10G以太网触角多
发布时间:2006-10-14 3:55:56   收集提供:gaoqian
陈代寿


  10G以太网的出现,使得以前一些针对以太网的概念需要重新认识,

  存储、高性能计算网络都有可能被10G以太网征服,

  高性能通信将有一个新的开端。

  

  万兆以太网的出现,使得以前一些针对以太网的概念需要重新认识,高性能通信将有一个新的替代品。

  传统上,存储系统和高性能计算系统都采用私有或专用协议(如光纤信息道或Infiniband)进行互联。Infiniband及光纤信道互联技术的引入,使高性能网络(典型的具备高吞吐率和低时延)成为现实。但这类网络一般应用环境有限,因为与以太网相比,配置成本过高,使一般机构望而却步。

  广为运用的以太网技术就不一样了,如今以太网速率已达千兆,10G以太网也已走上前台。以太网已能满足高性能应用对网络吞吐率的要求,单10G端口或多千兆端口以太网的数据速率已达到了PCI总线的水平。

  最近,链路聚合这个概念被炒得很热,它可运用于工作组或数据中心,进行网络通信、数据存储以及高性能计算。目前针对链路聚合的集成应用开发正紧密锣鼓进行。链路聚合设计理念为针对性能敏感应用,运行于以太网TCP/IP。它将以太网技术带入了数据中心,与专用协议联姻,成就高性能应用,既有以太网的成本优势又有IP网的运营优势。

  而且,最新的物理层技术如CX-4(10G标准)和具备电子色散补偿的多模光纤的推出,使10G收发器的价格大大降低。高性能以太网技术成就了集群市场应用,人们甚至在考虑10G家庭组网的可能。

  以太网技术的弱项

  具备高吞吐率和成本优势,以太网技术能否进入曾经是专用协议接口的领地,是人们一直在考虑的问题。以太网技术要跟高性能网络应用挂钩,主要解决的问题是应用吞吐率。通常情况下,系统持续在主机CPU中处理以太网通信,这需要腾出专门的CPU资源(以前一些特定的优先计算采用数学协处理器或图形协处理器)。CPU速率会制约网络数据率;而且,按照“摩尔定律”,持续处理这类通信会导致CPU性能降级;对多端口千兆或单端口10G以太网,这类问题会变得更为严重。

  经研究发现,制约网络速率的因素主要在两方面:应用通信强度和主机CPU在内核与应用存储器间处理数据的效率。要达到特定的性能级别,需要追加主机CPU资源,配置高效的软件并增强系统负荷管理。如此一来,以太网的低投入、低运营成本优势就难以体现。

  新协议解决性能问题

  为充分发挥万兆以太网的性能优势,必须解决应用性能问题。系统不能以软件方式持续处理以太网通信;主机CPU资源必须释放专注于应用处理。业界最初的解决方案是采用TCP/IP负荷减轻引擎(TOE)。TOE方案能提供系统性能,但协议处理不强;它能使TCP通信更快速,但还达不到高性能网络应用的要求。

  解决这类问题的关键,是要消除主机CPU中不必要的频繁数据传输,减少系统间的信息延迟。总的来说,需要从三方面入手:协议、软件和硬件。

  协议方面,新协议(主要是TCP/IP)要能承载以太网通信,并适应高性能应用。如基于TCP/IP用于远程直接存储接入(RDMA)的iWARP协议,以及基于TCP/IP的块存储协议iSCSI。iWARP由IETF负责开发,是实现以太网高性能应用的关键协议;RDMA技术能将数据从一个系统快速移动到远程系统存储器中,而不对操作系统造成任何影响;它消除了外部存储器复制和文本交换操作,因而能腾出总线空间和CPU周期用于改进应用系统性能。

  RDMA对以太网来说还是“新生事物”,但以不同形式存在已有十多年时间,它是Infiniband技术的基础。其中iWARP/RDMA是一类基本构造块;此外还有iSER,它是用于RDMA的iSCSI扩展,充分利用了RDMA的功能。

  软件部分负责协议功能实现。缺乏应用是造成很多新技术夭折的主要原因,将Infiniband等新技术引入传统的以太网,是RDMA的独到之处。

  产业标准API(应用程序接口)使RDMA从技术走向实现成为可能。其中包括用于低时延消息处理、成就高性能计算的MPI(消息通过接口),以及DAPL(直接接入供应库)。后者包括两部分:KDAPL和UDAPL,分别用于内核和用户(应用程序)。Linux支持KDAPL,其它操作系统将来也有可能支持。RDMA在高性能计算环境广为采纳,在商务应用领域很少,但如今大多应用程序都能直接支持操作系统,透过操作系统(如NFS)间接利用RDMA技术的优势是完全可能的。

  硬件为一类协处理器,它协助主机CPU充分实现新协议及API功能。协处理器担当的任务是,提供全面的传输协议负荷处理功能,负责iWARP、iSCSI或iSER这类高层协议处理。给协处理器如此功能定位是一个全新的理念,这是因为融入了“以太网”的概念。事实上,Infiniband和光纤信息道技术都采用了专用处理器,用于减轻主机CPU在协议处理和执行直接数据传送时的负荷。

  由于是完整实现以太网通信的协处理器,因而可将其称为“高级以太网处理器”或“下一代以太网控制器”,这类协议处理器通过标准API实现内核与用户应用间的接口处理。

  如今这类高级以太网处理器已存在于部分智能NIC(或称为集成NIC)中,且实现成本越来越低。可以预料,随着技术的不断发展,它最终将集成到主板中。

  发展前景

  以太网成就高性能网络应用,本身速率和实现成本都不是问题,关键是协议、API和硬件功能实现。如今一些顶级系统开发商、操作系统及设备厂商正合力将这一理想变成现实。以太网技术涉入高性能企业应用,将完美体现其通用性和高性能。


----《中国计算机报》
 
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