RoCE与iWARP的竞争分析

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远程直接内存访问（RDMA）提供从一台计算机的内存到另一台计算机的内存的直接访问，而不涉及任何一台计算机的操作系统。这项技术可以实现高吞吐量、低延迟的网络，同时降低CPU利用率，这在大规模并行计算集群中尤其有用。

RDMA over Converged Ethernet（RoCE）是以太网中最常用的RDMA技术，在世界上一些最大的“超大规模”数据中心大规模部署。RoCE是唯一一个基于以太网的行业标准RDMA解决方案，具有多供应商生态系统，提供网络网卡，并在标准的第2层和第3层以太网交换机上运行。相关技术在包括IBTA、IEEE和IETF在内的行业组织中是已经被标准化了的。

Mellanox Technologies是第一家实施新标准的公司，其ConnectX-3 Pro及以后的所有产品系列都实现了RoCE协议的完全卸载。这些解决方案提供高达100Gb/s的线速吞吐量和市场领先的延迟，同时尽可能降低CPU和内存利用率。因此，ConnectX网卡系列已部署在各种关键业务员、对延迟敏感的数据中心中。

RoCE相对于iWARP的优势

iWARP是另一种RDMA产品，它更复杂，无法达到与基于RoCE的解决方案相同的性能水平。iWARP使用复杂的层混合，包括DDP（直接数据放置）、MPA（Marker-PDU-Aligned framing）和单独的RDMA协议（RDMAP）通过TCP/IP提供RDMA服务。这种复杂的体系结构是将RDMA应用到现有软件传输框架中的一种考虑不周的尝试。不幸的是，这种折衷导致 iWARP无法实现RoCE能够实现的三个关键好处：高吞吐量、低延迟和低CPU利用率。

除了复杂性和性能缺点之外，只有一家供应商（Chelsio）在其当前产品上支持iWARP，而且该技术还没有被市场很好地采用。英特尔此前从2009年开始在其10GbE NIC中支持iWARP，但在当时任何较新的NIC中都不支持iWARP。在最新的以太网速度为25、50和100Gb/s时，不支持iWARP。

iWARP的设计是为了在现有的TCP传输上工作，本质上是为了修补现有的LAN/WAN网络。以太网数据链路提供尽力而为的服务，依靠TCP层提供可靠的服务。为了支持现有的IP网络，包括广域网，需要覆盖更多关于拥塞处理、扩展和错误处理的边界条件，这导致RDMA和相关传输操作的硬件卸载效率低下。

另一方面，RoCE是专门为以太网构建的RDMA传输协议，而不是作为在现有TCP/IP协议之上使用的补丁。

 

因为TCP是基于连接的，所以它必须使用可靠的传输。因此，iWARP只支持可靠的连接传输服务，这也意味着它不是一个适合多播的平台。RoCE提供多种传输服务，包括可靠连接、不可靠数据报等，并支持用户级多播功能。

iWARP流量也不能在网络中被轻松管理和优化，从而导致部署效率低下。它不提供一种方法来检测传输层上或传输层下的RDMA流量，例如在fabric本身中。iWARP共享TCP的端口空间使得使用流管理变得不可能，因为单独的端口无法识别消息是否携带RDMA或传统TCP。iWARP与传统TCP通信共享协议编号空间，因此需要上下文（状态）来确定数据包是iWARP。通常，此上下文可能不适合NIC的片上存储器，这会导致更复杂的情况，因此流量解复用的时间更长。这种情况也发生在fabric的交换机和路由器中，因为它们没有可用的状态。

相反，通过查看数据包的UDP目标端口字段，就可以将数据包标识为RoCE。如果该值与IANA为RoCE分配的端口匹配，则数据包为RoCE。这种无状态流量标识允许在聚合NIC实现中快速、早期地解复用流量，并支持交换机或 iWARP监视和访问控制列表（ACL）等功能，以改进流量分析和管理。

同样，由于iWARP与传统的TCP协议栈共享端口空间，因此它也面临着与OS协议栈集成的挑战。另一方面，RoCE提供了完整的OS协议栈集成。

这些挑战限制了iWARP产品的成本效益和可部署性，尤其是与RoCE的兼容性。

RoCE在包封装中包括IP和UDP报头，这意味着RoCE可以跨L2和L3网络使用。这将使3层路由功能，可将RDMA引入具有多个子网的网络。

“弹性RoCE”支持在有损网络上运行RoCE，而这些fabric不支持流控制或优先级流控制。RoCE的先进硬件机制在有损网络上提供的RDMA性能与无损网络相当。

 

最后，通过部署软ROCE（图2），通过软件实现ROCE，ROCE可以扩展到硬件上不支持ROCE的设备。这使得在数据中心利用RoCE的优势具有更大的灵活性。

性能和基准示例

EDC对延迟敏感的应用程序（如用于实时数据分析的Hadoop）是Web2.0和大数据提供商竞争力的基石。这样的平台可以从Mellanox的ConnectX-3 Pro中获益，因为它的RoCE解决方案在以太网上提供极低的延迟，同时可以扩展到每秒处理数百万条消息。

对比Chelsio在25、40和100Gb以太网iWARP上运行的T5和T6消息传递应用程序与带有RoCE的ConnectX-3 Pro的性能的基准测试表明，RoCE始终比iWARP更快地传递消息（图3）。

 

当用英特尔的NetEffect 020 iWARP测试ConnectX-3的RoCE延迟时，结果更令人印象深刻。在10Gb时，使用64B消息大小的RoCE，RoCE提高了86%，2048B消息大小的RoCE提高了64%（图4）。

同时，在ConnectX-3 Pro上使用40Gb的RoCE时，吞吐量比在Chelsio T5上使用iWARP高2倍以上（图5），比在Intel上使用10Gb的iWARP高5倍（图6）。

 

无论是在无损网络还是有损网络上使用RoCE，都保持了性能优势（图7）。有了弹性RoCE，Mellanox可以在有损环境中提供一致的、顶级的拥塞控制性能。

 

虚拟化的最佳性能

RoCE的另一个优势是它能够在SR-IOV上运行，从而使RoCE在虚拟化环境中具有最低延迟、最低CPU利用率和最大吞吐量的优异性能。RoCE已经证明，它可以在虚拟机之间提供少于1us的延迟，同时随着虚拟环境的扩展保持一致的吞吐量。Chelsio的iWARP不在SR-IOV中的多个虚拟机上运行，而是依赖TCP进行虚拟机到虚拟机的通信。延迟的差异是惊人的（图8）。

总结

RoCE简化了传输协议；它绕过了TCP协议栈来实现真正的、可伸缩的RDMA操作，从而获得更高的ROI。RoCE是一个标准协议，它是专门为数据中心流量而构建的，考虑了延迟、性能和CPU利用率。它在虚拟化环境中表现特别好。

当网络通过以太网运行时，RoCE提供了比iWARP更好的解决方案。对于追求最高性能的企业数据中心来说，RoCE显然是一个选择，尤其是当涉及到对数据敏感的应用程序时。

此外，RoCE目前部署在数十个数据中心，拥有多达数十万个节点，而iWARP在该领域几乎不存在。简单地说，RoCE是通过以太网部署RDMA的显然方式。

参考文献：Motti Beck, Gilad Shainer， "RoCE vs. iWARP Competitive Analysis Brief"，Mellanox Technologies,2017.