一文读懂｜RDMA原理

发表于 2023-11-14 11:48

什么是DMA
DMA全称为Direct Memory Access，即直接内存访问。意思是外设对内存的读写过程可以不用CPU参与而直接进行。我们先来看一下没有DMA的时候：

无DMA控制器时I/O设备和内存间的数据路径

假设I/O设备为一个普通网卡，为了从内存拿到需要发送的数据，然后组装数据包发送到物理链路上，网卡需要通过总线告知CPU自己的数据请求。然后CPU将会把内存缓冲区中的数据复制到自己内部的寄存器中，再复制到I/O设备的存储空间中。如果数据量比较大，那么很长一段时间内CPU都会忙于搬移数据，而无法投入到其他工作中去。

CPU的最主要工作是计算，而不是进行数据复制，这种工作属于白白浪费了它的计算能力。为了给CPU“减负”，让它投入到更有意义的工作中去，后来人们设计了DMA机制：

有DMA控制器时I/O设备和内存间的数据路径

可以看到总线上又挂了一个DMA控制器，它是专门用来读写内存的设备。有了它以后，当我们的网卡想要从内存中拷贝数据时，除了一些必要的控制命令外，整个数据复制过程都是由DMA控制器完成的。过程跟CPU复制是一样的，只不过这次是把内存中的数据通过总线复制到DMA控制器内部的寄存器中，再复制到I/O设备的存储空间中。CPU除了关注一下这个过程的开始和结束以外，其他时间可以去做其他事情。

DMA控制器一般是和I/O设备在一起的，也就是说一块网卡中既有负责数据收发的模块，也有DMA模块。

什么是RDMA
RDMA（ Remote Direct Memory Access ）意为远程直接地址访问，通过RDMA，本端节点可以“直接”访问远端节点的内存。所谓直接，指的是可以像访问本地内存一样，绕过传统以太网复杂的TCP/IP网络协议栈读写远端内存，而这个过程对端是不感知的，而且这个读写过程的大部分工作是由硬件而不是软件完成的。

为了能够直观的理解这一过程，请看下面两个图（图中箭头仅做示意，不表示实际逻辑或物理关系）：

传统网络中，“节点A给节点B发消息”实际上做的是“把节点A内存中的一段数据，通过网络链路搬移到节点B的内存中”，而这一过程无论是发端还是收段，都需要CPU的指挥和控制，包括网卡的控制，中断的处理，报文的封装和解析等等。

上图中左边的节点在内存用户空间中的数据，需要经过CPU拷贝到内核空间的缓冲区中，然后才可以被网卡访问，这期间数据会经过软件实现的TCP/IP协议栈，加上各层头部和校验码，比如TCP头，IP头等。网卡通过DMA拷贝内核中的数据到网卡内部的缓冲区中，进行处理后通过物理链路发送给对端。

对端收到数据后，会进行相反的过程：从网卡内部存储空间，将数据通过DMA拷贝到内存内核空间的缓冲区中，然后CPU会通过TCP/IP协议栈对其进行解析，将数据取出来拷贝到用户空间中。

可以看到，即使有了DMA技术，上述过程还是对CPU有较强的依赖。

而使用了RDMA技术之后，这一过程可以简单的表示成下面的示意图：

同样是把本端内存中的一段数据，复制到对端内存中，在使用了RDMA技术时，两端的CPU几乎不用参与数据传输过程（只参与控制面）。本端的网卡直接从内存的用户空间DMA拷贝数据到内部存储空间，然后硬件进行各层报文的组装后，通过物理链路发送到对端网卡。对端的RDMA网卡收到数据后，剥离各层报文头和校验码，通过DMA将数据直接拷贝到用户空间内存中。

RDMA的优势
RDMA主要应用在高性能计算（HPC）领域和大型数据中心当中，并且设备相对普通以太网卡要昂贵不少（比如Mellanox公司的Connext-X 5 100Gb PCIe网卡市价在4000元以上）。由于使用场景和价格的原因，RDMA与普通开发者和消费者的距离较远，目前主要是一些大型互联网企业在部署和使用。

RDMA技术为什么可以应用在上述场景中呢？这就涉及到它的以下几个特点：

0拷贝：指的是不需要在用户空间和内核空间中来回复制数据。

由于Linux等操作系统将内存划分为用户空间和内核空间，在传统的Socket通信流程中CPU需要多次把数据在内存中来回拷贝。而通过RDMA技术，我们可以直接访问远端已经注册的内存区域。356

内核Bypass：指的是IO（数据）流程可以绕过内核，即在用户层就可以把数据准备好并通知硬件准备发送和接收。避免了系统调用和上下文切换的开销。

上图（原图[1]）可以很好的解释“0拷贝”和“内核Bypass”的含义。上下两部分分别是基于Socket的和基于RDMA的一次收-发流程，左右分别为两个节点。可以明显的看到Socket流程中在软件中多了一次拷贝动作。而RDMA绕过了内核同时也减少了内存拷贝，数据可以直接在用户层和硬件间传递。

CPU卸载：指的是可以在远端节点CPU不参与通信的情况下（当然要持有访问远端某段内存的“钥匙”才行）对内存进行读写，这实际上是把报文封装和解析放到硬件中做了。而传统的以太网通信，双方CPU都必须参与各层报文的解析，如果数据量大且交互频繁，对CPU来讲将是一笔不小的开销，而这些被占用的CPU计算资源本可以做一些更有价值的工作。

通信领域两大出场率最高的性能指标就是“带宽”和“时延”。简单的说，所谓带宽指的是指单位时间内能够传输的数据量，而时延指的是数据从本端发出到被对端接收所耗费的时间。因为上述几个特点，相比于传统以太网，RDMA技术同时做到了更高带宽和更低时延，所以其在带宽敏感的场景——比如海量数据的交互，时延敏感——比如多个计算节点间的数据同步的场景下得以发挥其作用。

协议
RDMA本身指的是一种技术，具体协议层面，包含Infiniband（IB），RDMA over Converged Ethernet（RoCE）和internet Wide Area RDMA Protocol（iWARP）。三种协议都符合RDMA标准，使用相同的上层接口，在不同层次上有一些差别。

上图[2]对于几种常见的RDMA技术的协议层次做了非常清晰的对比，

Infiniband
2000年由IBTA（InfiniBand Trade Association）提出的IB协议是当之无愧的核心，其规定了一整套完整的链路层到传输层（非传统OSI七层模型的传输层，而是位于其之上）规范，但是其无法兼容现有以太网，除了需要支持IB的网卡之外，企业如果想部署的话还要重新购买配套的交换设备。

RoCE
RoCE从英文全称就可以看出它是基于以太网链路层的协议，v1版本网络层仍然使用了IB规范，而v2使用了UDP+IP作为网络层，使得数据包也可以被路由。RoCE可以被认为是IB的“低成本解决方案”，将IB的报文封装成以太网包进行收发。由于RoCE v2可以使用以太网的交换设备，所以现在在企业中应用也比较多，但是相同场景下相比IB性能要有一些损失。

iWARP
iWARP协议是IETF基于TCP提出的，因为TCP是面向连接的可靠协议，这使得iWARP在面对有损网络场景（可以理解为网络环境中可能经常出现丢包）时相比于RoCE v2和IB具有更好的可靠性，在大规模组网时也有明显的优势。但是大量的TCP连接会耗费很多的内存资源，另外TCP复杂的流控等机制会导致性能问题，所以从性能上看iWARP要比UDP的RoCE v2和IB差。

需要注意的是，虽然有软件实现的RoCE和iWARP协议，但是真正商用时上述几种协议都需要专门的硬件（网卡）支持。

iWARP本身不是由Infiniband直接发展而来的，但是它继承了一些Infiniband技术的设计思想。这三种协议的关系如下图所示：

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