为什么须要 RDMA

当今是云计算、大数据的时代，企业业务持续增长须要存储系统的 IO 性能也持续增长。传统的 TCP/IP 技术在数据包处理过程中，要通过操作系统及其他软件层，数据在零碎内存、处理器缓存和网络控制器缓存之间来回进行复制，给服务器的 CPU 和内存造成了沉重负担。尤其是网络带宽、处理器速度与内存带宽三者的重大 ” 不匹配性 ”，更加剧了网络提早效应。为了升高数据中心外部网络提早，进步带宽，RDMA 技术应运而生。RDMA 容许用户态的应用程序间接读取和写入近程内存，防止了数据拷贝和上下文切换；并将网络协议栈从软件实现 offload 到网卡硬件，实现了高吞吐量、超低时延和低 CPU 开销的成果。

以后 RDMA 在以太网上的传输协定是 RoCEv2，RoCEv2 是基于无连贯协定的 UDP 协定，相比面向连贯的 TCP 协定，UDP 协定更加疾速、占用 CPU 资源更少，但其传输是不牢靠的，一旦呈现丢包会导致 RDMA 的传输效率升高，这是由 RDMA 的 Go-back-N 重传机制决定的。RDMA 接管方网卡发现丢包时，会抛弃后续接管到的数据包，发送方须要重发之后的所有数据包，这导致性能大幅降落。所以要想 RDMA 施展出其性能，须要为其搭建一套不丢包的无损网络环境。

差异化流量分类

构建无损网络，首先须要对网络流量进行分类，而后针对不同类别流量采纳具体流控策略，实现准确管制，防止相互影响。流量分类有两种不同的分类办法：传输层（Layer 2）和网络层（Layer 3）。Layer2 通过 vlan header（802.1q）里的 PCP（802.1p）位进行分类，对应 CoS（Class of Service）；Layer3 通过 IP header 里的 DSCP 进行分类，对应 DSCP。

Layer 2 流量分类

Layer2 层流量分类根据的是 vlan tag 中的 3 位 PCP bit，总共有 8 个类别。3 个 bit 是 Header 中第 3 个 byte 的前三位，如下图。在应用 Layer 2 流量分类时，主机端收回的包须要带有 vlan tag。因而要对网卡配置 vlan，并且设置优先级。因为 L2 层 PFC 须要依附 vlan，因而包通过三层交换机时可能存在 tag 生效等问题。

Layer 3 流量分类

Layer3 应用 IP 包头中的 TOS 前 6 位（DSCP），反对 64 种不同的流量分类形式，TOS 的后两位用作 Explicit Congestion Notification（ECN）Field，ECN 是一种端到端的流控形式，前面会有介绍。

抉择 Layer2 还是 Layer3 层流控

在交换机反对 DSCP 的条件下，倡议应用 L3 层的流控形式。从后面的介绍能够看到，L3 层的管制形式可跨多层交换机，DSCP 值在端到端的传输过程中不会发生变化。RoCE 应用 UDP 报文进行数据传输，倡议 RoCE 的流控应用基于 DSCP 的形式。

构建无损网络

基于 DSCP 或 PCP 的 PFC 流控机制

IEEE 802.1Qbb（Priority-based Flow Control，基于优先级的流量管制）简称 PFC，是 IEEE 数据中心桥接（Data Center Bridge）协定族中的一个技术，是流量管制的增强版。

咱们先看一下 IEEE 802.3X（Flow Control）流控的机制：当接收者没有能力解决接管到的报文时，为了避免报文被抛弃，接收者须要告诉报文的发送者临时进行发送。IEEE 802.3X 协定存在一个毛病：一旦链路被暂停，发送方就不能再发送任何数据包，如果是因为某些优先级较低的数据流引发的暂停，后果却让该链路上其余更高优先级的数据流也一起被暂停了，这是得失相当的。

PFC 在根底流控 IEEE 802.3X 根底上进行扩大，容许在一条以太网链路上创立 8 个虚构通道，并为每条虚构通道指定相应优先级，容许独自暂停和重启其中任意一条虚构通道，同时容许其它虚构通道的流量无中断通过。PFC 将流控的粒度从物理端口细化到 8 个虚构通道，别离对应 Smart NIC 硬件上的 8 个硬件发送队列，如下图。

在二层网络中，PFC 应用 vlan 中的 PCP 位来对数据流进行辨别；在三层网络中，PFC 既能够应用 PCP，也能够应用 DSCP，使得不同数据流能够享受到独立的流控制。当下数据中心因多采纳三层网络，且 DSCP 值在端到端的传输过程中不会发生变化，故举荐应用 DSCP。

RDMA 无损网络中利用 PFC 流控机制，实现了交换机端口缓存溢出前暂停对端流量，阻止了丢包景象产生，但因为须要一级一级反压，效率较低，而且存在不偏心问题和 Head-of-Line 梗塞问题。此外，PFC 是通过上游网络设备对上游设施的管制形式达到不丢包的目标，但最无效的流控应该是管制产生数据的源端主机的发送速度，使得主机往网络中注入数据速度放缓，这是解决问题的基本办法。

基于三层网络的拥塞治理（ECN 与 DCQCN）

DCQCN 是基于交换机和网卡上的 ECN 技术来实现 Rocev2 的一种综合流控技术。使能 ECN（Explicit Congestion Notification 显式拥塞告诉），替换机会在检测到拥塞时对网络数据包打标记，在 IP 数据包头部嵌入一个拥塞指示器，能够告诉客户端升高数据包发送频率，是一种端到端的拥塞治理计划。该性能能够用于 RoCEv2 的拥塞管制。

ECN 应用 IP 头部的两个 bit 来示意，这两个 bit 别离叫做 ECT（ECN-capable Transport）位和 CE（Congestion Experienced）位。这两个 bit 是 IP 头部的 DSCP 域中的第 6/7 位，见图 2。ECN 值为 01 或 10 示意数据发送端使能 ECN；00 示意未应用 ECN；11 示意产生拥塞。

ECN 的交互过程

1. 发送端发送的 IP 报文标记反对 ECN（10）；
2. 交换机在队列拥塞状况下收到该报文，将 ECN 字段批改为 11 并收回，网络中其余交换机透传；
3. 接收端收到 ECN 为 11 的报文发现拥塞，失常解决该报文；
4. 接收端产生拥塞通告，每 ms 级发送一个 CNP（Congestion Notification Packets）报文，ECN 字段为 01，要求报文不能被网络抛弃。接收端对多个被 ECN 标记为同一个 QP 的数据包发送一个单个 CNP 即可；
5. 交换机收到 CNP 报文后失常转发该报文；
6. 发送端收到 ECN 标记为 01 的 CNP 报文解析后对相应的流（对应启用 ECN 的 QP）利用速率限度算法。

须要留神的是，CNP 作为拥塞管制报文，从发送端到接收端通过的每一台设施、每一条链路都会有肯定的提早，会最终加大发送端接管到 CNP 的工夫，若发送端不能及时降速，依然可能造成丢包。倡议同时配置 ECN 和 PFC，通过调整两者的 buffer 水线，让 ECN 快于 PFC 触发，使发送端升高发送速率。若 ECN 未及时触发，须要触发 PFC 使上游交换机暂停发包，以防止 buffer 溢出导致丢包。

总结

咱们在三层网络以 DSCP 形式对网络流量分类实现了对 RDMA 流量的准确管制，通过配置 PFC 和 ECN 构建无损网络解决了丢包问题，从而保障了 RDMA 网络高吞吐量、超低时延和低 CPU 开销的落地。

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作者

魏国武 QingStor 资深研发工程师

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