基于NVMe over Fabrics (NVMeoF) 和 RDMA 网络接口卡 (RNIC) 技术，在 FPGA 上实现 RDMA 扩展 NVMe 存储系统的方案。文中涵盖了 NVMeoF 和 RNIC 的 IP 源代码解析、参考设计工程、上位机软件及计算机驱动的开发。具体来说，文章首先解释了 NVMeoF 和 RNIC 的基本概念和技术背景，接着深入探讨了 IP 源代码的设计与实现，包括配置和初始化驱动程序、处理网络数据包和连接的协议栈。然后，文章描述了一个完整的参考设计工程，涉及硬件设计、固件开发和软件架构。此外，还讨论了上位机软件的功能需求，如配置管理、性能监控和用户界面设计，以及计算机驱动程序的关键特性，如设备初始化、数据传输和异常处理。最后，文章强调了 RoCE 技术在连接多个 SSD 终端时的作用，形成了一个高性能的存储网络。 适合人群：从事存储系统开发的技术人员，尤其是对 NVMe、RDMA 和 FPGA 技术感兴趣的工程师。 使用场景及目标：① 数据中心高性能计算和大数据处理环境；② 需要构建高效、低延迟存储网络的企业级应用场景。 其他说明：本文不仅提供了理论指导，还包含了具体的实现细节和代码解析，有助于读者深入了解并实际应用这一先进技术。

内容概要：本文详细介绍了利用FPGA实现基于NVMe-over-Fabrics (NVMe-oF) 和远程直接内存访问 (RDMA) 技术的高性能分布式SSD存储系统的全过程。首先，文章探讨了NVMe-oF协议栈在FPGA上的具体实现方式，包括NVMe控制器、RoCEv2协议栈和自定义DMA引擎的设计与集成。接着，深入讲解了Linux内核驱动程序的开发细节，特别是针对NVMe和RDMA子系统的特殊处理。此外，还分享了一些性能优化技巧，如多描述符模式、预取控制器的应用以及动态调整MTU大小的方法。最后，通过实际测试数据验证了该方案的有效性和优越性，证明其能够显著提高数据传输速率并减少延迟。 适合人群：对FPGA开发、NVMe-oF协议、RDMA技术和高性能存储系统感兴趣的硬件工程师、研究人员和技术爱好者。 使用场景及目标：适用于构建低延迟、高带宽的分布式存储系统，特别是在数据中心、云计算平台和边缘计算环境中。主要目标是通过硬件加速手段大幅提升多块SSD组成的存储阵列的整体性能。 其他说明：文中提供了大量代码片段作为参考，并附有GitHub链接供读者获取完整开源项目。同时提到了一些实用的调试工具和方法，帮助开发者更好地理解和解决可能出现的问题。

### 知识点详解 #### 一、Swift拥塞控制算法概述 - **核心思想**：Swift拥塞控制算法由谷歌公司开发，旨在通过端到端的延迟目标来实现数据中心内的高效流量管理。该算法利用了加减法（AIMD）控制机制，在极端拥堵情况下采用速率限制（pacing），确保网络传输的高效性与稳定性。 - **应用场景**：Swift特别适用于数据中心内部网络环境，能够有效地应对大规模数据处理和传输任务。 #### 二、AIMD控制机制及其在Swift中的应用 - **AIMD机制简介**：AIMD（Additive Increase Multiplicative Decrease）是一种常用的拥塞控制策略，其核心在于增加时采用加法的方式逐步提升发送速率，而在检测到拥塞时则采用乘法的方式快速降低发送速率。 - **Swift中的AIMD应用**：Swift利用AIMD机制动态调整发送速率，当网络负载较低时，逐渐增加发送速率；一旦检测到网络拥塞，则迅速减少发送速率，从而有效避免网络拥堵。 #### 三、Swift算法的关键技术 1. **准确的RTT测量**：RTT（Round-Trip Time）是指数据包从发送方发出到接收方接收到确认信号所需的时间。Swift通过对RTT的精确测量，可以更准确地评估当前网络状况，进而合理调整发送速率。 2. **合理的延迟目标设定**：Swift通过设置合理的端到端延迟目标，使得算法能够在不同网络条件下保持良好的性能表现。 3. **极端拥堵情况下的速率限制**：在极端拥堵的情况下，Swift采用速率限制技术（pacing）来缓解网络压力，确保服务质量和用户体验不受太大影响。 #### 四、Swift算法的实际表现 - **短RPC响应时间**：在大规模测试环境下，Swift能够将短RPC（Remote Procedure Call）的尾部延迟降低至50微秒以下，同时几乎不丢包，且每台服务器可维持约100Gbps的吞吐量。 - **生产环境表现**：在多个不同的生产集群中，Swift能够持续提供极低的短RPC完成时间，并为长RPC提供高吞吐量。与DCTCP协议相比，Swift的丢包率至少低10倍，并且在处理大量并发请求时表现更优。 #### 五、Swift与DCTCP的对比分析 - **丢包率**：Swift的丢包率远低于DCTCP，这表明Swift在处理网络拥塞方面更为有效。 - **并发处理能力**：Swift在处理大规模并发请求时的表现优于DCTCP，特别是在面对O(10k)级别的并发时，Swift能够更好地维持服务质量。 - **资源隔离性**：Swift提供了更好的性能隔离特性，即使在网络负载接近100%的情况下，也能够保持良好的尾部延迟表现。 #### 六、Swift算法的优势总结 - **简单易用**：Swift的设计非常简洁，易于部署和维护，这有助于数据中心运营商更好地应对运营挑战。 - **分解性好**：Swift算法能够轻松地将延迟分解为主机和网络部分，方便问题定位和优化。 - **适应性强**：随着数据中心的发展变化，Swift作为拥塞信号的部署和维护工作变得十分便捷。 - **高性能**：Swift能够在提供高吞吐量的同时，保持极低的尾部延迟，特别适合对延迟敏感的应用场景。 #### 七、Swift在RDMA环境中的应用潜力 - **RDMA（Remote Direct Memory Access）**：作为一种高速网络技术，RDMA允许数据直接在两台机器之间进行内存访问而无需CPU干预，极大地提高了数据传输效率。 - **Swift与RDMA结合的可能性**：考虑到Swift在数据中心网络中表现出色的性能，它与RDMA技术相结合有望进一步提高数据传输速度和效率，尤其在高性能计算、云计算等领域具有广阔的应用前景。 ### 结论 Swift拥塞控制算法是谷歌公司在数据中心网络管理领域的一项重要成果。通过精准的RTT测量、合理的延迟目标设定以及极端拥堵情况下的速率限制等关键技术，Swift能够在保证高吞吐量的同时，实现极低的尾部延迟。与传统拥塞控制协议如DCTCP相比，Swift展现出了更低的丢包率和更好的并发处理能力，对于现代数据中心来说是一项重要的技术创新。

NFS（Network File System）是一种分布式文件系统协议，允许网络上的计算机共享文件和存储资源。在NFS中，RDMA（Remote Direct Memory Access）技术的引入显著提升了性能，特别是对于大数据传输和I/O密集型应用而言。RDMA允许数据直接在远程系统的内存和本地系统之间传输，无需经过操作系统内核，减少了CPU的参与，从而降低了延迟并提高了吞吐量。 NFS/RDMA ONC Transport是针对Linux内核NFS实现的一项重要改进，它将RDMA技术与ONC（Open Network Computing）RPC（Remote Procedure Call）传输结合。ONC RPC是一种用于进程间通信的标准协议，常用于分布式系统，尤其是文件系统。通过使用RDMA ONC Transport，NFS客户端和服务器之间的通信可以更高效、更低延迟地进行，这对于大规模的集群环境和高性能计算至关重要。 在这个开源项目中，RDMA ONC Transport被设计为Linux内核的一部分，这意味着它已经经过了严格的测试和优化，以确保其稳定性和兼容性。此外，该项目遵循双重许可模式，即GPL（GNU General Public License）和BSD许可证。GPL是一种 copyleft 许可证，要求任何派生作品也必须开源，而BSD许可证则相对宽松，允许商业使用，但通常要求保留原始作者的版权信息。 压缩包文件"nfsrdma20061129"可能包含了该项目在2006年11月29日的源代码版本。这些源代码可能包括驱动程序、内核模块、用户空间工具以及其他相关文档，供开发者研究、定制或集成到自己的系统中。对于希望深入了解NFS和RDMA技术的开发者，这个压缩包提供了一个宝贵的起点，可以查看代码实现，理解其工作原理，并可能进行二次开发。 通过这个开源项目，开发者能够获得以下关键知识点： 1. NFS协议：学习如何实现NFS协议，包括其操作和数据结构。 2. RDMA技术：理解RDMA的工作原理，以及如何将其应用于文件系统传输。 3. ONC RPC：探索RPC机制在分布式系统中的应用，了解ONC RPC如何增强NFS性能。 4. Linux内核开发：了解内核模块的设计和实现，以及如何与内核交互。 5. 开源许可证：学习如何处理和遵守GPL和BSD这两种开源许可证。 6. 性能优化：研究如何通过RDMA优化NFS的性能，特别是在高带宽和低延迟环境中的应用。 NFS/RDMA ONC Transport是一个创新的开源项目，它展示了如何利用先进的硬件技术如RDMA提升分布式文件系统的性能，同时提供了丰富的学习材料，帮助开发者深入理解相关领域的技术细节。

《InfiniBand（IB）协议详解》 InfiniBand（IB）协议是一种高性能的、基于交换架构的互连技术，广泛应用于数据中心、高性能计算和存储领域。该技术最初由InfiniBand Trade Association（IBTA）制定，旨在提供低延迟、高带宽的数据传输。"IB Specification Vol 1-Release-1.4.pdf"是关于InfiniBand协议的详细规范文档，包含了协议的最新版本，即1.4版。 InfiniBand协议的核心在于其灵活的架构和先进的通信机制，其中RDMA（Remote Direct Memory Access）是其显著特征之一。RDMA允许数据直接在系统内存间传输，而无需经过操作系统内核，极大地减少了CPU的负担，提高了数据传输效率。这一特性使得InfiniBand在大数据处理和云计算环境中表现出色。 InfiniBand协议分为几个主要部分： 1. **基础架构**：InfiniBand架构由通道适配器（CA）、交换机（Switch）和物理链路组成。CA是连接到服务器或设备的接口，交换机则负责将数据包路由到正确的目标，物理链路则通过光纤或铜线进行数据传输。 2. **传输层**：包括RC（Reliable Connection）和UD（Unreliable Datagram）两种模式。RC提供面向连接、可靠的传输服务，适合于需要保证数据完整性的应用；UD则是无连接的，适合于低延迟、高吞吐量的应用。 3. **队列对（Queue Pair,QP）**：每个连接由一对队列构成，一个发送队列和一个接收队列，用于管理数据的发送和接收。 4. **verbs（ verbs）**：是InfiniBand编程模型的一部分，提供了一组API，允许应用程序直接控制网络操作，如发送、接收和管理队列对等。 5. **Service Level Agreement (SLA)**：InfiniBand支持多种服务质量级别，可以根据不同的应用需求设定优先级，确保关键任务的执行。 6. **错误检测与恢复**：协议包含了强大的错误检测和恢复机制，如CRC校验和路径恢复机制，保证了网络的稳定性和可靠性。 7. **Port and LID**：每个InfiniBand设备都有一个端口（Port）和逻辑标识符（LID），用于网络中的地址定位。 8. **RoCE (RDMA over Converged Ethernet)**：为了兼容以太网环境，InfiniBand引入了RoCE，允许在标准以太网上实现RDMA功能。 通过深入理解《InfiniBand协议 Vol 1-Release-1.4.pdf》这份文档，开发者和系统管理员可以更好地掌握InfiniBand技术，设计和优化高效的数据中心解决方案。它涵盖了协议的各个方面，包括协议格式、传输协议、队列管理、错误处理以及系统管理和配置等，是学习和实施InfiniBand技术的重要参考资料。

Infiniband Specification Vol 1-Release-1.4相关资料 （免积分） 内容包含 IB Specification Vol 1-Release-1.4-2020-04-07.pdf IB Specification Vol 2-Release-1.4-2020-04-07.pdf

This document is an annex to Volume 1 release 1.2.1 of the InfiniBand Architecture, herein referred to as the base specification. This annex is Optional Normative, meaning that implementation of the feature described by this annex is Optional, but if present, the implementation must comply with the compliance statements contained within this annex. This specification follows the spirit of the RoCE Annex (Annex A16 to the base specification) in defining a new InfiniBand protocol variant that uses an IP network layer (with an IP header instead of InfiniBand‘s GRH) thus allowing IP routing of its packets.

Octopus: an RDMA-enabled Distributed Persistent Memory File System

rdma-core-35.0.tar.gz

IB Specification Vol 1-Release-1.4 ib协议2020版本