機制（基于信用的流控機制），保證無丟包。

要求InfiniBand專用的網卡、交換機和路由器，建網成本最高。

RoCE

傳輸層為InfiniBand協議。

RoCE有兩個版本：RoCEv1基于以太網鏈路層實現，只能在L2層傳輸；RoCEv2基于UDP承載RDMA，可部署于三層網絡。

需要支持RDMA專用智能網卡，不需要專用交換機和路由器（支持ECN/PFC等技術，降低丟包率），建網成本最低。

iWARP

傳輸層為iWARP協議。

iWARP是以太網TCP/IP協議中TCP層實現，支持L2/L3層傳輸，大型組網TCP連接會消耗大量CPU，所以應用很少。

iWARP只要求網卡支持RDMA，不需要專用交換機和路由器，建網成本介于InfiniBand和RoCE之間。

Infiniband技術先進，但是價格高昂，應用局限在HPC高性能計算領域，隨著RoCE和iWARPC的出現，降低了RDMA的使用成本，推動了RDMA技術普及。

在高性能存儲、計算數據中心中采用這三類RDMA網絡，都可以大幅度降低數據傳輸時延，并為應用程序提供更高的CPU資源可用性。其中InfiniBand網絡為數據中心帶來極致的性能，傳輸時延低至百納秒，比以太網設備延時要低一個量級。

RoCE和iWARP網絡為數據中心帶來超高性價比，基于以太網承載RDMA，充分利用了RDMA的高性能和低CPU使用率等優勢，同時網絡建設成本也不高。

基于UDP協議的RoCE比基于TCP協議的iWARP性能更好，結合無損以太網的流控技術，解決了丟包敏感的問題，RoCE網絡已廣泛應用于各行業高性能數據中心中。

結語

隨著5G、人工智能、工業互聯網等新型領域的發展，RDMA技術的應用會越來越普及，RDMA將成為助力數據中心高性能的一大功臣。