RDMA远程直接内存访问

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RDMA(RemoteDirect Memory Access)技术全称远程直接内存访问,就是为了解决网络传输中服务器端数据处理的延迟而产生的。它将数据直接从一台计算机的内存传输到另一台计算机,无需双方操作系统的介入。这允许高吞吐、低延迟的网络通信,尤其适合在大规模并行计算机集群中使用。RDMA通过网络把资料直接传入计算机的存储区,将数据从一个系统快速移动到远程系统存储器中,而不对操作系统造成任何影响,这样就不需要用到多少计算机的处理能力。它消除了外部存储器复制和上下文切换的开销,因而能解放内存带宽和CPU周期用于改进应用系统性能。

RDMA操作细节

RDMA提供了基于消息队列的点对点通信,每个应用都可以直接获取自己的消息,无需操作系统和协议栈的介入。

消息服务建立在通信双方本端和远端应用之间创建的Channel-IO连接之上。当应用需要通信时,就会创建一条Channel连接,每条Channel的首尾端点是两对Queue Pairs(QP)。每对QP由Send Queue(SQ)和Receive Queue(RQ)构成,这些队列中管理着各种类型的消息。QP会被映射到应用的虚拟地址空间,使得应用直接通过它访问RNIC网卡。除了QP描述的两种基本队列之外,RDMA还提供一种队列Complete Queue(CQ),CQ用来知会用户WQ上的消息已经被处理完。

RDMA提供了一套软件传输接口,方便用户创建传输请求Work Request(WR),WR中描述了应用希望传输到Channel对端的消息内容,WR通知QP中的某个队列Work Queue(WQ)。在WQ中,用户的WR被转化为Work Queue Element(WQE)的格式,等待RNIC的异步调度解析,并从WQE指向的Buffer中拿到真正的消息发送到Channel对端。

RDAM单边操作 (RDMA READ)

READ和WRITE是单边操作,只需要本端明确信息的源和目的地址,远端应用不必感知此次通信,数据的读或写都通过RDMA在RNIC与应用Buffer之间完成,再由远端RNIC封装成消息返回到本端。

对于单边操作,以存储网络环境下的存储为例,数据的流程如下:

1.   首先A、B建立连接,QP已经创建并且初始化。

2.   数据被存档在B的buffer地址VB,注意VB应该提前注册到B的RNIC (并且它是一个Memory Region) ,并拿到返回的local key,相当于RDMA操作这块buffer的权限。

3.   B把数据地址VB,key封装到专用的报文传送到A,这相当于B把数据buffer的操作权交给了A。同时B在它的WQ中注册进一个WR,以用于接收数据传输的A返回的状态。

4.   A在收到B的送过来的数据VB和R_key后,RNIC会把它们连同自身存储地址VA到封装RDMA READ请求,将这个消息请求发送给B,这个过程A、B两端不需要任何软件参与,就可以将B的数据存储到A的VA虚拟地址。

5.   A在存储完成后,会向B返回整个数据传输的状态信息。

单边操作传输方式是RDMA与传统网络传输的最大不同,只需提供直接访问远程的虚拟地址,无须远程应用的参与其中,这种方式适用于批量数据传输。

RDMA 单边操作 (RDMA WRITE)

对于单边操作,以存储网络环境下的存储为例,数据的流程如下:

1.   首先A、B建立连接,QP已经创建并且初始化。

2.   数据remote目标存储buffer地址VB,注意VB应该提前注册到B的RNIC(并且它是一个Memory Region),并拿到返回的local key,相当于RDMA操作这块buffer的权限。

3.   B把数据地址VB,key封装到专用的报文传送到A,这相当于B把数据buffer的操作权交给了A。同时B在它的WQ中注册进一个WR,以用于接收数据传输的A返回的状态。

4.   A在收到B的送过来的数据VB和R_key后,RNIC会把它们连同自身发送地址VA到封装RDMA WRITE请求,这个过程A、B两端不需要任何软件参与,就可以将A的数据发送到B的VB虚拟地址。

5.   A在发送数据完成后,会向B返回整个数据传输的状态信息。

单边操作传输方式是RDMA与传统网络传输的最大不同,只需提供直接访问远程的虚拟地址,无须远程应用的参与其中,这种方式适用于批量数据传输。

RDMA 双边操作 (RDMA SEND/RECEIVE)

RDMA中SEND/RECEIVE是双边操作,即必须要远端的应用感知参与才能完成收发。在实际中,SEND/RECEIVE多用于连接控制类报文,而数据报文多是通过READ/WRITE来完成的。

对于双边操作为例,主机A向主机B(下面简称A、B)发送数据的流程如下:

1.   首先,A和B都要创建并初始化好各自的QP,CQ

2.   A和B分别向自己的WQ中注册WQE,对于A,WQ=SQ,WQE描述指向一个等到被发送的数据;对于B,WQ=RQ,WQE描述指向一块用于存储数据的Buffer。

3.   A的RNIC异步调度轮到A的WQE,解析到这是一个SEND消息,从Buffer中直接向B发出数据。数据流到达B的RNIC后,B的WQE被消耗,并把数据直接存储到WQE指向的存储位置。

4.  AB通信完成后,A的CQ中会产生一个完成消息CQE表示发送完成。与此同时,B的CQ中也会产生一个完成消息表示接收完成。每个WQ中WQE的处理完成都会产生一个CQE。

双边操作与传统网络的底层Buffer Pool类似,收发双方的参与过程并无差别,区别在零拷贝、Kernel Bypass,实际上对于RDMA,这是一种复杂的消息传输模式,多用于传输短的控制消息。



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