从帝国理工的PPT学习。
什么是RDMA
Remote Direct Memory Access,也就是Remote的DMA,是一种硬件机制,能直接访问远端结点的内存,而不需要处理器介入。
其中:
- Remote:跨node进行数据传输
- Direct:不需要CPU或者OS kernel介入
- Memory:从两个node各自app的虚拟地址空间直接传输数据
- Access:支持send、receive、read、write、atomic operation
RDMA的优点
也就说明了适用场景
- 较高的高吞吐量(带宽)
- 较低的E2E时延
- 较低的CPU适用:单侧的RDMA操作完全不需要remote CPU参与)
- 较低的内存总线争用:user space和kernel之间完全不拷贝数据)
- 异步操作:所以很适合overlapping的通信和计算
传统的TCP/IP vs RDMA
可以看到RDMA绕过kenel mode的同时也bypass了这些协议栈
协议栈对比
RDMA网络栈
准备阶段:设置RDMA的data channels
buffer在使用前需要在网卡那边注册一下,具体地,在注册阶段需要:
- Pin memory,保证这块memory不会被OS swap出去
- 将地址转换信息存到NIC里
- 对这段memory region设置权限
- 返回remote key和local key,这是给adapter在执行RDMA操作时用的
工作队列
RDMA通信是基于Send、Receive、Completion这三种队列的,其中Send和Receive的queue属于work queue,总是以Queue Pair的形式被创建。SQ和RQ用于schedule work,当work完成时,CQ用于通知。
在工作时,应用会issue一个work request,这个struct包含了指向一个buffer的指针:
- 对于SQ,指向要发送的消息
- 对于CQ,指向了incoming message要放入的位置
而一旦一个work request完成了,那么adapter就会往CQ里塞一个元素。
支持RDMA的网络协议
IB (InfiniBand)、RoCE (RDMA over Converged Ethernet)、iWARP (internet Wide Area RDMA Protocol)
RDMA只是一种机制
并没有指定data transfer的语义,RDMA网络支持两种访问模型:
Two Sided:RDMA send & receive
这是最传统的消息传递模式,消息源和目标方都积极地参与通信。
双方都需要创建:
- 一对QP (SQ+CQ),用于发送和接收
- 给这对QP用的CQ
发送方的work request会指向要传输的buffer,然后把这个WQE塞到SQ里发过去。
接收方的work request会指向一个empty buffer用于接收数据,通过这种方式WQE会被添加到对应的RQ里。
在send+receive完成之后,也就是直接写入了remote的registered memory,然后双方的CQ里都会被添加一个CQE表示完成了。
One Sided:RDMA read & write + atomic操作
只有发起方是活动的,接收方是纯被动的,不会issue任何操作,也不会有CPU cycle,甚至完全不会感知到有read/write发生了。
如果要发起RDMA read/write,那么work request必须包含:
- 远端目标内存的虚拟地址
- 远端的memory registration key
也就是说要使用RDMA read/write,发起方必须事先就知道这两个knowledge。
基于RDMA的上层协议
RDMA有很多好处,但也因为开发者需要使用它的Verbs API带来了额外的复杂性。