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編者按

隨著大模型的廣泛流行，GPU集群計(jì)算的規(guī)模越來越大（單芯片算力提升有限，只能通過擴(kuò)規(guī)模的方式來提升整體算力），千卡、萬卡已經(jīng)成為主流，十萬卡、百萬卡也都在未來3-5年的規(guī)劃中。

集群計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)可以分為兩類：南北向流量，也就是俗稱的外網(wǎng)流量；東西向流量，也就是俗稱的內(nèi)網(wǎng)流量。集群計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù) S = N x (N-1)（N為節(jié)點(diǎn)數(shù)）。這也是為什么現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心中東西向流量占比超過90%的原因所在。再加上系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致的南北向網(wǎng)絡(luò)流量的增加，這使得數(shù)據(jù)中心所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬呈指數(shù)級增長趨勢。

2019年，NVIDIA收購Mellanox，憑借著在InfiniBand和ROCEv2領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，NVIDIA成為了高性能網(wǎng)絡(luò)的霸主。各大競爭對手不甘示弱，特別是AWS、阿里云等云計(jì)算廠家，都陸續(xù)推出了自己的高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和對應(yīng)的產(chǎn)品，行業(yè)呈現(xiàn)百家爭鳴之象。高性能網(wǎng)絡(luò)，兵家必爭之地；未來誰主沉浮，我們拭目以待。

本篇文章，從軟硬件融合視角，對高性能網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行介紹并進(jìn)行分析，讓大家一文看透高性能網(wǎng)絡(luò)。

1、高性能網(wǎng)絡(luò)綜述

1.1 網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)性能主要關(guān)心三個(gè)參數(shù)，帶寬、吞吐量和延遲：

延遲：數(shù)據(jù)包在發(fā)送后到達(dá)目的地所用的時(shí)間。我們將網(wǎng)絡(luò)延遲測量為往返行程。延遲的結(jié)果通常是不穩(wěn)定和滯后的服務(wù)。例如視頻會議等，對延遲非常敏感。

除此之外，還有一個(gè)非常重要的指標(biāo)，PPS（Packet Per Second，每秒傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)）。許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在大包的時(shí)候，可以做到線速，但在小包（64字節(jié)）的情況下，其性能降低的非常嚴(yán)重，主要就是PPS能力不足引起的。所以，理想的情況是，在最小包的情況下，仍然能夠達(dá)到線速。

高性能網(wǎng)絡(luò)，就是要在低延遲（越低越好）、低抖動的情況下，（不管大包小包，任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，都要）實(shí)現(xiàn)最高的吞吐量（無限接近于網(wǎng)絡(luò)帶寬）。當(dāng)然了，這些參數(shù)是相互影響的，實(shí)際的系統(tǒng)是在這些參數(shù)之間取得的平衡。

1.2 復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分層

OSI定義了七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)際工程應(yīng)用的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一般為五層：

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)要更加復(fù)雜，會分為Overlay網(wǎng)絡(luò)和Underlay網(wǎng)絡(luò)。如果按照功能邏輯把網(wǎng)絡(luò)分層，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可以分成三層：

接入網(wǎng)

負(fù)載均衡

物理的數(shù)據(jù)中心是一個(gè)局域網(wǎng)，通過Overlay網(wǎng)絡(luò)分割成數(shù)以萬計(jì)的虛擬私有網(wǎng)；域間隔離后，再需要一定的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制實(shí)現(xiàn)高性能的跨域訪問。

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)處理邏輯，網(wǎng)絡(luò)可以分為三部分：

封裝

1.3 為什么需要高性能網(wǎng)絡(luò)

為什么需要高性能網(wǎng)絡(luò)？

原因一，網(wǎng)絡(luò)的極端重要性。

原因五，跨服務(wù)器調(diào)用延遲敏感。而軟件服務(wù)之間的調(diào)用，要求跨服務(wù)器的遠(yuǎn)程調(diào)用能夠低延遲，接近于本地調(diào)用的延遲。

1.4 網(wǎng)絡(luò)擁塞控制

網(wǎng)絡(luò)中如果存在太多的數(shù)據(jù)包，會導(dǎo)致包延遲，并且會因?yàn)槌瑫r(shí)而丟棄，從而降低傳輸性能，這稱為擁塞。高性能網(wǎng)絡(luò)，就是要充分利用網(wǎng)絡(luò)容量，提供低延遲網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，盡可能的避免網(wǎng)絡(luò)擁塞。

當(dāng)主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量在網(wǎng)絡(luò)的承載范圍之內(nèi)時(shí)，送達(dá)與發(fā)送的數(shù)據(jù)包成正比例增長。但隨著負(fù)載接近網(wǎng)絡(luò)承載極限，偶爾突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)流量會導(dǎo)致?lián)砣罎?；?dāng)加載的數(shù)據(jù)包接近承載上限的時(shí)候，延遲會急劇上升，這就是網(wǎng)絡(luò)擁塞。

擁塞控制（Congestion Control，CC）和流量控制有什么區(qū)別？擁塞控制，確保網(wǎng)絡(luò)能夠承載所有到達(dá)的流量，是一個(gè)全局問題；流量控制，則是確?？焖俚陌l(fā)送方不會持續(xù)地以超過接收方接收能力的速率傳輸，是端到端傳輸?shù)膯栴}。

根據(jù)效果從慢到快，處理擁塞的辦法可以分為：

更高帶寬的網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)流量模式定制流量感知路由；降低負(fù)載，如準(zhǔn)入控制；給源端傳遞反饋信息，要求源端抑制流量；一切努力失敗，網(wǎng)絡(luò)丟棄無法傳遞的數(shù)據(jù)包。

擁塞控制算法的基本原則如下：

優(yōu)化的帶寬分配方法，既能充分利用所有的可用帶寬卻能避免擁塞；帶寬分配算法對所有傳輸是公平的，既保證大象流，也保證老鼠流；擁塞控制算法能夠快速收斂。

1.5 等價(jià)多路徑路由ECMP

CLOS架構(gòu)是一種用于構(gòu)建高性能、高可靠性數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。受東西向流量激增等原因影響，數(shù)據(jù)中心為滿足大通量網(wǎng)絡(luò)流量的需求，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>通常采用CLOS結(jié)構(gòu)。CLOS架構(gòu)會使得主機(jī)和主機(jī)之間就存在多條網(wǎng)絡(luò)路徑，而“多路徑”是實(shí)現(xiàn)高性能和高可靠網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

如何利用數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路徑資源、帶寬資源等，更好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載均衡，將數(shù)據(jù)流分布到不同路徑上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免擁塞，提高數(shù)據(jù)中心內(nèi)的資源利用率，就變得越來越重要。

ECMP（Equal-Cost Multi-Path routing，等價(jià)多路徑路由）是一個(gè)逐跳的基于流的負(fù)載均衡策略，當(dāng)路由器發(fā)現(xiàn)同一目的地址出現(xiàn)多個(gè)最優(yōu)路徑時(shí)，會更新路由表，為此目的地址添加多條規(guī)則，對應(yīng)于多個(gè)下一跳?？赏瑫r(shí)利用這些路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，增加帶寬。

ECMP常見的路徑選擇策略有多種方法：

基于路徑權(quán)重，根據(jù)路徑的權(quán)重分配流，權(quán)重大的路徑分配的流數(shù)量更多。

需要注意的是，在數(shù)據(jù)中心這種突發(fā)性流量多，大象流與老鼠流并存的環(huán)境中，需要慎重考慮選擇的負(fù)載均衡策略，ECMP雖然簡單易部署，但也存在較多問題需要注意。

2、TCP/IP高性能網(wǎng)絡(luò)

TCP/IP協(xié)議棧主要指Ethernet+TCP/IP+Socket的整個(gè)系統(tǒng)棧。

2.1 TCP/IP協(xié)議棧硬件卸載

第一類，TCP的部分特征卸載

網(wǎng)卡

第二類，TCP/IP協(xié)議棧卸載（TCP/IP Offload Engine，TOE）

傳統(tǒng)軟件網(wǎng)絡(luò)棧的處理開銷很大，把整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧卸載到硬件，可以提升網(wǎng)絡(luò)處理的性能，顯著降低CPU代價(jià)。

Linux 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核不支持 TOE網(wǎng)卡，原因主要是：

固件

因此，受上述原因影響，TOE并沒有大規(guī)模使用起來。

2.2 應(yīng)用層TCP/IP協(xié)議棧Onload

Onload是Solarflare（Solarflare已被Xilinx收購，Xilinx又被AMD收購）加速網(wǎng)絡(luò)中間件。主要特征包括：

基于IP的TCP/UDP實(shí)現(xiàn)，動態(tài)鏈接到用戶模式應(yīng)用程序的地址空間，應(yīng)用程序可以直接從網(wǎng)絡(luò)收發(fā)數(shù)據(jù)，而無需OS參與。

Onload實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核繞過（Kernel Bypass）可避免系統(tǒng)調(diào)用、上下文切換和中斷等破壞性事件，從而提高處理器執(zhí)行應(yīng)用程序代碼的效率。

Onload庫在運(yùn)行時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)Socket API與應(yīng)用程序動態(tài)鏈接，這意味著不需要對應(yīng)用程序進(jìn)行任何修改。

Onload通過減少CPU開銷、改善延遲和帶寬，以及提高應(yīng)用的可擴(kuò)展性，來顯著降低網(wǎng)絡(luò)成本。

Onload核心技術(shù)可以總結(jié)為：硬件虛擬化SR-IOV，內(nèi)核bypass，以及應(yīng)用SocketAPI。

2.3 傳輸協(xié)議優(yōu)化：從TCP到QUIC

QUIC（Quick UDP Internet Connections，快速UDP互聯(lián)網(wǎng)連接）是一種新的互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議，對L4、L5（安全）、L7進(jìn)行部分或全部的優(yōu)化和替代。

QUIC是一個(gè)應(yīng)用自包含的協(xié)議，允許創(chuàng)新。這在現(xiàn)有協(xié)議中不可能實(shí)現(xiàn)，受遺留的客戶端和系統(tǒng)中間件的阻礙。

與TCP+TLS+HTTP2相比，QUIC的主要優(yōu)點(diǎn)包括:

連接建立的延遲。簡單地說，QUIC握手在發(fā)送有效載荷之前需要0次往返，而TCP+TLS則需要1-3次往返。改進(jìn)的擁塞控制。QUIC主要實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化了TCP的慢啟動、擁塞避免、快重傳、快恢復(fù)，可以根據(jù)情況選擇不同的擁塞控制算法；避免TCP重傳歧義問題；允許精確的往返時(shí)間計(jì)算；等等。無前端阻塞的多路復(fù)用。TCP存在行首阻塞問題，QUIC為多路復(fù)用操作設(shè)計(jì)，沒有損失的流可以繼續(xù)推進(jìn)。前向糾錯。為了在不等待重傳的情況下恢復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包，QUIC可以用一個(gè)FEC數(shù)據(jù)包補(bǔ)充一組數(shù)據(jù)包。連接遷移。TCP連接由四元組標(biāo)識，QUIC連接由64位連接ID標(biāo)識。如果客戶端更改了IP地址或端口，則TCP連接不再有效；而QUIC可以使用舊的連接ID，而不會中斷任何正在進(jìn)行的請求。

3、高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧綜述，以IB為例

3.1 IB網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簡介

InfiniBand (IB)是一種用于高性能計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，具有極高的吞吐量和極低的延遲。

IB用于計(jì)算機(jī)之間和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)互連，還可以用作服務(wù)器和存儲系統(tǒng)之間的直接或交換互連，以及存儲系統(tǒng)之間的互連。

IB的設(shè)計(jì)目標(biāo)：綜合考慮計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)可擴(kuò)展的、高性能的通信和I/O體系結(jié)構(gòu)。

IB的主要優(yōu)點(diǎn)：

DMA

IB也是五層網(wǎng)絡(luò)分層：物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的L1&L2硬件實(shí)現(xiàn)，而L3/L4軟件實(shí)現(xiàn)；而IB則是L1-L4均在硬件實(shí)現(xiàn)。IB傳輸層API即HCA網(wǎng)卡和CPU之間的軟硬件接口。Socket API是傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接口，而Verbs API是IB的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接口。MPI是一種通過提供并行庫來實(shí)現(xiàn)并行化的方法庫，MPI可以基于OFA Verbs API，也可以基于TCP/IP Socket。

3.2 IB為什么能夠高性能？

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的問題：

長路徑，應(yīng)用需要通過系統(tǒng)層連接到網(wǎng)卡；

多拷貝，很多拷貝是沒有必要的；

彈性能力不足，協(xié)議棧經(jīng)過內(nèi)核，這樣用戶就很難去優(yōu)化協(xié)議功能。

通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧性能優(yōu)化的四個(gè)方面，來總結(jié)IB全棧所采用的主要優(yōu)化技術(shù)：

優(yōu)化協(xié)議棧：簡化、輕量、解耦的系統(tǒng)堆棧。

加速協(xié)議處理：協(xié)議硬件加速處理， L2-L4多個(gè)協(xié)議層卸載；

減少中間環(huán)節(jié)：如RDMA kernel Bypass，IB網(wǎng)絡(luò)原生支持RDMA；

優(yōu)化接口交互：如軟硬件交互機(jī)制，Send/Rcv Queue Pair、Work/Completion Queues。

3.3 InfiniBand vs Ethernet?

Infiniband和Ethernet從多種方面的比較：

交換機(jī)

4、RDMA高性能網(wǎng)絡(luò)

4.1 RDMA綜述

RDMA，是一種高帶寬、低延遲、低CPU消耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，克服了傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的許多問題。RDMA技術(shù)特點(diǎn)：

訪問，訪問操作有send/receive、read/write等。

RDMA的其他一些特征：

RDMA和IB是原生一體；RoCEv1是基于標(biāo)準(zhǔn)Eth的RDMA；RoCEv2基于標(biāo)準(zhǔn)Eth、IP和UDP，支持標(biāo)準(zhǔn)L3路由器。

4.2 RDMA/RoCEv2系統(tǒng)棧分層

RoCEv2是當(dāng)前數(shù)據(jù)中心比較流行的RDMA技術(shù)，我們以RoCEv2為例，介紹RoCE的系統(tǒng)分層：

以太網(wǎng)層：標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)層，即網(wǎng)絡(luò)五層協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。網(wǎng)絡(luò)層IP：網(wǎng)絡(luò)五層協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層。傳輸層UDP：網(wǎng)絡(luò)五層協(xié)議中的傳輸層（UDP而不是TCP）。IB傳輸層：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的分發(fā)、分割、通道復(fù)用和傳輸服務(wù)。RDMA數(shù)據(jù)引擎層（Data Engine Layer）：負(fù)責(zé)內(nèi)存隊(duì)列和RDMA硬件之間工作/完成請求的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取DMA接口驅(qū)動層：負(fù)責(zé)RDMA硬件的配置管理、隊(duì)列和內(nèi)存管理，負(fù)責(zé)工作請求添加到工作隊(duì)列中，負(fù)責(zé)完成請求的處理等。接口驅(qū)動層和數(shù)據(jù)引擎層共同組成RDMA軟硬件接口。Verbs API層：接口驅(qū)動Verbs封裝，管理連接狀態(tài)、管理內(nèi)存和隊(duì)列訪問、提交工作給RDMA硬件、從RDMA硬件獲取工作和事件。ULP層：OFED ULP（上層協(xié)議）庫，提供了各種軟件協(xié)議的RDMA verbs支持，讓上層應(yīng)用可以無縫移植到RDMA平臺。? ?應(yīng)用層：RDMA原生的應(yīng)用，基于RDMA verbs API開發(fā)；OFA還提供OFED協(xié)議棧，讓已有應(yīng)用可以無縫使用RDMA功能。

4.3 RDMA工作隊(duì)列

RDMA并沒有約束嚴(yán)格的軟硬件接口，各家的實(shí)現(xiàn)可以有所不同，只需要支持RDMA的隊(duì)列機(jī)制即可。

軟件驅(qū)動和硬件設(shè)備的交互通?；谏a(chǎn)者消費(fèi)者模型，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)軟件和硬件交互的異步解耦。RDMA軟硬件共享的隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為工作隊(duì)列（Work Queue）。

驅(qū)動負(fù)責(zé)把工作請求（Work Request）添加到工作隊(duì)列，成為工作隊(duì)列中的一項(xiàng)，稱為工作隊(duì)列項(xiàng)WQE。RDMA硬件設(shè)備會負(fù)責(zé)WQE在內(nèi)存和硬件之間的傳輸，并且通過RDMA網(wǎng)絡(luò)最終把WQE送到接收方的工作隊(duì)列中去。

接收方RDMA硬件會反饋確認(rèn)信息給到發(fā)送方RDMA硬件，發(fā)送方RDMA硬件會根據(jù)確認(rèn)信息生成完成隊(duì)列項(xiàng)CQE發(fā)送到內(nèi)存的完成隊(duì)列。

RDMA Queue類型有：發(fā)送隊(duì)列、接收隊(duì)列、完成隊(duì)列以及隊(duì)列對。發(fā)送隊(duì)列和接收隊(duì)列組成一組隊(duì)列對。SRQ，共享接收隊(duì)列。把一個(gè)RQ共享給所有關(guān)聯(lián)的QP使用，這個(gè)公用的RQ就稱為SRQ。

4.4 RDMA Verbs API

RDMA Verbs是提供給應(yīng)用使用的RDMA功能和動作抽象。Verbs API則是Verbs具體實(shí)現(xiàn)，提供標(biāo)準(zhǔn)接口供應(yīng)用調(diào)用。

RoCEv2中的Verbs操作主要有兩類：

Send/Recv。類似于Client/Server結(jié)構(gòu)，發(fā)送操作和接收操作協(xié)作完成，在發(fā)送方連接之前，接收方必須處于偵聽狀態(tài)；發(fā)送方不知道接收方的虛擬內(nèi)存位置，接收方也不知道發(fā)送方的虛擬內(nèi)存地址。RDMA Send/Recv因?yàn)槭侵苯訉?nèi)存操作，需要提前注冊用于傳輸?shù)膬?nèi)存區(qū)域。Write/Read。與Client/Server架構(gòu)不同，Write/Read是請求方處于主動，響應(yīng)方處于被動。請求方執(zhí)行Write/Read操作，響應(yīng)方不需要做任何操作。為了能夠操作響應(yīng)方的內(nèi)存，請求方需要提前獲得響應(yīng)方的地址和鍵值。

5、AWS SRD高性能網(wǎng)絡(luò)

5.1 AWS SRD和EFA綜述

SRD（Scalable Reliable Datagram，可擴(kuò)展可靠數(shù)據(jù)報(bào)），是AWS設(shè)計(jì)的可靠的、高性能的、低延遲的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議；EFA（Elastic Fabric Adapter，彈性互聯(lián)適配器），是AWS EC2實(shí)例提供的一種高性能網(wǎng)絡(luò)接口。AWS的SRD和EFA技術(shù)主要有如下特征：

數(shù)據(jù)通信

5.2 AWS為什么不選擇TCP或RoCE

AWS認(rèn)為：

PFC

Hypervisor

5.3 SRD特征之一：多路負(fù)載均衡

為了更好的多路負(fù)載均衡，AWS的SRD遵循如下原則：

為了減少丟包的幾率，流量應(yīng)該在可用路徑上均勻分布。SRD發(fā)送方需要在多個(gè)路徑上Spray（噴灑）數(shù)據(jù)包（即使是單個(gè)應(yīng)用程序流），特別是大象流。以最小化熱點(diǎn)出現(xiàn)的可能性，并檢測次優(yōu)路徑。為了與未啟用多路徑的傳統(tǒng)流量共享網(wǎng)絡(luò)，因此隨機(jī)Spray流量是不合適的，SRD避免使用過載路徑。因?yàn)橐?guī)模的原因，偶爾的硬件故障不可避免。為了讓網(wǎng)絡(luò)從鏈路故障中快速恢復(fù)，如果原始傳輸路徑不可用，SRD能夠重新路由重傳的數(shù)據(jù)包，而無需等待路由更新收斂。

5.4 SRD特征之二：亂序交付

在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，平衡多條可用路徑上的流量有助于減少排隊(duì)延遲并防止數(shù)據(jù)包丟失；但不可避免地會導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的無序到達(dá)。

與此同時(shí)，眾所周知，恢復(fù)網(wǎng)卡中的數(shù)據(jù)包排序代價(jià)昂貴，網(wǎng)卡通常具有有限的資源（內(nèi)存帶寬、重排序緩沖容量或開放排序上下文的數(shù)量）。

如果按順序發(fā)送接收消息，將限制可伸縮性或在出現(xiàn)丟包時(shí)增加平均延遲。如果推遲向主機(jī)軟件發(fā)送亂序數(shù)據(jù)包，將需要一個(gè)非常大的緩沖區(qū)，并且將大大增加平均延遲。并且許多數(shù)據(jù)包會因?yàn)檠舆t可能被丟棄，重傳增加了無謂的網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。

SRD設(shè)計(jì)為：將可能亂序的數(shù)據(jù)包，不做處理，直接傳送到主機(jī)。

應(yīng)用程序處理亂序數(shù)據(jù)包，在字節(jié)流協(xié)議，如TCP，是不可行的，但在基于消息的語義時(shí)很容易。每個(gè)流的排序或其他類型的依賴追蹤由SRD之上的消息傳遞層完成；消息層排序信息與數(shù)據(jù)包一起傳輸?shù)搅硪欢?，SRD是不可見的。

5.5 SRD特征之三：擁塞控制

Incast，是一種流量模式，許多流量匯聚到交換機(jī)的同一接口，耗盡該接口的緩沖空間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失。

多路徑Spray減少了中間交換機(jī)的負(fù)載，但其本身并不能緩解Incast擁塞問題。Spray可能會使Incast問題變得更糟：即使發(fā)送方受自身鏈路帶寬限制，來自發(fā)送方不同時(shí)刻的流量，也可能通過不同的路徑同時(shí)到達(dá)。對于多路徑傳輸來說，擁塞控制將所有路徑上的聚合隊(duì)列保持在最小值至關(guān)重要。

因此，SRD CC的目標(biāo)是：用最少的飛行中的數(shù)據(jù)量，獲得最公平的帶寬共享，防止隊(duì)列堆積和數(shù)據(jù)包丟失。發(fā)送方需要根據(jù)速率估計(jì)調(diào)整其每個(gè)連接的傳輸速率，速率估計(jì)依據(jù)確認(rèn)包的時(shí)間提示，同時(shí)需要考慮最近的傳輸速率和RTT的變化。

6、其他高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

6.1 微軟Fungible的Truefabric

TrueFabric是開放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高數(shù)據(jù)中心的性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，單集群規(guī)模從幾個(gè)到數(shù)千機(jī)架。

廣域網(wǎng)

TrueFabric/FCP的特性

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)

路由協(xié)議

6.2 阿里云HPCC和eRDMA

阿里云的HPCC（High Precision Congestion Control，高精度擁塞控制），其關(guān)鍵方法是利用INT（In-Network Telemetry，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)遙測）提供的精確的鏈路負(fù)載信息來計(jì)算準(zhǔn)確的流量更新。

大規(guī)模RDMA網(wǎng)絡(luò)在平衡低延遲、高帶寬利用率和高穩(wěn)定性方面面臨挑戰(zhàn)。經(jīng)典的RDMA擁塞機(jī)制，例如DCQCN和TIMELY算法，具有一些局限性：收斂緩慢、不可避免的數(shù)據(jù)包排隊(duì)、復(fù)雜的調(diào)參參數(shù)。? ?HPCC發(fā)送方可以快速提高流量以實(shí)現(xiàn)高利用率，或者快速降低流量以避免擁塞；HPCC發(fā)送者可以快速調(diào)整流量，以使每個(gè)鏈接的輸入速率略低于鏈接的容量，保持高鏈接利用率；由于發(fā)送速率是根據(jù)交換機(jī)直接測量的結(jié)果精確計(jì)算得出的，HPCC僅需要3個(gè)獨(dú)立參數(shù)即可調(diào)整公平性和效率。與DCQCN、TIMELY等方案相比，HPCC對可用帶寬和擁塞的反應(yīng)更快，并保持接近零的隊(duì)列。

彈性RDMA（Elastic Remote Direct Memory Access，簡稱eRDMA）是阿里云自研的云上彈性RDMA網(wǎng)絡(luò)，底層鏈路復(fù)用VPC網(wǎng)絡(luò)，采用全棧自研的擁塞控制CC（Congestion Control，HPCC）算法，享有傳統(tǒng)RDMA網(wǎng)絡(luò)高吞吐、低延遲特性的同時(shí)，可支持秒級的大規(guī)模RDMA組網(wǎng)?？杉嫒輦鹘y(tǒng)HPC應(yīng)用，以及傳統(tǒng)TCP/IP應(yīng)用。

eRDMA能力主要具有以下產(chǎn)品優(yōu)勢：

高性能。RDMA繞過內(nèi)核協(xié)議棧，將數(shù)據(jù)直接從用戶態(tài)程序轉(zhuǎn)移到HCA中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，極大地降低了CPU負(fù)載和延遲。eRDMA具有傳統(tǒng)RDMA網(wǎng)卡的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將傳統(tǒng)的RDMA技術(shù)應(yīng)用到VPC網(wǎng)絡(luò)下。規(guī)模部署。傳統(tǒng)的RDMA依賴于網(wǎng)絡(luò)的無損特性，規(guī)模部署成本高、規(guī)模部署困難。而eRDMA在實(shí)現(xiàn)中采用了自研的擁塞控制CC算法，容忍VPC網(wǎng)絡(luò)中的傳輸質(zhì)量變化（延遲、丟包等），在有損的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中依然擁有良好的性能表現(xiàn)。彈性擴(kuò)展。不同于傳統(tǒng)的RDMA網(wǎng)卡需要單獨(dú)一個(gè)硬件網(wǎng)卡，eRDMA可以在使用ECS的過程中動態(tài)添加設(shè)備，支持熱遷移，部署靈活。共享VPC網(wǎng)絡(luò)。eRDMA依附于彈性網(wǎng)卡（ENI），網(wǎng)絡(luò)完全復(fù)用，可以在不改變業(yè)務(wù)組網(wǎng)的情況下，即可在原來的網(wǎng)絡(luò)下激活RDMA功能，體驗(yàn)到RDMA。

6.3 新興的Ultra-Ethernet

2023年7 月，超以太網(wǎng)聯(lián)盟 (Ultra Ethernet Consortium，UEC) 正式成立，它是一個(gè)由 Linux 基金會及其聯(lián)合開發(fā)基金會倡議主辦的新組織。UEC 的目標(biāo)是超越現(xiàn)有的以太網(wǎng)功能，例如遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問 ( RDMA ) 和融合以太網(wǎng)RDMA (RoCE)，提供針對高性能計(jì)算和人工智能進(jìn)行優(yōu)化的高性能、分布式和無損傳輸層，直接將矛頭對準(zhǔn)競爭對手的傳輸協(xié)議 InfiniBand。

人工智能和高性能計(jì)算給網(wǎng)絡(luò)帶來了新的挑戰(zhàn)，比如需要更大規(guī)模、更高帶寬密度、多路徑、對擁塞的快速反應(yīng)以及對單個(gè)數(shù)據(jù)流執(zhí)行度的相互依賴（其中尾延遲是關(guān)鍵考量點(diǎn)）。UEC 規(guī)范的設(shè)計(jì)將彌補(bǔ)這些差距，并為這些工作任務(wù)提供所需的更大規(guī)模組網(wǎng)。UEC 的目標(biāo)是一個(gè)完整的通信棧，解決跨越多個(gè)協(xié)議層的技術(shù)問題，并提供易于配置和管理的功能。

UEC將提供基于以太網(wǎng)的開放、可互操作、高性能的全通信堆棧架構(gòu)，以滿足大規(guī)模人工智能和高性能計(jì)算不斷增長的網(wǎng)絡(luò)需求。從物理層到軟件層，UEC計(jì)劃對以太網(wǎng)堆棧的多個(gè)層進(jìn)行更改。

UEC的技術(shù)目標(biāo)是開發(fā)規(guī)范、API 和源代碼，UEC定義：

機(jī)器學(xué)習(xí)

UEC傳輸協(xié)議:

控制器

7、全球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的高性能

隨著5G通信基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模覆蓋，短視頻、視頻會議等多媒體應(yīng)用的大量使用，自動駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車的廣泛落地，以及VR/AR元宇宙的快速發(fā)展，對整個(gè)全球互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等各個(gè)方面提出了更高的要求。

上圖為聲網(wǎng)通過基于SDN架構(gòu)的SD-RTN（軟件定義全球?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，構(gòu)建全球?qū)崟r(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，利用廉價(jià)的邊緣節(jié)點(diǎn)和獨(dú)特的智能路由加速技術(shù)，讓全球端到端延遲控制在400ms以內(nèi)。

8、高性能網(wǎng)絡(luò)總結(jié)

8.1 高性能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化總結(jié)

高性能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的主要手段：

高性能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：通過①多路負(fù)載均衡、②亂序交付、③擁塞控制、④多路處理并行等技術(shù)（例如AWS SRD技術(shù)），實(shí)現(xiàn)①低延遲、②高可靠性（低性能抖動）、③高網(wǎng)絡(luò)利用率。

8.2 從高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？聪到y(tǒng)分層

從高性能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？聪到y(tǒng)分層：

系統(tǒng)是由多個(gè)分層（layer）組成。

每個(gè)分層可以當(dāng)作獨(dú)立的組件模塊，根據(jù)需要，選擇不同分層，并對業(yè)務(wù)敏感的特定層進(jìn)行定制設(shè)計(jì)和優(yōu)化，組合出符合業(yè)務(wù)需求的個(gè)性化的系統(tǒng)解決方案。

即使分層間有很好的解耦，但每個(gè)分層仍不是孤立的；每個(gè)分層不宜是一個(gè)黑盒，這樣無法從系統(tǒng)層次對其進(jìn)行優(yōu)化；要想實(shí)現(xiàn)極致的性能，需要系統(tǒng)棧不同分層間的通力協(xié)作。

全棧優(yōu)化。系統(tǒng)需要不斷優(yōu)化，每個(gè)分層需要不斷優(yōu)化，上下分層間的交互接口也需要不斷優(yōu)化，分層的運(yùn)行平臺也需要不斷優(yōu)化。

每個(gè)分層、交互接口以及整個(gè)系統(tǒng)，都需要持續(xù)不斷的變化，來適應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化。

器件型號	數(shù)量	器件廠商	器件描述	ECAD模型	參考價(jià)格	更多信息
LTC2875IS8#PBF	1	Analog Devices Inc	±60V Fault Protected 3.3V or 5V 25kV ESD High Speed CAN FD Transceiver	ECAD模型下載ECAD模型	$3.09	查看
RTL8211F-CG	1	Realtek Semiconductor	Ethernet Transceiver, QCC40, QFN-40		暫無數(shù)據(jù)	查看
KSZ8895FQXIA	1	Microchip Technology Inc	DATACOM, ETHERNET TRANSCEIVER, PQFP128	ECAD模型下載ECAD模型	$13.57	查看

軟硬件融合視角：一文看懂高性能網(wǎng)絡(luò)

編者按