摘  要： 為了使InfiniBand（簡稱IB）網(wǎng)絡(luò)和萬兆以太網(wǎng)這兩種高速互連網(wǎng)絡(luò)相互融合，實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信，本文對10GE-InfiniBand網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究設(shè)計，采用Ethernet-over-InfiniBand（EoIB）協(xié)議并結(jié)合管道網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思想，將萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文以達(dá)到在IB網(wǎng)絡(luò)中傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的目的，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)之間的無縫融合。

　　關(guān)鍵詞： InfiniBand；萬兆以太網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；Ethernet-over-InfiniBand

0 引言

　　IB（InfiniBand）網(wǎng)絡(luò)由于其低延遲、高帶寬以及低處理開銷的特點得到越來越多的認(rèn)可，采用IB技術(shù)進(jìn)行互連的高性能計算系統(tǒng)所占的比例逐年上升。萬兆以太網(wǎng)比千兆以太網(wǎng)具有更大的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。隨著高速傳輸技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用，人們開始考慮將這兩種高速互連網(wǎng)絡(luò)融合在一起，結(jié)合它們的優(yōu)點設(shè)計一個性能優(yōu)越的I/O網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但是由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在不同的協(xié)議之上，數(shù)據(jù)格式不同，不能直接進(jìn)行傳輸，因此如何完成數(shù)據(jù)交換就成為無法回避的問題。本文針對IB網(wǎng)絡(luò)和萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式的特點，對10GE-InfiniBand網(wǎng)關(guān)平臺進(jìn)行了研究和設(shè)計，使IB網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報文和萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀可以相互轉(zhuǎn)換，從而將兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來。

1 萬兆以太網(wǎng)和IB網(wǎng)絡(luò)簡介

　　1.1 IB網(wǎng)絡(luò)

　　IB規(guī)范定義了用于服務(wù)器、儲存設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)互連的輸入/輸出架構(gòu)，具有高帶寬、低時延的特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、高性能計算集群以及不同規(guī)模的嵌入式應(yīng)用中，目前已經(jīng)成為主流的高速互連網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。圖1是IB網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)。

　　由圖1可知，IB網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)主要由交換機(jī)（Switch）、主機(jī)信道適配器（Host Channel Adapters，HCA）、目標(biāo)信道適配器（Target Channel Adapters，TCA）和路由器（Router）構(gòu)成，這些設(shè)備一起完成系統(tǒng)通信的功能[2]。

　　（1）HCA和TCA可以提供一個端到端的可靠連接。

　?。?）交換機(jī)是將數(shù)據(jù)包從一個鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到同一個子網(wǎng)的另一個鏈路中的設(shè)備。

　　（3）路由器用于連接IB子網(wǎng)，在子網(wǎng)間傳輸數(shù)據(jù)包。

　　1.2 萬兆以太網(wǎng)

　　萬兆以太網(wǎng)是最新的以太網(wǎng)技術(shù)，可以提供高達(dá)10 Gbit/s的傳輸速度，傳輸距離增大到40 km，適用范圍大大拓寬。它基本繼承了原有的以太網(wǎng)模型，保留了802.3的以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)。不同于以往的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，萬兆以太網(wǎng)僅僅定義了點到點的全雙工鏈路，并且沒有前幾代以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中的帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）機(jī)制[3]。

　　雖然萬兆以太網(wǎng)是最新的以太網(wǎng)技術(shù)，具有最快的以太網(wǎng)速度，延遲也比較低，但是并不能滿足網(wǎng)格計算和集群系統(tǒng)對延遲的要求。IB網(wǎng)絡(luò)低延遲和高帶寬的優(yōu)勢使其廣泛應(yīng)用于高速系統(tǒng)互連領(lǐng)域[4]。

2 EoIB的實現(xiàn)原理

　　該網(wǎng)關(guān)平臺采用了管道的設(shè)計思想。管道是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合中的一種常用技術(shù)。一種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包要在另一種網(wǎng)絡(luò)上傳輸，需要將該數(shù)據(jù)包封裝到可以被另一種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所能理解的數(shù)據(jù)包中，傳輸?shù)浇邮斩撕螅鳈C(jī)進(jìn)行解封裝，將數(shù)據(jù)分組恢復(fù)成原來的格式。在Ethernet-over-InfiniBand（EoIB）的網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，由于IB網(wǎng)絡(luò)無法識別萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式，根據(jù)管道網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思想，為了實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在IB網(wǎng)絡(luò)上傳輸，應(yīng)先將以太網(wǎng)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文，以IB報文的形式在IB網(wǎng)絡(luò)中傳輸，在接收端將IB報文恢復(fù)成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，從而高效地將萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包和IB的數(shù)據(jù)包進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合。

　　EoIB協(xié)議是虛擬協(xié)議互連（Virtual Protocol Interconnect，VPI）技術(shù)的一部分，VPI技術(shù)可以實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、IB網(wǎng)絡(luò)、光纖通道（Fiber Channel，F(xiàn)C）網(wǎng)絡(luò)的融合，使得在單一網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行多種協(xié)議成為可能。EoIB協(xié)議的實現(xiàn)原理是：為了在IB鏈路上傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，需要在IB網(wǎng)絡(luò)的端口將IB網(wǎng)卡虛擬成萬兆以太網(wǎng)卡，將整個以太網(wǎng)二層數(shù)據(jù)包和有效負(fù)載封裝到IB數(shù)據(jù)包中，這樣就繞過了TCP/IP協(xié)議，利用IB的高帶寬優(yōu)勢在IB的網(wǎng)卡上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議[5]。

　　根據(jù)EoIB協(xié)議設(shè)計的EoIB網(wǎng)關(guān)在IB網(wǎng)絡(luò)和萬兆以太網(wǎng)之間搭建起一座橋梁，實現(xiàn)了這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。如圖2所示。

　　2.1 EoIB局域網(wǎng)模型

　　EoIB局域網(wǎng)模型如圖3所示。

　　此局域網(wǎng)中包含兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)：IB網(wǎng)絡(luò)和萬兆以太網(wǎng)[6]。為了實現(xiàn)這兩種格式的數(shù)據(jù)分組之間的交換，需要兩個主要組件。

　?。?）EoIB網(wǎng)關(guān)。EoIB網(wǎng)關(guān)的主要作用是完成數(shù)據(jù)包在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)不同協(xié)議之間的交互通信，管理控制整個EoIB體系結(jié)構(gòu)。EoIB網(wǎng)關(guān)分別連接著IB網(wǎng)絡(luò)和萬兆以太網(wǎng)，因此網(wǎng)關(guān)有兩種端口：連接IB網(wǎng)絡(luò)的IB端口以及連接萬兆以太網(wǎng)的以太網(wǎng)端口。EoIB網(wǎng)關(guān)將從以太網(wǎng)端口到達(dá)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文，而對從IB端口到達(dá)的IB數(shù)據(jù)報文解封裝，還原成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀。

　　（2）EoIB主機(jī)驅(qū)動。在IB網(wǎng)絡(luò)端口之上是虛擬萬兆以太網(wǎng)端口（虛擬端口，vPort），并為主機(jī)的上層應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)應(yīng)用接口（虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡，vNic），以便在IB鏈路上承載萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)分組。每一臺主機(jī)可以具有多個虛擬端口（vPort），虛擬網(wǎng)絡(luò)接口卡（vNic）直接連接到虛擬端口上。這樣，遵循以太網(wǎng)協(xié)議的軟件能夠在EoIB驅(qū)動上正常運(yùn)行。

　　EoIB將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝成可以被IB網(wǎng)絡(luò)理解的IB數(shù)據(jù)報文，從而實現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分組在不兼容的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中進(jìn)行傳輸[7]。數(shù)據(jù)的封裝與解封裝示意圖如圖4所示。

　　2.2 EoIB地址映射機(jī)制

　　每一種網(wǎng)絡(luò)都有自己的編址方案和數(shù)據(jù)幀格式，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包是無法直接進(jìn)行傳輸?shù)?。因此在EoIB機(jī)制中就存在一個地址映射的問題。萬兆以太網(wǎng)的2層數(shù)據(jù)幀由MAC地址（48 bit）標(biāo)識，而IB網(wǎng)絡(luò)的2層數(shù)據(jù)包由本地ID（Local Identifier，LID）標(biāo)識，為了讓IB網(wǎng)絡(luò)理解萬兆以太網(wǎng)的編址方式，需要將以太網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換為IB網(wǎng)絡(luò)所能理解的數(shù)據(jù)鏈路層地址。為此，可以將以太網(wǎng)幀封裝到IB鏈路層地址的幀中，以IB報文的形式在IB網(wǎng)絡(luò)中傳輸。一種EoIB地址映射方案是在IB主機(jī)和網(wǎng)關(guān)中各存儲一張地址轉(zhuǎn)換表，表中記錄IB地址和MAC地址之間的對應(yīng)關(guān)系[8]。EoIB地址映射表如圖5所示。

　　由圖5可以看出，EoIB地址映射處理機(jī)制包含兩張關(guān)系映射表：ARP表存儲MAC地址和IP地址之間的映射關(guān)系；轉(zhuǎn)換表存儲IB主機(jī)的LID地址和虛擬MAC地址之間的映射關(guān)系。

　　通過ARP表可以將協(xié)議地址（IP地址）解析成硬件地址（MAC地址）。地址轉(zhuǎn)換表包括三個部分：IB主機(jī)的虛擬以太網(wǎng)2層地址和對應(yīng)的LID地址，網(wǎng)關(guān)LID地址，以及IB廣播地址。

　　EoIB網(wǎng)關(guān)上只保留了轉(zhuǎn)換表，用于處理虛擬MAC地址和IB主機(jī)的LID地址之間的映射。但I(xiàn)B主機(jī)同時保留ARP表和轉(zhuǎn)換表，完成兩種映射關(guān)系的處理。當(dāng)IB主機(jī)需要和另一臺主機(jī)通信時，首先查找ARP表，根據(jù)目標(biāo)IP地址得到目標(biāo)MAC地址，然后再查找轉(zhuǎn)換表，根據(jù)MAC地址得到IB主機(jī)的LID地址。這個過程對應(yīng)了IB主機(jī)上數(shù)據(jù)幀的封裝過程。

　　2.3 EoIB的管理控制協(xié)議

　　通過以上的分析可知，轉(zhuǎn)換表是實現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)和IB網(wǎng)絡(luò)交互的關(guān)鍵因素，它的生成和維護(hù)是局域網(wǎng)的主要工作。當(dāng)網(wǎng)關(guān)啟動之后，由網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建一張轉(zhuǎn)換表用來記錄EoIB的地址映射信息。創(chuàng)建完成后將轉(zhuǎn)換表復(fù)制到該局域網(wǎng)內(nèi)的所有主機(jī)。當(dāng)有新的主機(jī)加入局域網(wǎng)或者有主機(jī)退出局域網(wǎng)時，網(wǎng)關(guān)要負(fù)責(zé)更新轉(zhuǎn)換表，之后發(fā)送廣播消息，通知局域網(wǎng)內(nèi)的主機(jī)更新最新的轉(zhuǎn)換表。轉(zhuǎn)換表的生成和維護(hù)依賴于EoIB網(wǎng)關(guān)和主機(jī)的交互過程[9]，如圖6所示。

　　主機(jī)與EoIB網(wǎng)點交互的具體過程如下：（1）新的主機(jī)請求加入局域網(wǎng)。（2）EoIB網(wǎng)關(guān)接收請求并向主機(jī)返回一個確認(rèn)字符ACK。（3）網(wǎng)關(guān)為新加入的主機(jī)生成一個虛擬的MAC地址。（4）網(wǎng)關(guān)更新轉(zhuǎn)換表，把新加入主機(jī)對應(yīng)的映射信息加入到轉(zhuǎn)換表中。（5）轉(zhuǎn)換表更新完成以后，網(wǎng)關(guān)向局域網(wǎng)中的主機(jī)廣播更新信息。（6）新加入的主機(jī)向網(wǎng)關(guān)請求完整的轉(zhuǎn)換表。（7）EoIB網(wǎng)關(guān)向局域網(wǎng)內(nèi)的所有主機(jī)廣播更新后的轉(zhuǎn)換表。（8）為了使轉(zhuǎn)換表得到及時更新，所有主機(jī)應(yīng)周期性地發(fā)送狀態(tài)信息給網(wǎng)關(guān)。這樣就完成了主機(jī)與網(wǎng)關(guān)的交互。

3 結(jié)束語

　　本文基于EoIB協(xié)議，根據(jù)管道網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思想從理論上設(shè)計研究了10GE-InfiniBand網(wǎng)關(guān)，分析了在網(wǎng)關(guān)設(shè)計過程中需要解決的幾個問題，對實際的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。10GE-InfiniBand網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)系統(tǒng)外部10GE以太網(wǎng)和內(nèi)部IB網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，并且由于端口虛擬化技術(shù)使得無需對應(yīng)用進(jìn)行更改，從而將兩種高速系統(tǒng)連接技術(shù)融合在一起，提升了系統(tǒng)的I/O性能。

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