InfiniBand网络：探究其特性、组件与优势

InfiniBand是一种开放标准，旨在实现CPU/GPU服务器、存储服务器以及其他设备之间的高性能连接。本文将深入探讨InfiniBand网络的基本要素，包括其结构组成、核心功能以及相较于传统以太网解决方案的优势。

什么是InfiniBand？

InfiniBand是一种面向工业应用的开放标准，它定义了一种高速网络，用于互连服务器、存储设备等多种硬件设施。通过采用点对点双向链接技术，InfiniBand使得位于不同服务器上的处理器能够实现无缝通信。同时，InfiniBand兼容多种操作系统，如Linux、Windows和ESXi等。

InfiniBand网络的结构组件

一个InfiniBand网络由以下组件构成：

主机通道适配器（HCA）

HCA，也称为网络接口卡，作为连接至InfiniBand网络的端节点存在。它负责传输层功能，并支持 verbs 接口，该接口为InfiniBand设备提供了编程接口。 InfiniBand与以太网网关/桥接器

InfiniBand to Ethernet Gateway/Bridge

此类设备能够实现InfiniBand和以太网消息之间的转换，在必要时允许InfiniBand网络与以太网网络之间进行通信。

InfiniBand交换机

InfiniBand交换机负责在InfiniBand网络之间转发消息，从而实现连接设备间高效的数据传输。

子网管理器（SM）

子网管理器负责管理InfiniBand子网。它可以运行在主机上、交换机上，或者与统一结构管理器（Unified Fabric Manager, UFM）一同部署，以实现全面的管理功能。

InfiniBand路由器

InfiniBand路由器则有助于不同InfiniBand子网之间的消息传输。

InfiniBand的核心特性

• 子网管理器（SM）： 子网管理器程序确保了集中化的路由管理，从而在全网络节点上实现即插即用功能。每个子网需要一个主SM，而其他SM则处于备用模式。

• GPU Direct： GPU Direct允许GPU之间直接进行数据传输，减少延迟并提升性能，特别是在基于GPU的计算中尤为显著。NVIDIA GPU还支持计算任务卸载。

• 低延迟：InfiniBand通过硬件卸载和加速机制实现了极低的延迟。其交换机中的直通转发模式可将传输延迟降低至130ns以内。RDMA（远程直接内存访问）技术进一步降低了端到端传输延迟。

• 网络可扩展性：通过使用InfiniBand路由器，InfiniBand能够将多个子网互联，轻松实现扩展以容纳超过48,000个节点。

• 容错稳定网络： 得益于子网管理器的路由算法和高效流重排序机制，InfiniBand网络确保了快速的数据流量恢复，从而形成高容错稳定的网络环境。

• 自愈网络： NVIDIA IB交换机具有基于硬件的自愈机制，能够在一毫秒内实现快速恢复。

• 自适应路由： 自适应路由可以平衡交换机端口间的流量分配。NVIDIA交换机在硬件中集成了这一特性，并通过自适应路由管理器对其进行管理。

• SHARP（可扩展分层聚合和减少协议）： 基于NVIDIA交换机硬件和中心管理包的SHARP协议优化了集体通信，在AI、机器学习等基于MPI的应用中减少了节点间的数据传输量。

相比于以太网，InfiniBand的优势

InfiniBand相较于传统的以太网网络解决方案具有多项优势，使其在需要高速通信和大规模数据传输的应用中表现出色。InfiniBand的优点包括：

• 高带宽与低延迟：InfiniBand提供了更高的带宽和更低的延迟，能够满足大规模数据传输和实时通信应用的性能需求。

• RDMA支持：InfiniBand支持远程直接内存访问（RDMA），允许节点间直接进行内存数据传输，从而减少CPU开销并提高传输效率。

• 可扩展性： InfiniBand架构通过连接大量节点并支持高密度服务器布局，实现了轻松扩展。增加InfiniBand交换机和电缆即可扩大网络规模和带宽容量。

• 高可靠性： InfiniBand架构融入了冗余设计和故障隔离机制，提高了网络可用性和容错能力。备用路径能够在节点或连接发生故障时保持网络连通性。

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