蚂蚁技术专家介绍RDMA技术砖题（三）：RDMA SGL机制

上篇文章我们介绍了蚂蚁集团专家介绍RDMA技术系列专题的文章

1、RDMA技术概述

2、RDMA收发机制

本期我们继续介绍RDMA技术专题三，RDMA SGL机制。

01、前言

在使用RDMA操作之前，我们需要了解一些RDMA API中的一些需要的值。其中在ibv_send_wr我们需要一个sg_list的数组，sg_list是用来存放ibv_sge元素，那么什么是SGL以及什么是sge呢？对于一个使用RDMA进行开发的程序员来说，我们需要了解这一系列细节。

//结构体ibv_send_wr描述struct ibv_send_wr { uint64_t wr_id; struct ibv_send_wr *next; struct ibv_sge *sg_list; int num_sge; enum ibv_wr_opcode opcode; unsigned int send_flags; /* When opcode is *_WITH_IMM: Immediate data in network byte order. * When opcode is *_INV: Stores the rkey to invalidate */ union { __be32 imm_data; uint32_t invalidate_rkey; }; union { struct { uint64_t remote_addr; uint32_t rkey; } rdma; struct { uint64_t remote_addr; uint64_t compare_add; uint64_t swap; uint32_t rkey; } atomic; struct { struct ibv_ah *ah; uint32_t remote_qpn; uint32_t remote_qkey; } ud; } wr; union { struct { uint32_t remote_srqn; } xrc; } qp_type; union { struct { struct ibv_mw *mw; uint32_t rkey; struct ibv_mw_bind_info bind_info; } bind_mw; struct { void *hdr; uint16_t hdr_sz; uint16_t mss; } tso; };};

02、SEG介绍

在NVMe over PCIe中，I/O命令支持SGL(Scatter Gather List 分散聚合表)和PRP(Physical Region Page 物理(内存)区域页), 而管理命令只支持PRP;而在NVMe over Fabrics中，无论是管理命令还是I/O命令都只支持SGL。

RDMA编程中，SGL(Scatter/Gather List)是最基本的数据组织形式。SGL是一个数组，该数组中的元素被称之为SGE(Scatter/Gather Element)，每一个SGE就是一个Data Segment(数据段)。RDMA支持Scatter/Gather操作，具体来讲就是RDMA可以支持一个连续的Buffer空间，进行Scatter分散到多个目的主机的不连续的Buffer空间。Gather指的就是多个不连续的Buffer空间，可以Gather到目的主机的一段连续的Buffer空间。

下面我们就来看一下ibv_sge的定义：

struct ibv_sge { uint64_t addr; uint32_t length; uint32_t lkey;};

参数介绍：

1、addr: 数据段所在的虚拟内存的起始地址 (Virtual Address of the Data Segment (i.e. Buffer))

2、length: 数据段长度(Length of the Data Segment)

3、lkey: 该数据段对应的L_Key (Key of the local Memory Region)

03、ivc_post_send接口介绍

而在数据传输中，发送/接收使用的Verbs API为：

ibv_post_send() - post a list of work requests (WRs) to a send queue 将一个WR列表放置到发送队列中 ibv_post_recv() - post a list of work requests (WRs) to a receive queue 将一个WR列表放置到接收队列中

下面以ibv_post_send()为例，说明SGL是如何被放置到RDMA硬件的线缆(Wire)上的。

ibv_post_send()的函数原型

#include <infiniband/verbs.h>

int ibv_post_send(struct ibv_qp *qp,

struct ibv_send_wr *wr,

struct ibv_send_wr **bad_wr);

ibv_post_send（）将以send_wr开头的工作请求（WR）的列表发布到Queue Pair的Send Queue。它会在第一次失败时停止处理此列表中的WR（可以在发布请求时立即检测到），并通过bad_wr返回此失败的WR。

参数wr是一个ibv_send_wr结构，如中所定义。

struct ibv_send_wr { uint64_t wr_id; /* User defined WR ID */ struct ibv_send_wr *next; /* Pointer to next WR in list, NULL if last WR */ struct ibv_sge *sg_list; /* Pointer to the s/g array */ int num_sge; /* Size of the s/g array */ enum ibv_wr_opcode opcode; /* Operation type */ int send_flags; /* Flags of the WR properties */ uint32_t imm_data; /* Immediate data (in network byte order) */ union { struct { uint64_t remote_addr; /* Start address of remote memory buffer */ uint32_t rkey; /* Key of the remote Memory Region */ } rdma; struct { uint64_t remote_addr; /* Start address of remote memory buffer */ uint64_t compare_add; /* Compare operand */ uint64_t swap; /* Swap operand */ uint32_t rkey; /* Key of the remote Memory Region */ } atomic; struct { struct ibv_ah *ah; /* Address handle (AH) for the remote node address */ uint32_t remote_qpn; /* QP number of the destination QP */ uint32_t remote_qkey; /* Q_Key number of the destination QP */ } ud; } wr;};

在调用ibv_post_send()之前，必须填充好数据结构wr。wr是一个链表，每一个结点包含了一个sg_list(i.e. SGL: 由一个或多个SGE构成的数组), sg_list的长度为num_sge。

04、RDMA提交WR流程介绍

下面图解一下SGL和WR链表的对应关系，并说明一个SGL (struct ibv_sge *sg_list)里包含的多个数据段是如何被RDMA硬件聚合成一个连续的数据段的。

4.1、创建SGL

从上图中，我们可以看到wr链表中的每一个结点都包含了一个SGL，SGL是一个数组，包含一个或多个SGE。通过ibv_post_send提交一个RDMA SEND 请求。这个WR请求中，包括一个sg_list的元素。它是一个SGE链表，SGE指向具体需要发送数据的Buffer。

4.2、使用PD进行内存保护

我们在发送一段内存地址的时候，我们需要将这段内存地址通过Memory Registration注册到RDMA中。也就是说注册到PD内存保护域当中。一个SGL至少被一个MR保护, 多个MR存在同一个PD中。如图所示一段内存MR可以保护多个SGE元素。

4.3、调用ibv_post_send()将SGL发送到wire上去

在上图中，一个SGL数组包含了3个SGE, 长度分别为N1, N2, N3字节。我们可以看到，这3个buffer并不连续，它们Scatter(分散)在内存中的各个地方。RDMA硬件读取到SGL后，进行Gather(聚合)操作，于是在RDMA硬件的Wire上看到的就是N3+N2+N1个连续的字节。换句话说，通过使用SGL, 我们可以把分散(Scatter)在内存中的多个数据段(不连续)交给RDMA硬件去聚合(Gather)成连续的数据段。

附录 OFED Verbs

随着硬件技术和深度神经网络的发展，目前形成了以“CPU+GPU”

作者简介

作者围城，云计算行业从业人员，蚂蚁集团研发专家，

研究方向：Kubernetes云原生 & 计算引擎

知乎主页：https://www.zhihu.com/people/mastertTJ

文章链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/55142568

github：https://github.com/Tjcug

编辑：通信行业搬砖工

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