InfiniBand，到底是個啥？

對于InfiniBand，很多搞數(shù)通的同學(xué)肯定不會陌生。

進入21世紀(jì)以來，隨著云計算、大數(shù)據(jù)的不斷普及，數(shù)據(jù)中心獲得了高速發(fā)展。而InfiniBand，就是數(shù)據(jù)中心里的一項關(guān)鍵技術(shù)，地位極為重要。

尤其是今年以來，以ChatGPT為代表的AI大模型強勢崛起，更是讓InfiniBand的關(guān)注熱度大漲。因為，GPT們所使用的網(wǎng)絡(luò)，就是英偉達(dá)公司基于InfiniBand構(gòu)建的。

那么，InfiniBand到底是什么技術(shù)？它為什么會倍受追捧？人們經(jīng)常討論的“InfiniBand與以太網(wǎng)”之爭，又是怎么回事？

今天這篇文章，就讓小棗君來逐一解答。

█ InfiniBand的發(fā)展歷程

InfiniBand（簡稱IB），是一種能力很強的通信技術(shù)協(xié)議。它的英文直譯過來，就是“無限帶寬”。

Infiniband的誕生故事，還要從計算機的架構(gòu)講起。

大家都知道，現(xiàn)代意義上的數(shù)字計算機，從誕生之日起，一直都是采用的馮·諾依曼架構(gòu)。在這個架構(gòu)中，有CPU（運算器、控制器）、存儲器（內(nèi)存、硬盤），還有I/O（輸入/輸出）設(shè)備。

上世紀(jì)90年代早期，為了支持越來越多的外部設(shè)備，英特爾公司率先在標(biāo)準(zhǔn)PC架構(gòu)中引入PCI（Peripheral Component Interconnect，外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）總線設(shè)計。

PCI總線，其實就是一條通道。

不久后，互聯(lián)網(wǎng)進入高速發(fā)展階段。線上業(yè)務(wù)和用戶規(guī)模的不斷增加，給IT系統(tǒng)的承載能力帶來了很大挑戰(zhàn)。

當(dāng)時，在摩爾定律的加持下，CPU、內(nèi)存、硬盤等部件都在快速升級。而PCI總線，升級速度緩慢，大大限制了I/O性能，成為整個系統(tǒng)的瓶頸。

為了解決這個問題，英特爾、微軟、SUN公司主導(dǎo)開發(fā)了“Next Generation I/O（NGIO）”技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。而IBM、康柏以及惠普公司，則主導(dǎo)開發(fā)的“Future I/O（FIO）”。IBM這三家公司，還合力搞出了PCI-X標(biāo)準(zhǔn)（1998年）。

1999年，F(xiàn)IO Developers Forum和NGIO Forum進行了合并，創(chuàng)立了InfiniBand貿(mào)易協(xié)會（InfiniBand Trade Association，IBTA）。

很快，2000年，InfiniBand架構(gòu)規(guī)范的1.0版本正式發(fā)布了。

簡單來說，InfiniBand的誕生目的，就是為了取代PCI總線。它引入了RDMA協(xié)議，具有更低的延遲，更大的帶寬，更高的可靠性，可以實現(xiàn)更強大的I/O性能。（技術(shù)細(xì)節(jié)，后文會詳細(xì)介紹。）

說到InfiniBand，有一家公司我們是必須提到的，那就是大名鼎鼎的Mellanox。

1999年5月，幾名從英特爾公司和伽利略技術(shù)公司離職的員工，在以色列創(chuàng)立了一家芯片公司，將其命名為Mellanox。

Mellanox公司成立后，就加入了NGIO。后來，NGIO和FIO合并，Mellanox隨之加入了InfiniBand陣營。2001年，他們推出了自己的首款I(lǐng)nfiniBand產(chǎn)品。

2002年，InfiniBand陣營突遭巨變。

這一年，英特爾公司“臨陣脫逃”，決定轉(zhuǎn)向開發(fā)PCI Express（也就是PCIe，2004年推出）。而另一家巨頭微軟，也退出了InfiniBand的開發(fā)。

盡管SUN和日立等公司仍選擇堅持，但I(xiàn)nfiniBand的發(fā)展已然蒙上了陰影。

2003年開始，InfiniBand轉(zhuǎn)向了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，那就是計算機集群互聯(lián)。

這一年，美國弗吉尼亞理工學(xué)院創(chuàng)建了一個基于InfiniBand技術(shù)的集群，在當(dāng)時的TOP500（全球超級計算機500強）測試中排名第三。

2004年，另一個重要的InfiniBand非盈利組織誕生——OFA（Open Fabrics Alliance，開放Fabrics聯(lián)盟）。

OFA和IBTA是配合關(guān)系。IBTA主要負(fù)責(zé)開發(fā)、維護和增強Infiniband協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；OFA負(fù)責(zé)開發(fā)和維護Infiniband協(xié)議和上層應(yīng)用API。

2005年，InfiniBand又找到了一個新場景——存儲設(shè)備的連接。

老一輩網(wǎng)工一定記得，當(dāng)年InfiniBand和FC（Fibre Channel，光纖通道）是非常時髦的SAN（Storage Area Network，存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)。小棗君初次接觸InfiniBand，就是在這個時候。

再后來，InfiniBand技術(shù)逐漸深入人心，開始有了越來越多的用戶，市場占比也不斷提升。

到了2009年，在TOP500榜單中，已經(jīng)有181個采用了InfiniBand技術(shù)。（當(dāng)然，千兆以太網(wǎng)當(dāng)時仍然是主流，占了259個。）

在InfiniBand逐漸崛起的過程中，Mellanox也在不斷壯大，逐漸成為了InfiniBand市場的領(lǐng)導(dǎo)者。

2010年，Mellanox和Voltaire公司合并，InfiniBand主要供應(yīng)商只剩下Mellanox和QLogic。不久后，2012年，英特爾公司出資收購了QLogic的InfiniBand技術(shù)，返回到InfiniBand的競爭賽道。

2012年之后，隨著高性能計算（HPC）需求的不斷增長，InfiniBand技術(shù)繼續(xù)高歌猛進，市場份額不斷提升。

2015年，InfiniBand技術(shù)在TOP500榜單中的占比首次超過了50%，達(dá)到51.4%（257套）。

這標(biāo)志著InfiniBand技術(shù)首次實現(xiàn)了對以太網(wǎng)（Ethernet）技術(shù)的逆襲。InfiniBand 成為超級計算機最首選的內(nèi)部連接技術(shù)。

2013年，Mellanox相繼收購了硅光子技術(shù)公司Kotura和并行光互連芯片廠商IPtronics，進一步完善了自身產(chǎn)業(yè)布局。2015年，Mellanox在全球InfiniBand市場上的占有率達(dá)到80%。他們的業(yè)務(wù)范圍，已經(jīng)從芯片逐步延伸到網(wǎng)卡、交換機/網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)和線纜及模塊全領(lǐng)域，成為世界級網(wǎng)絡(luò)提供商。

面對InfiniBand的趕超，以太網(wǎng)也沒有坐以待斃。

2010年4月，IBTA發(fā)布了RoCE（RDMA over Converged Ethernet，基于融合以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程直接內(nèi)存訪問），將InfiniBand中的RDMA技術(shù)“移植”到了以太網(wǎng)。2014年，他們又提出更加成熟的RoCE v2。

有了RoCE v2，以太網(wǎng)大幅縮小了和InfiniBand之間的技術(shù)性能差距，結(jié)合本身固有的成本和兼容性優(yōu)勢，又開始反殺回來。

大家通過下面這張圖，可以看出從2007年到2021年的TOP500榜單技術(shù)占比。

如圖所示，2015年開始，25G及更高速率的以太網(wǎng)（圖中深綠色的線）崛起，迅速成為行業(yè)新寵，一度壓制住了InfiniBand。

2019年，英偉達(dá)（Nvidia）公司豪擲69億美元，擊敗對手英特爾和微軟（分別出價60億和55億美元），成功收購了Mellanox。

對于收購原因，英偉達(dá)CEO黃仁勛是這么解釋的：

“這是兩家全球領(lǐng)先高性能計算公司的結(jié)合，我們專注于加速計算（accelerated computing），而Mellanox專注于互聯(lián)和存儲?！?/p>

現(xiàn)在看來，老黃的決策是非常有遠(yuǎn)見的。

正如大家所見，AIGC大模型崛起，整個社會對高性能計算和智能計算的需求井噴。

想要支撐如此龐大的算力需求，必須依賴于高性能計算集群。而InfiniBand，在性能上是高性能計算集群的最佳選擇。

將自家的GPU算力優(yōu)勢與Mellanox的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢相結(jié)合，就等于打造了一個強大的“算力引擎”。在算力基礎(chǔ)設(shè)施上，英偉達(dá)毫無疑問占據(jù)了領(lǐng)先優(yōu)勢。

如今，在高性能網(wǎng)絡(luò)的競爭上，就是InfiniBand和高速以太網(wǎng)的纏斗。雙方勢均力敵。不差錢的廠商，更多會選擇InfiniBand。而追求性價比的，則會更傾向高速以太網(wǎng)。

剩下還有一些技術(shù)，例如IBM的BlueGene、Cray，還有Intel的OmniPath，基本屬于第二陣營了。

█ InfiniBand的技術(shù)原理

介紹完InfiniBand的發(fā)展歷程，接下來，我們再看看它的工作原理。為什么它會比傳統(tǒng)以太網(wǎng)更強。它的低時延和高性能，究竟是如何實現(xiàn)的。

起家本領(lǐng)——RDMA

前文提到，InfiniBand最突出的一個優(yōu)勢，就是率先引入RDMA（Remote Direct Memory Access，遠(yuǎn)程直接數(shù)據(jù)存取）協(xié)議。

在傳統(tǒng)TCP/IP中，來自網(wǎng)卡的數(shù)據(jù)，先拷貝到核心內(nèi)存，然后再拷貝到應(yīng)用存儲空間，或從應(yīng)用空間將數(shù)據(jù)拷貝到核心內(nèi)存，再經(jīng)由網(wǎng)卡發(fā)送到Internet。

這種I/O操作方式，需要經(jīng)過核心內(nèi)存的轉(zhuǎn)換。它增加了數(shù)據(jù)流傳輸路徑的長度，增加了CPU的負(fù)擔(dān)，也增加了傳輸延遲。

傳統(tǒng)模式?VS?RDMA模式

RDMA相當(dāng)于是一個“消滅中間商”的技術(shù)。

RDMA的內(nèi)核旁路機制，允許應(yīng)用與網(wǎng)卡之間的直接數(shù)據(jù)讀寫，將服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時延降低到接近1us。

同時，RDMA的內(nèi)存零拷貝機制，允許接收端直接從發(fā)送端的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，繞開了核心內(nèi)存的參與，極大地減少了CPU的負(fù)擔(dān)，提升CPU的效率。

如前文所說，InfiniBand之所以能迅速崛起，RDMA居功至偉。

InfiniBand的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

InfiniBand的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>結(jié)構(gòu)示意，如下圖所示：

· HCA（Host Channel Adapter，主機通道適配器）

· TCA（Target Channel Adapter，目標(biāo)通道適配器）

· InfiniBand link（連接通道，可以是電纜或光纖，也可以是板上鏈路）

· InfiniBand交換機和路由器（組網(wǎng)用的）

通道適配器就是搭建InfiniBand通道用的。所有傳輸均以通道適配器開始或結(jié)束，以確保安全或在給定的QoS（服務(wù)質(zhì)量）級別下工作。

使用InfiniBand的系統(tǒng)可以由多個子網(wǎng)（Subnet）組成，每個子網(wǎng)最大可由6萬多個節(jié)點組成。子網(wǎng)內(nèi)部，InfiniBand交換機進行二層處理。子網(wǎng)之間，使用路由器或網(wǎng)橋進行連接。

InfiniBand組網(wǎng)示例

InfiniBand的二層處理過程非常簡單，每個InfiniBand子網(wǎng)都會設(shè)一個子網(wǎng)管理器，生成16位的LID（本地標(biāo)識符）。InfiniBand交換機包含多個InfiniBand端口，并根據(jù)第二層本地路由標(biāo)頭中包含的LID，將數(shù)據(jù)包從其中一個端口轉(zhuǎn)發(fā)到另一個端口。除管理數(shù)據(jù)包外，交換機不會消耗或生成數(shù)據(jù)包。

簡單的處理過程，加上自有的Cut-Through技術(shù)，InfiniBand將轉(zhuǎn)發(fā)時延大幅降低至100ns以下，明顯快于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機。

在InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)同樣以數(shù)據(jù)包（最大4KB）的形式傳輸，采用的是串行方式。

InfiniBand的協(xié)議棧

InfiniBand協(xié)議同樣采用了分層結(jié)構(gòu)。各層相互獨立，下層為上層提供服務(wù)。如下圖所示：

其中，物理層定義了在線路上如何將比特信號組成符號，然后再組成幀、數(shù)據(jù)符號以及包之間的數(shù)據(jù)填充等，詳細(xì)說明了構(gòu)建有效包的信令協(xié)議等。

鏈路層定義了數(shù)據(jù)包的格式以及數(shù)據(jù)包操作的協(xié)議，如流控、 路由選擇、編碼、解碼等。

網(wǎng)絡(luò)層通過在數(shù)據(jù)包上添加一個40字節(jié)的全局的路由報頭（Global Route Header, GRH）來進行路由的選擇，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。

在轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，路由器僅僅進行可變的CRC校驗，這樣就保證了端到端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

Infiniband報文封裝格式

傳輸層再將數(shù)據(jù)包傳送到某個指定的隊列偶（Queue Pair, QP）中，并指示QP如何處理該數(shù)據(jù)包。

可以看出，InfiniBand擁有自己定義的1-4層格式，是一個完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。端到端流量控制，是InfiniBand網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收的基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)無損網(wǎng)絡(luò)。

說到QP（隊列偶），我們需要多提幾句。它是RDMA技術(shù)中通信的基本單元。

隊列偶就是一對隊列，SQ（Send Queue，發(fā)送工作隊列）和RQ（Receive Queue，接收工作隊列）。用戶調(diào)用API發(fā)送接收數(shù)據(jù)的時候，實際上是將數(shù)據(jù)放入QP當(dāng)中，然后以輪詢的方式，將QP中的請求一條條的處理。

InfiniBand的鏈路速率

InfiniBand鏈路可以用銅纜或光纜，針對不同的連接場景，需使用專用的InfiniBand線纜。

InfiniBand在物理層定義了多種鏈路速度，例如1X，4X，12X。每個單獨的鏈路是四線串行差分連接（每個方向兩根線）。

以早期的SDR（單數(shù)據(jù)速率）規(guī)范為例，1X鏈路的原始信號帶寬為2.5Gbps，4X鏈路是10Gbps，12X鏈路是30Gbps。

1X鏈路的實際數(shù)據(jù)帶寬為2.0Gbps（因為采用8b/10b編碼）。由于鏈路是雙向的，因此相對于總線的總帶寬是4Gbps。

隨著時間的推移，InfiniBand的網(wǎng)絡(luò)帶寬不斷升級，從早期的SDR、DDR、QDR、FDR、EDR、HDR，一路升級到NDR、XDR、GDR。如下圖所示：

英偉達(dá)最新的Quantum-2平臺好像采用的是NDR 400G

具體速率和編碼方式

InfiniBand的商用產(chǎn)品

最后，我們再來看看市面上的InfiniBand商用產(chǎn)品。

英偉達(dá)收購Mellanox之后，于2021年推出了自己的第七代NVIDIA?InfiniBand架構(gòu)——NVIDIA Quantum-2。

NVIDIA?Quantum-2平臺包括：NVIDIA Quantum-2 系列交換機、NVIDIA ConnectX-7 InfiniBand 適配器、BlueField-3 InfiniBand DPU，以及相關(guān)的軟件。

NVIDIA Quantum-2 系列交換機采用緊湊型1U設(shè)計，包括風(fēng)冷和液冷版本。交換機的芯片制程工藝為7nm，單芯片擁有570億個晶體管（比A100 GPU還多）。采用64個400Gbps端口或128個200Gbps端口的靈活搭配，提供總計51.2Tbps的雙向吞吐量。

NVIDIA ConnectX-7 InfiniBand 適配器，支持PCIe Gen4和Gen5，具有多種外形規(guī)格，可提供400Gbps的單或雙網(wǎng)絡(luò)端口。

█ 結(jié)語

根據(jù)行業(yè)機構(gòu)的預(yù)測，到2029年，InfiniBand的市場規(guī)模將達(dá)到983.7億美元，相比2021年的66.6億美元，增長14.7倍。預(yù)測期內(nèi)（2021-2029）的復(fù)合年增長率，為 40%。

在高性能計算和人工智能計算的強力推動下，InfiniBand的發(fā)展前景令人期待。

究竟它和以太網(wǎng)誰能笑到最后，就讓時間來告訴我們答案吧！