摘  要： 為了使InfiniBand（簡稱IB）網(wǎng)絡和萬兆以太網(wǎng)這兩種高速互連網(wǎng)絡相互融合，實現(xiàn)它們之間的數(shù)據(jù)通信，本文對10GE-InfiniBand網(wǎng)關進行了研究設計，采用Ethernet-over-InfiniBand（EoIB）協(xié)議并結合管道網(wǎng)關的設計思想，將萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文以達到在IB網(wǎng)絡中傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的目的，實現(xiàn)兩種網(wǎng)絡之間的無縫融合。

　　關鍵詞： InfiniBand；萬兆以太網(wǎng)；網(wǎng)關；Ethernet-over-InfiniBand

0 引言

　　IB（InfiniBand）網(wǎng)絡由于其低延遲、高帶寬以及低處理開銷的特點得到越來越多的認可，采用IB技術進行互連的高性能計算系統(tǒng)所占的比例逐年上升。萬兆以太網(wǎng)比千兆以太網(wǎng)具有更大的帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速度。隨著高速傳輸技術得到越來越廣泛的應用，人們開始考慮將這兩種高速互連網(wǎng)絡融合在一起，結合它們的優(yōu)點設計一個性能優(yōu)越的I/O網(wǎng)絡系統(tǒng)。但是由于異構網(wǎng)絡運行在不同的協(xié)議之上，數(shù)據(jù)格式不同，不能直接進行傳輸，因此如何完成數(shù)據(jù)交換就成為無法回避的問題。本文針對IB網(wǎng)絡和萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式的特點，對10GE-InfiniBand網(wǎng)關平臺進行了研究和設計，使IB網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報文和萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀可以相互轉(zhuǎn)換，從而將兩種網(wǎng)絡結合起來。

1 萬兆以太網(wǎng)和IB網(wǎng)絡簡介

　　1.1 IB網(wǎng)絡

　　IB規(guī)范定義了用于服務器、儲存設備和嵌入式系統(tǒng)互連的輸入/輸出架構，具有高帶寬、低時延的特點，廣泛應用于數(shù)據(jù)中心、高性能計算集群以及不同規(guī)模的嵌入式應用中，目前已經(jīng)成為主流的高速互連網(wǎng)絡技術[1]。圖1是IB網(wǎng)絡的體系架構。

　　由圖1可知，IB網(wǎng)絡的體系架構主要由交換機（Switch）、主機信道適配器（Host Channel Adapters，HCA）、目標信道適配器（Target Channel Adapters，TCA）和路由器（Router）構成，這些設備一起完成系統(tǒng)通信的功能[2]。

　?。?）HCA和TCA可以提供一個端到端的可靠連接。

　　（2）交換機是將數(shù)據(jù)包從一個鏈路轉(zhuǎn)發(fā)到同一個子網(wǎng)的另一個鏈路中的設備。

　?。?）路由器用于連接IB子網(wǎng)，在子網(wǎng)間傳輸數(shù)據(jù)包。

　　1.2 萬兆以太網(wǎng)

　　萬兆以太網(wǎng)是最新的以太網(wǎng)技術，可以提供高達10 Gbit/s的傳輸速度，傳輸距離增大到40 km，適用范圍大大拓寬。它基本繼承了原有的以太網(wǎng)模型，保留了802.3的以太網(wǎng)幀結構。不同于以往的以太網(wǎng)標準，萬兆以太網(wǎng)僅僅定義了點到點的全雙工鏈路，并且沒有前幾代以太網(wǎng)標準中的帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）機制[3]。

　　雖然萬兆以太網(wǎng)是最新的以太網(wǎng)技術，具有最快的以太網(wǎng)速度，延遲也比較低，但是并不能滿足網(wǎng)格計算和集群系統(tǒng)對延遲的要求。IB網(wǎng)絡低延遲和高帶寬的優(yōu)勢使其廣泛應用于高速系統(tǒng)互連領域[4]。

2 EoIB的實現(xiàn)原理

　　該網(wǎng)關平臺采用了管道的設計思想。管道是異構網(wǎng)絡融合中的一種常用技術。一種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包要在另一種網(wǎng)絡上傳輸，需要將該數(shù)據(jù)包封裝到可以被另一種網(wǎng)絡設備所能理解的數(shù)據(jù)包中，傳輸?shù)浇邮斩撕螅鳈C進行解封裝，將數(shù)據(jù)分組恢復成原來的格式。在Ethernet-over-InfiniBand（EoIB）的網(wǎng)關設計中，由于IB網(wǎng)絡無法識別萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式，根據(jù)管道網(wǎng)關的設計思想，為了實現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包在IB網(wǎng)絡上傳輸，應先將以太網(wǎng)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文，以IB報文的形式在IB網(wǎng)絡中傳輸，在接收端將IB報文恢復成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，從而高效地將萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包和IB的數(shù)據(jù)包進行相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)網(wǎng)絡融合。

　　EoIB協(xié)議是虛擬協(xié)議互連（Virtual Protocol Interconnect，VPI）技術的一部分，VPI技術可以實現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡、IB網(wǎng)絡、光纖通道（Fiber Channel，F(xiàn)C）網(wǎng)絡的融合，使得在單一網(wǎng)絡上運行多種協(xié)議成為可能。EoIB協(xié)議的實現(xiàn)原理是：為了在IB鏈路上傳輸以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，需要在IB網(wǎng)絡的端口將IB網(wǎng)卡虛擬成萬兆以太網(wǎng)卡，將整個以太網(wǎng)二層數(shù)據(jù)包和有效負載封裝到IB數(shù)據(jù)包中，這樣就繞過了TCP/IP協(xié)議，利用IB的高帶寬優(yōu)勢在IB的網(wǎng)卡上運行標準的以太網(wǎng)協(xié)議[5]。

　　根據(jù)EoIB協(xié)議設計的EoIB網(wǎng)關在IB網(wǎng)絡和萬兆以太網(wǎng)之間搭建起一座橋梁，實現(xiàn)了這兩種異構網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換。如圖2所示。

　　2.1 EoIB局域網(wǎng)模型

　　EoIB局域網(wǎng)模型如圖3所示。

　　此局域網(wǎng)中包含兩種異構網(wǎng)絡：IB網(wǎng)絡和萬兆以太網(wǎng)[6]。為了實現(xiàn)這兩種格式的數(shù)據(jù)分組之間的交換，需要兩個主要組件。

　?。?）EoIB網(wǎng)關。EoIB網(wǎng)關的主要作用是完成數(shù)據(jù)包在異構網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)不同協(xié)議之間的交互通信，管理控制整個EoIB體系結構。EoIB網(wǎng)關分別連接著IB網(wǎng)絡和萬兆以太網(wǎng)，因此網(wǎng)關有兩種端口：連接IB網(wǎng)絡的IB端口以及連接萬兆以太網(wǎng)的以太網(wǎng)端口。EoIB網(wǎng)關將從以太網(wǎng)端口到達的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝成IB數(shù)據(jù)報文，而對從IB端口到達的IB數(shù)據(jù)報文解封裝，還原成以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀。

　　（2）EoIB主機驅(qū)動。在IB網(wǎng)絡端口之上是虛擬萬兆以太網(wǎng)端口（虛擬端口，vPort），并為主機的上層應用提供標準的以太網(wǎng)應用接口（虛擬網(wǎng)絡接口卡，vNic），以便在IB鏈路上承載萬兆以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)分組。每一臺主機可以具有多個虛擬端口（vPort），虛擬網(wǎng)絡接口卡（vNic）直接連接到虛擬端口上。這樣，遵循以太網(wǎng)協(xié)議的軟件能夠在EoIB驅(qū)動上正常運行。

　　EoIB將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝成可以被IB網(wǎng)絡理解的IB數(shù)據(jù)報文，從而實現(xiàn)了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)分組在不兼容的網(wǎng)絡區(qū)域中進行傳輸[7]。數(shù)據(jù)的封裝與解封裝示意圖如圖4所示。

　　2.2 EoIB地址映射機制

　　每一種網(wǎng)絡都有自己的編址方案和數(shù)據(jù)幀格式，異構網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包是無法直接進行傳輸?shù)?。因此在EoIB機制中就存在一個地址映射的問題。萬兆以太網(wǎng)的2層數(shù)據(jù)幀由MAC地址（48 bit）標識，而IB網(wǎng)絡的2層數(shù)據(jù)包由本地ID（Local Identifier，LID）標識，為了讓IB網(wǎng)絡理解萬兆以太網(wǎng)的編址方式，需要將以太網(wǎng)地址轉(zhuǎn)換為IB網(wǎng)絡所能理解的數(shù)據(jù)鏈路層地址。為此，可以將以太網(wǎng)幀封裝到IB鏈路層地址的幀中，以IB報文的形式在IB網(wǎng)絡中傳輸。一種EoIB地址映射方案是在IB主機和網(wǎng)關中各存儲一張地址轉(zhuǎn)換表，表中記錄IB地址和MAC地址之間的對應關系[8]。EoIB地址映射表如圖5所示。

　　由圖5可以看出，EoIB地址映射處理機制包含兩張關系映射表：ARP表存儲MAC地址和IP地址之間的映射關系；轉(zhuǎn)換表存儲IB主機的LID地址和虛擬MAC地址之間的映射關系。

　　通過ARP表可以將協(xié)議地址（IP地址）解析成硬件地址（MAC地址）。地址轉(zhuǎn)換表包括三個部分：IB主機的虛擬以太網(wǎng)2層地址和對應的LID地址，網(wǎng)關LID地址，以及IB廣播地址。

　　EoIB網(wǎng)關上只保留了轉(zhuǎn)換表，用于處理虛擬MAC地址和IB主機的LID地址之間的映射。但IB主機同時保留ARP表和轉(zhuǎn)換表，完成兩種映射關系的處理。當IB主機需要和另一臺主機通信時，首先查找ARP表，根據(jù)目標IP地址得到目標MAC地址，然后再查找轉(zhuǎn)換表，根據(jù)MAC地址得到IB主機的LID地址。這個過程對應了IB主機上數(shù)據(jù)幀的封裝過程。

　　2.3 EoIB的管理控制協(xié)議

　　通過以上的分析可知，轉(zhuǎn)換表是實現(xiàn)萬兆以太網(wǎng)和IB網(wǎng)絡交互的關鍵因素，它的生成和維護是局域網(wǎng)的主要工作。當網(wǎng)關啟動之后，由網(wǎng)關創(chuàng)建一張轉(zhuǎn)換表用來記錄EoIB的地址映射信息。創(chuàng)建完成后將轉(zhuǎn)換表復制到該局域網(wǎng)內(nèi)的所有主機。當有新的主機加入局域網(wǎng)或者有主機退出局域網(wǎng)時，網(wǎng)關要負責更新轉(zhuǎn)換表，之后發(fā)送廣播消息，通知局域網(wǎng)內(nèi)的主機更新最新的轉(zhuǎn)換表。轉(zhuǎn)換表的生成和維護依賴于EoIB網(wǎng)關和主機的交互過程[9]，如圖6所示。

　　主機與EoIB網(wǎng)點交互的具體過程如下：（1）新的主機請求加入局域網(wǎng)。（2）EoIB網(wǎng)關接收請求并向主機返回一個確認字符ACK。（3）網(wǎng)關為新加入的主機生成一個虛擬的MAC地址。（4）網(wǎng)關更新轉(zhuǎn)換表，把新加入主機對應的映射信息加入到轉(zhuǎn)換表中。（5）轉(zhuǎn)換表更新完成以后，網(wǎng)關向局域網(wǎng)中的主機廣播更新信息。（6）新加入的主機向網(wǎng)關請求完整的轉(zhuǎn)換表。（7）EoIB網(wǎng)關向局域網(wǎng)內(nèi)的所有主機廣播更新后的轉(zhuǎn)換表。（8）為了使轉(zhuǎn)換表得到及時更新，所有主機應周期性地發(fā)送狀態(tài)信息給網(wǎng)關。這樣就完成了主機與網(wǎng)關的交互。

3 結束語

　　本文基于EoIB協(xié)議，根據(jù)管道網(wǎng)關的設計思想從理論上設計研究了10GE-InfiniBand網(wǎng)關，分析了在網(wǎng)關設計過程中需要解決的幾個問題，對實際的設計具有指導意義。10GE-InfiniBand網(wǎng)關可以實現(xiàn)系統(tǒng)外部10GE以太網(wǎng)和內(nèi)部IB網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換，并且由于端口虛擬化技術使得無需對應用進行更改，從而將兩種高速系統(tǒng)連接技術融合在一起，提升了系統(tǒng)的I/O性能。

參考文獻

　　[1] 司馬聰.InfiniBand的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[R].北京：存儲在線，2007.

　　[2] 謝向輝，彭龍根，吳志兵，等.基于InfiniBand的高性能計算機技術研究[J].計算機研究與發(fā)展，2005，42（6）：905-912.

　　[3] 敖志剛.萬兆位以太網(wǎng)及其實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

　　[4] 劉偉，郭麗，閆晉鋒.高速互聯(lián)技術探索與發(fā)展[J].科技信息，2007（32）：93，164.

　　[5] 張向陽，馮超敏，趙書貴，等.EoIB和IPoIB協(xié)議在地震資料處理中的對比分析[J].信息系統(tǒng)工程，2013（10）：97-98.

　　[6] 呂高鋒，孫志剛，黃杰，等.基于IB統(tǒng)一交換技術的存儲系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件，2011，28（11）：140-144.

　　[7] IBTA.Ethernet over IB（EoIB） for Linux README [EB/OL].（2010-10-04）[2015-02-02].http：//www.mellanox.com/related-docs/prod_ gateway_systems/EoIB_README-1.5.1-1.3.6.txt.

　　[8] 林雨弦.支持路由器服務擴展的統(tǒng)一交換技術[D].長沙：國防科學技術大學，2011.

　　[9] 朱啟偉，文玲.實現(xiàn)EoIB技術的一種實例[J].信息系統(tǒng)工程，2012（11）：44-46.