Infiniband (иногда сокр. IB ) — высокоскоростная коммутируемая компьютерная сеть , используемая в высокопроизводительных вычислениях, имеющая очень большую пропускную способность и низкую задержку. Также используется для внутренних соединений в некоторых вычислительных комплексах. По состоянию на 2014 год Infiniband являлся наиболее популярной сетью для суперкомпьютеров . Контроллеры Infiniband ( host bus adapter ) и сетевые коммутаторы производятся компаниями Mellanox и Intel . При создании Infiniband в него закладывалась масштабируемость , сеть использует сетевую топологию на основе коммутаторов ( Switched fabric ).

В качестве коммуникационной сети кластеров Infiniband конкурирует с группой стандартов Ethernet и проприетарными технологиями , например, компаний Cray и IBM. При построении компьютерных сетей IB конкурирует с Gigabit Ethernet , 10 Gigabit Ethernet и 40/ 100 Gigabit Ethernet . Также IB используется для подключения накопителей информации DAS . Развитием и стандартизацией технологий Infiniband занимается (англ.) ( .

Краткое описание

Подобно многим современным шинам , например, PCI Express , SATA , USB 3.0 , в Infiniband используются дифференциальные пары для передачи последовательных сигналов. Две пары вместе составляют одну базовую двунаправленную последовательную шину ( англ. lane ), обозначаемую 1х. Базовая скорость — 2,5 Гбит/с в каждом направлении. Порты Infiniband состоят из одной шины или агрегированных групп 4x или 12x базовых двунаправленных шин. Чаще всего применяются порты 4x .

Для портов существует несколько режимов передачи данных по шинам. Более ранние режимы использовали для балансировки сигнала кодирование (каждые 8 бит данных передаются по шине как 10 бит) с накладными расходами в 20 %:

• Single Data Rate (SDR, 1999) — работа с базовой скоростью 2,5 Гбит/с, эффективная скорость (с учётом расходов на кодирование) 2 Гбит/с на каждую шину
• Double Data Rate (DDR, 2004) — битовая скорость равна удвоенной базовой (5 Гбит/с, эффективная 4 Гбит/с). 4x порт имеет физическую скорость 20 Гбит/с и эффективную 16 Гбит/с
• Quad Data Rate (QDR, 2008) — соответственно, учетверённой (базовая 10 Гбит/с), эффективная для 4x порта 32 Гбит/с.

Начиная с режима FDR-10 применяется намного более экономичное кодирование :

• Fourteen Data Rate 10 (FDR-10) — эффективная скорость на 1x шину чуть более 10 Гбит/с, для 4x порта 40 Гбит/с
• Fourteen Data Rate (FDR, 2011) — базовая скорость 1х шины 14,0625 Гбит/с , 4x порт предоставляет около 56 Гбит/с
• Enhanced Data Rate (EDR) — скорость 1x 25,78125 Гбит/с, 4x — около 100 Гбит/с

Основное назначение Infiniband — межсерверные соединения, в том числе и для организации RDMA ( Remote Direct Memory Access ).

Производительность

Поколение:	SDR	DDR	QDR	FDR-10	FDR	EDR	HDR	NDR	XDR	GDR
Эффективная пропускная способность, Гбит/с, на 1x шину	2	4	8	10	14	25	50	100	200	400
Эффективные скорости для 4x и 12x шин, Гбит/с	8, 24	16, 48	32, 96	41,25, 123,75	54,54, 163,64	100, 300	200, 600	400, 1200	800, 2400	400, 3200
Кодирование (бит)	8/10	8/10	8/10	64/66	64/66	64/66	64/66	64/66	в разработке
Типичные задержки, мкс	5	2,5	1,3	0,7	0,7	0,5
Год появления	2001, 2003	2005	2007		2011	2014	~2017	2022

Топология и соединения

InfiniBand использует коммутируемую среду с соединениями точка-точка, в отличие от ранних вариантов сетей Ethernet, которые использовали общую среду и, изначально - шинное соединение. Все передачи начинаются и заканчиваются на адаптере канала. Каждый вычислительный узел содержит HCA -адаптер (host channel adapter), подключаемый к процессору по интерфейсу PCI Express (ранее - через PCI-X ). Между адаптерами пересылаются данные и управляющая информация, в том числе - необходимая для реализации QoS .

Для периферийных устройств предполагалось использование TCA-адаптеров (target channel adapter), но они не получили распространения, а такие периферийные устройства создаются на базе стандартных материнских плат .

HCA-адаптеры обычно имеют один или два порта 4x, которые могут подключаться либо к таким же портам HCA и TCA, либо к коммутаторам (свитчам). Коммутаторы могут быть организованы в сети с топологиями типа утолщённое дерево ( Fat Tree ), Сеть Клоза , реже — многомерный тор, двойная звезда, и в различных гибридных комбинациях .

Порты и кабели Infiniband 4x имеют форм-факторы:

• CX4 (SFF-8470, например, Fujitsu MicroGiGaCN), только до скоростей DDR (иногда - до QDR)
• QSFP (SFF-8435, SFF-8436, 40 Гбит/с)
• QSFP+ (QSFP14, SFF-8685, 56 Гбит/с)
• zQSFP+ (QSFP28, SFF-8665, 100 Гбит/с).

Более редкие порты 12x выполняются в форм-факторах:

• 12x MicroGiGaCN (Fujitsu FCN-260C024)
• CXP

Чтобы обеспечить максимальную пропускную способность, было принято решение ограничить допустимую длину кабеля InfiniBand до 10 метров (только активный кабель).

Кабели Infiniband могут иметь различное исполнение:

• Пассивные электрические кабели (медные многожильные провода), длиной обычно в единицы метров, иногда - до 30 м. Для более длинных кабелей доступны меньшие скорости (7 м - для QDR)
• Активные электрические кабели (то же, но с усилителями, позволяют немного увеличить максимальную длину кабеля для данной скорости)
• Активные оптические кабели с интегрированным оптоволоконным кабелем длиной от единиц до десятков и сотен метров.
• Активные оптические модули с оптическим коннектором MTP/MTO для подключения оптоволоконных кабелей типа OM3/OM4 (8 волокон), либо SR4, либо LC/LC

Также при использовании универсальных Infiniband/Ethernet- адаптеров в Ethernet-инфраструктуре могут применяться переходники на порты SFP+.

Сигналы Infiniband могут передаваться на несколько дюймов по печатным платам, в том числе через внутренние разъёмы с подходящими частотными характеристиками, при условии почти одинаковой длины всех пар в порту.

Протоколы и API

На канальном (англ. Data Link) уровне InfiniBand передаёт данные в виде пакетов длиной до 4 КБ (килобайт), которые после объединения формируют сообщение. Некоторые устройства поддерживают меньший максимальный размер пакетов, например, 2 КБ. Типы сообщений:

• операция доступа к памяти — чтение или запись в память получателя (RDMA).
• канальные операции пересылки сообщений (отправитель посылает сообщение с данными, получатель принимает его в заранее выделенный буфер)
• транзакционная операция
• передача нескольким получателям (multicast, поддерживается не всеми коммутаторами)
• атомарная операция в память удалённого узла (атомарное сложение и сравнение-с-обменом для 64-битных целых)

Сообщения Infiniband разделяются на сервисы в зависимости от гарантий доставки и необходимости инициализации соединения перед обменом:

• Reliable Connected (RC) — надёжная доставка, необходима инициализация соединения между получателем и отправителем
• Unreliable Connected (UC) — ненадёжная доставка, необходима инициализация
• Reliable Datagram (RD) — опциональный сервис, реализуется редко. Надёжная доставка без инициализации
• Unreliable Datagram (UD) — ненадёжная доставка, не требует инициализации
• Позже был введён сервис XRC , комбинирующий в себе некоторые свойства RC и RD

Infiniband позволяет использовать принцип RDMA ( англ. Remote Direct Memory Access — удалённый прямой доступ к памяти), при котором передача данных из памяти удалённого компьютера в локальную память инициатора запроса производится непосредственно сетевым контроллером, при этом исключается участие CPU удалённого узла. RDMA позволяет передавать данные без дополнительной буферизации и не требует активной работы ОС, библиотек или приложения на узле, к памяти которого производится обращение.

Infiniband может использоваться с двумя низкоуровневыми универсальными программно-аппаратными интерфейсами (API), которые были разработаны на базе U-Net (Cornell, середина 1990-х) и VIA ( , конец 1990-х) :

• Infiniband verbs ( IB verbs , OFED verbs ) — стандартизация программного интерфейса от группы Open Fabrics Alliance
• uDAPL (от англ. User Direct Access Programming Library , также kDAPL, kernel DAPL) — стандарт на API для абстрактного транспорта прямого доступа ( англ. Direct Access Transport , DAT) от .

С помощью verbs или uDAPL могут быть реализованы высокоуровневые программные интерфейсы и протоколы, в частности:

• MPI ( Message Passing Interface ) — популярный стандарт пересылки сообщений в компьютерных кластерах. Существует множество реализаций MPI, поддерживающих сети Infiniband.
• , GASnet и другие популярные интерфейсы для работы с RDMA
• IPoIB (IP over Infiniband) — группа протоколов, описывающих передачу IP-пакетов поверх Infiniband :
  • «Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) over InfiniBand»
  • «Transmission of IP over InfiniBand (IPoIB)»
  • «IP over InfiniBand (IPoIB) Architecture»
• SRP ( англ. SCSI RDMA Protocol ) — протокол обмена данными между SCSI -устройствами с использованием RDMA . Определён в стандарте ANSI INCITS 365—2002.
• DDP ( англ. Direct Data Placement ): —— архитектура для реализации прямого размещения данных (DDP) и удалённого прямого доступа к памяти (RDMA) в Internet-сетях.
• SDP ( англ. Socket Direct Protocol ) — протокол установления виртуальных соединений и обмена данными между сокетами поверх Infiniband , передача данных не использует TCP-стек операционной системы, однако использует IP-адреса и может использовать IPoIB для их разрешения.
• iSER ( англ. iSCSI Extensions for RDMA ) — IETF-стандарт для адаптации iSCSI к RDMA сетям

История

InfiniBand появился в 1999 году при объединении двух конкурировавших проектов: Future I/O и Next Generation I/O. При этом была сформирована ассоциация InfiniBand Trade Association , в которую вошли Compaq , Dell , Hewlett-Packard , IBM , Intel , Microsoft , и Sun .

Версия 1.0 спецификации InfiniBand — InfiniBand Architecture Specification — была выпущена в 2000 году. Изначально в ней предполагалось, что IB одновременно сможет стать заменой медленной шины PCI для ввода-вывода, сетей Ethernet, специализированных кластерных сетей и Fibre Channel .

Оборудование Infiniband производили: Qlogic , Mellanox , , .

Основные даты:

• 2001: Mellanox начала поставки устройств серии InfiniBridge, работающих на скоростях 10 Гбит/с (4x SDR) и поставила более 10 тысяч InfiniBand портов.
• 2002: Intel объявил, что вместо поставок чипов IB займется развитием шины PCI Express . Microsoft прекратила поддержку проекта, переключившись на расширение Ethernet. Sun и Hitachi продолжили поддерживать IB.
• 2004: IB начинает применяться в качестве кластерной сети, предлагая более низкие задержки, чем Ethernet-сети. Альянс разрабатывает стандартизированный программный стек InfiniBand для ОС Linux. На следующий год ядро Linux получает поддержку IB.
• 2005: IB начинает использоваться как сеть для подключения устройств хранения информации.
• 2005: Компания Topspin была приобретена компанией Cisco .
• 2009: Среди Top500 суперкомьютеров мира Gigabit Ethernet использовался в 259, а InfiniBand в 181 кластере.
• 2010: Лидеры рынка Infiniband, компании Mellanox и объединяются . Кроме них, остался ещё один производитель IB-устройств, QLogic , который, однако производит больше устройств Fibre Channel. Oracle делает крупные инвестиции в Mellanox.
• 2011: На конференции International Supercomputing Conference анонсируются коммутаторы и адаптеры FDR.
• 2012: Intel приобретает технологии QLogic, связанные с InfiniBand.
• 2019: NVIDIA поглощает компанию Mellanox и становится эксклюзивным поставщиком решений на основе InfiniBand

См. также

• (англ.) (
• iWARP
• RapidIO
• Omni-Path
• Ангара

Примечания

Литература

• Tom Shanley, Infiniband Network Architecture, Addison-Wesley, 2000, ISBN 0-201-726823 , ISBN 0-201-726823zz (ошибоч.)
• GREGORY F. PFISTER, // High Performance Mass Storage and Parallel I/O: Technologies and Applications — Wiley, 2002, ISBN 978-0-471-20809-9 , pages 617—632.

Ссылки

• // Mellanox, 2009 (слайды)
• от 8 мая 2006 на Wayback Machine // МКА № 3, 2002
• Реклама: // PC Week Review: HPC-системы, февраль 2012