分布式块存储 ZBS 的自主研发之旅｜数据同步协议 RDMA
作者：深耕行业的 SmartX 金融团队
背景
上一篇 “分布式块存储 ZBS 的自主研发之旅｜架构篇” 文章中，我们简单介绍了 SmartX 分布式块存储 ZBS 的架构原理。接下来，我们将为读者深入解析 ZBS 存储中最为重要的技术之一“RDMA”。
目前 ZBS 在两个层面会使用到 RDMA 技术，分别是存储接入网络和存储内部数据同步网络。为了使读者更加容易理解，以及更有针对性地做存储性能对比，特通过两篇独立的文章分别进行介绍。本期，我们将聚焦 RDMA 远程内存直接访问技术，并结合 ZBS 内部存储数据同步进行详细的展开（ZBS 支持 RDMA 能力，也是在存储内部数据同步中最先实现）。
ZBS 存储内部数据同步
分布式存储系统与集中存储最重要的区别之一就是架构实现。分布式架构要保证数据的存储一致性和可靠性，就必须依赖网络进行数据同步。这里举一个例子，一个由 3 节点（A/B/C）组成的 ZBS 存储集群，数据采用两副本保护（数据存储两份，放置在不同的物理节点），假设数据分别存放在节点 A 和节点 B 上，当数据发生修改，ZBS 分布式存储必须完成对节点 A 和 B 的数据修改再返回确认。在这个过程中，A 和 B 节点同步数据修改，所使用的网络，即是存储网络。
通过例子，相信读者已经理解，数据同步效率对于分布式存储的性能表现有着非常大的影响，是分布式存储性能优化的重要方向之一，也是本篇文章重点讨论的内容。
图 1：分布式存储数据同步网络
在目前常规的工作负载需求下，ZBS 存储网络通常使用 10GbE 以太网交换机和服务器网卡配置，采用标准 TCP/IP 作为网络传输协议。但对于高带宽和低延时的业务工作负载，这样的配置明显会成为内部存储数据同步的性能瓶颈。同时，为了发挥新型的高速存储介质（例如 NVMe 磁盘）更强劲的 I/O 性能，采用 RDMA 技术并结合 25GbE 或更高的网络规格，是满足业务端更高的存储性能诉求的更优选择。
TCP/IP
通过软件定义实现的分布式存储，基于通用标准的硬件构建，是其有别于传统存储的重要的特点之一。多年以来，ZBS 使用 TCP/IP 网络协议栈作为存储内部通信方式，优势是具备与现有以太网最大的兼容性，同时满足绝大多数客户的业务工作负载需求。但 TCP/IP 网络通信逐渐不能适应更高性能计算的业务诉求，其主要限制有以下两点：
TCP/IP 协议栈处理带来的时延
TCP 协议栈在接收/发送数据报文时，系统内核需要做多次上下文切换，这个动作无疑将增加传输时延。另外在数据传输过程中，还需要多次数据复制和依赖 CPU 进行协议封装处理，这就导致仅仅是协议栈处理就带来数十微秒的时延。
TCP 协议栈处理导致服务器更高的 CPU 消耗
除了时延问题，TCP/IP 网络需要主机 CPU 多次参与到协议栈的内存复制。分布式存储网络规模越大，网络带宽要求越高，CPU 收发数据时的处理负担也就越大，导致 CPU 资源的更高消耗（对于超融合架构，是非常不友好的）。
图 2：TCP/IP Socket 通信
RDMA
RDMA 是 Remote Direct Memory Access 的缩写。其中 DMA 是指设备直接读写内存技术（无需经过 CPU）。
图 3：DMA
RDMA 技术的出现，为降低 TCP/IP 网络传输时延和 CPU 资源消耗，提供了一种全新且高效的解决思路。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，最终达到高带宽、低时延和低 CPU 资源占用的效果。
目前实现 RDMA 的方案有如下 3 种：
图 4：RDMA 实现方案 （图片来源：SNIA）
InfiniBand（IB）是一种提供了 RDMA 功能的全栈架构，包含了编程接口、二到四层协议、网卡接口和交换机等一整套 RDMA 解决方案。InfiniBand 的编程接口也是 RDMA 编程接口的事实标准，RoCE 和 iWARP 都使用 InfiniBand 的接口进行编程。
RoCE（RDMA over Converged Ethernet）和 iWARP（常被解释为 Internet Wide Area RDMA Protocol，这并不准确，RDMA Consortium 专门做出解释 iWARP 并不是缩写），两个技术都是将 InfiniBand 的编程接口封装在以太网进行传输的方案实现。RoCE 分为两个版本，RoCEv1 包含了网络层和传输层的协议，所以不支持路由（更像是过渡协议，应用并不多）；RoCEv2 基于 UDP/IP 协议，具有可路由能力。iWARP 是构建于 TCP 协议之上的。
跟 RoCE 协议继承自 Infiniband 不同，iWARP 本身不是直接从 Infiniband 发展而来的。Infiniband 和 RoCE 协议都是基于“Infiniband Architecture Specification”，也就是常说的“IB 规范”。而 iWARP 是自成一派，遵循着一套 IETF 设计的协议标准。虽然遵循着不同的标准，但是 iWARP 的设计思想受到了很多 Infiniband 的影响，并且目前使用同一套编程接口（Verbs*）。这三种协议在概念层面并没有差异。
RDMA 需要设备厂商（网卡和交换机）的生态支持，主流网络厂家的协议支持能力如下：
Infiniband 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。这对于通用标准化的分布式存储场景并不友好，在 ZBS 选择时首先被排除掉。
对于 RoCE 和 iWARP 选择上，虽然 RoCE 在数据重传和拥塞控制上受到 UDP 协议自身的限制，需要无损网络的环境支持，但在综合生态、协议效率和复杂度等多方面因素评估下，SmartX 更加看好 RoCE 未来的发展，在极致的性能诉求下，RoCE 也会比 iWARP 具有更强的潜力。当前 ZBS 存储内部数据同步网络采用的是 RoCEv2 的 RDMA 技术路线。
图 5：ZBS RDMA RoCEv2
性能验证数据
为了使测试数据有更直观的对比性（RDMA vs TCP/IP），将控制测试环境严格一致性，包括硬件配置、系统版本以及相关软件版本，唯一变量仅为开启/关闭存储内部数据同步 RDMA 能力，基于此，测试集群在两种状态下的性能表现。
环境信息
存储集群，由 3 节点组成，安装 SMTX OS 5.0，分层存储结构，所有存储节点的硬件配置相同，节点环境信息如下：
性能数据
在相同的测试环境和测试方法下，分别使用 RDMA 和 TCP/IP 协议进行性能验证。为了更好地观测读写 I/O 跨节点的性能表现（ZBS 分布式存储默认具有数据本地化特点，对读 I/O 模型有明显优化作用），本次测试基于 Data Channel 平面（ZBS 内部的 RPC 通道，用于节点间收发数请求）。本测试仅用于评估网络性能差异，I/O 读写操作并不落盘。
性能对比数据
测试结论
通过以上基准测试数据，可以看出，相同软硬件环境以及测试方法下，使用 RDMA 作为存储内部数据同步协议，可以取得更优的 I/O 性能输出。其表现为更高的 4K 随机 IOPS 和更低的延时，以及在 256K 顺序读写场景，充分释放网络带宽（25GbE）条件，提供更高的数据吞吐表现。
总结
通过本篇文章的理论介绍和客观的性能测试数据，希望读者能够对于 RDMA 协议有了更加全面的了解。RDMA 对于数据跨网络通信性能的优化，已经应用于很多企业场景中，分布式存储作为其中一个重要场景，借助 RDMA 实现了存储内部数据同步效率的提升，进而为更高工作负载需求的业务应用提供了更好的存储性能表现。
参考文章：
1. RDMA over Converged Ethernet. Wikipedia.
https://en.wikipedia.org/wiki/RDMA_over_Converged_Ethernet
2. How Ethernet RDMA Protocols iWARP and RoCE Support NVMe over Fabrics.
https://www.snia.org/sites/default/files/ESF/How_Ethernet_RDMA_Protocols_Support_NVMe_over_Fabrics_Final.pdf
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