浅析RDMA网络下MMU水线设置

【MMU水线】本文以RDMA网络作为切入点，团结现实安排履历，剖析MMU水线设置的一些思绪。

宣布时间：2018-06-29
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我想谈论

RDMA（远程直接数据存�。�，以其对营业带来的高性能、低延时优势，在数据中心尤其是AI、HPC、大数据等场景获得了普遍应用。为包管RDMA的稳固运行，基础网络需要提供端到端无损零丢包及超低延时的能力，这也催生了PFC、ECN等网络流控手艺在RDMA网络中的安排。在RDMA网络中，怎样合理设置MMU（缓存管理单位）水线是确保RDMA网络无损和低延时的要害。本文将以RDMA网络作为切入点，团结现实安排履历，剖析MMU水线设置的一些思绪。

什么是RDMA？

RDMA（Remote Direct Memory Access），通俗的说就是远程的DMA手艺，是为相识决网络传输中服务器端数据处置惩罚的延迟而爆发的。

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▲ 古板模式与RDMA模式事情机制比照

如上图，在古板模式下，两台服务器上的应用之间传输数据，历程是这样的：

首先要把数据从应用缓存拷贝到Kernel中的TCP协议栈缓存；
然后再拷贝到驱动层；
最后拷贝到网卡缓存。

多次内存拷贝需要CPU多次介入，导致处置惩罚延时大，抵达数十微秒。同时整个历程中CPU过多加入，大宗消耗CPU性能，影响正常的数据盘算。

在RDMA 模式下，应用数据可以绕过Kernel协议栈直接向网卡写数据，带来的显著利益有：

处置惩罚延时由数十微秒降低到1微秒内；
整个历程险些不需要CPU加入，节约性能；
传输带宽更高。

RDMA关于网络的诉求

RDMA在高性能盘算、大数据剖析、IO高并发等场景中应用越来越普遍。诸如iSICI, SAN, Ceph, MPI, Hadoop, Spark, Tensorflow等应用软件都最先安排RDMA手艺。而关于支持端到端传输的基础网络而言，低延时（微秒级）、无损（lossless）则是最主要的指标。

低延时

网络转发延时主要爆发在装备节点（这里忽略了光电传输延时和数据串行延时），装备转发延时包括以下三部分：

存储转发延时：芯片转发流水线处置惩罚延迟，每个hop会爆发1微秒左右的芯片处置惩罚延时（业界也有实验使用cut-through模式，单跳延迟可以降低到0.3微秒左右）；
Buffer缓存延时：当网络拥塞时，报文会被缓存起来期待转发。这时Buffer越大，缓存报文的时间就越长，爆发的时延也会更高。关于RDMA网络，Buffer并不是越大越好，需要合理选择；
重传延时：在RDMA网络里会有其他手艺确保不丢包，这部分不做剖析。

无损

RDMA在无损状态下可以满速率传输，而一旦爆发丢包重传，性能会急剧下降。在古板网络模式下，要想实现不丢包最主要的手段就是依赖大缓存，但如前文所说，这又与低延时矛盾了。因此，在RDMA网络情形中，需要实现的是较小Buffer下的不丢包。

在这个限制条件下，RDMA实现无损主要是依赖基于PFC和ECN的网络流控手艺。

• RDMA无损网络的要害手艺：PFC

PFC（Priority-based Flow Control），基于优先级的流量控制。是一种基于行列的反压机制，通过发送Pause帧通知上游装备暂停发包来避免缓存溢出丢包。

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▲ PFC事情机制示意图

PFC允许单独暂停和重启其中恣意一条虚拟通道，同时不影响其它虚拟通道的流量。如上图所示，当行列7的Buffer消耗抵达设置的PFC流控水线，会触发PFC的反压：

本端交流机触发发出PFC Pause帧，并反向发送给上游装备；
收到Pause帧的上游装备会暂停该行列报文的发送，同时将报文缓保存Buffer中；
若是上游装备的Buffer也抵达阈值，会继续触发Pause帧向上游反压；
最终通过降低该优先级行列的发送速率来阻止数据丢包；
当Buffer占用降低到恢复水线时，会发送PFC扫除报文。

• RDMA无损网络的要害手艺：ECN

ECN（Explicit Congestion Notification）：显示拥塞通知。ECN是一个很是古老的手艺，只是之前使用的并不普遍，该协议机制作用于主机与主机之间。

ECN是报文在网络装备出口（Egress port）爆发拥塞并触发ECN水线时，使用IP报文头的ECN字段标记数据包，批注该报文遇到网络拥塞。一旦吸收服务器发明报文的ECN被标记，连忙爆发CNP（拥塞通知报文），并将它发送给源端服务器，CNP新闻里包括了导致拥塞的Flow信息。源端服务器收到后，通过降低响应流发送速率，缓解网络装备拥塞，从而阻止爆发丢包。

通过之前的形貌可以相识到，PFC和ECN之以是可以实现网络端到端的零丢包，是通过设置差别的水线来实现的。对这些水线的合理设置，就是针对交流机MMU的细腻化管理，通俗讲就是对交流机Buffer的管理。接下来我们详细剖析下PFC的水线设置。

PFC水线设置

交流芯片都有牢靠的Pipeline（转发流水线）， Buffer管理处于入芯片流程和出芯片流程的中心位置。报文处于在这个位置上时，已经知道了该报文的入口和出口信息，因此逻辑上就可以分成入偏向和出偏向划分对缓存举行管理。

PFC水线是基于入偏向缓存管理举行触发的。芯片在入口偏向提供了8个行列，我们可以将差别优先级的营业报文映射到差别的行列上，从而实现对差别优先级的报文提供差别的Buffer分派计划。

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▲ 行列Buffer的组成部分

详细到每个行列，其Buffer分派凭证使用场景设计为3部分：包管缓存，共享缓存，Headroom。

包管缓存：每个行列的专用缓存，确保每个行列均有一定缓存以包管基本转发；
共享缓存：流量突发时可以申请使用的缓存，所有行列共享；
Headroom：在触发PFC水线后，到服务器响应降速前，还可以继续使用的缓存。

• 包管缓存设置

包管缓存是一个静态水线（牢靠的、独享的）。静态水线的使用率很是低，资源消耗却很是大。我们在现实安排时建议不分派包管缓存，以镌汰这部分的缓存消耗。这样，入偏向报文直接使用共享缓存空间，可提高Buffer的使用率。

• 共享缓存设置

关于共享缓存的设置，需要接纳更为无邪的动态水线。动态水线能凭证目今空闲的Buffer资源，以及目今行列已使用的Buffer资源数目来决议能否继续申请到资源。由于系统中空闲共享Buffer资源与已使用的Buffer资源都是时刻转变的，因此阈值也处于一直变换中。相关于静态水线，动态水线能更无邪、有用的使用Buffer及阻止造成不须要的铺张。

97国际网络交流机支持基于动态的方法举行Buffer资源的分派，对共享缓存的设置分为11档，动态水线alpha值=行列可申请缓存量/剩余共享缓存量。行列的α值越大，其在共享缓存中可使用的百分数占比也就越高。

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▲共享水线α值与可使用率对应关系

我们无妨剖析一下：

行列的α值设置越小，其最大可申请的共享缓存占比就越小。当端口拥塞时就会越早触发PFC流控，PFC流控生效后行列降速，可以很好地确保网络不丢包。

但从性能的角度看，过早触发PFC流控，会导致RDMA网络吞吐下降。因此我们在MMU水线设置时需要选取一个平衡值。

PFC水线究竟设置几多，是一个很是重大的问题，理论上不保存一个牢靠的值。现实安排时，需要我们详细剖析营业模子，并搭建测试情形举行水线调优，找到匹配营业的最合适的水线。

• Headroom设置

Headroom：顾名思义，就是头部空间的意思，是在PFC触发后，到PFC真正生效这一段时间，用来缓存行列报文的。Headroom设置多大合适？这里与4个因素有关：

PG检测到触发XOFF水线，到结构PFC帧发出的时间（这里主要跟设置的检测精度以及平均行列算法相关，牢靠设置是牢靠值）
上游收到PFC Pause帧，到阻止行列转发的时间（主要跟芯片处置惩罚性能有关系，交流芯片现实上是牢靠值）
PFC Pause帧在链路上的传输时间（跟AOC线缆/光纤距离成正比）
行列暂停发送后链路中报文的传输时间（跟AOC线缆/光纤距离成正比）

因此Headroom所需要的缓存巨细，我们可以凭证组网的架构，以及流量模子测算得出。以100米光纤线 + 100G光�？�，缓存64字节小包，盘算出所需的Headroom巨细是408个cell（cell是缓存管理的最小单位，一个报文会占用1个或者多个cell），现实测试数据也吻合。虽然，思量一定的冗余性，Headroom设置建议比理论值稍大。

RDMA网络实践

97国际网络在研发中心搭建了模拟真实营业的RDMA网络，架构如下：

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▲97国际网络RDMA组网架构

组网模子：大焦点三级组网架构，焦点接纳高密100G线卡；
POD内：Spine接纳提供64个100G接口的 BOX装备，Leaf接纳提供48个25G接口+8个100G接口的BOX装备；
Leaf作为服务器网关，支持和服务器间基于PFC流控（识别报文的DSCP并举行PG映射），同时支持拥塞ECN标记；
RDMA仅运行于POD内部，不保存跨POD的RDMA流量，因此焦点无需感知RDMA流量；
为了阻止拥塞丢包，需要在Leaf与Spine之间安排PFC流控手艺，同时Spine装备也需要支持基于拥塞的ECN标记；
Leaf和Spine装备支持PFC流控帧统计、ECN标记统计、拥塞丢包统计、基于行列的拥塞统计等，并支持将统计信息通过gRPC同步到远端gRPC服务器。

写在最后

97国际网络在研发中心搭建了模拟真实营业的浸泡组网情形（包括RG-S6510、RG-S6520、RG-N18000-X系列25G/100G网络装备、大型测试仪、25G服务器）。在叠加了多种营业模子，并举行了长时间浸泡测试后，我们关于RDMA网络的MMU水线设置已有一些推荐的履历值。别的，在RDMA网络中，还保存一些安排难点，好比多级网络中 PFC风暴、死锁问题、ECN水线设计重大问题等。关于这些问题，97国际网络也有一些研究和积累，期待与各人配合探讨。