10G以太网触角多

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》