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        資訊
        2024/5/17 10:43

        技術探秘 | 如何利用儀表構造InfiniBand流量在數據中心測試中的應用

        信而泰XINERTEL  黃海峰

        01

        什么是Infiniband

        在當今數據爆炸的時代,數據中心作為信息處理的中心樞紐,面臨著前所未有的挑戰。傳統的通信方式已經難以滿足日益增長的數據傳輸需求,而InfiniBand技術的出現,為數據中心帶來了全新的通信解決方案。

        InfiniBand(IB)是一種高性能計算和數據中心網絡架構,其設計目標是通過提供低延遲、高帶寬以及可擴展性來滿足大規模計算和數據傳輸的需求。讓我們深入了解InfiniBand的基本概念。

        InfiniBand網絡采用點對點的直連架構。每個設備,如服務器、存儲設備或其他計算資源,都通過InfiniBand適配器直接連接到網絡,形成一個點對點的通信結構。這種設計有助于降低通信的延遲,提高整體性能。

        02

        Infiniband產生的原因

        說到Infiniband網絡,我們首先提到傳統網絡數據傳輸的架構。在傳統的互連結構中,操作系統通常是共享網絡資源的唯一所有者,這導致應用程序無法直接訪問網絡。相反,數據傳輸通常需要依賴操作系統將數據從應用程序的虛擬緩沖區傳輸到網絡堆棧和線路。在傳統網絡結構中,應用程序需要通過操作系統來實現數據的傳輸。

        這個過程包括:

        應用程序緩沖區:數據通常存儲在應用程序的緩沖區中,等待被傳輸。

        操作系統介入:應用程序通過系統調用等方式請求操作系統將數據傳輸到網絡堆棧中。

        網絡堆棧傳輸:操作系統將數據從應用程序緩沖區傳輸到網絡堆棧,其中包括協議棧的處理,例如TCP/IP協議。

        網絡線路傳輸:最終,數據通過網絡線路傳輸到目標節點。這種結構下,應用程序無法直接控制網絡的數據傳輸,而是依賴于操作系統進行中介。

        InfiniBand技術的突出特點之一是以應用為中心的網絡交互方式。這種方式下,應用程序能夠直接通過網絡進行數據的交換,而無需直接涉及操作系統。

        以下是InfiniBand實現以應用為中心方式的關鍵機制:

        遠程直接內存訪問(RDMA

        InfiniBand網絡支持遠程直接內存訪問(RDMA)技術。通過RDMA,應用程序可以在不涉及操作系統的情況下直接訪問和交換內存中的數據。這種直接的內存訪問方式消除了傳統網絡結構中的中介步驟,大大降低了數據傳輸的延遲。

        用戶空間網絡堆棧

        InfiniBand網絡允許在用戶空間中實現網絡堆棧,使得應用程序能夠直接處理網絡協議。這樣一來,應用程序不再需要通過操作系統的內核空間進行數據傳輸,而是可以直接在用戶空間中完成網絡操作,提高了效率和靈活性。

        零拷貝技術

        InfiniBand還支持零拷貝技術,通過這一技術,應用程序可以直接在內存中操縱數據,而無需將數據復制到中間緩沖區。這降低了數據傳輸的開銷,提高了效率。

        03

        Infiniband網絡架構與TCP/IP

        InfiniBand架構與傳統的TCP/IP模型在網絡通信中有著顯著的差異,尤其在分布式存儲和高性能計算領域的應用上。InfiniBand架構分為五層,類似于傳統的TCP/IP模型。這五層分別是:

        物理層:處理硬件接口、電氣和光學傳輸等底層細節。

        數據鏈路層:負責數據的封裝和解封裝,錯誤檢測和糾正。

        網絡層:處理數據的路由和轉發,確保數據在不同設備之間的正確傳遞。

        傳輸層:負責端到端的可靠數據傳輸,包括流控制和錯誤恢復。

        應用層:提供網絡服務給應用程序,如TCP、UDP等。

        InfiniBand在分布式存儲領域,尤其是在分布式并行計算場景的存儲前端網絡中得到廣泛應用。其強調高性能、低延遲,適用于大規模并行計算機集群和需要高吞吐量的應用場景。

        TCP/IP則更為普遍地應用于商業網絡和一般互聯網通信。它是目前互聯網通信的主流協議,用于支持各種應用,包括網頁瀏覽、電子郵件、文件傳輸等。

        InfiniBand架構通過引入遠程直接內存訪問(RDMA)技術等創新,解決了網絡傳輸過程中服務器端數據處理的延遲問題。RDMA技術允許通過網絡接口直接訪問內存數據,無需內核干預,從而實現高吞吐量和低延遲的網絡通信。

        04

        Infiniband網絡有哪些優勢

        通過InfiniBand實現以應用為中心的網絡交互方式,帶來了一系列優勢,并與傳統網絡結構形成了關鍵區別:

        1、低時延

        由于應用程序能夠直接進行數據交換,而無需經過多層的操作系統介入,因此InfiniBand網絡實現了更低的傳輸延遲。這對于對延遲要求較高的應用場景非常重要。

        2、高帶寬

        InfiniBand的應用為中心方式能夠更有效地利用網絡資源,提高了整體的帶寬利用率。這使得InfiniBand網絡在大規模數據傳輸和高性能計算等方面表現出色。

        3、高效能

        通過支持RDMA、用戶空間網絡堆棧和零拷貝技術,InfiniBand實現了更為高效的數據傳輸方式。這種高效能直接影響到應用程序的性能和響應速度。

        4、靈活性

        以應用為中心的方式使得應用程序更靈活地控制數據傳輸和網絡操作,無需過多依賴于操作系統的限制。這為應用程序提供了更大的自主性和定制性。

        05

        如何使用測試儀構造基于UDP的infiniband流量

        信而泰L23測試平臺Renix支持構造UDP報文頭內的各種InfiniBand報文協議棧,通過構造Infinbind流量,模擬CA設備與被測設備之間進行請求(request)或者響應(response)消息的交互,以此來驗證被測設備針對Infiniband協議字段的識別和處理能力。

        測試拓撲及主要配置步驟如下:

        如圖所示,測試儀P1與P2端口與DUT的A、B端口互聯,通過在測試儀A端口構造Infiniband流量發送至A端口,應答消息由B端口發送至測試儀B端口,來模擬CA設備之間的消息交互場景。

        1、創建流量;

        2、添加UDP頭部;

        3、在UDP頭部前添加Rocev2instance;

        4、編輯協議字段并發送流量;

        創建完成后可以在流模板幀界面可以看到創建的該條流量是基于UDP的infiniband流量,并且每個字段都支持自定義編輯。

        被測設備收到測試儀發出的Infiniband消息后會解析其中的消息字段并做出響應,通過這種方式可以測試執行send、recive、write、read、原子操作的場景。報文交互現象如下圖所示:

        每個Infiniband報文分為payload、路由報文頭(header)、CRC校驗等,其中header包含以下內容:

        本地路由頭部(LRH)包括目標端口本地ID(DLID)和源端口本地ID(SLID)。兩者都占據16-bits,前者用來表示報文通過交換機需要到達的子網目的地端口;后者用來表示報文源頭的子網ID。

        全局路由頭部(GRH):包括目標端口全局ID(DGID)和源端口全局ID(SGID)。兩者都占據128-bits,高64-bits表示CA端口的子網ID,低64-bits表示端口的全局唯一ID(GUID)。

        基礎傳輸頭部(BTH):包括Opcode、DestQP和PSN。Opcode表示報文操作類型;DestQP表示對端CA的目標QP(QueuePair,是IB協議中信息傳輸的重要機制);PSN(PacketSequenceNumber)占24-bits,表示報文序列號,可以用于報文順序檢查和報文重傳。

        06

        信而泰DarYu/BigTao系列網絡測試儀

        DarYu-X系列高性能網絡測試儀是信而泰推出的面向高端路由器、高端交換機、數據中心交換機以及高性能應用層設備的測試產品,具有高性能、高密度、高速率等特點,支持單框運行、多框級聯等模式。它采用模塊化設計,提供3個或12個插槽,測試接口覆蓋以太網1G到400G范圍內的所有速率,實現按需擴展,幫助企業用戶輕松應對測試業務的快速增長和未來業務發展。

        BigTao-V系列網絡測試儀可實現針對網絡設備和網絡系統的流量測試及協議仿真,在功能、性能及安全性方面提供全面測試解決方案,滿足研發、實驗和質量控制等過程中的測試需求。

         

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