关于InfiniBand架构和知识点漫谈

OpenFabrics Enterprise Distribution (OFED)是一组开源软件驱动、核心内核代码、中间件和支持InfiniBand Fabric的用户级接口程序。

2005年由OpenFabrics  Alliance (OFA)发布第一个版本。Mellanox OFED用于Linux，Windows (WinOF)，包括各种诊断和性能工具，用于监视InfiniBand网络的运行情况，包括监视传输带宽和监视Fabric内部的拥塞情况。

OpenFabrics Alliance (OFA)是一个基于开源的组织，它开发、测试、支持OpenFabrics企业发行版。该联盟的任务是开发并推广软件，通过将高效消息、低延迟和最大带宽技术架构直接应用到最小CPU开销的应用程序中，从而实现最大应用效率。

该联盟成立于2004年6月，最初是OpenIB联盟，致力于开发独立于供应商、基于Linux的InfiniBand软件栈。2005，联盟致力于支持Windows，此举将使软件栈真正跨平台。

2006年，该组织再次扩展其章程，包括对iWARP的支持，在2010年增加了对RoCE (RDMA over Converged)支持通过以太网交付高性能RDMA和内核旁路解决方案。2014年，随着OpenFabrics Interfaces工作组的建立，联盟再次扩大，实现对其他高性能网络的支持。

Mellanox OFED是一个单一的软件堆栈，包括驱动、中间件、用户接口，以及一系列的标准协议IPoIB、SDP、SRP、iSER、RDS、DAPL(Direct Access Programming Library)，支持MPI、Lustre/NFS over RDMA等协议，并提供Verbs编程接口；Mellanox OFED由开源OpenFabrics组织维护。

如果前面的软件堆栈逻辑图过于复杂，可以参考上面的简明介绍图。MLNX_OFED_LINUX (Mellanox OFED for Linux) 作为ISO映像提供，每个Linux发行版，包括源代码和二进制RPM包、固件、实用程序、安装脚本和文档。

InfiniBand串行链路可以在不同的信令速率下运行，然后可以捆绑在一起实现更高的吞吐量。原始信令速率与编码方案耦合，产生有效的传输速率。编码将通过铜线或光纤发送的数据的错误率降至最低，但也增加了一些开销(例如，每8位数据传输10位)。

典型的实现是聚合四个链接单元(4X)。目前，InfiniBand系统提供以下吞吐量速率:

下面我们站在应用开发架构师或开发者的角度，分析、解读下 InfiniBand的架构和服务能力(简化的InfiniBand架构)。

InfiniBand的软件架构

InfiniBand软件栈的设计是为了简化应用部署。IP和TCP套接字应用程序可以利用InfiniBand性能，而无需对运行在以太网上的现有应用程序进行任何更改。这同样适用于SCSI、iSCSI和文件系统应用程序。位于低层InfiniBand适配器设备驱动程序和设备独立API(也称为verbs)之上的上层协议提供了行业标准接口，可以无缝部署现成的应用程序。

LinuxInfiniBand软件架构。该软件由一组内核模块和协议组成。还有一些关联的用户模式共享库，这些库在图中没有显示。在用户级操作的应用程序对底层互连技术保持透明。本文的重点是讨论应用程序开发人员需要知道什么，才能使他们的IP、SCSI、iSCSI、套接字或基于文件系统的应用程序在InfiniBand上运行。

对协议的操作、底层核心和HCA驱动程序的详细讨论超出了本文的范围。但是，为了完整起见，下面是内核级别的简要概述，下面将介绍InfiniBand特定模块和协议。

内核代码逻辑上分为三层: HCA驱动程序、核心InfiniBand模块和上层协议。用户级访问模块实现了必要的机制，允许从用户模式应用程序访问InfiniBand硬件。核心InfiniBand模块包括InfiniBand设备的内核级中间层，中间层允许访问多个HCA NICs并提供一组公共共享服务，包括:

中间层主要功能

• 通信经理(CM) --CM提供了允许客户建立连接所需的服务。

• SA客户端——SA(子网管理员)客户端提供了允许客户端与子网管理员通信的功能。SA包含建立连接所需的重要信息，如路径记录。

• SMA-子网管理器代理响应子网管理包，允许子网管理器在每个主机上查询和配置设备。

• PMA -性能管理代理响应允许检索硬件性能计数器的管理包。

• MAD服务——管理数据报(MAD)服务提供一组接口，允许客户端访问特殊的InfiniBand队列对(QP)， 0和1。

• GSI -通用服务接口(GSI)允许客户端在特殊QP1上发送和接收管理包。

• 队列对(QP)——重定向高层管理协议，通常将共享对特殊QP1的访问重定向到专用QP。这是为带宽密集型的高级管理协议所需要的。

• SMI -子网管理接口(SMI)允许客户端在特殊QP0上发送和接收数据包。这通常由子网管理器使用。

• Verbs-对中间层提供由HCA驱动程序提供的Verbs访问。InfiniBand体系结构规范定义了Vbers。Vbers是必须提供的函数的语义描述。中间层将这些语义描述转换为一组Linux内核应用程序编程接口(API)。

• 中间层还负责在异常程序终止或客户端关闭后，对没有释放的已分配资源的资源跟踪、引用计数和资源清理。

InfiniBand堆栈的最低层由HCA驱动程序组成。每个HCA设备都需要一个特定于HCA的驱动程序，该驱动程序注册在中间层，并提供InfiniBand Verbs。

如IPoIB，SRP，SDP，iSER等高级协议，采用标准数据网络，存储和文件系统应用在InfiniBand上操作。除了IPoIB提供了InfiniBand上TCP/IP数据流的简单封装外，其他更高级别的协议透明地支持更高的带宽、更低的延迟、更低的CPU利用率和端到端服务，使用经过现场验证的RDMA(远程DMA)和InfiniBand硬件的传输技术。下面将讨论这些高级协议，以及如何快速启用现有的应用程序对InfiniBand进行操作。

IB对基于IP的应用支持

在InfiniBand上评估任何基于IP的应用程序的最简单方法是使用上层协议IP over IB (IPoIB)。在高带宽的InfiniBand适配器上运行的IPoIB可以为任何基于ip的应用程序提供即时的性能提升。IPoIB支持在InfiniBand硬件上的(IP)隧道数据包。

如下图，在Linux中，协议是作为标准的Linux网络驱动程序实现的，这允许任何使用标准Linux网络服务的应用程序或内核驱动程序在不修改的情况下使用InfiniBand传输。Linux内核2.6.11及以上版本支持IPoIB协议，并对InfiniBand核心层和基于Mellanox技术公司HCA的HCA驱动程序的支持。

这种在InfiniBand上启用IP应用程序的方法对于带宽和延迟不重要的管理、配置、设置或控制平面相关数据是有效的。由于应用程序继续在标准TCP/IP网络栈上运行，应用程序完全不知道底层I/O硬件。然而，为了获得充分的性能并利用InfiniBand体系结构的一些高级特性，应用程序开发人员也可以使用套接字直接协议(SDP)和相关的基于套接字的API。

InfiniBand不仅对基于IP的应用提供了支持，同时对基于Socket、SCSI和iSCSI，以及对NFS的应用程序提供了支持。

例如，在iSER协议中，采用了SCSI中间层的方法插入到Linux，iSER在额外的抽象层(CMA，Connection Manager Abstraction layer)上工作，实现对基于InfiniBand和iWARP的RDMA技术的透明操作。

这样使得采用LibC接口的用户应用程序和内核级采用Linux文件系统接口的应用程序的透明化，不会感知底层使用的是什么互连技术。具体技术细节，请参考梳理成文的“InfiniBand架构和技术实战总结”电子书，目录如下所示，点击原文链接获取详情。

第一章 InfiniBand关键技术和概念解析 1

• 1.1什么是InfiniBand (IB)? 2

• 1.2 InfiniBand与传统的网络协议有何不同? 5

• 1.3 InfiniBand与TCP有什么不同? 5

• 1.4 InfiniBand严格意义上是I/O Fabric吗? 5

• 1.5 InfiniBand是分层协议吗? 5

• 1.6 InfiniBand的优势是什么? 6

• 1.7 可用的InfiniBand数据速率是多少? 6

• 1.8 什么是RDMA ?它的优点是什么? 7

• 1.9 InfiniBand架构的主要元素是什么? 9

• 1.10 什么是主机通道适配器(HCA)? 10

• 1.11 什么是交换机?在InfiniBand中如何工作? 10

• 1.12 什么是子网管理器(SM)? 11

• 1.13 在InfiniBand网络中路由器是必需的吗? 11

• 1.14 什么是网关?它如何在InfiniBand网络中工作? 11

• 1.15 VPI与InfiniBand有什么关系 ? 11

• 1.16 什么是LID, GID 和 GUID? 12

• 1.17 InfiniBand支持IP流量吗?IPoIB是什么? 12

• 1.18 什么是可靠和不可靠的传输方式? 13

• 1.19 IPoIB支持绑定吗? 13

• 1.20 InfiniBand支持多播吗? 13

• 1.21 InfiniBand支持服务质量吗? 13

• 1.22 InfiniBand是无损网络吗? 14

• 1.23 InfiniBand如何处理安全问题? 14

• 1.24 基于信用的流量控制如何工作? 15

• 1.25 Infiniband有生成树吗? 15

• 1.26 InfiniBand中Verbs是什么? 15

• 1.27 如何监控InfiniBand网络的带宽、拥塞和健康状况? 15

• 1.28 InfiniBand和Mellanox更多学习资源 17

第二章InfiniBand背景和技术发展 17

• 2.1 InfiniBand技术的发展 18

• 2.2 InfiniBand技术的优势 19

• 2.3 InfiniBand组网方式和相关概念 21

• 2.4 InfiniBand协议简介 21

• 2.4.1物理层协议 22

• 2.4.2 链路层协议 23

• 2.4.3 网络层协议 23

• 2.4.4 传输层协议 23

• 2.4.5 上层网络协议 23

• 2.5 InfiniBand应用场景 24

第三章InfiniBand架构解析 25

• 3.1 软件协议栈OFED介绍 25

• 3.2 InfiniBand的软件架构 26

• 3.2.1 IB对基于IP的应用支持 28

• 3.2.2 IB对基于Socket的应用的支持 29

• 3.2.3 IB对基于SCSI和iSCSI应用的支持 30

• 3.2.4 IB对NFS应用的支持 32

• 3.3 InfiniBand网络和拓扑组成 33

• 3.4 InfiniBand网络管理 36

• 3.5 InfiniBand并行计算集群 37

• 3.6 InfiniBand的存储支持能力 38

• 3.7 InfiniBand对RDMA技术支持 39

第四章 InfiniBand主要产品和特性 39

• 4.1 Mellanox主要产品介绍 39

• 4.1.1 Infiniband交换机 41

• 4.1.2 InfiniBand适配卡HCA 43

• 4.1.3 Infiniband路由器和网关设备 43

• 4.1.4 Infiniband线缆和收发器 48

目前，InfiniBand软件和协议堆栈在主流的Linux、Windows版本和虚拟机监控程序(Hypervisor)平台上都得到了支持和支持。这包括Red Hat Enterprise Linux、SUSE Linux Enterprise Server、Microsoft Windows Server和Windows CCS (计算集群服务器)以及VMware虚拟基础设施平台。

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