InfiniBand（IB）是由InfiniBand貿易協(xié)會（IBTA）建立的先進計算機網(wǎng)絡通信標準。它在高性能計算（HPC）中的廣泛采用歸功于它能夠為網(wǎng)絡傳輸提供卓越的吞吐量、帶寬和低延遲。

InfiniBand是計算系統(tǒng)內部和外部的關鍵數(shù)據(jù)連接。無論是通過直接鏈路還是通過網(wǎng)絡交換機進行互連，InfiniBand都有助于實現(xiàn)服務器到存儲和存儲到存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝阅芫W(wǎng)絡。InfiniBand網(wǎng)絡可擴展性允許通過交換網(wǎng)絡進行水平擴展，以滿足多樣化的網(wǎng)絡需求。隨著科學計算、人工智能（AI）和云數(shù)據(jù)中心的快速發(fā)展，InfiniBand在端到端高性能網(wǎng)絡的HPC超級計算應用中越來越受到青睞。

InfiniBand在超級計算機和HPC數(shù)據(jù)中心中的普及

2015年6月，InfiniBand在全球最強大的超級計算機500強名單中占據(jù)了驚人的51.8%，同比增長了15.8%。

在2022年6月的Top500榜單中，InfiniBand網(wǎng)絡再次占據(jù)了超級計算機互連設備的領先地位。與之前的榜單相比，InfiniBand網(wǎng)絡展現(xiàn)了在數(shù)量和性能方面的優(yōu)勢。主要趨勢包括：

基于InfiniBand的超級計算機以189個系統(tǒng)數(shù)量遙遙領先。

基于InfiniBand的超級計算機以59臺設備數(shù)量在前100個系統(tǒng)中占據(jù)主導地位。

英偉達（NVIDIA）GPU和網(wǎng)絡產(chǎn)品，尤其是邁絡思（Mellanox）HDR Quantum QM87xx交換機和BlueField DPU，在超過三分之二的超級計算機中占據(jù)了主導互連的地位。

除了傳統(tǒng)的HPC應用之外，InfiniBand網(wǎng)絡還廣泛用于企業(yè)級數(shù)據(jù)中心和公有云。例如，領先的企業(yè)超級計算機英偉達（NVIDIA）Selene和Microsoft的Azure公有云利用InfiniBand網(wǎng)絡提供卓越的業(yè)務性能。

在2023年11月的最新Top500榜單中，InfiniBand保持著領先位置，突顯了其持續(xù)增長的趨勢。InfiniBand在Top500排行榜中備受關注，主要是因為它具有卓越的性能優(yōu)勢。

InfiniBand網(wǎng)絡的優(yōu)勢

InfiniBand技術被認為是面向未來的高性能計算（HPC）標準，在超級計算機、存儲甚至LAN網(wǎng)絡的HPC連接方面享有很高的聲譽。InfiniBand技術擁有眾多優(yōu)勢，包括簡化管理、高帶寬、完全CPU卸載、超低延遲、集群可擴展性和靈活性、服務質量（QoS）、SHARP支持等。

輕松的網(wǎng)絡管理

InfiniBand代表了專為軟件定義網(wǎng)絡（SDN）打造的開創(chuàng)性網(wǎng)絡架構，并由子網(wǎng)管理器進行監(jiān)督。子網(wǎng)管理器負責配置本地子網(wǎng)，確保網(wǎng)絡無縫運行。為了管理流量，所有通道適配器和交換機都必須實現(xiàn)與子網(wǎng)管理器協(xié)作的子網(wǎng)管理代理（SMA）。在建立或切斷鏈接時，每個子網(wǎng)至少需要一個子網(wǎng)管理器進行初始設置和重新配置。仲裁機制用于指定主子網(wǎng)管理器，其他子網(wǎng)管理器在備用模式下運行。在備用模式下，每個子網(wǎng)管理器都會保留備份拓撲信息并驗證子網(wǎng)的運行狀態(tài)。如果主子網(wǎng)管理器發(fā)生故障，備用子網(wǎng)管理器將接管控制權，從而保證子網(wǎng)管理不間斷。

更高的帶寬

自從InfiniBand問世以來，其網(wǎng)絡數(shù)據(jù)速率一直超過以太網(wǎng)，主要是因為它在高性能計算中的服務器互連中得到了廣泛應用，滿足了對更高帶寬的需求。在2014年早期，流行的InfiniBand速率是40Gb/s QDR和56Gb/s FDR。目前，更高的InfiniBand速率，例如100Gb/s EDR和200Gb/s HDR，已被全球眾多超級計算機廣泛采用。最新的OpenAI工具ChatGPT的推出促使企業(yè)考慮在其高性能計算（HPC）系統(tǒng)中部署具有400Gb/s NDR數(shù)據(jù)速率的先進InfiniBand網(wǎng)絡產(chǎn)品，包括InfiniBand NDR交換機和光纜。

每種InfiniBand速率類型的縮寫如下：

SDR-單數(shù)據(jù)速率，8Gbps。

DDR-雙倍數(shù)據(jù)速率，10Gbps/16Gbps。

QDR-四倍數(shù)據(jù)速率，40Gbps/32Gbps。

FDR-十四倍數(shù)據(jù)率，56Gbps。

EDR-增強型數(shù)據(jù)速率，100Gbps。

HDR-高動態(tài)范圍，200Gbps。

NDR-下一代數(shù)據(jù)速率，400Gbps。

XDR-極致數(shù)據(jù)速率，800Gbps。

高效的CPU卸載

CPU卸載是增強計算性能的一項關鍵技術，而InfiniBand網(wǎng)絡架構通過以下方式以最少的CPU資源促進數(shù)據(jù)傳輸：

整個傳輸層協(xié)議棧的硬件卸載。

內核繞行，零拷貝。

RDMA（遠程直接內存訪問），一種將數(shù)據(jù)從一臺服務器的內存直接寫入另一臺服務器的內存的過程，無需CPU參與。

利用GPUDirect技術是另一種選擇，它允許直接訪問GPU內存中的數(shù)據(jù)，并加速數(shù)據(jù)從GPU內存?zhèn)鬏數(shù)狡渌?jié)點。此功能可提高人工智能（AI）、深度學習訓練、機器學習等計算應用程序的性能。

低延遲

InfiniBand和以太網(wǎng)之間的延遲對比可以分為兩個主要組成部分。首先，在交換機層面上，以太網(wǎng)交換機在網(wǎng)絡傳輸模型中作為第2層設備運行，通常采用MAC表查找尋址和存儲轉發(fā)機制（某些產(chǎn)品可能采用InfiniBand的直通技術）。以太網(wǎng)交換機中，IP、MPLS、QinQ和其他處理等復雜服務會導致處理持續(xù)時間延長，延遲測量結果通常以微秒為單位（直通支持可能超過200ns）。相比之下，InfiniBand交換機簡化了第2層處理，僅依靠16位LID轉發(fā)路徑信息。此外，采用直通技術可將轉發(fā)延遲顯著降低到100ns以下，已經(jīng)超過以太網(wǎng)交換機的速率。

如前所述，在網(wǎng)卡（NIC）層面，RDMA技術消除了網(wǎng)卡遍歷CPU進行消息轉發(fā)的需要。這種加速盡可能地減少了封裝和解封裝期間消息處理的延遲。通常，InfiniBand網(wǎng)卡的發(fā)送和接收延遲（寫入、發(fā)送）為600ns，而使用以太網(wǎng)的基于以太網(wǎng)TCP UDP應用程序的發(fā)送和接收延遲通常徘徊在10us左右。這導致InfiniBand和以太網(wǎng)之間的延遲差距超過10倍。

可擴展性和靈活性

InfiniBand網(wǎng)絡的一個重要優(yōu)勢在于其能夠在單個子網(wǎng)中部署多達48,000個節(jié)點，形成一個龐大的第二層網(wǎng)絡。此外，InfiniBand網(wǎng)絡避開了ARP等廣播機制，從而避免了廣播風暴和相關的額外帶寬浪費。多個InfiniBand子網(wǎng)的連接可通過路由器和交換機實現(xiàn)，展示了該技術在支持各種網(wǎng)絡拓撲方面的多功能性。

對于較小規(guī)模的情況，建議使用2層胖樹拓撲結構，而對于較大規(guī)模的情況，可以選擇3層胖樹網(wǎng)絡拓撲結構。在特定規(guī)模之上，可以采用經(jīng)濟高效的Dragonfly拓撲結構來進一步提升可擴展性。

服務質量（QoS）支持

在管理InfiniBand網(wǎng)絡時，如果各種應用程序共存于同一子網(wǎng)上，且具有不同的優(yōu)先級要求，那么提供服務質量（QoS）就成為一個關鍵因素。QoS表示為不同的應用程序、用戶或數(shù)據(jù)流提供不同優(yōu)先級服務的能力。在InfiniBand環(huán)境中，可以將高優(yōu)先級應用程序分配給特定的端口隊列，從而確保這些隊列中的消息得到優(yōu)先處理。

InfiniBand通過實施虛擬通道（VL）實現(xiàn)QoS。虛擬通道是共享公共物理鏈路的離散邏輯通信鏈路。每個VL能夠支持多達15個標準虛擬通道以及一個指定為VL15的管理通道。這種方法可以根據(jù)優(yōu)先級對流量進行有效隔離，從而允許在InfiniBand網(wǎng)絡內優(yōu)先傳輸高優(yōu)先級應用程序。

穩(wěn)定性和彈性

在理想情況下，網(wǎng)絡運行穩(wěn)定且沒有故障。然而，現(xiàn)實情況中長期運行的網(wǎng)絡偶爾會出現(xiàn)故障。為了解決這些挑戰(zhàn)并確?？焖倩謴停琁nfiniBand采用了一種稱為自我修復網(wǎng)絡的機制，這是一種集成到InfiniBand交換機中的硬件功能。

NVIDIA Mellanox InfiniBand解決方案包括InfiniBand交換機、網(wǎng)卡和邁絡思（Mellanox）線纜等硬件組件，利用自我修復網(wǎng)絡實現(xiàn)從鏈路故障中快速恢復。這種基于硬件的功能能夠在驚人的1ms內恢復鏈路故障，比正?；謴蜁r間快了5000倍。

優(yōu)化的負載均衡

提高網(wǎng)絡利用率是高性能數(shù)據(jù)中心的一項關鍵要求。在InfiniBand網(wǎng)絡中，一種有效的實現(xiàn)方法是負載均衡。

負載均衡是一種路由策略，可以在多個可用端口之間分配流量。其中自適應路由是一個關鍵特性，可以確保流量在交換機端口之間均勻分布。這個特性在交換機上得到硬件支持，并由自適應路由管理器進行管理。

當自適應路由處于活動狀態(tài)時，交換機上的隊列管理器將監(jiān)控所有組出口端口上的流量，均衡每個隊列上的負載，并將流量引導至未充分利用的端口。自適應路由可動態(tài)平衡負載，防止網(wǎng)絡擁塞并優(yōu)化網(wǎng)絡帶寬利用率。

網(wǎng)絡計算技術-SHARP

InfiniBand交換機還具有SHARP網(wǎng)絡計算技術，該技術代表可擴展的分層聚合和縮減協(xié)議。SHARP是集成到交換機硬件中的軟件，是一個集中管理的軟件包。

通過將聚合通信任務從CPU和GPU卸載到交換機，SHARP可以優(yōu)化這些通信。它可以防止節(jié)點之間的冗余數(shù)據(jù)傳輸，從而減少必須遍歷網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量。因此，SHARP顯著提高了加速計算的性能，尤其是在AI和機器學習等MPI應用中。

多樣化的網(wǎng)絡拓撲

InfiniBand支持各種網(wǎng)絡拓撲，如胖樹、Torus、Dragonfly+、Hypercube和HyperX，滿足網(wǎng)絡擴展、降低總擁有成本（TCO）、最小化延遲和延長傳輸距離等不同需求。

InfiniBand利用其無與倫比的技術優(yōu)勢，顯著簡化了高性能網(wǎng)絡架構，減輕了多級架構層次結構帶來的延遲。此功能為無縫升級關鍵計算節(jié)點的訪問帶寬提供了強大的支持。InfiniBand網(wǎng)絡因其高帶寬、低延遲以及與以太網(wǎng)的兼容性，越來越多地在各種場景中得到應用。

InfiniBand HDR產(chǎn)品解決方案簡介

隨著客戶端需求的不斷增長，100Gb/s EDR正逐漸退出市場。目前NDR的數(shù)據(jù)速率被認為過高，而HDR憑借其提供HDR100（100G）和HDR200（200G）的靈活性獲得廣泛采用。

InfiniBand HDR交換機

英偉達（NVIDIA）提供兩種類型的InfiniBand HDR交換機。第一種是HDR CS8500模塊化機箱交換機，這是一款29U交換機，提供多達800個HDR 200Gb/s端口。每個200G端口支持拆分為2X100G，最多支持1600個HDR100（100Gb/s）端口。第二種是QM87xx系列固定交換機，1U面板集成了40個200G QSFP56端口。這些端口可以拆分為多達80個HDR 100G端口，以連接到100G HDR網(wǎng)卡。同時，每個端口還向后支持EDR速率以連接100G EDR網(wǎng)卡卡。需要注意的是，單個200G HDR端口只能降速到100G連接EDR網(wǎng)卡，不能拆分成2X100G連接兩個EDR網(wǎng)卡。

200G HDR QM87xx交換機有兩種型號：MQM8700-HS2F和MQM8790-HS2F。這兩種型號之間的唯一區(qū)別在于管理方法。QM8700交換機具有支持帶外管理的管理端口，而QM8790交換機需要英偉達（NVIDIA）UFMR平臺進行管理。

對于QM8700和QM8790，每種交換機都提供兩種氣流選項。其中，MQM8790-HS2F交換機具有P2C（電源到線纜）氣流，可通過風扇模塊上的藍色標記來識別。如果忘記了顏色標記，也可以通過將手放在開關的進氣口和出風口前面來確定氣流方向。MQM8790-HS2R交換機采用C2P（線纜到電源）氣流，風扇模塊上有紅色標記。QM87xx系列交換機型號詳情如下：

CQM8700和QM8790交換機通常用于兩種連接應用。一種與200G HDR網(wǎng)卡連接，從而實現(xiàn)使用200G到200GAOC/DAC線纜的直接連接。另一種常見的應用是連接100G HDR網(wǎng)卡，需要使用200G轉2X100G線纜將交換機的物理200G（4X50G）QSFP56端口拆分為兩個虛擬100G（2X50G）端口。拆分后，端口符號從x/y轉換為x/Y/z，其中“x/Y”表示拆分前端口的原始符號，“z”表示單通道端口的編號（1,2），每個子物理端口被視為一個單獨的端口。

InfiniBand HDR網(wǎng)卡（NIC）

與HDR交換機相比，HDR網(wǎng)卡（NIC）種類繁多。關于速率，有兩種選擇：HDR100和HDR。

HDR100網(wǎng)卡支持100Gb/s的傳輸速率，兩個HDR100端口可以使用200G HDR轉2X100G HDR100線纜連接到HDR交換機。與100G EDR網(wǎng)卡相比，HDR100網(wǎng)卡的100G端口可以同時支持4X25G NRZ傳輸和2X50G PAM4傳輸。

200G HDR網(wǎng)卡支持200G的傳輸速率，可以使用200G直連線纜直接連接到交換機。

除了兩種接口數(shù)據(jù)速率外，每種速率的網(wǎng)卡都可以根據(jù)業(yè)務需求選擇單端口、雙端口和PCIe類型。常用的IB HDR網(wǎng)卡型號如下：

HDR InfiniBand網(wǎng)絡架構簡單明了，同時提供了多種硬件選項。對于100Gb/s速率，有100G EDR和100G HDR100解決方案。200Gb/s速率包括HDR和200G NDR200選項。各種應用中使用的交換機、網(wǎng)卡和附件存在顯著差異。InfiniBand高性能HDR和EDR交換機、智能網(wǎng)卡、納多德（NADDOD）/邁絡思（Mellanox）/思科（Cisco）/惠普（HPE）光纜&高速線纜&光模塊產(chǎn)品組合解決方案，為數(shù)據(jù)中心、高性能計算、邊緣計算、人工智能等應用場景提供更具優(yōu)勢和價值的光網(wǎng)絡產(chǎn)品和綜合解決方案。這大大增強了客戶的業(yè)務加速能力，成本低且性能優(yōu)異。

InfiniBand與以太網(wǎng)、光纖通道和Omni-Path有什么區(qū)別

InfiniBand與以太網(wǎng)

與眾不同的技術：InfiniBand和以太網(wǎng)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵通信技術，每種技術都適用于不同的應用。

歷史速率：InfiniBand的歷史數(shù)據(jù)傳輸速率從InfiniBand SDR 10Gb/s開始，超過了千兆以太網(wǎng)的初始速率。

當前主導地位：InfiniBand已經(jīng)發(fā)展成為主導地位，網(wǎng)絡速率達到了100G EDR或200G HDR，并且正在朝著更快的速率發(fā)展，比如400G NDR和800G XDR。

嚴格的延遲要求：InfiniBand遵守嚴格的延遲要求，接近零延遲。

理想應用：InfiniBand在需要快速和精確數(shù)據(jù)處理的應用中表現(xiàn)出色，在超級計算中得到廣泛應用，適用于大容量數(shù)據(jù)分析、機器學習、深度學習訓練、推理、對話式AI、預測和預測等任務。

以太網(wǎng)的作用：盡管速率相對較慢，以太網(wǎng)以其高可靠性而聞名，非常適合需要穩(wěn)定可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)應用。

速率和可靠性的差異：這些技術之間的主要差異在于它們的速率和可靠性。在高性能計算網(wǎng)絡中，InfiniBand優(yōu)先用于需要快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽贸绦?，而以太網(wǎng)的可靠性使其更適合在LAN網(wǎng)絡中進行一致的數(shù)據(jù)傳輸。

InfiniBand與光纖通道

存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）中的光纖通道：光纖通道主要用于存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN），專門用于數(shù)據(jù)中心環(huán)境中的服務器、存儲設備或客戶端節(jié)點之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。

安全通道技術：光纖通道采用專用的安全通道技術，確保快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

存儲解決方案的多功能性：光纖通道是一種可靠且可擴展的技術，廣泛用于企業(yè)存儲解決方案。

區(qū)分數(shù)據(jù)傳輸類型：InfiniBand和光纖通道之間的主要區(qū)別在于它們通常支持的數(shù)據(jù)傳輸類型。

更好選擇：在局域網(wǎng)環(huán)境中，以太網(wǎng)被用于客戶端和服務器之間的連接，而光纖通道在存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）中的存儲應用方面表現(xiàn)出色。與此同時，InfiniBand作為一種創(chuàng)新技術，用于連接CPU和內存組件，支持集群和與I/O控制器的連接。

InfiniBand與Omni-Path

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的演變：盡管英偉達（NVIDIA）推出了InfiniBand 400G NDR解決方案，但一些用戶仍在繼續(xù)使用100G EDR解決方案。Omni-Path和InfiniBand都是以100Gb/s速率運行的高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的常見選擇。

網(wǎng)絡結構區(qū)別：雖然這兩種技術提供相似的性能，但Omni-Path和InfiniBand的網(wǎng)絡結構有很大不同。舉例來說，使用InfiniBand的400節(jié)點集群只需要15臺英偉達（NVIDIA）Quantum 8000系列交換機和特定線纜，而Omni-Path需要24臺交換機和大量有源光纜。

InfiniBand EDR解決方案的優(yōu)勢：與Omni-Path相比，InfiniBand EDR解決方案在設備成本、運營和維護成本以及總體功耗方面具有顯著優(yōu)勢。這使得InfiniBand成為更環(huán)保的選擇。

審核編輯：黃飛