InfiniBand（直譯為“無(wú)限帶寬”技術(shù)，縮寫為IB）是一個(gè)用于高性能計(jì)算的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，它具有極高的吞吐量和極低的延遲，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)互連。

在最新發(fā)布的全球最強(qiáng)超級(jí)計(jì)算機(jī)排名 Top500 的榜單中，InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)再次以絕對(duì)的數(shù)量和性能優(yōu)勢(shì)蟬聯(lián)超級(jí)計(jì)算機(jī)互連設(shè)備數(shù)量榜首，比上次排行榜的數(shù)量又有了大幅度的增長(zhǎng)。縱觀這次的榜單，可以歸納出以下三個(gè)趨勢(shì)：

基于InfiniBand網(wǎng)絡(luò)的超級(jí)計(jì)算機(jī)以197臺(tái)的數(shù)量大幅領(lǐng)先于其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。特別在 Top100 的系統(tǒng)中，基于 InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)的超級(jí)計(jì)算機(jī)更是遙遙領(lǐng)先，InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為了追求性能的超級(jí)計(jì)算機(jī)的標(biāo)配。

NVIDIA網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品成為Top500系統(tǒng)中的主流互連設(shè)備，其中超過(guò)三分之二的超級(jí)計(jì)算機(jī)在使用NVIDIA網(wǎng)絡(luò)互連，NVIDIA 網(wǎng)絡(luò)的性能和技術(shù)領(lǐng)先性已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。

還值得一提的是，InfiniBand網(wǎng)絡(luò)不僅在傳統(tǒng)的HPC業(yè)務(wù)，在企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中心和公有云上也已被廣泛使用。目前性能第一的企業(yè)級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)NVIDIA Selene 和微軟公司的Azure公有云都在利用InfiniBand網(wǎng)絡(luò)來(lái)發(fā)揮其超高的業(yè)務(wù)性能。

無(wú)論是數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的演進(jìn)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新、還是視覺(jué)呈現(xiàn)的升級(jí)，都是得益于更強(qiáng)大的計(jì)算、更大容量更安全的存儲(chǔ)以及更高效的網(wǎng)絡(luò)；基于InfiniBand網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的集群架構(gòu)方案，不僅可以提供更高帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載對(duì)計(jì)算資源的消耗，降低了延時(shí)，又完美地將HPC與數(shù)據(jù)中心融合。

為什么InfiniBand網(wǎng)絡(luò)在 Top500 中受到如此高的重視？其性能優(yōu)勢(shì)起到了決定性的作用。下面，納多德將InfiniBand十大優(yōu)勢(shì)總結(jié)如下：

1. 簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)管理

InfiniBand是第一個(gè)真正意義上原生按照SDN設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它由子網(wǎng)管理器來(lái)管理。

子網(wǎng)管理器對(duì)本地子網(wǎng)進(jìn)行配置并確保能連續(xù)運(yùn)行。所有的信道適配器和交換機(jī)都必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)SMA，該SMA與子網(wǎng)管理器一起實(shí)現(xiàn)對(duì)通信的處理。每個(gè)子網(wǎng)必須至少有一個(gè)子網(wǎng)管理器來(lái)進(jìn)行初始化管理以及在鏈路連接或斷開時(shí)對(duì)子網(wǎng)進(jìn)行重新配置。通過(guò)仲裁機(jī)制來(lái)選擇一個(gè)子網(wǎng)管理器作為主子網(wǎng)管理器，而其他子網(wǎng)管理器工作于待機(jī)模式(每個(gè)待機(jī)模式下的子網(wǎng)管理器都會(huì)備份此子網(wǎng)的拓?fù)湫畔?，并檢驗(yàn)此子網(wǎng)是否能夠運(yùn)行)。若主子網(wǎng)管理器發(fā)生故障，一個(gè)待機(jī)子網(wǎng)管理器接管子網(wǎng)的管理以確保不間斷運(yùn)行。

2. 高帶寬

自InfiniBand誕生以來(lái)，很長(zhǎng)一段時(shí)間InfiniBand網(wǎng)絡(luò)速率的發(fā)展都是快于Ethernet的，主要原因就是因?yàn)镮nfiniBand應(yīng)用于高性能計(jì)算中服務(wù)器之間的互連，對(duì)帶寬上的需求更高。

各個(gè)速率的縮寫如下：

SDR - Single Data Rate

DDR - Double Data Rate

QDR - Quad Data Rate

FDR - Fourteen Data Rate

EDR - Enhanced Data Rate

HDR - High Dynamic Range

NDR - Next Data Rate

XDR - eXtreme Data Rate

3.CPU offload

加速計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，是CPU卸載。InfiniBand網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以以最少的CPU資源來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這點(diǎn)是通過(guò)下面的方式來(lái)做到的：

硬件卸載整個(gè)傳輸層協(xié)議棧

Bypass內(nèi)核，zero copy

RDMA，把一個(gè)服務(wù)器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)直接寫入另一臺(tái)的內(nèi)存，不需要CPU的參與

同時(shí)可以使用GPU Direct技術(shù)，可以直接訪問(wèn)GPU內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，將GPU內(nèi)存中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)。這樣可以加速計(jì)算類的應(yīng)用，比如AI, Deep Learning等。

4.低延遲

此處主要分為兩部分進(jìn)行對(duì)比，一部分在交換機(jī)上，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸模型中的二層技術(shù)，Ethernet交換機(jī)普遍采用了MAC查表尋址和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式（有部分產(chǎn)品借鑒了InfiniBand的Cut-though技術(shù)）由于需要考慮諸如IP、MPLS、QinQ等復(fù)雜業(yè)務(wù)的處理，導(dǎo)致Ethernet交換機(jī)處理流程較長(zhǎng)，一般會(huì)在若干us（支持cut-though的會(huì)在200ns以上），而InfiniBand交換機(jī)二層處理非常簡(jiǎn)單，僅需要根據(jù)16bit的LID就可以查到轉(zhuǎn)發(fā)路徑信息，同時(shí)采用了Cut-Through技術(shù)大大縮短了轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延至100ns以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于Ethernet交換機(jī)；網(wǎng)卡層面如前所述，采用RDMA技術(shù)，網(wǎng)卡轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文不需要經(jīng)過(guò)CPU，大大加快了報(bào)文在封裝解封裝處理的時(shí)延，一般InfiniBand的網(wǎng)卡收發(fā)時(shí)延（write，send）在600ns，而基于Ethernet上的TCP UDP應(yīng)用的收發(fā)時(shí)延會(huì)在10us左右，相差十幾倍之多。

5.擴(kuò)展性和靈活性

IB網(wǎng)絡(luò)一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)就是單個(gè)子網(wǎng)可以部署一個(gè)48,000節(jié)點(diǎn)，形成一個(gè)巨大的2層網(wǎng)絡(luò)。而且IB網(wǎng)絡(luò)不依賴ARP等廣播機(jī)制，不會(huì)產(chǎn)生廣播風(fēng)暴或者額外的帶寬浪費(fèi)。

多個(gè)IB子網(wǎng)也可以通過(guò)路由器和交換機(jī)連接。

IB支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p>

規(guī)模較小時(shí)，建議選用2層fat-tree。更大規(guī)?？梢圆捎?層fat-tree的組網(wǎng)拓?fù)洹Ｒ欢ㄒ?guī)模以上，可以采用Dragonfly+的拓?fù)涔?jié)約一部分成本。

6.QoS

如果多個(gè)不同的應(yīng)用在同一個(gè)子網(wǎng)運(yùn)行，并且其中一些應(yīng)用需要比其他更高的優(yōu)先級(jí)，IB網(wǎng)絡(luò)如何提供QoS支持呢？

QoS是一種能力，可以為不同的應(yīng)用，用戶或者數(shù)據(jù)流提供不同的優(yōu)先級(jí)服務(wù)。高優(yōu)先級(jí)的應(yīng)用可以被映射到不同的端口隊(duì)列，隊(duì)列里的報(bào)文可以被優(yōu)先發(fā)送。

InfiniBand采用虛通道(VL，即Virtual Lanes)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)QoS。虛通道是一些相互分立的邏輯通信鏈路，它們共享一條物理鏈接，每條物理鏈接可支持多達(dá)15條的標(biāo)準(zhǔn)虛通道和一條管理通道(VL15)。

7.網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和彈性

理想情況下，網(wǎng)絡(luò)非常穩(wěn)定，沒(méi)有任何故障。但是長(zhǎng)期運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些故障，InfiniBand如何處理這些失敗，并且快速恢復(fù)的呢？

NVIDIA IB解決方案提供一個(gè)機(jī)制，叫做Self-Healing Networking。自愈網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)硬件能力，它基于IB交換機(jī)。自愈網(wǎng)絡(luò)可以讓鏈路故障恢復(fù)的時(shí)間僅僅需要1毫秒，比普通的恢復(fù)時(shí)間快5000x倍。

8.優(yōu)化的負(fù)載均衡

在高性能數(shù)據(jù)中心里面，一個(gè)很重要的需求，是如何提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。其中一種方法是使用負(fù)載均衡。

負(fù)載均衡是一種路由策略，它讓流量在多個(gè)可用端口上發(fā)送。

Adaptive Routing就是這樣一個(gè)特性，它可以讓流量在交換機(jī)端口上均勻的分布。AR在交換機(jī)上硬件支持，由Adaptive Routing Manager管理。

當(dāng)AR開啟，交換機(jī)上的Queue Manager會(huì)監(jiān)測(cè)所有GROUP EXIT端口的流量，均衡每個(gè)隊(duì)列的負(fù)載，把流量導(dǎo)向利用率低的端口。AR支持動(dòng)態(tài)負(fù)載均衡，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，并最大化網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。

9.網(wǎng)絡(luò)計(jì)算 - SHARP

IB交換機(jī)還支持網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的技術(shù)，SHARP – Scalable Hierarchical Aggregation and Reduction Protocol.

SHARP是一個(gè)基于交換機(jī)硬件的軟件，并且是一個(gè)集中管理的軟件包。

SHARP可以把原來(lái)在CPU和GPU上運(yùn)行的集合通信offload到交換機(jī)上，優(yōu)化集合通信，避免了節(jié)點(diǎn)間的多次數(shù)據(jù)傳輸，減少了需要在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。因此，SHARP可以極大的提升加速計(jì)算的性能，基于MPI應(yīng)用，比如AI，機(jī)器學(xué)習(xí)等等。

10.支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

InfiniBand網(wǎng)絡(luò)可以支持非常多的topo，比如：

Fat Tree

Torus

Dragonfly+

Hypercube

HyperX

支持不同的網(wǎng)絡(luò)topo，從而滿足不同的需求，比如：

易于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

降低TCO

最大化阻塞比

最小化延遲

最大化傳輸距離

Infiniband憑借著無(wú)與倫比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，極大簡(jiǎn)化了高性能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并降低了多級(jí)架構(gòu)層次造成的延時(shí)，為關(guān)鍵計(jì)算節(jié)點(diǎn)接入帶寬的平滑升級(jí)提供有力支撐。InfiniBand 網(wǎng)絡(luò)憑借其極致的性能，不斷創(chuàng)新的技術(shù)架構(gòu)，在更低功耗、更少硬件設(shè)備的前提下幫助用戶實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)性能的最大化，其進(jìn)入越來(lái)越多的使用場(chǎng)景自是大勢(shì)所趨。

納多德是NVIDIA網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的Elite Partner，攜手NVIDIA實(shí)現(xiàn)光連接+網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品與解決方案的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，尤其是在InfiniBand高性能網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與應(yīng)用加速方面擁有深刻的業(yè)務(wù)理解和豐富的項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)用戶不同的應(yīng)用場(chǎng)景，提供最優(yōu)的InfiniBand高性能交換機(jī)+智能網(wǎng)卡+AOC/DAC/光模塊產(chǎn)品組合方案，為數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能等應(yīng)用場(chǎng)景提供更具優(yōu)勢(shì)與價(jià)值的光網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和整體解決方案，以低成本和出色的性能，大幅提高客戶業(yè)務(wù)加速能力。

審核編輯黃昊宇