网络融合大趋势下RDMA的发展演进过程

RDMAC（RDMA Consortium）和IBTA（InfiniBand Trade Association）主导了RDMA。其中，IBTA是InfiniBand的全部标准制定者，并补充了RoCEv1/v2的标准化，而RDMAC是IETF的一个补充，它与IETF一起定义了iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）和iSER（iSCSI Extensions for RDMA）。上层应用要想使用RDMA，需要支持与RNIC之间的传输接口层（software transport interface），也被称为Verbs。

IBTA解释了RDMA传输过程中应具备的特性行为，而并没有规定Verbs的具体接口和数据结构原型，这部分工作由另一个组织OFA（Open Fabric Alliance）来完成，OFA提供了RDMA传输的一系列Verbs API。OFA还开发出了OFED（Open Fabric Enterprise Distribution）协议栈，可支持多种RDMA传输层协议。

OFED中除了提供向下与RNIC基本的队列消息服务，向上还提供了ULP（Upper Layer Protocols），通过ULPs使得上层应用不需要直接到Verbs API对接，而是借助于ULP与应用对接，常见的应用不需要做修改，就可以跑在RDMA传输层上。

支持RDMA的网络协议在发展过程中的四个阶段

图1：支持RDMA的网络协议在发展过程中的四个阶段

如图1所示，支持RDMA的网络协议的发展过程主要包括四个阶段：

IB（InfiniBand）

InfiniBand是IBTA（InfiniBand Trade Association）在2000年正式发布的规范，而RDMA是IBM和HP在2003年提出的，因此基于InfiniBand架构的RDMA属于原生RDMA，通过支持IB传输协议专用的IB网卡和IB网络设备提供硬件级的高可靠和高性能，因此在高性能计算应用场景中被广泛采纳。

InfiniBand是一种用于高性能计算的计算机网络通信标准，具有很高的吞吐量和非常低的延迟，它用于计算机之间和内部的数据互连。InfiniBand还可用作服务器和存储系统之间的直接互连或交换互连，以及存储系统之间的互连。

iWARP（Internet Wide Area RDMA Protocol）

由于搭建InfiniBand专网的费用非常昂贵，于是IBM和HP联合Intel、Microsoft、Dell、EMC、NetApp、Adaptec、Broadcom、Cisco等业界先进厂商一起成立了RDMA Consortium组织，旨在开发必要的体系结构规范，以实现可通过TCP/IP网络（包括基于以太网的网络）提供RDMA的产品。

RDMA联盟作为Internet工作任务组（IETF）的补充，将规范草案提交给IETF工作组“Internet协议套件RDMA”进行审议，于2007年形成基于TCP/IP的RDMA，称作iWARP。iWARP主要包括MPA（Markers PDU Aligned Framing）、DDP（Direct Data Placement Protocol）、RDMAP（Remote Direct Memory Access Protocol）三层子协议，如图2所示。iWARP是一种全新的协议，使用iWARP协议对以太网络没有任何要求，但是服务器的网卡RNIC要能支持该协议，同时还要能实现RDMA的卸载和TCP的卸载（即TOE，TCP/IP Offload Engine）。

图2：传统模式和RDMA模式的对比

RoCEv1（RDMA over Converged Ethernet）

许多年来，人们仍一直设法使以太网能够支持基于IB协议的RDMA。IBTA作为InfiniBand的全部标准制定者，在2010年时补充了RoCE，其MAC层的网络头是以太网头，Ethernet Type位是0x8915，MAC层以上的网络头（包括数据）是InfiniBand头，如图2所示。RoCEv1是以太网链路层协议，该协议允许RDMA可以在同一以太网广播域中的任何两个主机之间进行通信，但这限制了RoCE功能的应用范围。与此同时，为保障其可靠性，协议建议将RoCE承载在无损网络上，即融合增强型以太网CEE（Converged Enhanced Ethernet）。

RoCEv2

IBTA在2014年又发布了RoCEv2的标准化协议，对RoCE做了进一步的改进，用以太网链路层上的IPv4/IPv6报头和UDP报头（UDP端口号为4791）替代InfiniBand的网络层和传输层，如图2所示。其中，引入IP解决了网络扩展性问题，可以跨三层组网，在基于IP的传统路由器之间路由RDMA；引入UDP解决负载均衡的问题，提高网络利用率，但RoCEv2仍然需要无损网络保障其低延时和无丢包。

要实现RDMA流量的正常传输，除了要支持上述的技术外，还需要建立从RDMA NIC到应用程序内存的数据路径，而这个路径是由Verbs API接口来建立的，一旦数据路径建立后，就可以直接访问用户空间buffer。

从图3中可以看出，网络传输侧RDMA的实现方式主要分为InfiniBand和Ethernet两种。在以太网上，又可以根据与以太网融合的协议栈的差异分为iWARP和RoCE(包括RoCEv1和RoCEv2)。

其中，InfiniBand网络使用的是支持IB协议的专用交换机；RoCEv1、RoCEv2和iWARP流量可以在传统以太网上进行传输，承载RoCEv1协议的网络只能局限于广播域内传输RDMA流量，而另外两种协议可以在传统路由器之间传输RDMA流量。在服务器端，承载IB、RoCEv1/v2流量的发送端和接收端服务器的网卡均需要支持IB协议，在使用iWARP协议的网络中服务器网卡需要支持iWARP协议。

图3：承载RDMA技术的网络架构

在RDMA的不同发展阶段，都会涌现出一些率先支持该阶段技术的供应商，比如支持IB协议栈的网卡供应商有IBM、Microsoft、Intel、Wintel、HP、Dell等70多家，支持iWARP的有Intel、Chelsio等，支持RoCEv1/v2的有Mellanox、Emulex、Broadcom、QLogic、Cavium、Huawei、ATTO Technology等，为了满足用户的不同需求，部分厂商推出了可同时支持iWARP、RoCEv1/v2两种协议的网卡，如Marvel、Microsoft、Linux、Kazan等。