RDMA (Remote Direct Memory Access，远程直接内存访问) 架构可在高性能计算 (HPC) 环境中实现计算节点 (CN) 之间的高效数据传输。RDMA over Converged Ethernet version 2 (RoCEv2)利用路由IP Fabric作为RDMA消息的传输网络。由于 RDMA 数据包流的性质，传输网络必须提供无损、低延迟的数据包传输。RoCEv2 解决方案在传输层使用 UDP，不处理由网络拥塞（交换机或接收计算节点上的缓冲区溢出）引起的丢包。为了避免缓冲区溢出问题，优先流量控制 (PFC) 和显式拥塞通知 (ECN) 被用作信令机制，通过请求更低的数据包传输速率来对缓冲区阈值违规做出反应。
首先让我们简单看一下示例计算节点。图1中客户端和服务器 CN 都配备了一个GPU。GPU 有一个单接口的网卡 (NIC)。此外，GPU 具有设备内存单元，它可以绕过 CPU与这些单元直接连接。在现实生活中，一个CN 可能有多个 GPU，每个 GPU 都有多个内存单元。CN 内的 GPU 间通信通过高速 NVLink 进行。与远程 CN 的连接通过网卡进行，网卡至少有一个高速上行链路端口/接口。
图1还展示了堆叠式细粒度 3D DRAM (FG-DRAM) 解决方案的基本思路。在我们的示例中，有四个垂直互连的 DRAM 芯片，每个芯片分为 8个 Bank。每个 Bank 包含四个内存阵列，每个阵列由包含内存单元（晶体管）的行和列组成。FG-DRAM 支持跨 DRAM 分组为 Rank，从而增加内存容量和带宽。
下面将介绍客户端计算节点想要将数据从其设备内存写入服务器计算节点的设备内存时所需的流程和操作，并讨论无损 IP Fabric 的设计模型和要求。
RDMA 流程概述
下面将重点介绍示例应用将数据从客户端计算节点 (CCN) 的设备内存写入服务器计算节点 (SCN) 的设备内存时所涉及的过程，共分为四步：1) 内存分配和注册、2) 创建队列对、3) 连接启动、 4) 从 CCN 和 SCN 的角度进行的写入操作。
内存分配和注册
首先，我们分配一个保护域 (PD)。你可以将 PD 视为 IP 网络中的租户。它能够为你的对象创建专用的私有环境，类似于传统网络中的虚拟路由和转发 (VRF) 实例，其中“对象”是 IP 地址和路由表。分配 PD 后，我们从物理设备内存中分配一个内存块并进行注册。在内存注册过程中定义内存块的大小并设置其访问权限。在示例中，我们将 CCN 中已注册内存的访问权限设置为本地读取，将 SCN 中的访问权限设置为远程写入。接下来，我们将已注册的设备内存空间与 PD 关联起来。
注意，分配的物理内存可能不是连续的；因此，注册过程会创建一个虚拟的连续内存块。这些过程的结果是，我们会收到一个本地内存访问密钥，即 L_Key。当我们为 RDMA 写入操作注册内存并为其分配远程写入访问权限时，我们会收到一个远程内存密钥，即 R_Key。这就是SCN 的情况。R_Key 通过管理连接发送到 CCN。在此阶段，两个节点都已注册了与 PD 关联的设备内存。此外，还生成了 L_Keys 和 R_Keys。
创建队列对
工作队列 (WQ) 是 NIC 和设备内存之间的双向虚拟通信通道。WQ 由两个队列组成：发送队列（用于 RDMA 发送和写入操作）和接收队列（用于接收操作）。队列对 (QP) 由这两个队列组成。完成队列 (CQ) 用于通知应用程序 RDMA 操作的完成状态。每个 QP 都分配有一个服务类型，它定义了连接的服务级别（可靠或不可靠）和类型（连接：点对点或数据报：点对多点）。在示例中，我们使用可靠连接 (RC)。
创建队列对时，我们将其与注册的虚拟内存块关联的同一 PD 绑定。我们还将发送和接收队列绑定到相同或不同的完成队列。接下来，我们设置 QP 的服务类型。在 QP 创建过程中，还要定义发送和接收工作请求的最大数量及其最大消息大小。
要在计算节点之间建立通信通道，CCN 和 SCN 的 NIC 端口必须属于同一分区。NIC 的每个端口都充当 RDMA 域中的端点。每个端口都有一个分区密钥 (P_Key) 表，其中至少有一个 P_Key。创建队列对后，我们从特定端口查询 P_Key，将 QP 状态设置为 INIT（初始化），并设置 P_Key 值。CCN 在连接启动过程中将 P_Key 发送到连接请求中的 SCN。CCN 在每个 RDMA 消息中包含 P_Key，接收节点验证数据报中的 P_Key 是否与目标 QP 的 P_Key 匹配。
你可以将 P_Key 视为队列对的虚拟连接标识符，类似于 VXLAN 标头中的 VXLAN 网络标识符 (VNI) 标识 VXLAN 段的方式。在示例中，CCN 上的 QP 标识为 0x12345678，与其关联的 P_Key 为 0x8012。
RDMA 连接启动
在此阶段，CCN 上的应用程序通过向 SCN 上的应用程序发送通信请求 (REQ) 消息来启动连接初始化。REQ 消息包括本地通信标识符 (LID) 和通道适配器的全局唯一标识符 (Local CA GUID)。Local CA GUID 标识 NIC，Local Communication ID标识 NIC 上的端口。REQ 消息还携带本地 QP 编号 (0x12345678)、QP 服务类型 (可靠连接)、起始数据包序列号 (PSN: 0x000abc)、P_Key 值 (0x8012) 和有效负载大小 (1024)。
SCN 的 Reply 消息描述了本地和远程通信 ID、QP 编号和 PSN。CCN 使用 Ready to Use (RTU) 消息响应 Reply 消息。在连接初始化过程中，QP 状态从 INIT 转换为 Ready to Send 和 Ready to Receive 状态。连接启动后，CCN 上的应用程序可以启动 RDMA 写入进程。
工作请求消息
成功启动连接后，CCN 上的应用程序可以开始 RDMA 写入操作。它创建一个工作请求 (WR)，并将其作为工作请求实体 (WRE) 发布到分配的 QP 的发送队列。WRE 包含以下信息：
工作请求标识符：标识 WR，并充当完成队列中的指针，当 WR 已被处理时向应用程序发出信号。
- OpCode：指定操作的类型，例如本例中的 RDMA 写入。
- 本地缓冲区地址和长度：描述数据在本地设备内存中写入 SCN 内存的位置，以及数据的长度。
- 本地内存密钥（L_Key）：用于访问本地内存缓冲区。
- 发送标志：表示应通过完成队列向应用程序发出 WR 成功处理的信号。
- 远程缓冲区地址：指定 SCN 上的目标内存位置。
- 远程密钥（R_Key）：用于访问 SCN 上的远程内存缓冲区。R_Key 通过管理连接从 SCN 接收。
NIC 从发送队列中获取 Work Request，根据 WR 信息构造 Infiniband Base Transport Header（IB BTH），其中包含在连接发起过程中获取的 P_Key 和 Destination QP identifier。由于是“可靠连接”服务类型，因此 AckRequired 值设置为 Yes。
RDMA 写入操作需要 RDMA 扩展传输报头 (RETH)，其中详细说明了目标内存缓冲区、R_Key 和数据长度。IB BTH 和 RETH 报头封装在以太网/IP/UDP 报头中。UDP 报头中的目标端口 4791 表示下一个报头是 IB BTH。
数据被包裹在 Eth/IP/UDP/IB BTH/RETH 报头内并转发至 SCN。
当 SCN 收到 RDMA 写入消息时，它会检查收到的 P_Key 并分配入口端口。此外，它还会验证 R_Key，以确保它与通过管理连接发布到 CCN 的内容相匹配。完成这些验证后，NIC 将虚拟设备内存地址转换为物理内存访问，并将 RDMA 写入信息发送到 QP 的接收队列。最后，一旦 RDMA 写入操作完成，应用程序就会通过完成队列收到作业已完成的通知。
