系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信

发布于 2022-5-5 16:21
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一、引言
通过上一篇文章 《系列解读SMC-R:透明无感提升云上 TCP 应用网络性能(一)》我们了解到,RDMA 相对于 TCP 具有旁路软件协议栈、卸载网络工作到硬件的特点,能有效增加网络带宽、降低网络时延与 CPU 负载。而内核网络协议 SMC-R 在利用 RDMA 技术的同时、又进一步完美兼容了 socket 接口,能够透明无感的为 TCP 应用带来网络性能提升。因此,龙蜥社区高性能网络 SIG 认为 SMC-R 将成为下一代数据中心内核协议的重要组成,对其进行了大量优化,并积极将这些优化回馈到上游 Linux 社区。

本篇文章作为 SMC-R 系列的第二篇,将聚焦一次完整的 SMC-R 通信流程。通过具体的建连、传输、销毁过程,使读者进一步体会到 SMC-R 是一个融合了通用 TCP 与高性能 RDMA 的 "hybrid" 解决方案。

二、通信流程
如前篇所述,使用 SMC-R 协议有两种方法。其一,是在应用程序中显式创建 AF_SMC 族的 socket;其二,是利用 LD_PRELOAD 或 ULP + eBPF 的方式透明的将应用程序中的 AF_INET 族 socket 替换为 AF_SMC 族 socket。我们默认使用 SMC-R 通信的节点已经加载了 SMC 内核模块,并通过上述方式将应用程序运行在 SMC-R 协议上。接下来,我们以 first contact  (通信两端建立首个连接) 场景为例,介绍 SMC-R 通信流程。
2.1 确认对端能力
使用 SMC-R 通信时,我们首先需要确认对端是否同样支持 SMC-R 协议。因此,SMC-R 协议栈为应用程序创建 SMC 类型 socket (smc socket) 的同时,还会在内核创建并维护一个与之关联的 TCP 类型 socket (clcsock),并基于 clcsock 与对端建立起 TCP 连接。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/TCP 握手确认对端 SMC-R 能力)

在 TCP 连接三次握手中,使用 SMC-R 协议的一端发送的 SYN/ACK 中携带了特殊的 TCP 选项 (Kind = 254,Magic Number = 0xe2d4),用于表明自身支持 SMC-R。通过检查对端发送的 SYN/ACK,通信节点得知其 SMC-R 能力,进而决定是否继续使用 SMC-R 通信。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/三次握手携带特殊 TCP 选项[1])
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(图/代表 SMC-R 的 TCP 选项)

2.2 协议回退
若在上述 TCP 握手过程中,通信两端其一表示无法支持 SMC-R,则进入协议回退 (fallback) 流程。

协议回退时,应用程序所持有的 fd 对应的 smc socket 将被替换为 clcsock。从此,应用程序将使用 TCP 协议通信,从而确保数据传输不会因为协议兼容问题而中断。

需要注意的是,协议回退仅发生在通信协商过程中,如前文提到的 TCP 握手阶段,或是下文提到的 SMC-R 建连阶段。为便于跟踪诊断,SMC-R 协议详细分类了潜在的回退可能,用户可以通过用户态工具 smc-tools 观测到协议回退事件及原因。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/smc-tools 观测回退现象)

2.3 建立 SMC-R 连接
若在 TCP 握手中,两端均表示支持 SMC-R,则进入 SMC-R 建连流程。SMC-R 连接的建立依赖 TCP 连接传递控制消息,这种控制消息被称为 Connection Layer Control (CLC) 消息。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/使用 CLC 消息建立 SMC-R 连接)

CLC 消息的主要职责是同步通信两端的 RDMA 资源以及共享内存等信息。使用 CLC 消息建立 SMC-R 连接的过程与 SSL 握手类似,主要包含 Proposal、Accept、Decline、Confirm 等语义。在建连过程中,若遇到不可恢复的异常 (如 RDMA 资源失效) 导致后续 SMC-R 通信无法继续,也将触发前文所述的协议回退流程。
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(图/SMC-R 握手过程[1])

First contact 场景下,由于通信两端首次接触,两者间尚不存在使用 RDMA 通信的条件。所以,在建立首个 SMC-R 连接时,还将创建 SMC-R 通信所需的 RDMA 资源,建立 RDMA 链路,申请 RDMA 内存。

2.3.1 创建 RDMA 资源
SMC-R 建连初期,两端根据应用程序传递的 IP 地址在本地寻找可用 (如相同 Pnet ID) 的 RDMA 设备,并基于找到的设备创建必要的 RDMA 资源,包括 Queue Pair (QP),Completion Queue (CQ),Memory Region (MR),Protect Domain (PD) 等等。

其中,QP 与 CQ 是 RDMA 通信的基础,提供了一套 RDMA 使用者 (如 SMC 内核协议栈) 与 RDMA 设备 (RNIC) 之间的异步通信机制。

QP 本质是存放工作任务 (Work Request, WR) 的工作队列 (Work Queue, WQ)。负责发送任务的 WQ 称为 Send Queue (SQ),负责接收任务的 WQ 称为 Receive Queue (RQ),两者总是成对出现,称为 QP。用户将希望 RNIC 完成的任务打包为工作队列元素 (Work Queue Element, WQE),post 到 QP 中。RNIC 从 QP 中取出 WQE,完成 WQE 中定义的工作。

CQ 本质是存放工作完成信息 (Work Completion, WC) 的队列。RNIC 完成 WR 后,将完成信息打包为完成队列元素 (Completion Queue Element, CQE) 放入 CQ 中。用户从 CQ 中 poll 出 CQE,获悉 RNIC 已经完成某个 WR。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/)RDMA 工作队列模型)

2.3.2 建立 RDMA 链路
通信两端将已创建的 RDMA 资源通过 CLC 消息同步到对端,进而在两端之间建立起基于 RC (Reliable Connection) QP 的 RDMA 链路。SMC-R 中将这种点对点逻辑上的 RDMA 链路称为 SMC-R Link。一条 SMC-R Link 承载着多条 SMC-R 连接的数据流量。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/SMC Link)

若通信节点之间存在不止一对可用的 RNIC,则会建立不止一条 Link。这些 Link 在逻辑上组成一个小组,称为 SMC-R Link Group。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/SMC-R Link Group)

在 Linux 实现中,每个 Link Group 具备 1-3 条 Link,最多承载 255 条 SMC-R 连接。这些连接被均衡的关联到 Link Group 的某一 Link 上。应用程序通过 SMC-R 连接发送的数据将由关联的 Link (也即 RDMA 链路) 传输。

同一个 Link Group 中,所有的 Link 互相“平等”。这个“平等”体现在同一 Link Group 中的 Link 具备访问 Group 中所有 SMC-R 连接收发缓冲区 (下文提到的 sndbuf 与 RMB) 的权限,具备承载任意 SMC-R 连接数据流的能力。因此,当某一 Link 失效时 (如 RNIC down),关联此 Link 的所有连接可以迁移到同 Link Group 的另一条 Link 上。这使得 SMC-R 通信稳定可靠,具备一定的容灾能力。

SMC-R 中,Link (Group) 在 first contact 时创建,在最后一条 SMC-R 连接断开一段时间 (Linux 实现中为 10 mins) 后销毁,具备比连接更长的生命周期。First contact 之后创建的 SMC-R 连接都将尝试复用已有的 Link (Group)。这样的设计充分利用了已有的 RDMA 资源,避免了频繁创建与销毁带来的额外开销。

2.3.3 申请 RDMA 内存
SMC-R 协议栈为每条 SMC-R 连接分配了独属的收发缓冲区:sndbuf (发送缓冲区) 与 RMB (接收缓冲区,Remote Memory Buffer)。这是两片地址连续,长度在 16 KB ~ 512 KB 间的内核态 ring buffer。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/SMC-R 连接 ring buffer)

其中,sndbuf 用于存放连接待发送的数据,被注册为 DMA 内存。本地 RNIC 设备可以直接访问 sndbuf,从中取走有效负载 (payload)。而 RMB 用于存放远程节点 RNIC 写入的数据,即连接待接收的数据。由于需要被远程节点访问,因此 RMB 被注册为 RDMA 内存。

注册 RDMA 内存的过程称为 Memory Registration,主要完成以下操作:

  • 地址翻译表
    RDMA 使用者 (如本地/远程 SMC-R 协议栈) 通常使用虚拟地址 (VA) 描述内存,而 RNIC 则通过物理地址 (PA) 寻址。RNIC 从 WQE 或数据包中取得数据 VA 后通过查表得到 PA,进而访问正确内存空间。因此 Memory Registration 首要任务就是形成目标内存的地址翻译表。
  • Pin 住内存
    现代 OS 会置换暂不使用的内存数据,这将导致地址翻译表中的映射关系失效。因此,Memory Registration 会将目标内存 pin 住,锁定 VA-to-PA 映射关系。
  • 限制内存访问权限
    为避免内存非法访问,Memory Registration 会为目标内存生成两把内存密钥:Local Key (l_key) 和 Remote Key (r_key)。内存密钥实质是一串序列,本地或远端凭借  l_key 或 r_key 访问 RDMA 内存,确保内存访问合法。

SMC-R 中,远程节点访问本地 RMB 所需的 addr 与 r_key 被封装为远程访问令牌 (Remote Token, rtoken),通过 CLC 消息传递到远端,使其具备远程访问本地 RMB 的权限。

SMC-R 连接销毁后,对应的 sndbuf 与 RMB 将被回收到 Link Group 维护的内存池中,供后续新连接复用,以此减小 RDMA 内存创建/销毁对建连性能的影响。

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(图/sndbuf / RMB 内存池)

2.4 验证 SMC-R Link
由于 first contact 场景下新建立的 SMC-R Link 尚未经过验证,所以在正式使用 Link 传输应用数据前,通信两端会基于 Link 发送 Link Layer Control (LLC) 消息,用于检验 Link 是否可用。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/使用 LLC 消息确认 SMC Link 可用)

LLC 消息通常为请求-回复模式,用于传输 Link 层面的控制信息,如添加/删除/确认 Link,确认/删除 r_key 等。
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(图/LLC 消息请求-回复模式)

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(表/典型 LLC 消息含义)

LLC 消息的传输基于 RDMA 的 SEND 操作完成,与之相对的是后文提到的 RDMA WRITE 操作。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/SEND 操作)

SEND 操作又被称为“双边操作”,这是因为 SEND 操作要通信两端都参与进来。一次 SEND 的传输过程为:

  • 接收端 RDMA 使用者 (SMC-R 内核协议栈) 向本地 RQ 中 Post RWQE,RWQE 中记录了待接收数据的长度以及预留内存地址;
  • 发送端 RDMA 使用者 (SMC-R 内核协议栈) 向本地 SQ 中 Post SWQE,SWQE 中记录了待发送数据长度和内存地址。发送端 RNIC 根据 SWQE 记录的信息取出相应长度的数据发送到对端;
  • 接收端 RNIC 接收到数据后,取出 RQ 中的第一个 RWQE,依照其中记录的内存地址和长度存放数据;

通过在 Link 上收发 CONFIRM_LINK 类型的 LLC 消息,通信两端确认了新创建的 Link 具备 RDMA 通信的能力,可以用于传输 SMC-R 连接数据。

2.5 基于共享内存通信
通过上述重重步骤,first contact 场景下 SMC-R 建连工作终于结束。接下来,应用程序将通过已建立好的 SMC-R 连接传输数据。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/基于 RDMA 共享内存通信)

应用程序下发到 SMC-R 连接中的数据由关联的 Link 通过 RDMA WRITE 操作写入远程节点 RMB 中。系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/RDMA WRITE 操作)

与上文提到的 SEND 操作不同,RDMA WRITE 又被称为“单边操作”。这是因为数据传输只有 RDMA WRITE 发起的一方参与,而接收数据一方的 RDMA 使用者完全不参与数据传输,也不知晓数据的到来。一次 RDMA WRITE 操作过程如下:

  • 前期准备阶段,接收端 RDMA 使用者 (SMC-R 内核协议栈) 将接收缓冲区注册为 RDMA 内存,将远程访问密钥 rkey 告知发送端,使其拥有直接访问接收端内存的权限,这个过程我们在前文介绍过。
  • 发送端 RDMA 使用者 (SMC-R 内核协议栈) 向 SQ 中 post SWQE。与 SEND 不同的是,RDMA WRITE 的 SWQE 中不仅包含数据在本地的内存地址和长度,还包含数据即将存放在接收端的内存地址,以及访问接收端内存所需的 r_key。发送端 RNIC 根据 SWQE 中记录的信息将数据传输到接收端。

接收端 RNIC 核实数据包中的 r_key,将数据存放到指定内存地址中。此时的接收端 RDMA 使用者并不知道数据已经被写入内存。由于 RDMA WRITE 操作不需要接收端 RDMA 使用者参与,因此非常适合大量数据的直接写入。不过,由于接收端并不知晓数据到来,发送端写入数据后需要通过 SEND 操作发送控制消息通知接收端。在 SMC-R 中,这种控制消息称为 Connection Data Control (CDC) 消息。CDC 消息中包含 RMB 相关控制信息用以同步数据读写。

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(表/CDC 消息主要内容)

在系列文章的第一篇中我们提到,SMC-R 名称中的“共享内存”指的是接收端的 RMB。结合上述的 RDMA WRITE 操作与 CDC 消息,SMC-R 的共享内存通信流程可以总结为:系列解读 SMC-R (二):融合 TCP 与 RDMA 的 SMC-R 通信-开源基础软件社区

(图/共享内存通信细节)

  • 发送端的数据通过 socket 接口,由应用缓冲区拷贝至内核 sndbuf 中 (图中未画出 sndbuf)
  • 协议栈通过 RDMA WRITE 单边操作将数据写入接收端 RMB 中
  • 发送端通过 SEND 双边操作发送 CDC 消息告知接收端有新的数据到来
  • 接收端从 RMB 中拷贝数据至应用缓冲区
  • 接收端通过 SEND 双边操作发送 CDC 消息告知发送端 RMB 中部分数据已被使用

2.6 连接关闭与资源销毁
结束数据传输后,主动关闭方发起 SMC-R 连接关闭流程。与 TCP 相似,SMC-R 连接也存在半关闭/全关闭状态。断开的 SMC-R 连接与 Link (Group) 解绑,相关的 sndbuf 与 RMB 也将被回收到内存池中,等待复用。同时,与 SMC-R 连接关联的 TCP 连接也进入关闭流程,最终释放。

若 Link (Group) 中不再存在活跃的 SMC-R 连接,则等待一段时间后 (Linux 实现中为 10 mins) 进入Link (Group) 销毁流程。销毁 Link (Group) 将释放与之相关的所有 RDMA 资源,包括 QP、CQ、PD、MR、以及所有的 sndbuf 与 RMB。Link (Group) 销毁后,再次创建 SMC-R 连接则需要重新经历 first contact 流程。

三、总结
本篇作为 SMC-R 系列文章的第二篇,以 first contact 场景为例,介绍了完整的 SMC-R 通信流程。包括:通过 TCP 握手确认对端 SMC-R 能力;使用 TCP 连接传递 CLC 消息,交换 RDMA 资源、创建 RDMA 链路、建立 SMC-R 连接;通过 RDMA SEND 操作发送 LLC 消息验证 Link 可用;基于 Link 使用 RDMA WRITE 传输应用程序数据,并利用 CDC 消息同步 RMB 中数据变化;关闭 SMC-R、TCP 连接,销毁 RDMA 资源等一系列过程。

上述过程充分体现了 SMC-R 的 "hybrid" 特点。SMC-R 既利用了 TCP 的通用性 ,如通过 TCP 连接确认对端能力,建立 SMC-R 连接与 RDMA 链路;又利用了 RDMA 的高性能 ,如通过 Link 传输应用程序数据流量。正因为如此,SMC-R 能够在兼容现有 TCP/IP 生态系统关键功能的同时为 TCP 应用提供透明无感的网络性能提升。

参考说明:
[1] https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc7609

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已于2022-5-6 08:57:14修改
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