系列解讀 SMC-R (二)：融合 TCP 與 RDMA 的 SMC-R 通訊 | 龍蜥技術

文/龍蜥社群高效能網路SIG

透過上一篇文章 《 系列解讀SMC-R：透明無感提升雲上 TCP 應用網路效能（一）》我們瞭解到，RDMA  相對於 TCP 具有旁路軟體協議棧、解除安裝網路工作到硬體的特點，能有效增加網路頻寬、降低網路時延與 CPU 負載。而核心網路協議 SMC-R  在利用 RDMA 技術的同時、又進一步完美相容了 socket 介面，能夠透明無感的為 TCP 應用帶來網路效能提升。因此，龍蜥社群高效能網路  SIG 認為 SMC-R 將成為下一代資料中心核心協議的重要組成，對其進行了大量最佳化，並積極將這些最佳化回饋到上游 Linux 社群。

本篇文章作為 SMC-R 系列的第二篇，將聚焦一次完整的 SMC-R 通訊流程。透過具體的建連、傳輸、銷燬過程，使讀者進一步體會到 SMC-R 是一個融合了通用 TCP 與高效能 RDMA 的 "hybrid" 解決方案。

如前篇所述，使用  SMC-R 協議有兩種方法。其一，是在應用程式中顯式建立 AF_SMC 族的 socket；其二，是利用 LD_PRELOAD 或 ULP +  eBPF 的方式透明的將應用程式中的 AF_INET 族 socket 替換為 AF_SMC 族 socket。我們預設使用 SMC-R  通訊的節點已經載入了 SMC 核心模組，並透過上述方式將應用程式執行在 SMC-R 協議上。接下來， 我們以 first contact  (通訊兩端建立首個連線) 場景為例，介紹 SMC-R 通訊流程。

2.1 確認對端能力

使用  SMC-R 通訊時，我們首先需要確認對端是否同樣支援 SMC-R 協議。因此，SMC-R 協議棧為應用程式建立 SMC 型別 socket  (smc socket) 的同時，還會在核心建立並維護一個與之關聯的 TCP 型別 socket (clcsock)，並基於 clcsock  與對端建立起 TCP 連線。

（圖/TCP 握手確認對端 SMC-R 能力）

（圖/smc-tools 觀測回退現象）

2.3 建立SMC-R 連線

若在 TCP 握手中，兩端均表示支援 SMC-R，則進入 SMC-R 建連流程。SMC-R 連線的建立依賴 TCP 連線傳遞控制訊息，這種控制訊息被稱為 Connection Layer Control (CLC) 訊息。

（圖/使用 CLC 訊息建立 SMC-R 連線）

CLC  訊息的主要職責是同步通訊兩端的 RDMA 資源以及共享記憶體等資訊。使用 CLC 訊息建立 SMC-R 連線的過程與 SSL 握手類似，主要包含  Proposal、Accept、Decline、Confirm 等語義。在建連過程中，若遇到不可恢復的異常 (如 RDMA 資源失效)  導致後續 SMC-R 通訊無法繼續，也將觸發前文所述的協議回退流程。

（圖/SMC-R 握手過程[1]）

First contact 場景下，由於通訊兩端首次接觸，兩者間尚不存在使用 RDMA 通訊的條件。所以，在建立首個 SMC-R 連線時，還將建立 SMC-R 通訊所需的 RDMA 資源，建立 RDMA 鏈路，申請 RDMA 記憶體。

SMC-R 建連初期，兩端根據應用程式傳遞的  IP 地址在本地尋找可用 (如相同 Pnet ID) 的 RDMA 裝置，並基於找到的裝置建立必要的 RDMA 資源，包括 Queue  Pair (QP)，Completion Queue (CQ)，Memory Region (MR)，Protect Domain (PD)  等等。

其中，QP 與 CQ 是 RDMA 通訊的基礎，提供了一套 RDMA 使用者 (如 SMC 核心協議棧) 與 RDMA 裝置 (RNIC) 之間的非同步通訊機制。

QP 本質是存放工作任務  (Work Request, WR) 的工作佇列 (Work Queue, WQ)。負責傳送任務的 WQ 稱為 Send Queue  (SQ)，負責接收任務的 WQ 稱為 Receive Queue (RQ)，兩者總是成對出現，稱為 QP。使用者將希望 RNIC  完成的任務打包為工作佇列元素 (Work Queue Element, WQE)，post 到 QP 中。RNIC 從 QP 中取出  WQE，完成 WQE 中定義的工作。

CQ 本質是存放工作完成資訊  (Work Completion, WC) 的佇列。RNIC 完成 WR 後，將完成資訊打包為完成佇列元素 (Completion Queue  Element, CQE) 放入 CQ 中。使用者從 CQ 中 poll 出 CQE，獲悉 RNIC 已經完成某個 WR。

（圖/）RDMA 工作佇列模型）

通訊兩端將已建立的  RDMA 資源透過 CLC 訊息同步到對端，進而在兩端之間建立起基於 RC (Reliable Connection) QP 的 RDMA  鏈路。SMC-R 中將這種點對點邏輯上的 RDMA 鏈路稱為 SMC-R Link。一條 SMC-R Link 承載著多條 SMC-R  連線的資料流量。

（圖/SMC Link）

若通訊節點之間存在不止一對可用的 RNIC，則會建立不止一條 Link。這些 Link 在邏輯上組成一個小組，稱為 SMC-R Link Group。

（圖/SMC-R Link Group）

在  Linux 實現中，每個 Link Group 具備 1-3 條 Link，最多承載 255 條 SMC-R 連線。這些連線被均衡的關聯到  Link Group 的某一 Link 上。應用程式透過 SMC-R 連線傳送的資料將由關聯的 Link (也即 RDMA 鏈路) 傳輸。

同一個  Link Group 中，所有的 Link 互相“平等”。這個“平等”體現在同一 Link Group 中的 Link 具備訪問 Group  中所有 SMC-R 連線收發緩衝區 (下文提到的 sndbuf 與 RMB) 的許可權，具備承載任意 SMC-R 連線資料流的能力。因此，當某一  Link 失效時 (如 RNIC down)，關聯此 Link 的所有連線可以遷移到同 Link Group 的另一條 Link 上。這使得  SMC-R 通訊穩定可靠，具備一定的容災能力。

SMC-R  中，Link (Group) 在 first contact 時建立，在最後一條 SMC-R 連線斷開一段時間 (Linux 實現中為 10  mins) 後銷燬，具備比連線更長的生命週期。First contact 之後建立的 SMC-R 連線都將嘗試複用已有的 Link  (Group)。這樣的設計充分利用了已有的 RDMA 資源，避免了頻繁建立與銷燬帶來的額外開銷。

SMC-R 協議棧為每條 SMC-R 連線分配了獨屬的收發緩衝區：sndbuf (傳送緩衝區) 與 RMB (接收緩衝區，Remote Memory Buffer)。這是兩片地址連續，長度在 16 KB ~ 512 KB 間的核心態 ring buffer。

（圖/SMC-R 連線 ring buffer）

其中，sndbuf  用於存放連線待傳送的資料，被註冊為 DMA 記憶體。本地 RNIC 裝置可以直接訪問 sndbuf，從中取走有效負載 (payload)。而  RMB 用於存放遠端節點 RNIC 寫入的資料，即連線待接收的資料。由於需要被遠端節點訪問，因此 RMB 被註冊為 RDMA 記憶體。

註冊 RDMA 記憶體的過程稱為 Memory Registration，主要完成以下操作：

RDMA  使用者 (如本地/遠端 SMC-R 協議棧) 通常使用虛擬地址 (VA) 描述記憶體，而 RNIC 則透過實體地址 (PA) 定址。RNIC 從  WQE 或資料包中取得資料 VA 後透過查表得到 PA，進而訪問正確記憶體空間。因此 Memory Registration  首要任務就是形成目標記憶體的地址翻譯表。

現代 OS 會置換暫不使用的記憶體資料，這將導致地址翻譯表中的對映關係失效。因此，Memory Registration 會將目標記憶體 pin 住，鎖定 VA-to-PA 對映關係。

為避免記憶體非法訪問，Memory  Registration 會為目標記憶體生成兩把記憶體金鑰：Local Key (l_key) 和 Remote Key  (r_key)。記憶體金鑰實質是一串序列，本地或遠端憑藉  l_key 或 r_key 訪問 RDMA 記憶體，確保記憶體訪問合法。

SMC-R 中，遠端節點訪問本地 RMB 所需的 addr 與 r_key 被封裝為遠端訪問令牌 (Remote Token, rtoken)，透過 CLC 訊息傳遞到遠端，使其具備遠端訪問本地 RMB 的許可權。

SMC-R 連線銷燬後，對應的 sndbuf 與 RMB 將被回收到 Link Group 維護的記憶體池中，供後續新連線複用，以此減小 RDMA 記憶體建立/銷燬對建連效能的影響。

（圖/sndbuf / RMB 記憶體池）

2.4 驗證 SMC-R Link

由於 first contact 場景下新建立的 SMC-R Link 尚未經過驗證，所以在正式使用 Link 傳輸應用資料前，通訊兩端會基於 Link 傳送 Link Layer Control (LLC) 訊息，用於檢驗 Link 是否可用。

（圖/使用 LLC 訊息確認 SMC Link 可用）LLC 訊息通常為請求-回覆模式，用於傳輸 Link 層面的控制資訊，如新增/刪除/確認 Link，確認/刪除 r_key 等。

（圖/LLC 訊息請求-回覆模式）

（表/典型 LLC 訊息含義）

LLC 訊息的傳輸基於 RDMA 的 SEND 操作完成，與之相對的是後文提到的 RDMA WRITE 操作。

（圖/SEND 操作）

SEND 操作又被稱為“雙邊操作”，這是因為 SEND 操作要通訊兩端都參與進來。一次 SEND 的傳輸過程為：

透過在 Link 上收發 CONFIRM_LINK 型別的 LLC 訊息，通訊兩端確認了新建立的 Link 具備 RDMA 通訊的能力，可以用於傳輸 SMC-R 連線資料。

2.5 基於共享記憶體通訊

透過上述重重步驟，first contact 場景下 SMC-R 建連工作終於結束。接下來，應用程式將透過已建立好的 SMC-R 連線傳輸資料。

（圖/基於 RDMA 共享記憶體通訊）

應用程式下發到 SMC-R 連線中的資料由關聯的 Link 透過 RDMA WRITE 操作寫入遠端節點 RMB 中。

（圖/RDMA WRITE 操作）

與上文提到的 SEND 操作不同，RDMA WRITE 又被稱為“單邊操作”。這是因為資料傳輸只有 RDMA WRITE 發起的一方參與，而接收資料一方的 RDMA 使用者完全不參與資料傳輸，也不知曉資料的到來。一次 RDMA WRITE 操作過程如下：

由於  RDMA WRITE 操作不需要接收端 RDMA  使用者參與，因此非常適合大量資料的直接寫入。不過，由於接收端並不知曉資料到來，傳送端寫入資料後需要透過 SEND 操作傳送控制訊息通知接收端。在  SMC-R 中，這種控制訊息稱為 Connection Data Control (CDC) 訊息。CDC 訊息中包含 RMB  相關控制資訊用以同步資料讀寫。

（表/CDC 訊息主要內容）

在系列文章的第一篇中我們提到，SMC-R 名稱中的“共享記憶體”指的是接收端的 RMB。結合上述的 RDMA WRITE 操作與 CDC 訊息，SMC-R 的共享記憶體通訊流程可以總結為：

（圖/共享記憶體通訊細節）

結束資料傳輸後，主動關閉方發起  SMC-R 連線關閉流程。與 TCP 相似，SMC-R 連線也存在半關閉/全關閉狀態。斷開的 SMC-R 連線與 Link (Group)  解綁，相關的 sndbuf 與 RMB 也將被回收到記憶體池中，等待複用。同時，與 SMC-R 連線關聯的 TCP 連線也進入關閉流程，最終釋放。

若 Link (Group) 中不再存在活躍的 SMC-R 連線，則等待一段時間後 (Linux 實現中為 10 mins) 進入Link (Group) 銷燬流程。銷燬  Link (Group) 將釋放與之相關的所有 RDMA 資源，包括 QP、CQ、PD、MR、以及所有的 sndbuf 與 RMB。Link  (Group) 銷燬後，再次建立 SMC-R 連線則需要重新經歷 first contact 流程。

三、總結

本篇作為  SMC-R 系列文章的第二篇，以 first contact 場景為例，介紹了完整的 SMC-R 通訊流程。包括：透過 TCP 握手確認對端  SMC-R 能力；使用 TCP 連線傳遞 CLC 訊息，交換 RDMA 資源、建立 RDMA 鏈路、建立 SMC-R 連線；透過 RDMA  SEND 操作傳送 LLC 訊息驗證 Link 可用；基於 Link 使用 RDMA WRITE 傳輸應用程式資料，並利用 CDC 訊息同步  RMB 中資料變化；關閉 SMC-R、TCP 連線，銷燬 RDMA 資源等一系列過程。

上述過程充分體現了 SMC-R 的 "hybrid" 特點。SMC-R  既利用了 TCP 的通用性 ，如透過 TCP 連線確認對端能力，建立 SMC-R 連線與 RDMA 鏈路；又利用了 RDMA 的高效能  ，如透過 Link 傳輸應用程式資料流量。正因為如此，SMC-R 能夠在相容現有 TCP/IP 生態系統關鍵功能的同時為 TCP  應用提供透明無感的網路效能提升。

[1]連結可移步龍蜥公眾號（OpenAnolis龍蜥）2022年4月20日相同推送檢視。

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