數(shù)據(jù)中心能夠完全滿足AI規(guī)模應(yīng)用的要求呢？

數(shù)智時代的最大特點，就是AI人工智能的廣泛應(yīng)用。

進入21世紀以來，移動通信、光通信、云計算、大數(shù)據(jù)等ICT技術(shù)蓬勃發(fā)展，推動了企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)據(jù)，變成了企業(yè)最核心的資產(chǎn)。

企業(yè)將這些數(shù)據(jù)資產(chǎn)全部存儲并運行在數(shù)據(jù)中心之上。隨著數(shù)字化的不斷深入，數(shù)據(jù)規(guī)模變得越來越龐大。

2025年新增的數(shù)據(jù)量將達到180ZB

（數(shù)據(jù)來源：華為GIV）

傳統(tǒng)的軟件算法，根本無法處理如此海量的數(shù)據(jù)（更何況，其中95%以上都是語音、視頻等非機構(gòu)化數(shù)據(jù)）。于是，我們找來了能力更強的幫手，那就是——AI（人工智能）。

AI可以完成海量無效數(shù)據(jù)的篩選和有用信息的自動重組，從而大幅提升數(shù)據(jù)價值的挖掘效率，幫助用戶更高效地進行決策。

然而，想要利用好這個神器，我們需要三大要素的支持，那就是算法、算力和數(shù)據(jù)。

AI算法強不強，訓(xùn)練是關(guān)鍵。深度學習的算法訓(xùn)練，離不開海量的樣本數(shù)據(jù)，以及高性能的計算能力。

在存儲能力方面，從HDD（機械硬盤）到SSD（高速閃存盤），再到SCM（存儲級內(nèi)存），介質(zhì)時延降低了100倍以上，可以滿足高性能數(shù)據(jù)實時存取需求。

在計算能力方面，從CPU到GPU，再到專用的AI芯片，處理數(shù)據(jù)的能力也提升了100倍以上。

那么，這是否意味著數(shù)據(jù)中心能夠完全滿足AI規(guī)模應(yīng)用的要求呢？

別急著說是，我們不能忘了一個重要的性能制約因素，那就是——網(wǎng)絡(luò)通信能力。

事實上，網(wǎng)絡(luò)通信能力確實拖了存儲能力和計算能力的后腿。數(shù)據(jù)顯示，在存儲介質(zhì)和計算處理器演進之后，網(wǎng)絡(luò)通信時延已經(jīng)成為了數(shù)據(jù)中心性能提升的瓶頸。通信時延在整個存儲E2E（端到端）時延中占比，已經(jīng)從10%躍遷到60%以上。

也就是說，寶貴的存儲介質(zhì)有一半以上的時間是在等待通信空閑；而昂貴的處理器，也有一半時間在等待通信同步。

網(wǎng)絡(luò)通信能力，已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心形成了木桶效應(yīng)，變成了木桶的短板。

█ 數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)，到底出了什么問題？

上世紀70年代，TCP/IP和以太網(wǎng)技術(shù)相繼誕生。

它們成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單，為互聯(lián)網(wǎng)的早期發(fā)展做出了巨大貢獻。

但是，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急劇膨脹，傳統(tǒng)TCP/IP和以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)跟不上時代的步伐，它們落后的架構(gòu)設(shè)計，反而制約了互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。

2010年后，數(shù)據(jù)中心的業(yè)務(wù)類型逐漸聚焦為三種，分別是高性能計算業(yè)務(wù)（HPC），存儲業(yè)務(wù)和一般業(yè)務(wù)。

這三種業(yè)務(wù)，對于網(wǎng)絡(luò)有不同的訴求。比如HPC業(yè)務(wù)的多節(jié)點進程間通信，對于時延要求非常高；而存儲業(yè)務(wù)，對通信可靠性的要求非常高，網(wǎng)絡(luò)需要實現(xiàn)絕對的0丟包；一般業(yè)務(wù)的規(guī)模巨大，擴展性強，要求網(wǎng)絡(luò)低成本易擴展。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)可以適用于一般業(yè)務(wù)，但是無法應(yīng)對高性能計算和存儲業(yè)務(wù)。于是，業(yè)界發(fā)展出了Infiniband（直譯為“無限帶寬”技術(shù)，縮寫為IB）網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)對有低時延要求的網(wǎng)絡(luò)IPC通信；發(fā)展出了FC（Fibre Channel，光纖通道）網(wǎng)絡(luò)，提供高可靠0丟包的存儲網(wǎng)絡(luò)。

IB專網(wǎng)和FC專網(wǎng)的性能很強，但是價格昂貴，是以太網(wǎng)的數(shù)倍。而且，兩種專網(wǎng)需要專人運維，會帶來更高的維護成本。

是不是有辦法，將三種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢進行結(jié)合呢？有沒有一種網(wǎng)絡(luò)，可以同時實現(xiàn)高吞吐、低時延和0丟包？

這里，我先賣個關(guān)子，不揭曉答案。我們回過頭來，看看TCP/IP協(xié)議棧的痛點。

傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧，實在是太老了。它的很多致命問題，都是與生俱來的。比如說它的時延，還有它對CPU的占用。

為了解決問題，專家們提出了一種新型的通信機制——RDMA（Remote Direct Memory Access，遠程直接數(shù)據(jù)存取），用于取代TCP/IP。

RDMA相當于是一個快速通道技術(shù)，在數(shù)據(jù)傳輸時延和CPU占用率方面遠遠強于TCP/IP，逐漸成為主流的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。

RDMA有兩類網(wǎng)絡(luò)承載方案，分別是專用InfiniBand和傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)。

InfiniBand是一種封閉架構(gòu)，交換機是特定廠家提供的專用產(chǎn)品，采用私有協(xié)議，無法兼容現(xiàn)網(wǎng)，加上對運維的要求過于復(fù)雜，并不是用戶的合適選擇。

除了InfiniBand之外，那就只剩下傳統(tǒng)以太網(wǎng)了。

那比較尷尬的是，RDMA對丟包率的要求極高。0.1%的丟包率，將導(dǎo)致RDMA吞吐率急劇下降。2%的丟包率，將使得RDMA的吞吐率下降為0。

而傳統(tǒng)以太網(wǎng)，工作機制是“盡力而為”，丟包是家常便飯。

又回到了前面那個問題：我們究竟有沒有0丟包、高吞吐的新型開放以太網(wǎng)，用于支撐低延時RDMA的高效運行呢？

Duang！答案揭曉——

辦法當然是有的，那就是來自華為的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)智能無損技術(shù)。

█ 華為的零丟包秘技

華為的智能無損技術(shù)到底有何神通，可以解決困擾傳統(tǒng)以太網(wǎng)已久的丟包問題？

其實，想要實現(xiàn)零丟包，首先要搞清楚網(wǎng)絡(luò)為什么會產(chǎn)生丟包。

網(wǎng)絡(luò)丟包的基本原因其實很簡單，就是發(fā)生了溢出——網(wǎng)絡(luò)流量超過了數(shù)據(jù)中心交換機的處理和緩存能力。

應(yīng)對溢出，業(yè)界通用的做法，就是控制發(fā)送端的發(fā)送速度，從而避免超過交換機處理能力的擁塞形成。

具體來說，就是在交換機端口設(shè)置報文緩存隊列，一旦隊列長度超過某一個閾值（擁塞水線），對擁塞報文進行擁塞標記，流目的端向源端發(fā)送降速信號，即顯式擁塞通知ECN（Explicit Congestion Notification）。

源端收到通知，從而降低發(fā)送速度，規(guī)避擁塞。

我們可以看出，這個閾值的設(shè)置非常關(guān)鍵。它決定了對報文進行擁塞標記的時機，是網(wǎng)絡(luò)中是否會發(fā)生擁塞的決定性因素。

閾值的設(shè)置，是一門非常深的學問。

如果設(shè)置太保守，就會降速太多，影響系統(tǒng)吞吐能力。如果設(shè)置太激進，則無法達到無損的效果。

更關(guān)鍵的是，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型是多樣且變化的，有時候需要高吞吐，有時候又需要低時延。即便是有經(jīng)驗的專家，好不容易花了幾天的時間，設(shè)置好了最佳水線位置，結(jié)果它又變了，咋整？

于是，華為想到了最適合干這個活的角色，那就是——AI。

早在2012年，華為為了應(yīng)對未來數(shù)據(jù)洪水挑戰(zhàn)，投入了數(shù)十個科學家，啟動新一代無損網(wǎng)絡(luò)的研究。

經(jīng)過多年的潛心鉆研和探索，他們搞出了獨具創(chuàng)新的iLossless智能無損算法方案。這是一個通過人工智能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化的AI算法。

華為iLossless智能無損算法以Automatic ECN為核心，并首次在超高速數(shù)據(jù)中心交換機引入深度強化學習DRL（Deep Reinforcement Learning）。

對比傳統(tǒng)靜態(tài)閾值配置僵化，無法動態(tài)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的缺點，Automatic ECN為以太網(wǎng)的流量調(diào)度提供了智能預(yù)測能力，可以根據(jù)當前流量狀態(tài)精準預(yù)測下一刻的擁塞狀態(tài)，提前做好預(yù)留和準備。

基于iLossless智能無損算法，華為發(fā)布了超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)CloudFabric 3.0解決方案，引領(lǐng)智能無損進入1.0時代。

2022年，華為超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)探索，提出了更強大的智能無損網(wǎng)算一體技術(shù)和創(chuàng)新直連拓撲架構(gòu)，可實現(xiàn)270k大規(guī)模算力樞紐網(wǎng)絡(luò)（組網(wǎng)規(guī)模4倍于業(yè)界，可助力構(gòu)建E級和10E級大型和超大型算力樞紐），時延在智能無損1.0的基礎(chǔ)上，可進一步降低25%。

華為的智能無損2.0，基于在網(wǎng)計算（In-network computing）和拓撲感知（Topology-Aware Computing）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和計算協(xié)同。一方面，網(wǎng)絡(luò)參與計算信息的匯聚和同步，減少計算信息同步的次數(shù)；另一方面，通過調(diào)度確保計算節(jié)點就近完成計算任務(wù)，減少通信跳數(shù)，進一步降低應(yīng)用時延。

以MPI_allreduce為例，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)僅做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不參與計算過程，華為超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)可有效降低時延，提升計算效率27%。

華為超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)解決方案，為數(shù)據(jù)中心構(gòu)建了統(tǒng)一融合網(wǎng)絡(luò)，取代了此前的三種不同類型網(wǎng)絡(luò)（LAN、SAN、IPC），大幅減少了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運維成本，總成本TCO下降了53%。AI業(yè)務(wù)的運行效率，則提升了30%以上。

█ 智能無損技術(shù)的積累沉淀

近年來，華為圍繞智能無損網(wǎng)絡(luò)和iLossless智能無損算法，接連發(fā)布了多個產(chǎn)品和解決方案。

2018年10月，華為就發(fā)布了AI Fabric極速以太網(wǎng)解決方案，幫助客戶構(gòu)建與傳統(tǒng)以太網(wǎng)兼容的RDMA網(wǎng)絡(luò)，引領(lǐng)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)進入極速無損的高性能時代。

2019年1月，華為又發(fā)布了業(yè)界首款面向AI時代的數(shù)據(jù)中心交換機CloudEngine 16800，承載了iLossLess智能無損交換算法，實現(xiàn)流量模型自適應(yīng)自優(yōu)化，從而在零丟包的基礎(chǔ)上，獲得更低時延和更高吞吐的網(wǎng)絡(luò)性能。

2021年6月，華為發(fā)布全無損以太存儲網(wǎng)絡(luò)解決方案（NoF+）。該方案基于OceanStor Dorado全閃存存儲系統(tǒng)和CloudEngine數(shù)據(jù)中心存儲網(wǎng)絡(luò)交換機構(gòu)建，可實現(xiàn)存儲場景端到端數(shù)據(jù)加速，充分釋放全閃存性能潛力。

除了自身積極進行技術(shù)研究和產(chǎn)品化之外，華為還積極推動相關(guān)技術(shù)標準的成熟。

2021年8月，華為發(fā)布的智能無損技術(shù)論文《ACC: Automatic ECN Tuning for High-Speed Datacenter Networks》（高性能數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中的ECN動態(tài)調(diào)優(yōu)）入選全球網(wǎng)絡(luò)通信頂級會議ACM SIGCOMM 2021，得到業(yè)界專家的一致認可，具有世界級技術(shù)影響力。

在華為主導(dǎo)下，IEEE 802成立了Nendica（“Network Enhancements for the Next Decade” Industry Connections Activity）工作組，聯(lián)合業(yè)界共同探討以太網(wǎng)技術(shù)標準發(fā)展的新方向，為智能無損網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提供了理論研究的開放土壤。

█ 智能無損技術(shù)的落地實踐

經(jīng)過實際項目驗證并獲得客戶認可的技術(shù)，才是可靠的技術(shù)。

華為的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)CloudFabric 3.0解決方案，已經(jīng)在金融、政府、超算中心、智算中心等客戶廣泛應(yīng)用。包括中國銀行、云南農(nóng)信、華夏銀行、湖北移動、中科院高能物理研究所、武漢人工智能計算中心、鵬城實驗室等在內(nèi)的眾多高端用戶，都是華為智能無損技術(shù)的使用者。

中國銀行聯(lián)合華為打造的新一代智能無損存儲網(wǎng)絡(luò)“RoCE-SAN”，結(jié)合中行具體的應(yīng)用場景，實現(xiàn)了智能緩存管理、逐流精準控速、故障高可用秒級切換的技術(shù)創(chuàng)新突破，滿足金融級高可用存儲網(wǎng)絡(luò)要求。

中科院高能物理研究所通過與華為的聯(lián)合創(chuàng)新，采用零丟包以太網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了由數(shù)萬顆CPU核構(gòu)成的跨地域的高性能計算環(huán)境，很好地滿足了高能物理領(lǐng)域?qū)λ懔Φ男枨蟆?/p>

某互聯(lián)網(wǎng)巨頭布局無人駕駛，無人駕駛技能的訓(xùn)練涉及到大量的AI計算：1天采集的數(shù)據(jù)，需要幾百的GPU服務(wù)器7天才能訓(xùn)練完，嚴重影響無人駕駛的上市時間。通過華為的智能無損技術(shù)，最終使得整體訓(xùn)練的時長縮短40%，加速無人駕駛的商用進程。

除了豐富的行業(yè)落地案例，華為智能無損技術(shù)還獲得了大量的行業(yè)獎項：

2018年6月，日本Interop展Best of Show Award金獎

2020年12月，中國銀行業(yè)金融科技應(yīng)用成果大賽“最佳解決方案獎”

2021年4月，日本Interop展Best of Show Award 2020銀獎

2021年5月，2021數(shù)博會領(lǐng)先科技成果獎之“黑科技”類別

2021年10月，高性能計算領(lǐng)域 “融合架構(gòu)創(chuàng)新獎”

2022年3月，中國通信學會科學技術(shù)獎特等獎

……

這些來自專業(yè)領(lǐng)域的認可，更加證明了華為基于智能無損技術(shù)的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)解決方案，在領(lǐng)導(dǎo)力和先進性方面居于行業(yè)領(lǐng)先地位。

█ 結(jié)語

從邏輯上來看，華為基于智能無損技術(shù)的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)解決方案，是將AI技術(shù)在數(shù)據(jù)中心進行落地，用AI賦能數(shù)據(jù)中心，再用數(shù)據(jù)中心，去支撐AI應(yīng)用。這是一種非常有趣的良性循環(huán)，引領(lǐng)了整個ICT行業(yè)的智能化潮流。

這個方案是為算力時代量身定制的，可以很好地滿足算力時代計算、存儲、業(yè)務(wù)等多種場景數(shù)據(jù)流通的需要。

放眼未來，AI與數(shù)據(jù)中心的深度融合，將完美支撐企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所需的算力需求，加速數(shù)據(jù)存儲和處理過程，幫助企業(yè)快速決策，加快邁入數(shù)智時代。

本著“將通信科普到底”的原則，今天，我再繼續(xù)聊一下這個話題。

故事還是要從頭開始說起。

1973年夏天，兩名年輕的科學家（溫頓·瑟夫和羅伯特卡恩）開始致?于在新?的計算機?絡(luò)中，尋找?種能夠在不同機器之間進行通訊的?法。

不久后，在一本黃?的便簽本上，他們畫出了TCP/IP協(xié)議族的原型。

幾乎在同時，施樂公司的梅特卡夫和博格思，發(fā)明了以太網(wǎng)（Ethernet）。

我們現(xiàn)在都知道，互聯(lián)網(wǎng)的最早原型，是老美搞出來的ARPANET（阿帕網(wǎng)）。

ARPANET最開始用的協(xié)議超爛，滿足不了計算節(jié)點規(guī)模增長的需求。于是，70年代末，大佬們將ARPANET的核心協(xié)議替換成了TCP/IP（1978年）。

進入80年代末，在TCP/IP技術(shù)的加持下，ARPANET迅速擴大，并衍生出了很多兄弟姐妹。這些兄弟姐妹互相連啊連啊，就變成了舉世聞名的互聯(lián)網(wǎng)。

可以說，TCP/IP技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，是互聯(lián)網(wǎng)早期崛起的基石。它們成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，便于開發(fā)、部署，為計算機網(wǎng)絡(luò)的普及做出了巨大貢獻。

但是后來，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的急劇膨脹，傳統(tǒng)TCP/IP和以太網(wǎng)技術(shù)開始顯現(xiàn)疲態(tài)，無法滿足互聯(lián)網(wǎng)大帶寬、高速率的發(fā)展需求。

最開始出現(xiàn)問題的，是存儲。

早期的存儲，大家都知道，就是機器內(nèi)置硬盤，通過IDE、SCSI、SAS等接口，把硬盤連到主板上，通過主板上的總線（BUS），實現(xiàn)CPU、內(nèi)存對硬盤數(shù)據(jù)的存取。

后來，存儲容量需求越來越大，再加上安全備份的考慮（需要有RAID1/RAID5），硬盤數(shù)量越來越多，若干個硬盤搞不定，服務(wù)器內(nèi)部也放不下。于是，就有了磁陣。

磁陣就是專門放磁盤的設(shè)備，一口子插幾十塊那種。

硬盤數(shù)據(jù)存取，一直都是服務(wù)器的瓶頸。開始的時候，用的是網(wǎng)線或?qū)Ｓ秒娎|連接服務(wù)器和磁陣，很快發(fā)現(xiàn)不夠用。于是，就開始用光纖。這就是FC通道（Fibre Channel，光纖通道）。

2000年左右，光纖通道還是比較高大上的技術(shù)，成本不低。

當時，公共通信網(wǎng)絡(luò)（骨干網(wǎng)）的光纖技術(shù)處于在SDH 155M、622M的階段，2.5G的SDH和波分技術(shù)才剛起步，沒有普及。后來，光纖才開始爆發(fā)，容量開始迅速躍升，向10G（2003）、40G（2010）、100G（2010）、400G（現(xiàn)在）的方向發(fā)展。

光纖不能用于數(shù)據(jù)中心的普通網(wǎng)絡(luò)，那就只能繼續(xù)用網(wǎng)線，還有以太網(wǎng)。

好在那時服務(wù)器之間的通信要求還沒有那么高。100M和1000M的網(wǎng)線，勉強能滿足一般業(yè)務(wù)的需求。2008年左右，以太網(wǎng)的速率才勉強達到了1Gbps的標準。

2010年后，又出幺蛾子。

除了存儲之外，因為云計算、圖形處理、人工智能、超算還有比特幣等亂七八糟的原因，人們開始盯上了算力。

摩爾定律的逐漸疲軟，已經(jīng)無法支持CPU算力的提升需求。牙膏越來越難擠，于是，GPU開始崛起。使用顯卡的GPU處理器進行計算，成為了行業(yè)的主流趨勢。

得益于AI的高速發(fā)展，各大企業(yè)還搞出了AI芯片、APU、xPU啊各自五花八門的算力板卡。

算力極速膨脹（100倍以上），帶來的直接后果，就是服務(wù)器數(shù)據(jù)吞吐量的指數(shù)級增加。

除了AI帶來的變態(tài)算力需求之外，數(shù)據(jù)中心還有一個顯著的變化趨勢，那就是服務(wù)器和服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流量急劇增加。

互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展、用戶數(shù)猛漲，傳統(tǒng)的集中式計算架構(gòu)無法滿足需求，開始轉(zhuǎn)變?yōu)?strong>分布式架構(gòu)。

舉例來說，現(xiàn)在618，大家都在血拼。百八十個用戶，一臺服務(wù)器就可以，千萬級億級，肯定不行了。所以，有了分布式架構(gòu)，把一個服務(wù)，放在N個服務(wù)器上，分開算。

分布式架構(gòu)下，服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)流量大大增加了。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的流量壓力陡增，數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)中心之間也是一樣。

這些橫向（專業(yè)術(shù)語叫東西向）的數(shù)據(jù)報文，有時候還特別大，一些圖形處理的數(shù)據(jù)，包大小甚至是Gb級別。

綜上原因，傳統(tǒng)以太網(wǎng)根本搞不定這么大的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和時延（高性能計算，對時延要求極高）需求。所以，少數(shù)廠家就搞了一個私有協(xié)議的專用網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)，也就是Infiniband網(wǎng)絡(luò)（直譯為“無限帶寬”技術(shù)，縮寫為IB）。

FCvsIBvs 以太網(wǎng)

IB技術(shù)時延極低，但是造價成本高，而且維護復(fù)雜，和現(xiàn)有技術(shù)都不兼容。所以，和FC技術(shù)一樣，只在特殊的需求下使用。

算力高速發(fā)展的同時，硬盤不甘寂寞，搞出了SSD固態(tài)硬盤，取代機械硬盤。內(nèi)存嘛，從DDR到DDR2、DDR3、DDR4甚至DDR5，也是一個勁的猥瑣發(fā)育，增加頻率，增加帶寬。

處理器、硬盤和內(nèi)存的能力爆發(fā)，最終把壓力轉(zhuǎn)嫁到了網(wǎng)卡和網(wǎng)絡(luò)身上。

學過計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的同學都知道，傳統(tǒng)以太網(wǎng)是基于“載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）”的機制，極容易產(chǎn)生擁塞，導(dǎo)致動態(tài)時延升高，還經(jīng)常發(fā)生丟包。

TCP/IP協(xié)議的話，服役時間實在太長，都40多年的老技術(shù)了，毛病一大堆。

舉例來說，TCP協(xié)議棧在接收/發(fā)送報文時，內(nèi)核需要做多次上下文切換，每次切換需要耗費5us~10us左右的時延。另外，還需要至少三次的數(shù)據(jù)拷貝和依賴CPU進行協(xié)議封裝。

這些協(xié)議處理時延加起來，雖然看上去不大，十幾微秒，但對高性能計算來說，是無法忍受的。

除了時延問題外，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)需要主機CPU多次參與協(xié)議棧內(nèi)存拷貝。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，帶寬越高，CPU在收發(fā)數(shù)據(jù)時的調(diào)度負擔就越大，導(dǎo)致CPU持續(xù)高負載。

按照業(yè)界測算數(shù)據(jù)：每傳輸1bit數(shù)據(jù)需要耗費1Hz的CPU，那么當網(wǎng)絡(luò)帶寬達到25G以上（滿載）的時候，CPU要消費25GHz的算力，用于處理網(wǎng)絡(luò)。大家可以看看自己的電腦CPU，工作頻率是多少。

那么，是不是干脆直接換個網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就行呢？

不是不行，是難度太大。

CPU、硬盤和內(nèi)存，都是服務(wù)器內(nèi)部硬件，換了就換了，和外部無關(guān)。

但是通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是外部互聯(lián)技術(shù)，是要大家協(xié)商一起換的。我換了，你沒換，網(wǎng)絡(luò)就嗝屁了。

全世界互聯(lián)網(wǎng)同時統(tǒng)一切換技術(shù)協(xié)議，你覺得可不可能？

不可能。所以，就像現(xiàn)在IPv6替換IPv4，就是循序漸進，先雙棧（同時支持v4和v6），然后再慢慢淘汰v4。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的物理通道，光纖替換網(wǎng)線，還稍微容易一點，先小規(guī)模換，再逐漸擴大。換了光纖后，網(wǎng)絡(luò)的速度和帶寬上的問題，得以逐漸緩解。

網(wǎng)卡能力不足的問題，也比較好解決。既然CPU算不過來，那網(wǎng)卡就自己算唄。于是，就有了現(xiàn)在很火的智能網(wǎng)卡。某種程度來說，這就是算力下沉。

搞5G核心網(wǎng)的同事應(yīng)該很熟悉，5G核心網(wǎng)媒體面網(wǎng)元UPF，承擔了無線側(cè)上來的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，壓力極大。

現(xiàn)在，UPF網(wǎng)元就采用了智能網(wǎng)卡技術(shù)，由網(wǎng)卡自己進行協(xié)議處理，緩解CPU的壓力，流量吞吐還更快。

如何解決數(shù)據(jù)中心通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的問題呢？專家們想了半天，還是決定硬著頭皮換架構(gòu)。他們從服務(wù)器內(nèi)部通信架構(gòu)的角度，重新設(shè)計一個方案。

在新方案里，應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，不再經(jīng)過CPU和復(fù)雜的操作系統(tǒng)，直接和網(wǎng)卡通信。

這就是新型的通信機制——RDMA（Remote Direct Memory Access，遠程直接數(shù)據(jù)存取）。

RDMA相當于是一個“消滅中間商”的技術(shù)，或者說“走后門”技術(shù)。

RDMA的內(nèi)核旁路機制，允許應(yīng)用與網(wǎng)卡之間的直接數(shù)據(jù)讀寫，將服務(wù)器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸時延降低到接近1us。 同時，RDMA的內(nèi)存零拷貝機制，允許接收端直接從發(fā)送端的內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，極大的減少了CPU的負擔，提升CPU的效率。 RDMA的能力遠遠強于TCP/IP，逐漸成為主流的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧，將來一定會取代TCP/IP。

RDMA有兩類網(wǎng)絡(luò)承載方案，分別是專用InfiniBand和傳統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)。

RDMA最早提出時，是承載在InfiniBand網(wǎng)絡(luò)中。

但是，InfiniBand是一種封閉架構(gòu)，交換機是特定廠家提供的專用產(chǎn)品，采用私有協(xié)議，無法兼容現(xiàn)網(wǎng)，加上對運維的要求過于復(fù)雜，并不是用戶的合理選擇。

于是，專家們打算把RDMA移植到以太網(wǎng)上。

比較尷尬的是，RDMA搭配傳統(tǒng)以太網(wǎng)，存在很大問題。

RDMA對丟包率要求極高。0.1%的丟包率，將導(dǎo)致RDMA吞吐率急劇下降。2%的丟包率，將使得RDMA的吞吐率下降為0。

InfiniBand網(wǎng)絡(luò)雖然貴，但是可以實現(xiàn)無損無丟包。所以RDMA搭配InfiniBand，不需要設(shè)計完善的丟包保護機制。 現(xiàn)在好了，換到傳統(tǒng)以太網(wǎng)環(huán)境，以太網(wǎng)的人生態(tài)度就是兩個字——“擺爛”。以太網(wǎng)發(fā)包，采取的是“盡力而為”的原則，丟包是家常便飯，丟了就再傳。

于是，專家們必須解決以太網(wǎng)的丟包問題，才能實現(xiàn)RDMA向以太網(wǎng)的移植。再于是，就有了前天文章提到的，華為的超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)智能無損技術(shù)。

說白了，就是讓以太網(wǎng)做到零丟包，然后支撐RDMA。有了RDMA，就能實現(xiàn)超融合數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)于零丟包技術(shù)的細節(jié)，我不再贅述，大家看前天那篇文章（再給一遍鏈接：這里）。

值得一提的是，引入AI的網(wǎng)絡(luò)智能無損技術(shù)是華為的首創(chuàng)，但超融合數(shù)據(jù)中心，是公共的概念。除了華為之外，別的廠家（例如深信服、聯(lián)想等）也講超融合數(shù)據(jù)中心，而且，這個概念在2017年就很熱了。

什么叫超融合？

準確來說，超融合就是一張網(wǎng)絡(luò)，通吃HPC高性能計算、存儲和一般業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)類型。處理器、存儲、通信，全部都是超融合管理的資源，大家平起平坐。

超融合不僅要在性能上滿足這些低時延、大帶寬的變態(tài)需求，還要有低成本，不能太貴，也不能太難維護。

未來，數(shù)據(jù)中心在整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，就是葉脊網(wǎng)絡(luò)一條路走到黑（到底什么是葉脊網(wǎng)絡(luò)？）。路由交換調(diào)度上，SDN、IPv6、SRv6慢慢發(fā)展。微觀架構(gòu)上，RDMA技術(shù)發(fā)展，替換TCP/IP。物理層上，全光繼續(xù)發(fā)展，400G、800G、1.2T…

我個人臆測，目前電層光層的混搭，最終會變成光的大一統(tǒng)。光通道到全光交叉之后，就是滲透到服務(wù)器內(nèi)部，服務(wù)器主板不再是普通PCB，而是光纖背板。芯片和芯片之間，全光通道。芯片內(nèi)部，搞不好也是光。

光通道是王道

路由調(diào)度上，以后都是AI的天下，網(wǎng)絡(luò)流量啊協(xié)議啊全部都是AI接管，不需要人為干預(yù)。大量的通信工程師下崗。





審核編輯：劉清