RDMA和交换机如何改变AI网络性能？

在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）快速发展的背景下，对高吞吐量、低延迟网络的需求比以往任何时候都更加迫切。本文深入探讨了对AI基础设施至关重要的网络协议、交换机技术和数据中心架构的复杂性，探索从传统TCP/IP到更先进的解决方案（如RDMA）的转变。

什么是网络协议？

网络协议是为计算机网络中的数据交换而建立的一套规则、标准或惯例。从法律角度来看，OSI（开放系统互连）七层模型是网络协议的国际标准。这个模型在20世纪80年代被提出，旨在标准化计算机之间的通信并满足开放网络的需求，它由七层组成：

物理层：定义通信的硬件标准，实现比特流传输。
数据链路层：处理帧编码和错误纠正，将物理层的数据打包成帧。
网络层：在节点之间创建逻辑电路，使用IP进行寻址。
传输层：监控数据传输质量，管理丢失数据包的重传。
会话层：管理网络设备会话连接。
表示层：处理数据格式转换和加密。
应用层：为各种网络服务提供应用接口。

虽然OSI模型提供了一个全面的框架，但在实践中更常用的是TCP/IP协议套件，它可以被视为OSI模型的优化版本。它将OSI层合并为四层：应用层、传输层、互联网层和网络接口层。

TCP/IP在AI环境中的局限性

尽管使用广泛，但TCP/IP在以AI为中心的数据中心中存在几个挑战：

延迟问题：由于多次上下文切换和依赖CPU的数据包封装，TCP/IP引入了数十微秒的延迟。
CPU开销：协议栈严重依赖主机CPU进行内存复制，导致与网络带宽相关的显著CPU负载。

RDMA：AI网络的游戏规则改变者

RDMA（远程直接内存访问）技术允许通过网络接口直接访问内存数据，而无需操作系统内核参与。这种方法实现了：

高吞吐量通信
超低延迟
降低CPU开销

RDMA包括多种实现方式，包括：

InfiniBand：专为RDMA设计，具有硬件级可靠传输，但成本较高。
RoCE（基于融合以太网的RDMA）：基于以太网的RDMA，平衡了性能和成本效益。
iWARP：另一种基于以太网的RDMA解决方案，与现有网络基础设施兼容。

交换机在数据中心架构中的作用是什么？

交换机在AI数据中心架构中扮演着关键角色，主要在OSI模型的数据链路层（第2层）运作。它们基于MAC地址促进设备之间的通信，实现同一网段内数据包的高效转发。相比之下，路由器工作在网络层（第3层），使用基于IP的路由连接不同的子网。

交换机在数据中心架构中的主要功能包括：

数据包交换：在连接的设备之间快速转发数据包。
流量分段：为每个端口创建独立的冲突域，提高网络效率。
VLAN支持：实现虚拟LAN的创建，进行逻辑网络分段。
服务质量（QoS）：优先处理某些类型的流量，确保关键应用的最佳性能。
链路聚合：将多个物理链路组合成一个逻辑链路，增加带宽和冗余。

数据中心网络拓扑的演进

传统的三层数据中心架构（接入层、汇聚层和核心层）正在让位给更高效的设计，这些设计针对AI工作负载进行了优化。传统方法的局限性包括：

由于STP（生成树协议）导致的带宽效率低下
大范围故障域
东西向流量延迟增加

叶脊架构：优化AI网络

叶脊拓扑已成为AI数据中心的首选架构，提供：

扁平化网络设计
降低延迟
提高带宽利用率
改善容错能力

在这种架构中，叶交换机充当接入层设备，而脊交换机的功能类似于核心交换机。叶交换机和脊交换机之间使用ECMP（等价多路径）路由，实现动态路径选择和接近无损的性能。

在AI网络基础设施中实施RDMA

要在AI网络中有效利用RDMA，请考虑以下实施步骤：

评估当前网络基础设施并识别瓶颈。
根据性能要求和预算限制，选择适当的RDMA技术（InfiniBand、RoCE或iWARP）。
将网络接口卡（NIC）升级为支持RDMA的型号。
在叶脊架构中实施支持RDMA的交换机。
在操作系统和应用程序级别配置和优化RDMA设置。

代码示例：在Linux中启用RDMA

以下是在Linux系统中启用和配置RDMA的基本示例：


# Install RDMA packages
sudo apt-get install rdma-core

# Load RDMA modules
sudo modprobe rdma_ucm
sudo modprobe ib_uverbs

# Configure IP over InfiniBand (IPoIB) interface
sudo ip link set ib0 up
sudo ip addr add 192.168.1.100/24 dev ib0

# Verify RDMA configuration
ibstat