SmartX分享：SMTX ZBS 中 RDMA 技术简介
目录
- 背景
- 如何实现
- 存储网络是什么
- TCP/IP
- RDMA
- RDMA 工作原理
- RDMA 的实现方案
- ZBS 支持 RDMA 的要求
- 参考
背景
我们清楚，分布式存储将利用网络作不同设备的互联。最基础的如TCP/IP的IP SAN，进阶的有FC SAN、IB等等。
SmartX 支持 10G以上的TCP/IP网络作为互联网络，同时也支持25G的RDMA网络。
那么什么是RDMA？
RDMA 是直接内存存取。指的是设备可以直接读写内存而无需经过CPU。
在 ZBS 中，会在两个层面使用到 RDMA 技术：
- 存储接入网络：用于为块存储集群外部节点提供存储服务
- 存储内部数据同步网络：用于块存储集群内各节点间数据交换的网络，该网络只能由集群内部使用
如何实现
存储网络是什么
首先我们要清楚一个概念，分布式存储与集中式存储最大的区别在于，需要保证在不同存储服务器中，如何保证数据的一致性和可靠性。
基于网络进行数据同步是必须实现的要求。
我们常说的网络一般可以分类为：业务网络、管理网络、存储网络。而其上又可以细分管理网络（管理网络和iBMC/IPMI网络）、业务网络、存储网络等。
一般来说，存储节点直接用于传输数据，实现数据同步、修改的网络就是存储网络。在 ZBS 中，这个网络被称为存储内部数据同步网络。
ZBS 要求最低 10G 以太网卡与交换机，采用标准TCP/IP。不过TCP/IP的机制导致其传输过程中，有很大一部分开销被报文校验、处理包等操作浪费掉了。
同时，不同速率存储介质的传输才是限制速率最大的因素。所以 RDMA 技术结合 25G 及以上网络规格，可以实现更好的效果。
TCP/IP
TCP/IP 的问题：
- TCP/IP 协议栈处理带来的时延
在接收/发送数据报文时，系统内核需要进行多次上下文切换，同时这些处理需要被复制转发（TCP/IP实际上并不是直接转发，都是复制转发）与协议的封装/解封装需要CPU处理这些操作，会导致时延。 - TCP/IP 协议栈处理导致CPU消耗
TCP/IP 需要主机CPU多次参与到协议栈的内存复制。因此每次的报文交互都会提高CPU负载。
RDMA
RDMA（Remote Direct Memory Access 直接内存存取）是一种允许计算机在网络上直接访问远程系统内存的技术，而不需要通过操作系统的干预或CPU的参与。数据可以在两个计算机之间快速、高效地传输，极大地减少了延迟和 CPU 负载。
RDMA 主要用于高速、低延迟的数据传输场景，比如高性能计算（HPC）、数据中心、存储网络和分布式系统等领域。
RDMA 工作原理
通过直接内存访问技术，数据从一个系统快速移动到远程系统的内存中，
无需经过内核网络协议栈，不需要经过中央处理器耗时的处理。
- 零拷贝（Zero Copy）
RDMA 允许网卡直接读取或写入内存，数据可以直接在内存之间传递，避免了数据操作系统的缓冲区之间的拷贝，实现了不同节点之间的分布式块存储服务直接通讯，有效降低延时。 - 内核旁路（内核Bypass）
RDMA 避免了传统传输过程中应用内存和内核之间的数据复制，在不需要任何内核参与的条件下，数据能够从应用内存发送到本地网卡并通过网络发送给远程网卡。内核旁路功能使得 RDMA 在大规模集群和分布式系统中表现出色，系统可以更轻松地处理大量节点之间的数据传输需求。 - CPU 卸载（CPU Offload）
RDMA 技术通过直接在网络适配器上执行数据传输和处理，在高带宽压力下对 CPU 占用极低，能够使 CPU 更专注于计算任务而非数据传输的管理，提高系统的吞吐量和效率。这种机制适用于高并发和大规模数据处理环境，可有效减轻系统瓶颈。
RDMA 的实现方案
- IB
InfiniBand，专有协议，为实现RDMA提供了全栈架构，包括编程接口、2-4层协议、网卡接口、交换机等一整套RDMA解决方案。
IB的编程接口也是RDMA编程接口的标准，RoCE和iWARP都是使用IB的接口进行编程。
但由于专有协议，不开源。从协议到软硬件封闭，其性能虽然最优，但成本也最高，因为需要更换全套设备，包括网卡、光缆和交换机等。因此收费很贵，一根1m的IB线缆据说就收费上千元。 - RoCE
RDMA over Converged Ethernet，将IB的接口封装在以太网上进行传输。
RoCE分为RoCEv1和RoCEv2。v1包括网络层和传输层协议，不支持路由，使用较少；v2基于UDP/IP协议，可路由。
RoCE 其较低的网络标头是以太网标头，其较高的网络标头（包括数据）是IB标头，这支持在标准以太网基础设施（交换机）上使用RDMA，只有网卡是特殊的。但是需要注意的是，由于基于UDP，所以需要网络是无损网络。 - iWARP
类似RocE，构建与TCP协议上。也允许在常规以太网上进行RDMA传输。
但是iWARP不是直接继承于IB，而是有一套IETF的标准。
同时，RDMA需要设备厂商的生态支持（网卡、交换机）。主要是因为RDMA将传输的包处理从CPU卸载到了网卡上，所以需要特殊的网卡支持。
SmartX 的 ZBS 非常看好 RoCE 未来的发展。因此 ZBS 存储内部数据同步网络采用的是RoCEv2 的 RDMA 技术路线。
ZBS 支持 RDMA 的要求
ZBS 需要启用 RDMA ，目前仅支持 Mellanox Technologies 厂商的网卡。
交换机必须支持 L3 DSCP 流控或 Global Pause 流控。
缓存盘推荐使用NVMe SSD。
软件版本需要是标准版或企业版。
仅支持在新部署集群时启用RDMA功能。启用 RDMA 功能，不允许与其他系统网络共用虚拟分布式交换机也不支持 QOS。
双活集群不支持 RDMA 。
参考
- 基于 SmartX 分布式存储的 RDMA 与 TCP/IP 技术与性能对比
- SmartX 分布式存储产品组合介绍